CN104500085B - 一种螺旋出土跟管顶进管幕机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺旋出土跟管顶进管幕机，包括管幕钻机、钻进即时导向纠偏系统，管幕钻机包括提供短行程的顶推油缸及提供长行程的传动马达、传动链条；钻进即时导向纠偏系统包括钻进方位显示光源、摄像机、显示器、钻进纠偏装置，显示器处理摄像机形成的钻进方位及钻进纠偏装置的旋转位置图像，输出钻进方位偏差；钻进纠偏装置按钻进方位偏差及自身旋转位置旋转纠偏。本发明通过钻进即时导向纠偏系统能够对钻进轨迹进行实时跟踪与纠偏，提高了顶进精度，将短行程的顶推油缸与长行程的传动马达相结合为管幕钢管顶进提供双重驱动动力：通过顶进油缸与传动马达为管幕钢管顶进提供双重动力，提高了工效，保证了施工快速高效进行。

Description

一种螺旋出土跟管顶进管幕机

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种螺旋出土跟管顶进管幕机。

背景技术

随着国家经济发展和城市人口密度的增加,地面可开发的空间越来越少,向地下空间发展是国际化大都市发展的必然趋势,城市隧道工程特别是解决城市交通拥挤的地下铁道、公路隧道和各种地下通道、人防通道、地下共同沟等已大量涌现。

管幕法是一种新型的地下工程暗挖技术,是在小口径钢管密排支护的基础上构筑大跨度大断面地下开挖工程的施工方法,特别是在城市建筑密集、地面交通繁忙路段,超浅埋及超大断面的隧道工程中有着极为明显的优越性。

目前，在200mm-600mm口径的管幕施工中多采用拉管法和夯管法，也有采用顶管法施工。在顶管法施工过程中特别是顶进距离长时，存在施工速度慢，施工工效低的问题，特别存在顶进过程无法及时实现纠偏导致顶进轨迹偏离设计轨迹很大，从而影响了施工工效和施工效果的问题，顶进距离长时即使是安装有导向定位系统，采用的也是在钻头内安装带有倾角传感器的探棒，通过有线或地面上有人手持的电磁波接收器，显示探棒亦即钻头的实时方位，将此方位与设计钻进轨迹对比后方可发现两者的偏差，然后据此进行纠偏；此法是一种间接探测方法，其探测精度受钻头及探棒在地面下的埋深影响和地面及地下其他电磁波源干扰较大，信号显真性较差，探测精度较低，影响工程质量。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的技术问题而提供一种螺旋出土跟管顶进管幕机，旨在解决现有管幕机施工速度较慢，顶进过程中无法及时纠偏的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种螺旋出土跟管顶进管幕机，包括机架、安装在所述机架上的管幕钻机、以及纠偏系统；所述机架包括导轨，所述导轨上设有定位孔，所述管幕钻机连接螺旋钻杆；所述管幕钻机包括：

动力头，驱动所述螺旋钻杆旋转钻进；所述动力头通过动力头调整油缸连接在顶进管幕钢管的顶推盘的背面，所述顶推盘的后方设有顶推油缸以及可在所述导轨上纵向滑移的顶推油缸支架；以及驱动所述顶推油缸支架滑移的传动马达以及传动链条；

管幕钢管夹持器，安装在所述机架顶端并位于所述管幕钻机前方，用于支撑所述管幕钢管并限制所述管幕钢管偏向；

所述纠偏系统为钻进即时导向纠偏系统，包括：

钻进方位显示光源，安装在所述螺旋钻杆内部通孔前端；

钻进纠偏装置，为一楔形纠偏板，安装在所述螺旋钻杆内部通孔的前端；

摄像机，用于实时对钻进方位以及所述楔形纠偏板的旋转位置摄像；

显示器，与所述摄像机相连接，用于处理所述摄像机的摄录图像，并在钻进方向存在偏差时，输出显示钻进方位与设计轨迹偏离的角度和距离；

所述钻进纠偏装置，根据所述显示器输出显示的钻进方位与设计轨迹偏离的角度和距离以及所述楔形纠偏板的旋转位置进行纠偏。

所述顶推盘、顶推油缸支架上分别具有一通孔，所述摄像机通过所述通孔以及所述螺旋钻杆的内部通孔摄录形成钻进方位图像。

所述钻进方位显示光源包括一个用于显示纠偏板的方向的纠偏板方向指示灯以及多个钻进偏离参照灯，所述钻进偏离参照灯包括一个中心灯以及多个环形均布在所述中心灯外围的外围灯，所述纠偏板方向指示灯位于所述外围灯的圆周外侧上方。

