可变断面竖井开挖设备及施工方法

权利要求书： 1.一种可变断面竖井开挖设备，包括管节（3）、管节提拉装置（1）和管节辅推装置（2），管节提拉装置（1）和管节辅推装置（2）分别设置在地面井口圈梁（7）上，管节（3）与管节辅推装置（2）相配合，其特征在于，所述管节提拉装置（1）与管节（3）相连接，管节（3）与开挖装置相连接，开挖装置分别与管线延伸装置（4）和渣土分离装置（5）相连接，渣土分离装置（5）与管线延伸装置（4）相配合；

所述开挖装置包括盾体（602）、圆周回转装置（605）、刀盘平移装置（604）和刀盘装置，盾体（602）设置在始发竖井内且盾体（602）与管节（3）相连接，圆周回转装置（605）设置在盾体（602）内侧，刀盘平移装置（604）滑动设置在圆周回转装置（605）内，刀盘装置与刀盘平移装置（604）可拆卸连接且刀盘装置分别与管线延伸装置（4）中的管线（401）和渣土分离装置（5）相连；

所述盾体（602）包括固定盾体、伸缩油缸和伸缩盾体，伸缩盾体通过伸缩油缸滑动设置在固定盾体内；所述固定盾体与管节（3）相连接，圆周回转装置（605）设置在固定盾体内部；

所述刀盘平移装置（604）包括滑移架、支撑连接装置和平移油缸，滑移架滑动设置在滑动轨道上，滑移架分别与刀盘装置和支撑连接装置相连接，支撑连接装置设置在回转体的下方；所述平移油缸的一端与滑移架相连接，平移油缸的另一端与回转体相连接；

所述刀盘装置包括刀盘（601）、摆动架、动力单元和摆动油缸，刀盘（601）通过转动轴承与动力单元相连接且刀盘（601）通过法兰结构与动力单元相连接，动力单元与摆动架固定连接，摆动架分别与摆动油缸和刀盘平移装置（604）中的滑移架可拆卸连接，摆动油缸与滑移架可拆卸连接。

2.根据权利要求1所述的可变断面竖井开挖设备，其特征在于，所述盾体（602）、刀盘装置、刀盘平移装置（604）和圆周回转装置（605）整体为装配式结构。

3.根据权利要求1或2所述的可变断面竖井开挖设备，其特征在于，所述圆周回转装置（605）包括上支撑、回转体和下支撑，上支撑固定在固定盾体上部，下支撑固定在固定盾体内部，回转体滑动安装在上支撑和下支撑之间；所述上支撑上固定设置有大齿圈，回转体上设置有驱动单元，驱动单元与小齿轮相连接，小齿轮与大齿圈相啮合；所述回转体上设置有滑动轨道，滑动轨道上滑动设置有刀盘平移装置（604）。

4.根据权利要求3所述的可变断面竖井开挖设备，其特征在于，所述摆动架上安装有渣土输送管道（8），渣土输送管道（8）与渣土分离装置（5）相连接，渣土输送管道（8）的吸渣口与刀盘（601）最下部相对应设置，管线延伸装置（4）通过管线（401）与刀盘（601）相连接且渣土输送管道（8）设置在管线延伸装置（4）上。

5.一种可变断面竖井开挖设备的施工方法，其特征在于，利用权利要求1 4任一项所述~

的可变断面竖井开挖设备，包括以下步骤：S1、首先开挖出具有一定深度的始发竖井，并对井口周边进行硬化处理形成井口圈梁（7），然后在始发竖井内安装开挖装置；并且在井口圈梁（7）上布置管节提拉装置（1）、管节辅推装置（2）、管线延伸装置（4）和渣土分离装置（5），并将管线延伸装置（4）和渣土分离装置（5）分别与开挖装置连接；

S2、在开挖装置安装调试完成后，调整竖井开挖装置的姿态，随后在竖井开挖装置盾体（602）中的固定盾体上方拼装第一环管节，第一环管节拼装完成后，将第一环管节与管节提拉装置（1）连接起来；

