一种适用于硬岩的小口径矩形断面竖井开挖设备

技术领域

本发明涉及市政工程竖井施工技术领域，具体涉及一种适用于硬岩的小口径矩形断面竖井开挖设备。

背景技术

方桩是一种一般用于楼房建筑的基础结构，以预制桩为主。近些年来方桩在桥梁施工中也被广泛应用，方桩以其刚度大，承载力高以及施工难度小等优势越来越多的被应用于大型的建筑构筑物中。方桩的施工工艺与地下连续墙施工工艺类似，首先施工导墙，并根据方桩的厚度采用施工装备将岩土体取出，之后置入钢筋笼而后采用浇筑水下砼工艺成桩。

目前方桩施工主要采用地下连续墙施工的机械设备，以液压抓斗与双轮铣槽机为主。此两种设备购置费用高昂，且设备体积较大，在复杂地形条件下，设备难以运输到位及时入场。液压抓斗适用于较为软弱的岩石与土层，对于强度较高的岩石施工难度较大；而双轮铣槽机铣削断面形状为扁平的矩形，对于方桩施工需要铣削多次，效率较低；此外，目前双轮铣槽机与液压抓斗的施工成槽宽度大多在3m左右，而目前方桩工程需求的断面槽宽大多在1.5m左右，难以进行匹配。

因此需提出一种适用于小口径方桩施工竖井掘进设备，解决目前的问题。

发明内容

针对问题，本发明提供了一种适用于硬岩的小口径矩形断面竖井开挖设备，包括履带主机，履带主机通过绞绳以及悬挂系统连接有刚性框架，所述刚性框架内部设置有电机，电机的输出轴上固定连接有主轴，所述主轴下端连接有三牙轮钻头，所述三牙轮钻头周围布置有边缘破碎装置，所述刚性框架内设置有高压气泵，高压气泵通过输气管道与所述边缘破碎装置相连。

作为本发明的再进一步技术方案是：所述三牙轮钻头包括与所述主轴相连的安装主板，安装主板上设置有三个竖直设置的安装支架，所述安装支架上均转动连接有钻头，钻头上均匀布置有若干破碎齿。

作为本发明的再进一步技术方案是：所述边缘破碎装置包括排齿破碎组件、单截齿破碎组件和块状破碎组件，所述排齿破碎组件包括与所述刚性框架相连的多个第一气动装置，所述第一气动装置底端连接有第一刀架，第一刀架上四边处安装有一排第一截齿，第一截齿呈长方形布置在第一刀架上。

作为本发明的再进一步技术方案是：所述块状破碎组件包括与所述刚性框架相连的多个第二气动装置，所述第二气动装置底端连接有第二刀架，第二刀架上安装有第二截齿，第二截齿呈块状布置在第二刀架上。

作为本发明的再进一步技术方案是：所述单截齿破碎组件包括与所述刚性框架相连的多个第三气动装置，第三气动装置共设置有四个，分别布置在刚性框架的四角处，所述第三气动装置的底端连接有第三刀架，第三刀架上均固定连接有单个第三截齿。

作为本发明的再进一步技术方案是：所述三牙轮钻头的最前端超过第三截齿的最前端，第三截齿的最前端超过第二截齿和第一截齿的最前端。

作为本发明的再进一步技术方案是：所述第一气动装置/第二气动装置/第三气动装置包括外壳体，外壳体内部开设有空腔，所述空腔内设置有滑块，滑块上设置有连接杆，连接杆一端向下延伸至空腔外部，所述连接杆与所述第一支架/第二支架/第三支架相连接，还包括第一输气支管和第二输气支管，第一输气支管与第二输气支管均与所述输气管道相连通，且所述第一输气支管与所述滑块上方的空腔内部相连通，第二输气支管与所述滑块下方的空腔内部相连通，且第一输气支管和第二输气支管上均设置有电磁阀。

作为本发明的再进一步技术方案是：所述外壳体下部设置有过渡套筒部，连接杆穿过过渡套筒部设置，且连接杆直径等于过渡套筒部内径。

作为本发明的再进一步技术方案是：所述刚性框架下侧均匀设置有多个吸浆孔，吸浆孔通过吸浆管与所述设置在刚性框架内的吸浆泵相连接。

作为本发明的再进一步技术方案是：所述刚性框架上安装有多块纠偏结构，所述刚性框架内还设置有电气控制系统箱，所述电气控制系统箱与所述纠偏结构电性连接。

本发明具有的有益效果是：

1、履带主机带动刚性框架移动到所需位置，并通过绞绳以及悬挂系统来实现刚性框架的升降，在进行开挖时，刚性框架整体向下慢慢移动，启动电机，电机通过主轴带动三牙轮钻头转动，三牙轮钻头首先对待开挖的岩体挖掘出一个圆柱面；随后高压气泵工作使边缘破碎装置工作对圆柱面周围进行破碎开挖，从而可以形成一个矩形面，解决了现有方桩施工中小口径矩形断面竖井施工的问题，其移动和使用便捷快速，施工效率较高，具有一定的推广应用价值；

