CN100510320C - 隧道挖掘方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道挖掘方法，所述方法包括：开辟推进场地，在所述推进场地内设置压力千斤顶的步骤；利用钻孔机沿着管道埋设路线挖掘导向孔的步骤；将埋设管道的前端连接在比所述管道内径小且内径逐渐变小的至少一个以上的导向管上，利用所述压力千斤顶将埋设管道与所述导向管一起依次压入导向孔的同时，继续向外排出伴随压入所述管道而流入的碎石等地基物质的步骤。在压入埋设管道时可使用推进设备，而且将埋设管道与所述导向管一起压入时，利用从目标场地延长的导向设备沿着埋设路线导向牵引。具有这样组成的挖掘方法不仅沿着施工路线正确且安全施工，而且能缩短施工期限，可对沙土或小石子等地基也能施工。

Description

隧道挖掘方法

技术领域

本发明涉及隧道挖掘方法。

背景技术

在地下埋设管道时，为形成隧道，目前为止利用了许多隧道挖掘方法和挖掘用设备。

近年来比较常用的一个方法是压入管道式挖掘方法。这是利用压力千斤顶等在隧道挖掘方向的后侧压入管道，利用螺杆或其他设备把进入管道内的碎石等排出管道外面，进行挖掘的方式。为了采用该方法，在隧道的起点和隧道的终点需要分别开辟推进场地和目标场地等作业区，在推进场地内需要设置压力千斤顶等设备。

所述方法具有容易设置且作业过程简单等优点，但是，在挖掘途中几乎不能改变推进方向，用于排出碎石的螺杆影响偏心力等，所以不仅难以精密设定挖掘方向，而且施工期限相对长。另外，埋设管道的前端露出地基，如果所述地基为柔软地基或伴有地下水的地基时，地基坍塌的危险很大。

为此，研究了利用压入管道方法挖掘曲线隧道的变形方法。其中有H.J.S(Head Jacking Shield)方法。所述方法可改变方向，把具有位置感应器的挖掘头设置在管道前端，所以在挖掘途中可设定方向。图1a至图1d表示所述方法的施工例。一般来说，H.J.S方法是一种压入管道式挖掘方法。下面结合附图说明H.J.S方法和压入管道式挖掘方法。

如图1a所示，为了实施利用H.J.S方法的压入管道式挖掘，把压力千斤顶1设置在推进场地1内后，把挖掘头20设置在推进场地1，使其方向冲向目标场地2。之后，如图1b所示，对压力千斤顶10加压，推进挖掘头20，此时挖掘头内进入碎石等，这些碎石通过适合于隧道规模的各种方式排出挖掘头和管道外。如图1c所示，当挖掘头20推进一定距离时，利用吊车70等把埋设管道30设置在挖掘头20后面，通过压力千斤顶10对所述管道30重复进行推进过程。最后，如图1d所示，当埋设管道30贯通而到达目标场地2时，挖掘头20与管道分离，利用吊车从目标场地撤收。

在这里，H.J.S方法与普通压入管道式挖掘方法不同之处在于，利用了可改变推进方向的特殊挖掘头。也就是，挖掘头20分为两个部分，后半部分和前半部分分别固定在油压驱动的千斤顶两端，通过与各自油压千斤顶的不同距离，将挖掘头前半部分向推进方向以一定角度倾斜。这时的挖掘沿着挖掘头20的倾斜方向进行，所以可实施曲线隧道的挖掘。而且，挖掘头20表面安装有位置感应器，所以可以一边确定位置一边改变方向。

但是，与普通的压入挖掘方法相比，虽然可以实施某种程度的方向设定，但对多种曲线施工受限，随着周围条件、土质等，所述方向调节对施工工程和质量产生很大影响。另外，仍然存在施工时间长等压入管道式挖掘方法的缺点。

与这些压入管道式挖掘方法不同的方法已知有在隧道挖掘中可自由且正确施工曲线挖掘的方法。一般来说，所谓H.D.D方法(Horizontal directionalDrill Method)是与在埋设管道后面加压压入的前一方法相反，是在隧道挖掘推进方向的前面牵引埋设管道的方法。根据H.D.D方法，不需要在地基上形成垂直作业区也可实施挖掘作业。