S3、随后通过控制刀盘装置中的摆动油缸和刀盘平移装置（604）中的平移油缸调整刀盘（601）位置，启动刀盘装置中的刀盘（601）的同时根据实际需要进行启动圆周回转装置（605）中的驱动单元对竖井断面开挖，刀盘（601）在进行竖井断面开挖时，开挖轨迹为横向分区域开挖或圆周分环状区域开挖或者横向分区域开挖与圆周分环状区域开挖相结合的开挖轨迹，刀盘（601）在摆动油缸、平移油缸和驱动单元的共同作用下完成竖井面的全覆盖开挖；

S4、随着刀盘不断完成竖井断面的开挖，竖井开挖深度逐渐加深，整个开挖装置在管节提拉装置（1）的作用下不断进行下放，管线延伸装置（4）上的管线（401）和渣土输送管道（8）在管线延伸装置（4）上向下延伸；

S5、待刀盘（601）开挖竖井达到一定的深度后，在地面进行管节（3）的拼装作业，拼装完成后重复步骤S3和S4，竖井开挖深度达到设计值后，利用渣土输送管道（8）将井底渣土抽出，随后依次拆除井内的刀盘平移装置（604）、刀盘装置、圆周回转装置（605）和盾体（602），最后用溜灰管沿井壁内侧向井底开挖面泵送混凝土；

S6、泵送混凝土完成后，拆除井内除管节（3）外地面上的其它装置，最终完成整个竖井的施工作业。

6.根据权利要求5所述的可变断面竖井开挖设备的施工方法，其特征在于，所述步骤S4中，当管节（3）及开挖装置下放过程中阻力过大时，管节辅推装置（2）在地面进行辅助推进管节（3）下方作业或在管节（3）和井壁之间压注添加减摩剂。

7.根据权利要求6所述的可变断面竖井开挖设备的施工方法，其特征在于，所述步骤S3中，刀盘（601）在开挖对应盾体（602）所处的区域时，盾体（602）内的伸缩盾体收回到固定盾体内，其它区域内的盾体（602）中伸缩盾体保持伸出状态，待开挖区域开挖完成后，伸缩盾体从固定盾体内伸出。

说明书： 一种可变断面竖井开挖设备及施工方法技术领域[0001] 本发明涉及竖井掘进开挖设备的技术领域，尤其涉及一种可变断面竖井开挖设备及施工方法。

背景技术[0002] 目前国内外竖井工程越来越多且断面大小不一，而针对竖井的主流施工方式还停留在人工半机械化的开挖方法上，其工法灵活，可进行不同断面竖井工程的施工，但施工人

员众多，存在一定的安全隐患，并且施工工序复杂，施工效率明显偏低，竖井成井周期长，而

用于竖井施工的竖井钻机主要应用于断面不大的竖井工程，其设备适用性较为局限且设备

自身能力有限，在大断面竖井施工上存在明显的劣势和不足，甚至无法满足正常使用要求；

并且在专利申请号为“CN201710915685.6”、专利名称为“一种沉井法竖井掘进机及其施工

方法”中具体公开了一种掘进机，虽然掘进机的机械化程度高，在一定程度提高了开挖效

率，但是刀盘动作单一，对竖井内开挖范围局限性大，并且整体掘进机集成程度高，产品升

级难度大。

发明内容[0003] 针对目前竖井开挖设备机械化程度低，刀盘动作单一，竖井内开挖范围局限性大，并且开挖设备适用性差，不能根据不同断面竖井工程进行施工的技术问题，本发明提出一

种可变断面竖井开挖设备及施工方法。

[0004] 为了解决上述问题，本发明的技术方案是这样实现的：[0005] 一种可变断面竖井开挖设备，包括管节、管节提拉装置和管节辅推装置，管节提拉装置和管节辅推装置分别设置在地面井口圈梁上，管节与管节辅推装置相配合，所述管节