2、当电机在带动三牙轮钻头转动时，三牙轮钻头上的钻头会不断自转，在破岩时，三牙轮钻头既存在冲击、剪切，也存在压缩破坏，因此钻头可以对周围岩石进行破碎处理，使岩体形成一个圆柱面，对岩体进行初步的粉碎处理，以便于后续进行再次的破碎处理；

3、通过布置单截齿破碎组件、排齿破碎组件和块状破碎组件来对三牙轮钻头周围的岩体进行破碎，以便能够快速获得一个矩形的截面，其相互之间排布紧凑，最终成型的截面槽尺寸较小，满足现有的掘进施工需求；

4、利用高压气泵来作用于第一气动装置/第二气动装置/第三气动装置，带动第一截齿/第二截齿/第三截齿对圆形截面以后的岩体进行破碎处理，由于三牙轮钻头与第三截齿创造的自由面，使剩余岩体的峰值力显著降低，从而可以快速便捷的形成矩形断面，相比于现有技术而言，对于矩形断面的形成更加快速可靠，无需进行多次铣削处理，其具有广泛的推广应用价值。

附图说明

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示出的结构获得其它的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明开挖设备的立体结构示意图；

图3为本发明图2的正视图；

图4为本发明三牙轮钻头的结构示意图；

图5为本发明钻头的立体结构示意图；

图6为本发明排齿破碎组件的结构示意图；

图7为本发明单截齿破碎组件的结构示意图；

图8为本发明图3的仰视图；

图9为本发明第一气动装置/第二气动装置第三气动装置的结构示意图；

图10为本发明开挖前岩体的结构示意图；

图11为本发明单截齿破碎组件开挖时岩体的结构示意图；

图12为本发明开挖完成后岩体的结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

结合图1、图2和图3，在本发明的实施例中，一种适用于硬岩的小口径矩形断面竖井开挖设备，包括履带主机9，履带主机9通过绞绳8以及悬挂系统7连接有刚性框架1，所述刚性框架1内部设置有电机4，电机4的输出轴上固定连接有主轴15，所述主轴15下端连接有三牙轮钻头3，所述三牙轮钻头3周围布置有边缘破碎装置2，所述刚性框架1内设置有高压气泵5，高压气泵5通过输气管道12与所述边缘破碎装置2相连。

在本发明的一个实施例中，履带主机9带动刚性框架1移动到所需位置，并通过绞绳8以及悬挂系统7来实现刚性框架1的升降，在进行开挖时，刚性框架1整体向下慢慢移动，启动电机4，电机4通过主轴15带动三牙轮钻头3转动，三牙轮钻头3首先对待开挖的岩体挖掘出一个圆柱面；随后高压气泵5工作使边缘破碎装置2工作对圆柱面周围进行破碎开挖，从而可以形成一个矩形面，解决了现有方桩施工中小口径矩形断面竖井施工的问题，其移动和使用便捷快速，施工效率较高，具有一定的推广应用价值。

请参阅图3、图4和图5，所述三牙轮钻头3包括与所述主轴15相连的安装主板31，安装主板31上设置有三个竖直设置的安装支架32，所述安装支架32上均转动连接有钻头33，钻头33上均匀布置有若干破碎齿34。

当电机4在带动三牙轮钻头3转动时，三牙轮钻头3上的钻头33会不断自转，在破岩时，三牙轮钻头3既存在冲击、剪切，也存在压缩破坏，因此钻头33可以对周围岩石进行破碎处理，使岩体形成一个圆柱面，对岩体进行初步的粉碎处理，以便于后续进行再次的破碎处理。

所述钻头33呈凸起状，在钻头33的表面设置有多圈破碎齿34，钻头33整体结构形状与“包子”的结构形状比较类似，如此结构设置，可以更好的突出设置在其上面的破碎齿34，使破碎齿34能够与岩体进行更好的接触，以便于能够对岩体进行高效破碎处理，使开挖的效率更佳。

所述钻头33的轴线为倾斜设置，且三个钻头33均朝向中间处，三个所述钻头33的轴线相交于一点，所述破碎齿34呈三棱柱状，在本实施例中，三个所述钻头33均为倾斜设置，相互具备一定的倾斜角，对岩体的破碎效果更好。

