一种利用地下竖井机器人施作大直径沉井的方法与流程

本发明属于沉井施工技术领域，具体涉及一种利用地下竖井机器人施作大直径沉井的方法。

背景技术：

沉井是井筒状的结构物，它是以井内挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后经过混凝土封底并填塞井孔，使其成为桥梁墩台或其它结构物的基础。沉井施工技术在我国50～60年代开始运用，主要用在大型沉井基础和水下、地下工程等。这些工程30m范围周边无建筑物或无浅基础建筑物、构筑物，以避免沉井开挖过程中对周边土层造成扰动；同时在沉井开挖过程中需要持续抽取地下水，以便施工人员及设备对沉井内部进行开挖。

现有技术中的沉井施工技术存在以下问题：（1）现有的沉井施工过程中会造成周边地表沉降，影响周边建筑的安全；（2）现有的施工设备无法在水下作业，因此施工过程中需要持续降水，持续降水会加剧施工现场周边的地表沉降。

技术实现要素：

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种利用地下竖井机器人施作大直径沉井的方法，该方法通过采用自动化的开挖机器人及刃脚下放装置，大大增加了沉井施工的效率同时减小了施工过程对周边土层的扰动。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种利用地下竖井机器人施作大直径沉井的方法，所述方法包括以下步骤：将一刃脚圈吊入待施作沉井位置处的基坑内，并通过位于所述基坑外的下放装置对所述刃角圈进行临时锁紧定位；在所述刃脚圈的上方安装底部环片，并在所述底部环片的内表面安装挖掘机器人；利用所述挖掘机器人对所述基坑下方的土体进行开挖，每开挖掘进一段深度，在所述底部环片的上方安装上部环片，并使用所述下放装置控制所述刃脚圈向下沉降，如此往复，直至掘进到预设深度。

所述下放装置沿所述基坑的边缘等间隔地设置，所述下放装置用于锁紧或释放连接所述刃脚圈的钢绞线。

各所述下放装置通过调节所述钢绞线的释放长度以调节所述刃角圈的姿态。

所述挖掘机器人包括机舱、水平支杆、姿态调节机构以及挖掘臂；若干所述水平支杆自所述机舱的侧面向外延伸并搭设在所述底部环片内表面上的导向限位件上；所述姿态调节机构设置在所述机舱的底部，所述挖掘臂的尾端铰接所述姿态调节机构，其前端连接有用于切削土壤的滚刀。

在所述基坑边缘安装卷扬机组件，并将所述卷扬机组件的钢缆连接所述水平支杆；所述卷扬机组件用于驱动所述挖掘机器人沿竖直方向移动。

所述挖掘臂为伸缩式挖掘臂；所述姿态调节机构包括回转调节组件以及俯仰角调节组件。

利用所述挖掘机器人对所述基坑下方的土体进行开挖的方法为：通过所述俯仰角调节组件调节所述挖掘臂的倾斜角度，并伸缩调节所述挖掘臂的长度，以使所述挖掘臂前端的滚刀位于所需的挖掘半径和深度上；通过所述回转调节组件驱动所述挖掘臂进行回转挖掘土体。

所述挖掘臂的前端还安装有泥浆抽取装置；在所述挖掘机器人开挖所述基坑底部的土方的过程中，使用所述泥浆抽取装置抽取所述基坑底部的泥浆并输送至地面，对所述泥浆进行泥水分离处理，将分离得到的水排放至所述基坑内部。

所述上部环片以及所述底部环片均设置有注浆管，在所述刃脚圈沉降的过程中，通过所述注浆管向所述底部环片以及所述上部环片的外侧注入膨润土。

所述刃脚圈沉降至预设深度后，移除所述挖掘机器人，并向所述基坑底部灌注混凝土。

本发明的优点是，（1）挖掘机器人采用液压动力，可以在水下作业；（2）使用下放装置控制沉井的环片沉井过程，可以有效的调节环片的沉降速度和姿态，避免偏斜；（3）对周边土层的扰动较小，可在城区狭小环境中工作，不影响周边建筑物和地面的沉降；（4）挖掘机器人可自动挖掘，挖掘效率高，且其挖掘臂可进行臂长、俯仰角度以及旋转角度的自由调节控制，挖掘范围和适应性较广。

