竖井掘进机及竖井施工方法与流程

1.本发明涉及隧道施工技术领域，进一步的，涉及一种竖井掘进机及竖井施工方法，尤其涉及一种可回退式竖井掘进机及施工方法。

背景技术：

2.在沿海、沿江地区有大量火力发电厂、核电站及石油化工厂等，需要大量的取排水隧道提供冷却水并排放污水，因此，需要在每条海底隧道上设置多个取排水竖井用于接入海水。

3.目前，深海取排水竖井施工主要的难点在于：

4.一、竖井密封防水，要求施工过程中各个竖井不存在渗漏的情况，通常采用筑岛围堰法等方法用以防水或者隔水，在围护结构内施工竖井，该施工方法受海上环境影响大、费用高及工期长；

5.二、深埋硬质地层，竖井主隧洞埋深通常在海床面以下20m，地质环境复杂(频遇硬质或软硬不均地层)，通常采用旋挖钻超前破碎的施工方法，该施工方法同样存在受海上环境影响大、费用高及工期长的问题；

6.三、多井连续施工，为提高多井施作效率，通常投入多台设备同步施工，设备费用较高。

7.针对相关技术中水下竖井施作效率低、设备密封效果不佳的问题，目前尚未给出有效的解决方案。

8.由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种竖井掘进机及竖井施工方法，以克服现有技术的缺陷。

技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种竖井掘进机及竖井施工方法，利用封头可解决掘进设备的密封防水问题，为竖井水下施工提供了参考。

10.本发明的另一目的在于提供一种竖井掘进机及竖井施工方法，可实现掘进设备向井内的回退，避免了掘进设备单次施作多个竖井时的长距离周转问题，整体提高了多井施工效率。

11.本发明的目的可采用下列方案来实现：

12.本发明提供了一种竖井掘进机，所述竖井掘进机包括上盾体和下盾体，所述上盾体包括：

13.外壳，所述外壳呈竖向设置且顶部和底部分别开口的筒状结构，所述外壳的底部与所述下盾体的顶部连接；

14.折叠刀盘，所述折叠刀盘能上下移动地设置于所述外壳的顶部开口处；

15.封头，所述封头可打开、可闭合地设置于所述外壳的顶部开口处；

16.所述封头处于打开状态，所述折叠刀盘由所述外壳的顶部开口向上移动并伸出至

所述外壳的上方，所述折叠刀盘展开，以通过所述折叠刀盘向上开挖地层；所述折叠刀盘能向下移动并在折叠后退回至所述外壳的内部，所述封头处于闭合状态，以使所述封头密封罩设于所述外壳的顶部开口处。

17.在本发明的一较佳实施方式中，所述上盾体还包括中间壳，所述中间壳呈竖向设置且顶部和底部分别开口的筒状结构，所述中间壳设置于所述外壳的内部且与所述外壳连接，所述中间壳的外壁与所述外壳的内壁之间具有间隙，当所述封头打开时，所述封头位于所述间隙内；当所述封头闭合时，所述封头向上转动并由所述间隙内移动至所述外壳的顶部开口的上方。

18.在本发明的一较佳实施方式中，所述外壳的内壁和中间壳的外壁均为球形面，以在所述中间壳的外壁与所述外壳的内壁之间形成球形的间隙，所述封头至少包括两个封头组件，所述两个封头组件的形状与所述间隙的形状相配合，当所述封头打开时，所述两个封头组件能分别向下转动至所述间隙内；当所述封头闭合时，所述两个封头组件分别向上转动并组合形成半球形的封头；

19.所述两个封头组件通过第一转轴铰接于所述中间壳上，所述第一转轴通过传动装置与第一驱动电机连接，以带动所述两个封头组件的打开或闭合。

20.在本发明的一较佳实施方式中，所述中间壳的内壁上设置有第一容置槽，所述第一容置槽内设置有传动装置和第一驱动电机，所述传动装置为蜗轮蜗杆结构，所述第一驱动电机的输出轴通过所述蜗轮蜗杆结构与所述第一转轴连接。

21.在本发明的一较佳实施方式中，所述两个封头组件的闭合位置设置有相配合的嵌合结构以及第一密封垫，当所述封头闭合时，所述两个封头组件在闭合位置处密封连接。

22.在本发明的一较佳实施方式中，所述上盾体还包括内壳，所述内壳呈竖向设置且顶部和底部分别开口的筒状结构，所述内壳能上下移动地设置于所述中间壳的内部，所述折叠刀盘设置于所述内壳的顶部。