请参阅图2和图8，所述边缘破碎装置2包括排齿破碎组件、单截齿破碎组件和块状破碎组件。

在本发明的一个实施例中，边缘破碎装置是针对三牙轮钻头3破碎不到的地方进行破碎处理，其中，单截齿破碎组件分布在刚性框架1的四周处，其用于对需要形成矩形状的断面的四角进行破碎处理；排齿破碎组件用于对三牙轮钻头3周围的岩体进行破碎，而块状破碎组件用于破碎前两者破碎组件破碎不到的区域。

在本实施例中，通过布置单截齿破碎组件、排齿破碎组件和块状破碎组件来对三牙轮钻头3周围的岩体进行破碎，以便能够快速获得一个矩形的截面，其相互之间排布紧凑，最终成型的截面槽尺寸较小，满足现有的掘进施工需求。

请参阅图6和图8，所述排齿破碎组件包括与所述刚性框架1相连的多个第一气动装置211，所述第一气动装置211底端连接有第一刀架212，第一刀架212上四边处安装有一排第一截齿213，第一截齿213呈长方形布置在第一刀架212上。

在本实施例工作时，第一气动装置211通过第一刀架212来带动第一截齿213对岩体产生冲击力，从而第一截齿213可以将岩体破碎以达到掘进的要求。

请参阅图8，所述块状破碎组件包括与所述刚性框架1相连的多个第二气动装置，所述第二气动装置底端连接有第二刀架222，第二刀架222上安装有第二截齿223，第二截齿223呈块状布置在第二刀架222上。

同理，块状破碎组件在工作时也通过第二气动装置带动第二截齿223对岩体产生冲击力，对三牙轮钻头1周围的岩体进行破碎。

请参阅图7和图8，所述单截齿破碎组件包括与所述刚性框架1相连的多个第三气动装置231，第三气动装置231共设置有四个，分别布置在刚性框架1的四角处，所述第三气动装置231的底端连接有第三刀架232，第三刀架232上均固定连接有单个第三截齿233。

在本实施例中，单截齿破碎组件是继三牙轮钻头1破碎后对岩体进行破碎的，其主要是作用于矩形断面的四角处，使矩形断面能够初步成型。

所述第一截齿213和第二截齿223的尺寸相同，所述第三截齿233的尺寸大于第一截齿213或第二截齿223的尺寸。

请参阅图2、图3、图10-12，所述三牙轮钻头1的最前端超过第三截齿233的最前端，第三截齿233的最前端超过第二截齿223和第一截齿213的最前端。

在进行工作时，三牙轮钻头1是第一个与岩体相接触的，三牙轮钻头1首先对岩体掘进一个圆形断面，随后第三截齿233向下运动，对四角处进行破碎，形成一个初步的矩形断面；随后第一截齿213和第二截齿223下降对其余的地方进行冲击粉碎处理。

在竖井开挖到所需深度之后，由于三牙轮钻头1、第三截齿233、第二截齿223和第一截齿213的高度不同，其最终肯定会形成深浅不一的断面，其在底部也影响不大；当然，也可以采取下种操作方式：

当圆形断面形成之后，整个装置停止下降，此时利用第一气动装置211/第二气动装置/第三气动装置231带动第一截齿213、第二截齿223和第三截齿233下降，对其圆形断面的周围处进行破碎处理，以使得最终的竖井底面保持齐平的状态。

此外，第一截齿213和第二截齿223的数量可以根据工作岩层的状况进行调节，当岩层较硬时，第一截齿213和第二截齿223应当更加密集；当岩层较脆时，第一截齿213和第二截齿223的间距可适当扩大。

所述输气管道12上设置有阀门，用于控制输气管道12。

请参阅图9，所述第一气动装置211、第二气动装置和第三气动装置231的结构相同。

所述第一气动装置211/第二气动装置/第三气动装置231包括外壳体2111，外壳体2111内部开设有空腔2112，所述空腔2112内设置有滑块2113，滑块2113上设置有连接杆2115，连接杆2115一端向下延伸至空腔2112外部，所述连接杆2115与所述第一支架212/第二支架222/第三支架232相连接，还包括第一输气支管2116和第二输气支管2117，第一输气支管2116与第二输气支管2117均与所述输气管道12相连通，且所述第一输气支管2116与所述滑块2113上方的空腔2112内部相连通，第二输气支管2117与所述滑块2113下方的空腔2112内部相连通，且第一输气支管2116和第二输气支管2117上均设置有电磁阀(图中未示出)。