图2a至图2c表示所述H.D.D方法的工程。首先，如图2a所示，利用计算机控制的钻孔机41在地下形成导向孔3；之后，如图2b所示，利用扩孔器42反复扩孔，扩大导向孔3；如图2c所示，通过直径比埋设管道直径大且适当大小的扩大孔4，把埋设管道30向推进方向牵引，挖掘隧道。

所述反复扩孔是通过扩孔器42和与此连接的钻杆44的旋转而实施。另外，通过洗涤杆43供给水和斑脱土(一种粘土)，从扩孔器42向推进方向喷射，所以高粘性的凝集的斑脱土的摇溶性引起挖掘速度显著增大，可防止挖掘壁面的坍塌。

这样的H.D.D方法，首先形成导向孔后，沿着正确形成的导向孔进行隧道挖掘施工，所以与其他方法相比，曲线施工时操作性和正确性特别突出，不需要另设作业区，没有设备深度等带来的负担，可实施通过计算机控制系统的精密施工。

但是，利用反复扩孔来扩大的扩大孔直径只有大于埋设管道直径，才能把管道牵引到扩大孔内部，为此按直径逐渐从小到大的顺序连续更换扩孔器，使孔直径扩大到大于管道直径，这就存在需要实施多次反复扩孔的缺点，这对大口径隧道的挖掘非常困难。尤其是对柔软地基，为埋设管道需要比一般地基需要更多次数的反复扩孔，而且用斑脱土等也不能保证防止沙土、碎石层的墙面坍塌，所以通过H.D.D方法不可能完成施工。

为解决上述问题而提出本发明。本发明的目的是提供一种对长距离的隧道挖掘也能实施精密施工且可自由设定挖掘方向的隧道挖掘方法。

本发明的其他目的是提供隧道挖掘方法，以少次数的反复扩孔可埋设管道，不仅缩短施工期限，而且在柔软地基或沙土、碎石等施工中防止墙面坍塌，确保安全。

发明内容

为达到上述目的，本发明的隧道挖掘方法包括以下几个步骤：开辟推进场地和目标场地，在所述推进场地内设置压力千斤顶的步骤；利用钻孔机在所述推进场地和目标场地之间沿着管道埋设路线挖掘导向孔的步骤；利用扩孔器至少一次以上反复扩大所述导向孔的步骤；埋设管道的前端连接在比所述管道内径小且内径逐渐变小的至少一个以上的导向管，利用所述压力千斤顶，将埋设管道与所述导向管一起依次压入导向孔的同时，所述导向管的前端连接在从目标场地延长的导向设备，然后沿着埋设路线导向，继续向外排出伴随推进所述管道而流入的碎石等地基物质的步骤。

另外，在不能形成目标场地的情况时，本发明隧道挖掘方法包括以下几个步骤：开辟推进场地，在所述推进场地内设置压力千斤顶的步骤；利用钻孔机沿着管道埋设路线挖掘导向孔的步骤；埋设管道的前端连接在比所述管道内径小且内径逐渐变小的至少一个以上的导向管，利用所述压力千斤顶，将埋设管道与所述导向管一起依次压入导向孔的同时，继续向外排出伴随压入所述管道而流入的碎石等地基物质的步骤。

在这些方法的直接埋设管道的步骤中，可利用推进设备代替压力千斤顶进行压入。

另外，内径逐渐变小的一个以上的导向管或导向管系列优选其前端具有圆锥形状。所述导向设备包括钻杆和扩孔器。

附图说明

图1a至图1d为表示以往隧道挖掘方法中的一种压入挖掘方法示例---H.J.S方法的隧道挖掘工艺图。

图2a至图2c为表示以往隧道挖掘方法中的一种H.D.D方法的隧道挖掘工艺图。

图3a至图3c为表示本发明隧道挖掘方法的第1实施例的图。

图4a至图4b为表示导向管和管道的连接状态的立体图。

图5为表示本发明隧道挖掘方法的第2实施例的图。

图6至图6b为表示本发明隧道挖掘方法的第3实施例的图。

图7为表示图6所示实施例中纵向截断一部分且通过可变设备缩小内径的管道截断立体图。

具体实施方式

下面通过参照附图的实施例更加详细说明本发明。

图3a至图3c表示本发明隧道挖掘方法的一个实施例。

图3a表示为了实施本发明的挖掘方法，开辟推进场地1和目标场地2后，利用钻孔机41挖掘导向孔3的状态。附图表示了具有与地基垂直的作业区的目标场地，但是利用钻孔机形成导向孔时，目标场地不一定必须需要这样的垂直作业区。