23.在本发明的一较佳实施方式中，所述内壳的外壁与所述中间壳的内壁之间设置有多个第二密封垫，以对所述内壳的外壁与所述中间壳的内壁之间进行密封。

24.在本发明的一较佳实施方式中，所述竖井掘进机还包括托架，所述托架通过钢索线能上下移动地吊设于所述下盾体的内部，所述托架的下方设置有止退件，所述止退件分别与所述下盾体的内壁和所述托架的底部能拆卸地连接，所述内壳设置于所述托架的顶部，当卸下所述止退件后，通过所述钢索线可带动所述内壳和所述折叠刀盘上下移动。

25.在本发明的一较佳实施方式中，所述托架的顶部与所述内壳的底部之间设置有多个伸缩油缸，所述多个伸缩油缸沿所述内壳的周向间隔分布。

26.在本发明的一较佳实施方式中，所述中间壳的内壁上沿所述中间壳的轴向开设有长条形的多个第二容置槽，所述多个第二容置槽沿所述中间壳的周向分布；

27.所述第二容置槽的顶部内壁上设置有滑轮，所述钢索线绕过所述滑轮的顶部，所述钢索线的两端均向所述滑轮的下方延伸，且所述钢索线的两端分别与所述托架的顶部和位于主隧道内的卷扬机连接。

28.在本发明的一较佳实施方式中，所述托架呈环形结构，所述托架的中间位置留有供渣土向下排放的中心孔，所述托架的顶部边缘沿所述托架的周向设置有环状的连接部，所述连接部的顶部设置有多个吊耳，各所述吊耳的位置与各所述滑轮的位置在竖向上相

对，以使所述钢索线的一端与所述吊耳连接。

29.在本发明的一较佳实施方式中，所述折叠刀盘包括刀盘主体和多个折叠部，所述多个折叠部沿所述刀盘主体的周向间隔分布，且所述多个折叠部分别通过第二转轴铰接于所述刀盘主体的边缘；

30.所述刀盘主体的掘进面上和所述多个折叠部的掘进面上均设置有刀具，当所述折叠刀盘处于展开状态时，以通过所述刀盘主体的掘进面上和所述多个折叠部的掘进面上的刀具向上开挖地层；

31.所述刀盘主体的直径小于所述中间壳的内径，当所述折叠刀盘处于展开状态时，所述多个折叠部以所述第二转轴为轴向上翻转至与所述刀盘主体的掘进面相贴合的位置，以使所述折叠刀盘能向下移动并退回至所述中间壳的内部。

32.本发明提供了一种竖井施工方法，所述竖井施工方法包括如下步骤：

33.步骤s1：在预设掘进位置上打开封头，折叠刀盘由外壳的顶部开口向上移动并伸出至所述外壳的上方，所述折叠刀盘处于展开状态，并由主隧道向上开挖地层至预设高度；

34.步骤s2：所述折叠刀盘由所述外壳的顶部开口向下移动，所述折叠刀盘折叠后并退回至外壳的内部；

35.步骤s3：闭合所述封头，以使所述封头密封罩设于所述外壳的顶部开口处；

36.步骤s4：所述折叠刀盘回退至所述主隧道内。

37.在本发明的一较佳实施方式中，所述步骤s4之后，还包括：

38.步骤s5：对回退至所述主隧道内的所述折叠刀盘重新配备封头和外壳；

39.步骤s6：重复所述步骤s1至所述步骤s4，在下一预设位置上进行竖井掘进作业；

40.步骤s7：全部竖井掘进完毕后，撤离竖井掘进设备；

41.步骤s8：向所述主隧道内注水，以平衡竖井与所述竖井外部之间的压力。

42.由上所述，本发明的竖井掘进机及竖井施工方法的特点及优点是：在外壳的顶部开口处设置有能上下移动的折叠刀盘，并且在外壳的顶部开口处设置有可打开、可闭合的封头，当封头处于打开状态时，折叠刀盘可由外壳的顶部开口向上移动并伸出至外壳的上方，折叠刀盘展开，以通过折叠刀盘向上开挖地层；折叠刀盘能向下移动并在折叠后退回至外壳的内部，封头处于闭合状态，以使封头密封罩设于外壳的顶部开口处，从而形成密封自防水结构，对处于外壳内的折叠刀盘以及相关掘进设备起到密封防水的作用，保证施工安全，确保水下竖井施工的顺利进行，有效提高水下竖井施工的工作效率。