提拉装置和管节相连接，管节与开挖装置相连接，开挖装置分别与管线延伸装置和渣土分

离装置相连接，渣土分离装置与管线延伸装置相配合，利用管节延伸装置带动渣土分离装

置中的管道向下放行，在开挖装置下行过程中，地面上管节提拉装置和管线延伸装置配合

开挖装置的开挖及时跟随下放。

[0006] 优选地，所述开挖装置包括盾体、圆周回转装置、刀盘平移装置和刀盘装置，盾体设置在始发竖井内且盾体与管节相连接，管节和管节提升装置相连接，圆周回转装置设置

在盾体内侧，刀盘平移装置滑动设置在圆周回转装置内，刀盘装置与刀盘平移装置可拆卸

连接且刀盘装置分别与管线延伸装置中的管线和渣土分离装置相连接，在刀盘下行开挖过

程中，利用渣土分离装置和管线延伸装置将相应管线下放实时跟随刀盘进行吸渣处理。

[0007] 优选地，所述盾体、刀盘装置、刀盘平移装置和圆周回转装置整体为装配式结构，当竖井断面发生变化时，保留刀盘和摆动油缸设备之间组合方式，改造刀盘平移装置，重新

制作盾体和圆周回转装置的部分结构即可适用于新竖井不同断面的施工，在改动时，只需

要更改盾体、刀盘平移装置的平移油缸和圆周回转装置的安装位置，然后重新组配即可，实

现了一机多用，可适用于不同断面的竖井工程，具有更广的适用性。

[0008] 优选地，所述盾体包括固定盾体、伸缩油缸和伸缩盾体，伸缩盾体通过伸缩油缸滑动设置在固定盾体内；所述固定盾体与管节相连接，管节和管节提升装置相连接，圆周回转

装置设置在固定盾体内部。

[0009] 优选地，所述圆周回转装置包括上支撑、回转体和下支撑，上支撑固定在固定盾体上部，下支撑固定在固定盾体内部，回转体滑动安装在上支撑和下支撑之间；所述上支撑上

固定设置有大齿圈，回转体上设置有驱动单元，驱动单元与小齿轮相连接，小齿轮与大齿圈

相啮合；所述回转体上设置有滑动轨道，滑动轨道上滑动设置有刀盘平移装置，刀盘平移装

置进而带动刀盘装置实现同步转动，覆盖竖井整个断面的开挖作业。

[0010] 优选地，所述刀盘平移装置包括滑移架、支撑连接装置和平移油缸，滑移架滑动设置在滑动轨道上，滑移架分别与刀盘装置和支撑连接装置相连接，支撑连接装置设置在回

转体的下方；所述平移油缸的一端与滑移架相连接，平移油缸的另一端与回转体相连接。

[0011] 优选地，所述刀盘装置包括开挖刀盘、摆动架、动力单元和摆动油缸，刀盘通过转动轴承与动力单元相连接且刀盘通过法兰结构与动力单元相连接，动力单元与摆动架固定

连接，摆动架分别与摆动油缸和刀盘平移装置中的滑移架可拆卸连接，摆动油缸与滑移架

可拆卸连接；所述摆动架上安装有渣土输送管道，渣土输送管道与渣土分离装置相连接，渣

土输送管道的吸渣口与刀盘最下部相对应设置，管线延伸装置通过管线与刀盘相连接且渣

土输送管道设置在管线延伸装置上。

[0012] 可变断面竖井开挖设备的施工方法，包括以下步骤：[0013] S1、首先开挖出具有一定深度的始发竖井，并对井口周边进行硬化处理形成井口圈梁，然后在始发竖井内安装开挖装置；并且在井口圈梁上布置管节提拉装置、管节辅推装

置、管线延伸装置和渣土分离装置，并将管线延伸装置和渣土分离装置分别与开挖装置连

接；

[0014] S2、在开挖装置安装调试完成后，调整竖井开挖装置的姿态，随后在竖井开挖装置上拼装第一环管节，第一环管节拼装完成后，将管片与管片提拉装置连接起来；

[0015] S3、随后通过控制刀盘装置中的摆动油缸和刀盘平移装置中的平移油缸调整刀盘位置，启动刀盘装置中的刀盘的同时根据实际需要进行启动圆周回转装置中的驱动单元对