推进场地1设置有用于引导埋设管道30(参照图4c)方向的导轨60和压力千斤顶10。压力千斤顶10可使用固定式压力千斤顶和移动式油压系统。固定式压力千斤顶的位置是固定的，而移动式油压系统是将可移动的前进压力千斤顶10可装卸地固定在固定的导轨上且在所述导轨的一定位置上可变化位置，所以随着管道的前进，仅简单改变千斤顶的位置，可继续实施管道的压入作业。移动式油压系统是中小规模的隧道挖掘中常用的装置。图3a至图3c表示利用这些移动式油压系统的压力千斤顶10。

如图3b所示，利用计算机系统等控制导向孔，使挖掘正确路线确定，利用扩孔器42扩大导向孔3。但是，如后面所述，在结合管道压入步骤的本发明的隧道挖掘方法中，即使扩大的孔4的直径小于埋设管道的直径，也可以施工，所以可显著减少利用扩孔器42的反复扩孔次数。

图3c是本发明隧道挖掘方法的核心工艺。也就是，埋设管道30的前端连接导向管51，所述导向管51的前端连接从目标场地2延长的导向设备上。另外，利用压力千斤顶，将埋设管道与导向管一起依次压入的同时，然后利用导向设备将导向管和管道沿着埋设路线导向牵引。

图4a更加详细表示所述导向管和管道的连接部分。导向管51为前端尖的圆锥形状管，其直径比埋设管道30的直径小，优选为管道30直径的四分之一至四分之三。导向管的长度根据作业环境不同而不同。导向管通过两个以上的连接线，与管道30前端的至少两个以上位置相连。此时为了使碎石等流入管道内，导向管51和管道30之间具有一定空间。导向管51的前端优选使用铁管等高强度的材料，所述连接线31是将高强度的铁板等加工成适当长度得到的。

这样的导向管51沿着埋设路线引导管道，实施正确的施工，且推进管道时可支撑地基的作业部分，防止坍塌，确保安全性。特别是，通过曲线形状路线时，如果没有这样的导向管，埋设管道30的前端就会被挂在弯曲的孔内，阻止管道30的推进。

但是，如图所示，用于导向的导向管51放在管道前面，所以可防止上述现象，其中所述导向管51的前端为尖形状，直径比埋设管道30的直径小。另外，物质通过各连接线31之间的空间可进出管道30的内部，所以管道30前进时，碎石将会流入管道30内。根据这样结构，即使扩大的孔4的直径小于管道30的直径，碎石等也会流入管道30内，可继续将管道30导向牵引以及压入。

根据埋设管道的大小、土质、周围环境，可连接多个这样的导向管51使用，图4b表示这些例。这样使用多个导向管时，其直径优选沿着目标场地的方向逐渐缩小。而且，只有导向管51a的最前端具有圆锥形状，其他导向管51b具有管道形状，整体上其侧面为阶梯形漏斗状。另外，各自的导向管51a，51b之间及导向管51b和管道30之间具有一定空间，利用连接线31a，31b相互连接。因此，导向管与管道一起推进时，碎石等通过连接线之间的空间流入。各导向管的大小或间隔等可根据土质或周围环境适当调节。

所述导向设备沿着埋设路线导向牵引导向管51和管道30，所以本实施例的导向设备包括钻杆44和扩孔器42，所述导向设备的一端连接在目标场地2，另一端连接在导向管51的前端。此时，扩孔器42和导向管51的连接部分46优选是轴承连接部分46，这样可以使管道30不受旋转力的影响，所述旋转力是旋转钻杆44和扩孔器42时产生的。用于导向牵引导向管51和管道30的导向设备，除了图中所示的钻杆44和扩孔器42之外，可利用强度高的缆线等。