附图说明

43.以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

44.其中：

45.图1：为本发明竖井掘进机的结构示意图。

46.图2：为本发明竖井掘进机的分解图。

47.图3：为本发明竖井掘进机中封头与中间壳的连接结构示意图。

48.图4：为本发明竖井施工方法中竖井掘进机的动作示意图之一。

49.图5：为本发明竖井施工方法中竖井掘进机的动作示意图之二。

50.图6：为本发明竖井施工方法中竖井掘进机的动作示意图之三。

51.图7：为本发明竖井施工方法中竖井掘进机的动作示意图之四。

52.图8：为本发明竖井施工方法中竖井掘进机的动作示意图之五。

53.图9：为本发明竖井施工方法中主隧道内的结构示意图。

54.图10：为本发明竖井施工方法中竖井成型后的结构示意图。

55.本发明中的附图标号为：

56.1、外壳；

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2、中间壳；

57.3、内壳；

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4、封头；

58.401、第一转轴；

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402、封头组件；

59.5、下盾体；

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6、折叠刀盘；

60.601、刀盘主体；

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602、折叠部；

61.603、第二转轴；

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7、夹管阀；

62.8、第二驱动电机；

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9、伸缩油缸；

63.10、托架；

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1001、吊耳；

64.1002、中心孔；

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11、滑轮；

65.12、钢索线；

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13、第二密封垫；

66.14、止退件；

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15、传动装置；

67.16、第一容置槽；

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17、第二容置槽；

68.18、管片；

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19、主隧道；

69.20、取排水头；

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21、顶升油缸；

70.22、台车；

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23、台架；

71.2301、销轴。

具体实施方式

72.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

73.在说明书中所述的上、下、顶、底等具有指示方向性的词语，均以图1中上、下、顶、底等方向为准，在此一并说明。

74.实施方式一

75.如图1至图8所示，本发明提供了一种竖井掘进机，该竖井掘进机包括上盾体和下盾体5，其中，上盾体包括外壳1、折叠刀盘6和封头4，外壳1呈竖向设置且顶部和底部分别开口的圆筒状结构，外壳1的底部与下盾体5的顶部连接；折叠刀盘6能上下移动地设置于外壳1的顶部开口处；封头4可打开、可闭合地设置于外壳1的顶部开口处；当封头4处于打开状态时，折叠刀盘6由外壳1的顶部开口向上移动并伸出至外壳1的上方，此时，折叠刀盘6在上移过程中展开，以通过折叠刀盘6向上开挖地层；当完成地层的开挖后，折叠刀盘6能向下移动并在下移过程中折叠，折叠刀盘6在折叠后退回至外壳1的内部，此时，可使封头4处于闭合状态，以使封头4密封罩设于外壳1的顶部开口处。

76.本发明在外壳1的顶部开口处设置有能上下移动的折叠刀盘6，并且在外壳1的顶部开口处设置有可打开、可闭合的封头4，当封头4处于打开状态时，折叠刀盘6可由外壳1的顶部开口向上移动并伸出至外壳1的上方，折叠刀盘6在上移过程中展开，以通过折叠刀盘6

向上开挖地层；折叠刀盘6能向下移动并在折叠后退回至外壳1的内部，封头4处于闭合状态，以使封头4密封罩设于外壳1的顶部开口处，从而在外壳1的顶部开口处形成密封自防水结构，对处于外壳1内的折叠刀盘6以及相关掘进设备起到密封防水的作用，确保水下竖井施工的安全、顺利进行，有效提高水下竖井施工的工作效率。

77.在本发明的一个可选实施例中，如图1至图7所示，上盾体还包括中间壳2，中间壳2呈竖向设置且顶部和底部分别开口的筒状结构，中间壳2设置于外壳1的内部，中间壳2的底部与外壳1底部之间通过多根螺栓固定连接，多根螺栓沿中间壳2的周向间隔且均匀分布。中间壳2的外壁与外壳1的内壁之间具有间隙，当封头4打开时，封头4位于中间壳2的外壁与外壳1的内壁之间的间隙内；当封头4闭合时，封头4向上转动并由间隙内移动至外壳1的顶部开口的上方，从而封头4能够罩设于外壳1的顶部开口处。