竖井断面开挖，刀盘在进行竖井断面开挖时，开挖轨迹为横向分区域开挖或圆周分环状区

域开挖或者横向分区域开挖与圆周分环状区域开挖相结合的开挖轨迹，刀盘在摆动油缸、

平移油缸和驱动单元的共同作用下完成竖井面的全覆盖开挖；

[0016] S4、随着刀盘不断完成竖井断面的开挖，竖井开挖深度逐渐加深，整个开挖装置在管节提拉装置的作用下不断进行下放，管线延伸装置上的管线和渣土输送管道在管线延伸

装置上向下延伸；

[0017] S5、待刀盘开挖竖井达到一定的深度后，在地面进行管节的拼装作业，拼装完成后重复步骤S3和S4，竖井开挖深度达到设计值后，利用渣土输送通道将井底渣土抽出，随后依

次拆除井内的刀盘平移装置、刀盘装置、圆周回转装置和盾体，最后用溜灰管沿井壁内侧向

井底开挖面泵送混凝土；

[0018] S6、泵送混凝土完成后，拆除井内除管节外地面上的其它装置，最终完成整个竖井的施工作业。

[0019] 优选地，所述步骤S4中，当管节及开挖装置下放过程中阻力过大时，管节辅推装置在地面进行辅助推进管节下方作业或在管节和井壁之间压注添加减摩剂。

[0020] 优选地，所述步骤S3中，开挖刀盘在开挖对应盾体所处的区域时，盾体内的伸缩盾体收回到固定盾体内，其它区域内的盾体中伸缩盾体保持伸出状态，待开挖区域开挖完成

后，伸缩盾体从固定盾体内伸出。

[0021] 本发明的有益效果：本发明通过全机械化设计的开挖装置，开挖装置中的盾体、刀盘装置、刀盘平移装置和圆周回转装置整体为装配式结构，拆装简单，便于开挖装置根据不

同的竖井断面改变开挖装置中的设备组合方式，即当竖井断面发生变化时，保留刀盘和摆

动油缸之间的设备组装方式，改变刀盘平移装置位置，重新制作盾体和圆周回转装置中的

部分结构，即可适应不同断面的竖井开挖工程，本发明通过改变对开挖装置中各设备的组

配方式，实现了一机多用，可适用于不同断面的竖井工程，具有更广的适用性，降低了施工

成本，减少了作业人员数量，降低了人员劳动强度；地面上管节提拉装置和管线延伸装置配

合开挖装置的开挖及时跟随下放，保证开挖装置开挖的稳定性以及开挖过程中及时出渣。

附图说明[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本

发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以

根据这些附图获得其他的附图。

[0023] 图1为本发明的整机主视图。[0024] 图2为图1中整机右剖视图。[0025] 图3为图1中整机俯视图。[0026] 图4为实施例2中开挖刀盘运行轨迹示意图。[0027] 图5为实施例3中开挖刀盘运行轨迹示意图。[0028] 图中，1为管节提拉装置，101为钢绞线，2为管节辅推装置，3为管节，4为管线延伸装置，401为管线，5为渣土分离装置，601为刀盘，602为盾体，603为摆动油缸，604为刀盘平

移装置，605为圆周回转装置，7为井口圈梁，8为渣土输送管道。

具体实施方式[0029] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于

本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他

实施例，都属于本发明保护的范围。

[0030] 实施例1：如图1和图2所示，一种可变断面竖井开挖设备，包括管节3、管节提拉装置1和管节辅推装置2，管节辅推装置2为油缸控制的伸缩结构，利用管节辅推装置2辅助推

动管节和开挖装置下行作业，管节提拉装置1和管节辅推装置2分别设置在地面井口圈梁7

上，管节3与管节辅推装置2相配合，所述管节提拉装置1与管节3相连接，管节与开挖装置相

连接，开挖装置分别与管线延伸装置4上的管线401和渣土分离装置5相连接，渣土分离装置

5与管线延伸装置4相配合，利用管线延伸装置带动渣土分离装置中的管道向下放行。

[0031] 所述开挖装置包括盾体602、圆周回转装置605、刀盘平移装置604和刀盘装置，盾体602设置在始发竖井内且盾体602与管节3连接，管节3和管节提拉装置1相连接，圆周回转