如图所示，沿着所述目标场地2的方向埋设的管道30，在其前端连接导向管的状态下，通过压力千斤顶10压入其后端的同时，通过导向设备导向牵引其前端。也就是，压入管道的同时，导向牵引管道，可实施正确的施工。如图3c所示，利用吊车70等，把将要埋设的管道30移动到推进场地1内，反复上述压入以及导向牵引过程，使管道30贯通设置至目标场地2，由此完成隧道挖掘工程。

管道从推进场地推进至目标场地的过程中，使流入管道内的碎石等地基物质继续排出到作业场地之外。可以根据隧道的规模选择适当的排出方法。例如，当管道直径小时，在管道内插入螺杆装置，通过螺杆的旋转，将碎石连续地排出管道外面，而对大规模的施工，可利用挖掘机、推进螺杆(augerscrew)等设备。

图5表示本发明的第2实施例。本实施例的方法是在地基或多种作业环境不形成目标场地的挖掘方法，在这里与第1实施例相同结构部分采用相同符号，省略重复说明。

除了不形成目标场地之外，本实施例与第1实施例相同，因此不可能反复扩孔以及导向牵引管道。也就是，在推进场地沿着埋设路线挖掘导向孔，此时优选尽可能利用粗的钻孔机挖掘大直径的导向孔。

另外，如同上述实施例说明，在埋设管道的前端设置一个或一个以上的导向管，利用压力千斤顶，将埋设管道与所述导向管一起依次压入导向孔。本实施例没有形成目标场地，所以在导向管的前方不能导向牵引导向管和管道，但是因为利用导向管，与以往的在同一作业环境下的方法相比，其施工更加正确，更加安全且迅速。

图6a和图6b表示本发明的第3实施例。本实施例的隧道挖掘方法中，有以下几点与上述第1实施例相同：开辟推进场地1和目标场地2，在所述推进场地1内设置压力千斤顶的步骤；利用钻孔机41在所述推进场地1和目标场地2之间沿着管道埋设路线挖掘导向孔3的步骤；利用扩孔器42至少一次以上反复扩大所述导向孔3的步骤。在这里，与第1实施例相同结构部分采用相同符号，省略重复说明。

如图所示，本实施例中，在压入埋设管道时利用推进设备53。所述推进设备53是由第1圆筒管53a和第2圆筒管53b组成，第2圆筒管53b的内径与第1圆筒管53a的外径几乎相同。第1圆筒管53a和第2圆筒管53b是形成一体或通过焊接等适当方法连接，其连接部分具有台阶。

一个以上导向管51设置在推进设备的第1圆筒管53a前端，所述导向管51已在第1实施例中说明。在压入埋设管道30之前，首先利用压力千斤顶10将推进设备53与导向管51一起压入。与此同时，导向管51的前端与从目标场地延长的导向设备相连，沿着埋设路线导向牵引导向管51和管道30。

压入导向管51和推进设备53之后，压入埋设管道30。首先，利用压力千斤顶将一个管道30压入到推进设备的第2圆筒管53b内，接着将另一个埋设管道30进一步压入到已压入的管道30后面。所述后面管道30也利用压力千斤顶10压入，此时将所述推进设备53、第2圆筒管53b内的管道30以及其后的管道30等全部推进。与此同时，如上所述利用导向设备继续导向牵引导向管51。

如上所述，利用压力千斤顶10压入埋设管道30的过程是根据压力千斤顶10的允许负荷可反复数次进行。利用压力千斤顶10压入至少两个或两个以上管道30，所述管道30包括在第2圆筒管53b内压入的管道30。如后面所述，这是因为利用压力千斤顶10压入至少两个或两个以上的管道，才能支撑已埋设的管道30，并通过推进设备53本身的驱动设备55来推进。也就是，将包括在第2圆筒管53b内压入的管道30至少两个或两个以上的管道30利用压力千斤顶10压入之后，利用在所述第1圆筒管53a内设置的驱动设备55，推动推进设备53。