78.进一步的，如图1至图7所示，外壳1的内壁和中间壳2的外壁均为球形面，以在中间壳2的外壁与外壳1的内壁之间形成球形的间隙，封头4至少包括两个封头组件402，两个封头组件402的形状与间隙的形状相配合，当封头4打开时，两个封头组件402能分别向下转动至间隙内，从而不会对外壳1的顶部开口进行密封，折叠刀盘6可由外壳1的顶部开口向上移动并伸出至外壳1的上方；当封头4闭合时，两个封头组件402分别向上转动并组合形成半球形的封头4，从而使封头4能够密封罩设于外壳1的顶部开口处。其中，外壳1由至少两个弧形结构的外壳组件拼接形成，两个外壳组件对称设置，从而拼接形成圆筒状的外壳1，通过外壳1的拼接结构便于对封头4的拆装。

79.具体的，在中间壳2周向上的两相对位置分别开设有第一通孔(未示出)，在两个封头组件402的两端分别开设有第二通孔(未示出)，第一通孔与对应的第二通孔相贯通，在第一通孔与对应的第二通孔内设置有第一转轴401，通过第一转轴401将两个封头组件402铰接于中间壳2上，第一转轴401通过传动装置15与第一驱动电机(未示出)连接，通过第一驱动电机与传动装置15相配合带动第一转轴401转动，从而可带动两个封头组件402的打开或闭合。

80.进一步的，如图3所示，在中间壳2的内壁上且周向相对的位置分别开设有第一容置槽16，传动装置15和第一驱动电机设置于第一容置槽16内，传动装置15可为但不限于蜗轮蜗杆结构，蜗轮固定套设于第一转轴401上，蜗轮上的齿与蜗杆上的齿相啮合，蜗杆与第一驱动电机的输出轴连接，在第一驱动电机的带动下蜗轮蜗杆结构进行传动，从而带动第一转轴401转动，进而使两个封头组件402可向上转动并形成密闭的整体，起到密封防水的作用。其中，相对设置于两个第一容置槽16内的第一驱动电机可分别控制不同的封头组件402，从而可带动两个封头组件402相不同的方向转动，实现两个封头组件402的闭合。

81.进一步的，在两个封头组件402的闭合位置设置有相配合的嵌合结构(或咬合结构)，并且在两个封头组件402的闭合位置设置有第一密封垫，当封头4闭合时，使得两个封头组件402在闭合位置处密封连接，保证两个封头组件402闭合后的密封性，达到折叠刀盘6以及相关掘进设备与外壳1外部的水层相隔离的目的，起到密封防水的效果。其中，第一密封垫的形状可根据两个封头组件402的闭合位置的形状进行调整，使得第一密封垫与两个封头组件402的闭合位置相适配、达到密封的作用即可，而第一密封垫的具体形状在此不做限定。另外，两个封头组件402上相配合的嵌合结构(或咬合结构)，可为但不限于可相互啮合(或咬合)的齿状凸台和凹槽，当封头4闭合时，两个封头组件402上的凸台和凹槽相嵌合

(或咬合)，从而提高密封效果，而嵌合结构(或咬合结构)的具体结构在此不做限定。

82.在本发明的一个可选实施例中，如图1、图2、图4至图7所示，上盾体还包括内壳3，内壳3呈竖向设置且顶部和底部分别开口的圆筒状结构，内壳3能上下移动地设置于中间壳2的内部，折叠刀盘6设置于内壳3的顶部，在施工过程中，通过调整内壳3在竖向上的位置，即可对折叠刀盘6的上下移动位置进行调整。

83.进一步的，如图4至图7所示，内壳3的外壁与中间壳2的内壁之间设置有多个第二密封垫13，多个第二密封垫13均呈环形结构，多个第二密封垫13密封夹设于内壳3的外壁与中间壳2的内壁之间，多个第二密封垫13沿中间壳2的轴向间隔排布，通过多个第二密封垫13对内壳3的外壁与中间壳2的内壁之间进行密封，从而避免封头4在打开状态下(即：折叠刀盘6向上掘进过程中)外界泥水渗漏进入至掘进机的内部或者已建好的竖井内。

84.在本发明的一个可选实施例中，如图1、图2、图4至图7所示，竖井掘进机还包括托架10，托架10通过钢索线12能上下移动地吊设于下盾体5的内部，托架10的下方设置有止退件14，止退件14分别与下盾体5的内壁和托架10的底部能拆卸地连接，内壳3设置于托架10的顶部，当卸下止退件14后，通过钢索线12可带动内壳3和折叠刀盘6上下移动。止退件14可为但不限于角钢，止退件14的数量为多个，多个止退件14沿内壳3的周向间隔分布，通过螺栓将止退件14分别与下盾体5和托架10连接，从而可对托架10在下盾体5内的位置进行限位，托架10用于对掘进设备(如：折叠刀盘6和内壳3)起到支撑的作用。