装置605设置在盾体602内侧，刀盘平移装置604滑动设置在圆周回转装置605内，刀盘装置

与刀盘平移装置604可拆卸连接且刀盘装置分别与管线延伸装置4上的管线401和渣土分离

装置5相连接。

[0032] 所述盾体602、刀盘装置、刀盘平移装置604和圆周回转装置605整体为装配式结构，当竖井断面发生变化时，保留刀盘601和摆动油缸设备之间组合方式，改造刀盘平移装

置604，重新制作盾体和圆周回转装置605的部分结构即可适用于新竖井不同断面的施工，

在改动时，只需要更改盾体、刀盘平移装置的平移油缸和圆周回转装置的安装位置，然后重

新组配即可，实现了一机多用，可适用于不同断面的竖井工程，具有更广的适用性。

[0033] 所述盾体1包括固定盾体、伸缩油缸和伸缩盾体，伸缩盾体通过伸缩油缸滑动设置在固定盾体内；每个伸缩盾体在伸缩油缸的作用下均可进行独立的伸出和收回，当刀盘装

置需要开挖井壁外围或需要超挖调整主机姿态时，刀盘所需要开挖位置处的伸缩盾体收回

到固定盾体内，待开挖完成，伸缩盾体再伸出，保证安全高效开挖井壁外围且伸缩盾体的底

部为刃角结构，利用刃角结构便于向下推进开挖面；所述固定盾体与管节3固定连接，管节3

通过钢绞线101和管节提拉装置1连接，，利用管节提拉装置1控制盾体和管节有序安全下

放，圆周回转装置605设置在固定盾体内部。

[0034] 所述圆周回转装置605包括上支撑、回转体和下支撑，上支撑固定在固定盾体上部，下支撑固定在固定盾体内部，回转体滑动安装在上支撑和下支撑之间；所述上支撑上固

定设置有大齿圈，回转体上设置有驱动单元，驱动单元与小齿轮相连接，小齿轮与大齿圈相

啮合；所述回转体上设置有滑动轨道，滑动轨道上滑动设置有刀盘平移装置604，回转体上

驱动单元带动刀盘平移装置实现圆周回转，刀盘平移装置进而带动刀盘装置实现同步转

动，覆盖竖井整个断面的开挖作业。

[0035] 所述刀盘平移装置604包括滑移架、支撑连接装置和平移油缸，滑移架滑动设置在滑动轨道上，滑移架分别与刀盘装置和支撑连接装置相连接，支撑连接装置设置在回转体

的下方，支撑连接装置设置在回转体下方用于支撑回转体转动；所述平移油缸的一端与滑

移架相连接，平移油缸的另一端与回转体相连接，平移油缸带动滑移架左右滑动，实现了刀

盘装置在圆周回转的同时实现水平滑动，大大提高了竖井开挖范围和开挖效率。

[0036] 所述刀盘装置包括刀盘601、摆动架、动力单元和摆动油缸，刀盘601通过转动轴承与动力单元相连接且刀盘601通过法兰结构与动力单元相连接，动力单元与摆动架固定连

接，摆动架分别与摆动油缸和刀盘平移装置604中的滑移架可拆卸连接，摆动油缸与滑移架

可拆卸连接，摆动油缸在滑移架的带动下实现水平移动，并且摆动油缸整体带动刀盘实现

水平移动的同时带动刀盘摆动，实现了刀盘的摆动、移动和圆周回转的三个同步动作；如图

3所示，所述摆动架上安装有渣土输送管道8，渣土输送管道8与渣土分离装置5相连接，渣土

输送管道8内的输送介质为流体介质，采用泥浆泵、清水泵或真空泵抽渣，将泥渣抽入到渣

土分离装置5中进行渣土分离，渣土输送管道8的吸渣口与刀盘601最下部相对应设置，管线

延伸装置4通过管线401与刀盘601相连接且渣土输送管道搭载在管线延伸装置4上，整个开

挖装置在管节提拉装置1的作用下不断进行下放，相应的管线401和渣土输送管道也随竖开

挖装置在管线延伸装置4上向下延伸。

[0037] 实施例2：可变断面竖井开挖设备的施工方法，包括以下步骤：[0038] S1、首先开挖出具有一定深度的始发竖井，并对井口周边进行硬化处理形成井口圈梁7，然后在始发竖井内安装开挖装置；并且在井口圈梁7上按照施工要求布置管节提拉