所述驱动设备55设置在推进设备53内，所以不需要依靠压力千斤顶10的压入，而通过已埋设的管道33来支撑，推动推进设备53。为此，所述驱动设备55通常使用普通的设备，例如可使用具有活塞-汽缸结构的通过油压工作的油压千斤顶。也就是将多个汽缸固定在第1圆筒管53a的内周围，活塞与可装卸地设置在已埋设的前端管道30的托架(56，参照图7)相连，当向汽缸供给油压时，推进设备53被已埋设的管道30支撑，向前进方向推进。与此同时，如上所述利用导向设备继续导向牵引导向管51。

利用驱动设备55，将推进设备53推进埋设管道30的长度大小之后，不是利用压力千斤顶10压入管道30，而是将新的埋设管道插入到第2圆筒管53b内。此时将要新埋设的管道不能以原来的圆形通过已埋设的管道30内部并插入第2圆筒管53b内，所以在长度方向部分切断，利用可变设备57，缩小其内径后，通过已埋设的管道30的中孔，插入到第2圆筒管53b内。图7为纵向切断后利用可变设备57缩小内径的管道30a的立体图。可变设备57只要能够缩小纵向切断的管道30a的内径，就可以使用，例如图中的一个例子所示，可使用随动千斤顶58或油压千斤顶等，所述随动千斤顶58具有在管道30的切断部分固定的左右两个螺丝58a，58b，所述油压千斤顶通过油压驱动。

将切断的管道30a插入至第2圆筒管53b后，取出可变设备57，恢复管道30a原来的口径后，焊接纵向切断的切断片30b。另外，通过焊接等方法与已埋设的管道30相连。

这样可完成一个新管道埋设，驱动设备55的一端与附着在新埋设的管道30a，30b上的托架相连，利用托架支撑，推动推进设备53，所以可确保用于埋设新管道的空间。反复这样的过程，目标场地为止埋设管道，在目标场地取出推进设备53。在这样的过程中为了推进导向管和推进设备53，所述导向设备继续沿着埋设路线导向牵引管道。

通过本发明的这样组成的方法，精密控制管道的埋设路线，不仅可安全迅速施工，而且只推动推进设备而不是已埋设的全部管道，所以减小推进摩擦力，减少用于管道压入的压力千斤顶10的负荷，即使更远距离也能容易埋设管道。

通过上述步骤推动推进设备53时，流入推进设备内的碎石等地基物质通过适当方法继续排出作业场外面。

本实施例省略了反复扩孔步骤和利用导向设备导向牵引步骤，尽可能形成更大直径的导向孔，所以也可适用于不形成目标场地的情况。

如上所述，本发明的隧道挖掘方法具有在埋设管道的前端连接一个以上的导向管并沿着埋设路线精密施工的优点和支撑地基的作业部分防止坍塌确保施工安全的优点。

另外，在前方利用导向设备沿着埋设路线导向牵引，而在后方利用压入等各种推进方法埋设管道，所以缩短施工时间，对曲线施工和长距离施工可更加精确实施。通过在后方利用各种推进方法推进管道，即使把导向孔扩大到比管道直径小，即反复扩孔少次数，也可施工管道埋设，而且也可以对沙土或小石子等以往施工不可能的地基也能实施管道埋设。

另外，在后方埋设管道时不仅仅依赖压力千斤顶，也可以利用推进设备，所以减少压力千斤顶的负荷，对长距离隧道的施工也可容易进行。

以上为本发明优选实施例的说明，但本发明并不限定在这些，不脱离本发明宗旨的权利要求范围内，在本发明所述领域中具有普通知识的人员都可实施各种变化，这些变化包括在本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1、一种隧道挖掘方法，其特征在于，该方法包括：开辟推进场地，在所述推进场地内设置压力千斤顶的步骤；利用钻孔机沿着管道埋设路线挖掘导向孔的步骤；将埋设管道的前端连接在比所述管道内径小且内径逐渐变小的至少一个以上的导向管上，利用所述压力千斤顶，将埋设管道与所述导向管一起依次压入导向孔的同时，继续向外排出伴随压入所述管道而流入的碎石等地基物质的步骤。