85.需要说明的是，折叠刀盘6在向上顶升切削地层过程中，地层会传递给折叠刀盘6一定的反扭矩，为抵消该反扭矩的作用，在内壳3的下部外壁上和托架10的内壁上分别设置沿竖向延伸的矩形凹槽(未示出)和凸块(未示出)，凸块能沿凹槽上下滑动地嵌设于凹槽内，通过凹槽和凸块相配合能够实现对托架10的周向定位，从而使得地层会传递给折叠刀盘6的反扭矩能够依次通过托架10、止退件14、下盾体5和位于下盾体5下方的管片18所形成的路径传递并消散至地层中，从而起到抵消反扭矩的作用。

86.进一步的，如图1、图2、图4至图7所示托架10的顶部与内壳3的底部之间设置有多个伸缩油缸9，多个伸缩油缸9沿内壳3的周向间隔分布。通过多个伸缩油缸9相配合可控制内壳3和折叠刀盘6在竖向上的位置，从而实现折叠刀盘6的上移和回退动作。

87.进一步的，如图3至图7所示，中间壳2的内壁上沿中间壳2的轴向开设有长条形的多个第二容置槽17，多个第二容置槽17沿中间壳2的周向分布；第二容置槽17的顶部内壁上设置有滑轮11，托架10与下盾体5的内壁之间留存有一定间隙空间，以便通过该间隙空间可供钢索线12穿过，钢索线12绕过滑轮11的顶部，钢索线12的两端均向滑轮11的下方延伸，且钢索线12的一端与托架10的顶部连接，钢索线12的另一端与位于主隧道19内的卷扬机连接。通过卷扬机可拉动钢索线12，从而实现托架10、内壳3以及折叠刀盘6的上移和回退动作。其中，滑轮11可为但不限于固定设置于第二容置槽17的顶部内壁上的定滑轮。

88.具体的，如图3至图7所示，托架10呈环形结构，托架10的中间位置留有供渣土向下排放的中心孔1002，托架10的顶部边缘沿托架10的周向设置有环状的连接部，连接部的顶部设置有多个吊耳1001，多个吊耳1001沿托架10的周向间隔分布，各吊耳1001的位置与各滑轮11的位置在竖向上相对，以使钢索线12的一端与吊耳1001连接。

89.在本发明的一个可选实施例中，如图1、图2、图4至图7所示，折叠刀盘6包括刀盘主体601和多个折叠部602，多个折叠部602沿刀盘主体601的周向间隔分布，且多个折叠部602

分别通过第二转轴603铰接于刀盘主体601的边缘；刀盘主体601的掘进面上和多个折叠部602的掘进面上均设置有刀具，当折叠刀盘6处于展开状态时，以通过刀盘主体601的掘进面上和多个折叠部602的掘进面上的刀具向上开挖地层；刀盘主体601的直径小于中间壳2的内径，当折叠刀盘6处于展开状态时，多个折叠部602以第二转轴603为轴向上翻转至与刀盘主体601的掘进面相贴合的位置，以使折叠刀盘6能向下移动并退回至中间壳2的内部。

90.进一步的，如图1、图2、图4至图7所示，刀盘主体601的底部设置有驱动折叠刀盘6转动的第二驱动电机8。

91.进一步的，如图1、图4至图7所示，刀盘主体601的底部的中间位置设置有夹管阀7，折叠刀盘6切削地层所产生的渣土可通过夹管阀7输送至刀盘主体601的下方。

92.在本发明的一个可选实施例中，如图9所示，主隧道19内设置有台车22，卷扬机设置于台车22上；台车22上还设置有多个顶升油缸21和台架23，台架23的顶部设置有可抽插的多个销轴2301，通过多个顶升油缸21推动管片18向上移动，当管片18向上移动至预设高度位置时，多个销轴2301可插入至管片18上的止退孔内，从而替换顶升油缸21对管片18起到支撑的作用；位于顶部的管片18与下盾体5的底部相抵。在管片18拼接过程中，折叠刀盘6向上开挖预设距离后，位于主隧道19内的台架23上的销轴2301插入至管片18上的止退孔内，用于支撑管片18及掘进设备，然后向下回退顶升油缸21，将新增设的管片18放置于顶升油缸21的顶部，并控制顶升油缸21向上顶升新增设的管片18与其上方且相邻的一环管片18的底部相抵；然后，将销轴2301与管片18分离，控制顶升油缸21向上顶升掘进机设备和管片18上移，实现竖井掘进作业和管片的拼接，通过台架23与顶升油缸21的交替配合作业，实现竖井向上施工。