附图说明

图1为本发明中底部环片安装过程的示意图；

图2为本发明中挖掘机器人安装过程的侧视图；

图3为本发明中挖掘机器人安装过程的俯视图；

图4为本发明中顶部环片安装过程的侧视图；

图5为本发明中混凝土灌注完成后的示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-5，图中标记1-18分别为：基坑1、钢筋混凝土基础2、刃脚圈3、下放装置4、钢绞线5、底部环片6、挖掘机器人7、导向限位件8、机舱9、水平支杆10、姿态调节机构11、挖掘臂12、滚刀13、回转调节组件14、俯仰角调节组件15、卷扬机组件16、管线输送架17、上部环片18。

实施例：本实施例具体涉及一种利用地下竖井机器人施作大直径沉井的方法，方法包括以下步骤：

（1）如图1所示，在沉井的预设位置开挖基坑1，并在基坑1周边的地表浇筑钢筋混凝土基础2，用以安装沉井下沉所需的设备和承受沉井下沉的作用力；钢筋混凝土基础2施工完成后，拼装刃脚圈3，并将刃脚圈3吊入基坑1内部；刃脚圈3为环形，其底部边沿设置有用于切削泥土的尖锐刃脚。

刃脚圈3吊装完成后在基坑1外部的钢筋混凝土基础2的表面安装四个下放装置4（当然根据实际情况也可以是更多数量），并使用钢绞线5将下放装置4与刃脚圈3连接，以便使用下放装置4对刃脚圈3进行临时锁紧定位，阻止刃脚圈3在基坑1底部发生沉降。

在本实施例中，四个下放装置4沿基坑1的边缘等间隔的设置，当然，根据刃角圈3的直径或是基坑1的直径，下放装置4的数量可以选择更多个；下放装置4可以锁紧或释放连接在刃脚圈3上的钢绞线5；在释放钢绞线5的过程中，下放装置4可以调节钢绞线5的释放速度及释放长度，进而调节刃脚圈3不同侧边的沉降速度。

（2）如图1、2、3所示，在刃脚圈3及下放装置4安装完成后，在刃脚圈3的上方安装底部环片6，两者牢固连接；并在底部环片6的内表面吊装入挖掘机器人7；具体的：

如图2、3所示，本实施例中底部环片6的直径与刃脚圈3的直径相同；底部环片6架设在刃脚圈3的顶部边缘，用于支撑挖掘机器人7的导向限位件8焊接在底部环片6内表面的预埋件上；在本实施例中，导向限位件8的数目为四，四个导向限位件8的位于相同高度，并等间距的分布在所述底部环片6的内部。

如图2、3所示，挖掘机器人7包括机舱9、水平支杆10、姿态调节机构11以及挖掘臂12；若干水平支杆10自机舱9的侧面向外延伸并搭设在底部环片6内表面上的导向限位件8上，导向限位件8向各水平支杆10提供稳定的向上支撑力；在本实施例中，水平支杆10的数目为四，四个水平支杆10分布在机舱9的四个侧面；姿态调节机构11设置在机舱9的底部，挖掘臂12的尾端铰接姿态调节机构11，其前端连接有用于切削基坑1底部土壤的滚刀13。

如图2、3所示，挖掘臂12为一伸缩式挖掘臂12；姿态调节机构11包括位于机舱9内部的回转调节组件14以及连接在回转调节组件14底部的俯仰角调节组件15，挖掘臂12铰接在俯仰角调节组件15的底部；回转调节组件14可以带动俯仰角调节组件15以及挖掘臂12同步回转，本实施例中，回转调节组件14的回转范围为正负180°，从而可以防止机舱9内的线缆缠绕；在俯仰角调节组件15以及挖掘臂之间设置有液压油缸，通过控制液压油缸的伸缩，可以控制挖掘臂12的倾斜角度；在挖掘臂12内部设置有液压驱动的伸缩装置，通过该伸缩装置，可以调节挖掘臂12的臂长。在本实施例中，回转调节组件14、挖掘臂12内部的伸缩装置以及挖掘臂12的滚刀13均采用液压油缸或液压马达作为动力，从而可适应水下作业，避免采用电力部件造成触漏电等故障。