所述外围灯为4个。

所述钻进方位显示光源的纠偏板方向指示灯及钻进偏离参照灯经所述摄像机摄录成像并经所述显示器处理后构成一钟面，当所述中心灯发光点位于钟面中心时则认为实际钻进方位与设计轨迹相吻合，当所述中心灯发光点偏离钟面中心时，则认为实际钻进方位与设计轨迹不相吻合。

所述顶推油缸支架设有左右横向双向定位的定位销以及定位控制油缸；所述定位销可伸入所述机架上的定位销孔中使所述顶推油缸支架定位，所述定位控制油缸用于对所述定位销进行定位控制。

所述顶推油缸支架左右两侧设有卡槽，所述卡槽可卡在所述导轨上纵向滑移。

所述管幕钢管夹持器的中心与所述顶推盘的中心相一致。

所述顶推盘的前面设有与所述管幕钢管外径相适应的钢管适配孔。

所述动力头的输出轴端与所述顶推盘上的通孔以及螺旋钻杆的通孔相对应。

所述摄像机固定安装在所述机架后端的摄像机安装座上。

本发明将短行程的顶推油缸与长行程的传动马达相结合为管幕钢管顶进提供双重驱动动力：需要快速前进和后退时，采用长行程的传动马达和链条结构快速拉动动力头，需要大顶进力将钢管顶入时采用短行程的顶推油缸作为动力。此种方式提高了工效。本发明通过安装钻进即时导向纠偏系统，可对顶进轨迹实施远程实时监控，并能对顶进方位进行及时纠偏，提高了顶进精度和顶进效果，且该螺旋出土跟管顶进管幕机设备构造相对简单，场地适应性强。

附图说明

图1 是本发明实施例提供的螺旋出土跟管顶进管幕机的俯视示意图；

图2是图1中a处的放大示意图；

图3 是本发明实施例提供的螺旋出土跟管顶进管幕机的侧视示意图；

图4是图3中b处的放大示意图；

图5是图3中c处的放大示意图；

图6是本发明实施例提供的螺旋出土跟管顶进管幕机的顶推盘结构示意图；

图7是本发明实施例提供的螺旋出土跟管顶进管幕机的管幕钢管夹持器的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的螺旋出土跟管顶进管幕机的纠偏系统的纠偏示意图；

图9是本发明实施例提供的螺旋出土跟管顶进管幕机的钻进方位显示光源的布置示意图；

图中，1-顶推盘，2-动力头，3-顶推油缸，4-动力头调整油缸，5-顶推油缸支架，6-传动链条，7-传动马达，8-管幕钢管夹持器，9-顶推盘上的通孔，10-钢管适配孔，11-定位销，12-定位控制油缸，13-导轨，14-导轨支撑架，15-定位孔，16-螺旋钻杆，17-管幕钢管，18-楔形纠偏板, 19-钻进方位显示光源，20-管幕钻机，21-显示器，22—摄像机，23—摄像机安装座，24-顶推油缸支架上的通孔，25—光源电路板，26-纠偏板方向指示灯；27-钻进偏离参照灯。

具体实施方式

下面，结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。

请参阅图1～9，一种螺旋出土跟管顶进管幕机，包括机架、安装在所述机架上的管幕钻机20、纠偏系统；所述机架包括导轨13，所述导轨上设有定位孔15，所述管幕钻机连接螺旋钻杆16；所述管幕钻机20包括有：

动力头2，由后台动力站驱动，用于驱动所述螺旋钻杆旋转钻进；所述动力头通过动力头调整油缸4连接在顶进管幕钢管的顶推盘1的背面，所述顶推盘1的后方设有顶推油缸3以及可在所述导轨13上纵向滑移的顶推油缸支架5；以及驱动所述顶推油缸支架在所述导轨13上滑移的传动马达7以及传动链条6；其中，所述顶推盘1、顶推油缸3共同作用对所述管幕钢管进行顶进操作；