93.本发明的竖井掘进机的特点及优点是：

94.一、该竖井掘进机中，当封头4处于打开状态时，折叠刀盘6可由外壳1的顶部开口向上移动并伸出至外壳1的上方，折叠刀盘6在上移过程中展开，以通过折叠刀盘6向上开挖地层；折叠刀盘6能向下移动并在折叠后退回至外壳1的内部，封头4处于闭合状态，以使封头4密封罩设于外壳1的顶部开口处，从而在外壳1的顶部开口处形成密封自防水结构，对处于外壳1内的折叠刀盘6以及相关掘进设备起到密封防水的作用，确保水下竖井施工的安全、顺利进行，有效提高水下竖井施工的工作效率。

95.二、该竖井掘进机中，通过滑轮11、钢索线12以及卷扬机的配合，能够实现托架10和折叠刀盘6回退至主隧道19内，避免了掘进设备单次施作多个竖井时的长距离周转问题，整体提高了多井施工效率，与现有技术相比，转场效率和安全性均大大提高，施工速度更快。

96.实施方式二

97.本发明提供了一种竖井施工方法，该竖井施工方法包括如下步骤：

98.步骤s1：设备向上施作竖井：如图4所示，在预设掘进位置上打开封头4，折叠刀盘6由外壳1的顶部开口向上移动并伸出至外壳1的上方，折叠刀盘6处于展开状态，并由主隧道19向上开挖地层至预设高度；

99.具体的，如图9所示，通过顶升油缸21和台架23交替对管片18进行支撑并推动新增设的管片18上移，通过第二驱动电机8带动折叠刀盘6旋转开挖地层，并通过夹管阀7控制渣土的外排，在达到开挖地层至预设高度后，可拆除掘进设备上的管线。

100.步骤s2：折叠刀盘6收缩回退：如图5所示，折叠刀盘6由外壳1的顶部开口向下移动，折叠刀盘6折叠后并退回至外壳1的内部；

101.具体的，位于托架10上的伸缩油缸9向下回缩使掘进设备(如：折叠刀盘6和内壳3)向下缓慢回退，此时折叠刀盘6在外壳1顶部边缘的阻挡下多个折叠部602向上翻转至与刀盘主体601的掘进面相贴合的位置，以使折叠刀盘6能向下移动并退回至中间壳2的内部。

102.步骤s3：封头4闭合防水：如图6所示，闭合封头4，以使封头4密封罩设于外壳1的顶部开口处；

103.具体的，掘进设备向下回退到位(即：折叠刀盘6下移至外壳1内)后，通过第二驱动电机8带动传动装置15和第一转轴401转动，从而带动两封头组件402向相靠近方向转动至两封头组件402闭合形成一个密闭的整体，使掘进设备与外壳1外部的水层(外界海水)相隔离，从而达到密封防水的目的。

104.步骤s4：掘进设备井内回退：如图7、图8所示，折叠刀盘6回退至主隧道19内。

105.具体的，封头4闭合后，将止退件14逐个拆除，通过卷扬机拉动钢索线12穿过滑轮11沿竖井轴线缓慢向下吊放托架10，通过托架10运输掘进设备一同向下实现井内回退，直至掘进设备回退至竖井底部的主隧道19内的台车22上。

106.步骤s5：重新装配：对回退至主隧道19内的折叠刀盘6重新配备封头4和外壳1；

107.具体的，掘进设备回退至主隧道19后，重新在折叠刀盘6的外周安装外壳装置(如：外壳1、封头4、中间壳2等)。

108.步骤s6：多竖井连续施工：重复步骤s1至步骤s4，在下一预设位置上进行竖井掘进作业。

109.步骤s7：全部竖井掘进完毕后，撤离竖井掘进设备；

110.步骤s8：向主隧道19内注水，以平衡竖井与竖井外部之间的压力。

111.具体的，如图10所示，待预设位置上的所有竖井全部施作完成后，掘进设备及台车22全部从主隧道19撤离，然后向主隧道19内注水，通过注水以平衡竖井内部与其上部海水之间的压力，待主隧道19内注满水后可安排潜水员潜入海底将外壳装置(如：外壳1、封头4、中间壳2等)与管片18进行拆离并在竖井的井口处设置取排水头20，拆除后的外壳装置可回收利用。其中，取排水头20位于竖井的井口位置(即：海底)，取排水头20(又称为：钢格栅取排水头)为现有结构件,取排水头20主要用于取排水，将取排水头20设置为格栅结构是为了防止海床面上较大的物体(如：海洋垃圾、海洋植物等)进入竖井内造成堵塞；竖井的底部连接既有的主隧道19(主隧道19水平设置)，主隧道19与发电厂、核电站相连，在需要取排水时，可通过主隧道19以及多个竖井作为取排水通道，达到取排水需求。