装置1、管节辅推装置2、管线延伸装置4和渣土分离装置5，并将线延伸装置4和渣土分离装

置5分别与开挖装置连接，即将管节提拉装置1通过钢绞线与管片3固定连接，管线延伸装置

通过管线401与开挖装置中的刀盘相连接，渣土分离装置与渣土输送管道8连接起来，渣土

输送管道8的吸渣口对应设置在刀盘下方，便于吸渣处理；

[0039] S2、在开挖装置中各设备整体安装调试完成后，调整竖井开挖装置的姿态，随后在竖井开挖装置中盾体602中固定盾体上部拼装第一环管节3，第一环管节3拼装完成后通过

钢绞线101与管节提拉装置1连接起来；

[0040] S3、随后通过控制刀盘装置中的摆动油缸和刀盘平移装置604中的平移油缸调整刀盘601位置，启动刀盘装置中的刀盘601的同时根据实际需要进行启动圆周回转装置605

中的驱动单元对竖井断面开挖，如图4所示，刀盘601在进行竖井断面开挖时，开挖轨迹为横

向分区域开挖，即刀盘按照横向逐个分区开挖的形式进行对竖井断面开挖，刀盘601在摆动

油缸、平移油缸和驱动单元的共同作用下完成竖井面的全覆盖开挖；

[0041] S4、随着刀盘不断完成竖井断面的开挖，竖井开挖深度逐渐加深，整个开挖装置在管节提拉装置1的作用下不断进行下放，管线延伸装置4上的管线401和渣土输送管道8在管

线延伸装置4上向下延伸；

[0042] S5、待刀盘601开挖竖井达到一定的深度后，在地面进行管节3的拼装作业，拼装完成后重复步骤S3和S4，竖井开挖深度达到设计值后，利用渣土输送通道8将井底渣土抽出，

随后依次拆除井内的刀盘平移装置604、刀盘装置、圆周回转装置605和盾体602，最后用溜

灰管沿井壁内侧向井底开挖面泵送混凝土；

[0043] S6、泵送混凝土完成后，拆除井内除管节3外地面上的其它装置，最终完成整个竖井的施工作业。

[0044] 实施例3：如图5所示，可变断面竖井开挖设备的施工方法，所述步骤S3中刀盘开挖轨迹采用圆周分环状区域开挖，即刀盘将竖井断面分为若干个圆环状区域，刀盘从内而外

依次对圆环区域进行开挖。

[0045] 其余施工方法与实施例2相同。[0046] 实施例4：可变断面竖井开挖设备的施工方法，所述步骤S3中刀盘开挖轨迹采用横向分区域和圆周分环状区域相结合的开挖轨迹，即将竖井断面分为若干个圆环状区域，随

后刀盘对圆环状区域进行横向分区开挖。

[0047] 其余施工方法与实施例2相同。[0048] 实施例5：可变断面竖井开挖设备的施工方法，所述步骤S4中，当管节3及开挖装置下放过程中阻力过大时，管节辅推装置2在地面进行辅助推进管节3下方作业或在管节3和

井壁之间压注添加减摩剂，以减小大断面竖井井壁下放时的阻力，加快管节和开挖装置下

放。

[0049] 其余施工方法与实施例2相同。[0050] 实施例6：可变断面竖井开挖设备的施工方法，所述步骤S3中，刀盘601在开挖对应盾体602所处的区域时，盾体602内的伸缩盾体收回到固定盾体内，其它区域内的盾体602中

伸缩盾体保持伸出状态，待开挖区域开挖完成后，伸缩盾体从固定盾体内伸出，保证安全高

效开挖井壁外围。

[0051] 其余施工方法与实施例2相同。[0052] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。