2、一种隧道挖掘方法，其特征在于，该方法包括：开辟推进场地和目标场地，在所述推进场地内设置压力千斤顶的步骤；利用钻孔机在所述推进场地和目标场地之间沿着管道埋设路线挖掘导向孔的步骤；利用扩孔器至少一次以上反复扩大所述导向孔的步骤；将埋设管道的前端连接在比所述管道内径小且内径逐渐变小的至少一个以上的导向管上，利用所述压力千斤顶，将埋设管道与所述导向管一起依次压入导向孔的同时，将所述导向管的前端连接在从目标场地延长的导向设备上，然后沿着埋设路线导向，继续向外排出伴随推进所述管道而流入的碎石等地基物质的步骤。

3、一种隧道挖掘方法，其特征在于，该方法包括：开辟推进场地，在所述推进场地内设置压力千斤顶的步骤；利用钻孔机沿着管道埋设路线挖掘导向孔的步骤；将推进设备的前端连接比所述推进设备内径小且内径逐渐变小的至少一个以上的导向管上，利用所述压力千斤顶将与所述导向管相连的推进设备压入导向孔的步骤，所述推进设备是由第1圆筒管、比第1圆筒管内径大且与其形成一体的具有连接台阶的第2圆筒管以及在所述第1圆筒管内设置的驱动设备组成；利用所述压力千斤顶将埋设管道插入所述第2圆筒管内之后，利用所述压力千斤顶将至少一个以上的埋设管道与具有导向管的推进设备一起推进的步骤；利用所述驱动设备推动所述推进设备，将纵向部分切断的埋设管道利用可变设备缩小其内径，插入到所述推进设备的第2圆筒管内之后，取出所述可变设备，使所述埋设管道恢复原来的口径后，焊接切断片，反复进行与相邻埋设管道焊接的过程的步骤；继续向外排出伴随上述步骤推进所述推进设备而流入的碎石等地基物质的步骤。

4、一种隧道挖掘方法，其特征在于，该方法包括：开辟推进场地和目标场地，在所述推进场地内设置压力千斤顶的步骤；利用钻孔机在所述推进场地和目标场地之间沿着管道埋设路线挖掘导向孔的步骤；利用扩孔器至少一次以上反复扩大所述导向孔的步骤；推进设备的前端连接比所述推进设备内径小且内径逐渐变小的至少一个以上的导向管，利用所述压力千斤顶，将与所述导向管相连的推进设备压入导向孔的同时，所述导向管的前端连接在从目标场地延长的导向设备，然后沿着埋设路线导向的步骤，所述推进设备是由第1圆筒管、比第1圆筒管内径大且与其形成一体的具有连接台阶的第2圆筒管以及在所述第1圆筒管内设置的驱动设备组成；利用所述压力千斤顶，将埋设管道插入所述第2圆筒管内之后，利用所述压力千斤顶将至少一个以上的埋设管道与具有导向管的推进设备一起推进的步骤；利用与所述导向管相连的导向设备进行导向的同时，利用所述驱动设备推动所述推进设备，将纵向部分切断的埋设管道利用可变设备缩小其内径，插入到所述推进设备的第2圆筒管内之后，取出所述可变设备，使所述埋设管道恢复原来的口径后，焊接切断片，反复进行与相邻埋设管道焊接的过程的步骤；继续向外排出伴随上述步骤推进所述推进设备而流入的碎石等地基物质的步骤。

5、如权利要求1至4的任意一项所述的隧道挖掘方法，其特征在于，内径逐渐变小的一个以上的导向管或导向管系列其前端具有圆锥形状。

6、如权利要求2或4所述的隧道挖掘方法，其特征在于，所述导向设备包括钻杆和扩孔器。

7、如权利要求3或4所述的隧道挖掘方法，其特征在于，所述驱动设备是由油压千斤顶组成，所述油压千斤顶包括固定在所述第1圆筒管内面的多个汽缸和利用供给所述汽缸的油压来移动的活塞。

8、如权利要求3或4所述的隧道挖掘方法，其特征在于，所述可变设备包括具有固定在管道切断部分的左右两个螺丝的随动千斤顶或利用油压驱动的油压千斤顶。

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