112.一、该竖井施工方法中，通过封头4可在外壳1的顶部开口处形成密封自防水结构，对处于外壳1内的折叠刀盘6以及相关掘进设备起到密封防水的作用，确保水下竖井施工的安全、顺利进行，有效提高水下竖井施工的工作效率。

113.二、该竖井施工方法中，通过滑轮11、钢索线12以及卷扬机的配合，能够实现托架10和折叠刀盘6回退至主隧道19内，与现有技术相比，转场效率和安全性均大大提高，施工速度更快。

114.三、该竖井施工方法中，采用刀盘掘进、中心出渣的方式，与现有垂直顶升掘进技术相比，顶升力较小，适用于深埋硬质地层的竖井掘进施工。

115.四、该竖井施工方法中，外壳1、中间壳2以及封头4等设备可回收再利用，节约施工和设备成本。

116.以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。技术特征：

1.一种竖井掘进机，其特征在于，所述竖井掘进机包括上盾体和下盾体，所述上盾体包括：外壳，所述外壳呈竖向设置且顶部和底部分别开口的筒状结构，所述外壳的底部与所述下盾体的顶部连接；折叠刀盘，所述折叠刀盘能上下移动地设置于所述外壳的顶部开口处；封头，所述封头可打开、可闭合地设置于所述外壳的顶部开口处；所述封头处于打开状态，所述折叠刀盘由所述外壳的顶部开口向上移动并伸出至所述外壳的上方，所述折叠刀盘展开，以通过所述折叠刀盘向上开挖地层；所述折叠刀盘能向下移动并在折叠后退回至所述外壳的内部，所述封头处于闭合状态，以使所述封头密封罩设于所述外壳的顶部开口处。2.如权利要求1所述的竖井掘进机，其特征在于，所述上盾体还包括中间壳，所述中间壳呈竖向设置且顶部和底部分别开口的筒状结构，所述中间壳设置于所述外壳的内部且与所述外壳连接，所述中间壳的外壁与所述外壳的内壁之间具有间隙，当所述封头打开时，所述封头位于所述间隙内；当所述封头闭合时，所述封头向上转动并由所述间隙内移动至所述外壳的顶部开口的上方。3.如权利要求2所述的竖井掘进机，其特征在于，所述外壳的内壁和中间壳的外壁均为球形面，以在所述中间壳的外壁与所述外壳的内壁之间形成球形的间隙，所述封头至少包括两个封头组件，所述两个封头组件的形状与所述间隙的形状相配合，当所述封头打开时，所述两个封头组件能分别向下转动至所述间隙内；当所述封头闭合时，所述两个封头组件分别向上转动并组合形成半球形的封头；所述两个封头组件通过第一转轴铰接于所述中间壳上，所述第一转轴通过传动装置与第一驱动电机连接，以带动所述两个封头组件的打开或闭合。4.如权利要求3所述的竖井掘进机，其特征在于，所述中间壳的内壁上设置有第一容置槽，所述第一容置槽内设置有传动装置和第一驱动电机，所述传动装置为蜗轮蜗杆结构，所述第一驱动电机的输出轴通过所述蜗轮蜗杆结构与所述第一转轴连接。5.如权利要求3所述的竖井掘进机，其特征在于，所述两个封头组件的闭合位置设置有相配合的嵌合结构以及第一密封垫，当所述封头闭合时，所述两个封头组件在闭合位置处密封连接。6.如权利要求2所述的竖井掘进机，其特征在于，所述上盾体还包括内壳，所述内壳呈竖向设置且顶部和底部分别开口的筒状结构，所述内壳能上下移动地设置于所述中间壳的内部，所述折叠刀盘设置于所述内壳的顶部。7.如权利要求6所述的竖井掘进机，其特征在于，所述内壳的外壁与所述中间壳的内壁之间设置有多个第二密封垫，以对所述内壳的外壁与所述中间壳的内壁之间进行密封。8.如权利要求6所述的竖井掘进机，其特征在于，所述竖井掘进机还包括托架，所述托架通过钢索线能上下移动地吊设于所述下盾体的内部，所述托架的下方设置有止退件，所述止退件分别与所述下盾体的内壁和所述托架的底部能拆卸地连接，所述内壳设置于所述托架的顶部，当卸下所述止退件后，通过所述钢索线可带动所述内壳和所述折叠刀盘上下移动。9.如权利要求8所述的竖井掘进机，其特征在于，所述托架的顶部与所述内壳的底部之