管幕钢管夹持器8，安装在所述机架顶端并位于所述管幕钻机前方，用于支撑所述管幕钢管并限制所述管幕钢管偏向；

所述纠偏系统为钻进即时导向纠偏系统，包括：

钻进方位显示光源19，安装在所述螺旋钻杆内部通孔前端的光源安装位置处；

钻进纠偏装置，为一楔形纠偏板18，也即一块一端具有斜面的板，安装在所述螺旋钻杆16的前端；

摄像机22，用于实时对所述钻进方位以及所述楔形纠偏板的旋转位置进行摄像，形成钻进方位及楔形纠偏板的旋转位置图像；

显示器21，与所述摄像机22相连接，用于处理所述摄像机摄录形成的图像，并在钻进方向存在偏差（偏离的角度和位移量）时，输出显示钻进方位与设计轨迹偏离的角度和距离（即位移量）；

所述钻进纠偏装置，与螺旋钻杆一起在所述动力头的带动下旋转，按所述显示器输出显示的钻进方位与设计轨迹偏离的角度和距离以及楔形纠偏板的旋转位置进行纠偏；

所述楔形纠偏板安装在螺旋钻杆前端，亦可形成一楔形钻头，在管幕机向前旋转顶进时，该楔形钻头可实现切削土体的功能。

所述钻进方位显示光源19，用于发光以通过螺旋钻杆的内部通孔，由固定在后部的远距离的摄像机实时摄录钻进方位和楔形纠偏板的旋转位置或方位（或称之为工具角）。

所述钻进方位显示光源19包括多个灯，非对称排列安装于光源电路板25上，并安装在光源安装位置处，非对称排列布置是为了反映或表明楔形纠偏板的旋转方位或位置，即工具角。

具体实现上，所述钻进方位显示光源19包括一个用于显示纠偏板的方向的纠偏板方向指示灯26以及多个钻进偏离参照灯27，所述钻进偏离参照灯包括一个中心灯以及多个环形均布在所述中心灯外围的外围灯，所述纠偏板方向指示灯位于所述外围灯的圆周外侧上方。

较优的，所述钻进偏离参照灯27共为5个，中心设置一个中心灯27-1，并在中心设置的中心灯的上下左右各设置一个外围灯27-2，27-3，27-4，27-5（总共4个外围灯）、且在以中心灯的中心位置为圆心的同直径圆的圆周上。

所述钻进方位显示光源19通过采用以上方案进行指示灯布置，在调节好光源后，通过摄像机成像后，该6个灯会显示在所述显示器上，形成一个钟面，中心灯27-1位于钟面中心，此时钻进沿直线前进（锲形纠偏板斜面朝下时为12点方向，锲形纠偏板斜面朝上时为6点方向，锲形纠偏板斜面朝左时为3点方向，锲形纠偏板斜面朝下时为9点方向），当发生偏移时，中心灯27-1相对钟面中心发生偏移，二者不再重合，此时钟面指示灯发光点数量减少。当钻进角度偏上，该纠偏板方向指示灯26及其下方一个钻进偏离参照灯在显示器上消失，表明钢管向上方偏移，此时调节楔形纠偏板的斜面向上（即6点钟方向），管幕机直接向前顶进，由于楔形纠偏板底板斜面面积大,受到一个向下的力，钻头轨迹就会朝下运移，带动管幕钢管下移，从而达到纠偏目的，当显示器显示中心灯发光点与钟面中心重合时，则纠偏完成，此时，显示器上再次同时出现6个灯，管幕机由直接顶进模式改为旋转顶进模式；

同理，当钻进角度偏下或偏左，或偏右时，需调整楔形纠偏板斜面向下或向左或向右（此时为12点方向或3点方向或9点方向），管幕机直接向前顶进，当显示器显示中心灯发光点与钟面中心重合时，显示器再次同时出现6个灯，则纠偏完成，管幕机由直接顶进模式改为旋转顶进模式。

本发明在进行纠偏时只需由所述动力头驱动所述螺旋钻杆转动，并带动所述楔形纠偏板旋转一定角度后，再向前直接顶进即可实现。

本发明的纠偏系统在纠偏时由于仅需要直接旋转螺旋钻杆，纠偏时楔形纠偏板带动管幕钢管偏转，因而纠偏时动力充足，及时、便于操作，相比现有技术中楔形纠偏板安装在螺旋钻杆的管幕钢管头部，纠偏时需要先旋转管幕钢管，调整纠偏板楔形面位置，再进行纠偏的方法来说，纠偏效果更为优越。