如图2、3所示，在基坑1边缘的钢筋混凝土基础2的表面安有三个卷扬机组件16，并将卷扬机组件16的钢缆连接水平支杆10上的起吊孔；卷扬机组件16用于驱动挖掘机器人7沿竖直方向移动，即将挖掘机器人7吊装入底部环片6内并沿导向限位件8平稳的上、下移动；在卷扬机组件16安装完成后，在基坑1边缘的钢筋混凝土基础2的表面安装管线输送架17，管线输送架17用于支撑连接在机舱9上的各种管线。

如图2、3所示，本实施例中，底部环片6内表面的导向限位件8具有顶部卡扣以及底部卡扣，配合卷扬机组件16可以将挖掘机器人7的水平支杆10固定在所述顶部卡扣或所述底部卡扣，进而调节所述挖掘机器人7的高度以及挖掘范围。

（3）如图4所示，利用挖掘机器人7对基坑1下方的土体进行开挖，每开挖掘进一段深度，在底部环片6的上方安装上部环片18，相邻的上部环片18之间固定连接；并使用下放装置4控制刃脚圈3向下沉降，如此往复，直至掘进到预设深度。

如图4所示，利用挖掘机器人7对基坑下方的土体进行开挖的方法为：通过俯仰角调节组件15调节挖掘臂12的倾斜角度，并伸缩调节挖掘臂12的长度，以使挖掘臂12前端的滚刀13位于所需的挖掘半径和深度上；通过回转调节组件14驱动挖掘臂12进行回转挖掘土体；挖掘臂12的前端还安装有泥浆抽取装置；在挖掘机器人7开挖基坑底部的土方的过程中，使用泥浆抽取装置抽取基坑1底部的泥浆并输送至地面，对泥浆进行泥水分离处理，处理后将分离得到的水排放至基坑内部。

在本实施例中，在挖掘过程中不必抽取基坑1内的地下水，由液压驱动的挖掘机器人7可以在水下进行挖掘作业；位于基坑1外部的控制室可以对挖掘机器人7进行人工手动控制、半自动控制或全自动编程控制；控制室中的显示设备能显示挖掘设备的各种数据和监控画面。

在本实施例中，当基坑底部的土质为软质土时，仅需使用挖掘机器人7开挖基坑1底部中心的土体，位于刃脚圈3下方、基坑1底部边缘的土体可在刃脚圈3沉降过程中利用刃脚圈3的底部边沿切削；当基坑底部的土质为硬质土时，需要将挖掘机器人7固定至导向限位件8的底部卡扣，以便挖掘机器人7挖掘刃脚圈3正下方的土体。

如图4所示，在刃脚圈3沉降过程中，连接在刃脚圈3上方的上部环片18以及底部环片6与刃脚圈3同步沉降；在每次沉降过程中，通过下放装置4调节刃脚圈3的整体沉降深度；在刃脚圈沉降过程中，可以调节刃脚圈3不同侧边的下放装置4的释放速度以及下方长度，从而调节刃脚圈3不同侧面的沉降速度，进而调节刃脚圈3、上部环片18以及底部环片6的姿态，避免上部环片18以及底部环片6的倾角在沉降过程中发生偏移。

如图4所示，上部环片18以及底部环片6均设置有注浆管，在刃脚圈3沉降的过程中，通过注浆管向底部环片6以及上部环片18的外侧注入膨润土，膨润土可以起到润滑的作用，便于上部环片以及底部环片沉降。

（4）如图5所示，当刃脚圈3沉降至预设深度后，通过卷扬机组件16起吊移除挖掘机器人7及其附属管线，并向基坑1底部灌注混凝土，混凝土凝固后将基坑及底部环片封堵；随后抽取底部环片6以及上部环片18内部的积水即可完成沉井的施工。

本实施例的有益技术效果为：（1）挖掘机器人采用液压动力，可以在水下作业；（2）使用下放装置控制沉井的环片沉井过程，可以有效的调节环片的沉降速度和姿态，避免偏斜；（3）对周边土层的扰动较小，可在城区狭小环境中工作，不影响周边建筑物和地面的沉降；（4）挖掘机器人可自动挖掘，挖掘效率高，且其挖掘臂可进行臂长、俯仰角度以及旋转角度的自由调节控制，挖掘范围和适应性较广。