间设置有多个伸缩油缸，所述多个伸缩油缸沿所述内壳的周向间隔分布。10.如权利要求8所述的竖井掘进机，其特征在于，所述中间壳的内壁上沿所述中间壳的轴向开设有长条形的多个第二容置槽，所述多个第二容置槽沿所述中间壳的周向分布；所述第二容置槽的顶部内壁上设置有滑轮，所述钢索线绕过所述滑轮的顶部，所述钢索线的两端均向所述滑轮的下方延伸，且所述钢索线的两端分别与所述托架的顶部和位于主隧道内的卷扬机连接。11.如权利要求10所述的竖井掘进机，其特征在于，所述托架呈环形结构，所述托架的中间位置留有供渣土向下排放的中心孔，所述托架的顶部边缘沿所述托架的周向设置有环状的连接部，所述连接部的顶部设置有多个吊耳，各所述吊耳的位置与各所述滑轮的位置在竖向上相对，以使所述钢索线的一端与所述吊耳连接。12.如权利要求2所述的竖井掘进机，其特征在于，所述折叠刀盘包括刀盘主体和多个折叠部，所述多个折叠部沿所述刀盘主体的周向间隔分布，且所述多个折叠部分别通过第二转轴铰接于所述刀盘主体的边缘；所述刀盘主体的掘进面上和所述多个折叠部的掘进面上均设置有刀具，当所述折叠刀盘处于展开状态时，以通过所述刀盘主体的掘进面上和所述多个折叠部的掘进面上的刀具向上开挖地层；所述刀盘主体的直径小于所述中间壳的内径，当所述折叠刀盘处于展开状态时，所述多个折叠部以所述第二转轴为轴向上翻转至与所述刀盘主体的掘进面相贴合的位置，以使所述折叠刀盘能向下移动并退回至所述中间壳的内部。13.一种竖井施工方法，其特征在于，所述竖井施工方法包括如下步骤：步骤s1：在预设掘进位置上打开封头，折叠刀盘由外壳的顶部开口向上移动并伸出至所述外壳的上方，所述折叠刀盘处于展开状态，并由主隧道向上开挖地层至预设高度；步骤s2：所述折叠刀盘由所述外壳的顶部开口向下移动，所述折叠刀盘折叠后并退回至外壳的内部；步骤s3：闭合所述封头，以使所述封头密封罩设于所述外壳的顶部开口处；步骤s4：所述折叠刀盘回退至所述主隧道内。14.如权利要求13所述的竖井施工方法，其特征在于，所述步骤s4之后，还包括：步骤s5：对回退至所述主隧道内的所述折叠刀盘重新配备封头和外壳；步骤s6：重复所述步骤s1至所述步骤s4，在下一预设位置上进行竖井掘进作业；步骤s7：全部竖井掘进完毕后，撤离竖井掘进设备；步骤s8：向所述主隧道内注水，以平衡竖井与所述竖井外部之间的压力。

技术总结

本发明为一种竖井掘进机及竖井施工方法，该竖井掘进机包括上盾体和下盾体，上盾体包括外壳、折叠刀盘和封头，外壳呈竖向设置且顶部和底部分别开口的筒状结构，外壳的底部与下盾体的顶部连接；折叠刀盘能上下移动地设置于外壳的顶部开口处；封头可打开、可闭合地设置于外壳的顶部开口处；封头处于打开状态，折叠刀盘由外壳的顶部开口向上移动并伸出至外壳的上方，折叠刀盘展开，以通过折叠刀盘向上开挖地层；折叠刀盘能向下移动并在折叠后退回至外壳的内部，封头处于闭合状态，以使封头密封罩设于外壳的顶部开口处。本发明解决了水下竖井施作效率低、设备密封效果不佳的技术问题。设备密封效果不佳的技术问题。设备密封效果不佳的技术问题。

技术研发人员：贾连辉 王亚威 毕程程 白中坤 李应飞 赵修旺 李洋 朱毅 崔宇琛

受保护的技术使用者：中铁工程装备集团有限公司

技术研发日：2022.12.15

技术公布日：2023/3/21