在本发明的实施例中，高压气泵5通过输气管道12向空腔内输入高压气体，此时打开第一输气支管2116上的电磁阀，关闭第二输气支管2117上的电磁阀，使高压气体进入到滑块2113上方的空腔2112内，高压气体对滑块2113施力使滑块2113向下运动，继而滑块2113会带动第一支架212/第二支架222/第三支架232向下运动，从而使第一截齿213/第二截齿223/第三截齿233作用到岩石上，对岩石进行破碎处理；当不需要时，打开第二输气支管2117上的电磁阀，随后关闭第一输气支管2117上的电磁阀，在可以实现滑块2113的向上运动恢复原位。

在本实施例中，利用高压气泵5来作用于第一气动装置211/第二气动装置/第三气动装置231，带动第一截齿213/第二截齿223/第三截齿233对圆形截面以后的岩体进行破碎处理，由于三牙轮钻头1与第三截齿233创造的自由面，使剩余岩体的峰值力显著降低，从而可以快速便捷的形成矩形断面，相比于现有技术而言，对于矩形断面的形成更加快速可靠，无需进行多次铣削处理，其具有广泛的推广应用价值。

多个气动装置可以由多个高压气泵5相连，也可以设置有一个高压气泵5，通过将输气管道12分别与三个气动装置相连，并设置有电控阀门来进行单独的控制。

所述外壳体2111下部设置有过渡套筒部2114，连接杆2115穿过过渡套筒部2114设置，且连接杆2115直径等于过渡套筒部2114内径，连接杆2115在此处主要是起到连接滑块2113与第一支架212/第二支架222/第三支架232的作用，且连接杆2115与过渡套筒部2114的连接处需要设置有密封橡胶圈，防止高压气体的泄露；同理，滑块2113与空腔2112内侧壁之间的连接处也需要设置有密封橡胶圈。

请参阅图3和图8，所述刚性框架1下侧均匀设置有多个吸浆孔13，吸浆孔13通过吸浆管11与所述设置在刚性框架1内的吸浆泵10相连接，由于三牙轮钻头1与第一截齿213、第二截齿223及第三截齿233对岩体进行粉碎，粉碎后的岩体配合浆液在吸浆泵作用下一起从吸浆孔13处被吸出，从而实现排料的作用。

所述吸浆孔13共设置有三个，其呈圆周状布置在三牙轮钻头3的周围。

所述刚性框架1上安装有多块纠偏结构，所述刚性框架1内还设置有电气控制系统箱14，所述电气控制系统箱14与所述纠偏结构电性连接，纠偏结构共包括十六块纠偏板6，其安装在刚性框架1的中部与下部的四周，而纠偏板6通过液压控制器形态，在电气控制系统箱14内的陀螺仪负责检测整个刚性框架1的姿态，而后将数据传递给控制系统，并向控制纠偏板6的液压装置发送相应指令来调整刚性框架1的垂直度，从而可以保障竖井在开挖时的垂直度。而纠偏板6的具体结构特征以及工作原理为现有技术，此处便不再赘述。

在本发明的工作过程中：履带主机9带动刚性框架1移动到所需位置，并通过绞绳8以及悬挂系统7来实现刚性框架1的升降，在进行开挖时，刚性框架1整体向下慢慢移动，启动电机4，电机4通过主轴15带动三牙轮钻头3转动，三牙轮钻头3首先对待开挖的岩体挖掘出一个圆柱面；三牙轮钻头3上的钻头33会不断自转，在破岩时，三牙轮钻头3既存在冲击、剪切，也存在压缩破坏，因此钻头33可以对周围岩石进行破碎处理，使岩体形成一个圆柱面，对岩体进行初步的粉碎处理，以便于后续进行再次的破碎处理；

边缘破碎装置是针对三牙轮钻头3破碎不到的地方进行破碎处理，其中，单截齿破碎组件分布在刚性框架1的四周处，其用于对需要形成矩形状的断面的四角进行破碎处理；排齿破碎组件用于对三牙轮钻头3周围的岩体进行破碎，而块状破碎组件用于破碎前两者破碎组件破碎不到的区域；

高压气泵5通过输气管道12向空腔内输入高压气体，此时打开第一输气支管2116上的电磁阀，关闭第二输气支管2117上的电磁阀，使高压气体进入到滑块2113上方的空腔2112内，高压气体对滑块2113施力使滑块2113向下运动，继而滑块2113会带动第一支架212/第二支架222/第三支架232向下运动，从而使第一截齿213/第二截齿223/第三截齿233作用到岩石上，对岩石进行破碎处理；当不需要时，打开第二输气支管2117上的电磁阀，随后关闭第一输气支管2117上的电磁阀，在可以实现滑块2113的向上运动恢复原位。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。