[发明专利]上软下硬地层大直径竖井施工方法及掘进设备

说明书

本发明涉及竖井施工技术领域，发明了一种上软下硬地层大直径竖井施工方法及掘进设备。旨在解决现有技术中竖井施工直径较小、适用地层单一以及施工步骤难以同步实施的技术问题。本发明施工方法包括拼装刃角和筒形井壁、开挖岩土、将开挖的渣土与泥浆混合物排出地面、下沉刃角与筒形井壁。本发明掘进设备包括大尺寸扩径钻头、出渣管道、钻杆、回转驱动。本发明不仅能开挖软土软岩地层，而且能开挖硬岩地层；实现井筒开挖与井壁安装的同步实施。

技术领域

本发明涉及竖井施工技术领域，尤其涉及一种上软下硬地层大直径竖井施工方法及掘进设备。

背景技术

目前竖井井筒机械开挖的装备和工法种类众多，盲井井筒开挖装备有竖井掘进机、竖井钻机等。

现有技术领域内，在已发明的中国专利文献中：202011314104.1发明了一种下沉式竖井掘进机及其成井方法，下沉式竖井掘进机包括主机、下沉系统、管线系统以及主机回收系统。下沉式竖井掘进机的成井方法包括挖掘及排渣、衬砌安装、下沉、结构封底。在已发明的中国专利文献中：202011238787.7发明了一种适用于软土层的下沉式竖井掘进机，包括管片、牵引机构、开挖机构、提升机构、泥浆管路输送机构。上述方案采用悬臂式洗挖头开挖，仅适用于软土和软岩的开挖，而当岩石单轴抗压强度超过100 MPa时，则几乎无法开挖。

现有技术领域内，在已发明的中国专利文献中：202010645876.7发明了一种全断面竖井掘进机，包括刀盘、渣土转运机构和出渣机构；该方案采用滚刀破岩的小开口全断面刀盘掘进，适用于岩石地层，软土地层滚刀容易偏磨、易糊刀盘，不适用软土地层。

现有技术领域内，在已发明的中国专利文献中：201110412546.4发明了一种竖井正向、反井综合凿井方法，包括利用竖井钻机钻进至基岩段，通过压气升液将钻井过程中产生的含有岩屑的泥浆高速排至地面；在地面上预制各节井壁；在钻井内加配重水，利用钻井中泥浆对井壁的浮力将各节井壁缓慢下沉到表土段井孔中并依次焊接；在井壁和井壁外侧的岩帮之间填充注浆，最下层采用水泥浆液填充，然后逐级向上利用水泥浆和碎石交替填充，得到表土段钻井；将反井钻机下放并固定到表土段钻井的底部；利用反井钻机反向扩孔，形成溜矸孔；刷大至预定的井筒直径。该方案井筒开挖时采用泥浆护壁临时支护围岩，开挖完成后才采用悬浮下沉的方式安装井壁，适用于稳定性好的地层或开挖直径较小的井筒，不稳定地层大直径井筒井井壁安装与开挖不同步，容易导致围岩坍塌。

因此，竖井施工中，如何同时适应软土地层和硬岩地层，从而实现井壁安装与井筒开挖同步实施是本技术领域亟待解决的难题。

发明内容

鉴于以上技术问题，本发明提供了一种上软下硬地层大直径竖井施工方法及掘进设备，解决了现有技术中竖井施工直径较小、适用地层单一以及施工步骤难以同步实施的技术问题。本发明不仅能开挖软土软岩地层，而且能开挖硬岩地层；实现井筒开挖与井壁安装的同步实施。

根据本发明的一个方面，提供一种上软下硬地层大直径竖井施工方法，施工步骤包括：

S1拼装刃角和筒形井壁:在工步起始，按照预定的竖井尺寸和勘测的地质信息确定拼装刃角和筒形井壁尺寸、井壁悬吊装置工作的预定距离，所拼装的筒形井壁外径小于竖井内径；

S2破土:采用具备大尺寸扩径钻头的竖井掘进装备竖直向下自地表开挖岩土；

S3平衡挖掘: 竖井掘进装备上方灌装泥浆，竖井掘进装备内设有泥水环流系统，所述泥水环流系统的入口处于所述竖井掘进装备的底部，所述泥水环流系统穿经所述竖井掘进装备后出口连通地面，以利用泥水环流系统通过出渣管道将开挖的渣土与泥浆混合物排出地面；

S4竖井底部成型同时放置井壁:开挖至预定距离后，挖掘同时，采用井壁悬吊装置下放钢绞线，使预拼装的刃角与筒形井壁下沉，二者间加灌触变泥浆以保持平衡；

S5竖井施工成型:重复步骤S2~S4，同步进行井筒开挖与井壁安装过程，直至整个竖井施工完成；在重复步骤S2~S4中，大尺寸扩径钻头依据岩层硬度更换为滚刀或切刀。