本发明的传动马达7及传动链条6可以提供长行程作用动力，配合顶推油缸提供的短行程作用动力，实现双动力；另外，在顶进完一节管幕钢管，需要加长焊接下一节管幕钢管（标称长度一般为3米、4米、6米或12米）时，管幕钻机须回退以腾出足够的作业空间，此时可直接通过传动马达及传动链条，将管幕钻机一次性长距离快速地回退至初始位置，而无需缓慢收缩顶推油缸和移动管幕钻机支架使管幕钻机一次一次短距离地逐步回退，回退速度大大加快，顶进间歇时间相应地大大缩短，工效提高幅度很大，从而解决了现有设备只采用顶推油缸只能提供短行程作用动力带来的施工不便的问题，如在顶进完一节管幕钢管，需要加长焊接下一节管幕钢管，需缓慢收缩顶推油缸和移动管幕钻机支架，使管幕钻机一次一次短行程地逐步回退，导致回退速度慢，顶进间歇时间长的问题。

以上分析，可以看出，本发明通过顶推油缸与传动马达为管幕钢管顶进提供双重驱动动力，加快了顶进速度，提高了工效；通过安装钻进即时导向纠偏系统，可对顶进轨迹实施远程实时监控，并能及时有力对顶进方位进行及时纠偏，提高了顶进精度和顶进效果。

具体实现上，所述传动马达7安装于所述机架后端下部，通过铺设在所述机架底部垫板上所述传动马达与所述管幕钢管夹持器之间的传动链条6，共同作用带动所述顶推油缸支架在所述机架上纵向滑移。

为了便于所述钻进即时导向纠偏系统进行成像，本发明实施例中，所述顶推盘、顶推油缸支架上分别具有一通孔，所述摄像机可通过所述通孔以及所述螺旋钻杆的内部通孔对钻进方位进行摄录，从而形成钻进方位图像传送到所述显示器进行处理。

具体实现上，所述顶推油缸支架上的通孔24，与所述顶推盘上的通孔9相对应，并与螺旋转杆的内部通孔相连通，这样，可以所述摄像机通过该顶推盘上的通孔9、顶推油缸支架上的通孔24以及所述螺旋钻杆的内部通孔对钻进方位进行摄录成像。所述摄像机22固定安装在所述机架后端的摄像机安装座23上。

具体实现上，所述显示器在处理钻进方位图像是这样的：所述钻进方位显示光源的所述纠偏板方向指示灯及钻进偏离参照灯的发光经所述摄像机摄录成像并经所述显示器处理后形成一钟面，并根据光源的所述中心灯发光点所处钟面位置作为判断实际钻进方位与设计轨迹是否相吻合，光源的所述中心灯发光点位于钟面中心时则认为实际钻进方位与设计轨迹相吻合，当光源的所述中心灯发光点偏离钟面中心时，则认为实际钻进方位与设计轨迹不相吻合。

具体实现上，所述钻进方位显示光源可以采用发光二极管作为钻进方位显示光源，或采用其它可发光的装置作为钻进方位显示光源。

为了更好地控制所述顶推油缸支架5，使所述顶推油缸支架在导轨上纵向滑移，本发明实施例中，在所述顶推油缸支架上设有用于左右横向双向定位的定位销11以及定位控制油缸12；所述定位销11可伸入所述机架上的定位销孔中使所述顶推油缸支架定位，所述定位控制油缸主要用于对所述定位销进行定位控制。

所述顶推油缸支架与导轨移动式连接，可采用如下结构，在所述顶推油缸支架左右两侧设有卡槽，所述卡槽可卡在所述导轨上纵向滑移。

本发明实施例中，所述管幕钢管夹持器8的中心与所述顶推盘1的中心相一致，所述顶推盘1的前面还设有与所述管幕钢管外径相适应的钢管适配孔10，所述螺旋钻杆16与所述顶推盘上的通孔9相对应，所述动力头2的输出轴端与所述顶推盘上的通孔9相对应。

所述导轨13底部有导轨支撑架14，所述导轨和导轨支撑架均由多节方钢连接而成。

需要说明的是，本发明实施例中，所述管幕机所允许的管幕钢管直径可以是200mm-600mm。

施工前，首先完成设备的安装与调试，之后进入施工阶段。将螺旋钻杆通过顶推盘上与螺旋钻杆相对应的通孔与管幕钻机连接，之后将管幕钢管通过顶推盘上的管幕钢管适配孔中套在螺旋钻管外，完成设备及管幕钢管的定位后，开启管幕机顶推油缸、传动马达、动力头等，顶推油缸与传动马达为管幕钢管顶进提供动力，切削土体经螺旋钻杆与管幕钢管直接排出，钻进过程中采用钻进即时导向纠偏系统进行导向纠偏。

本发明提供的螺旋出土跟管顶进管幕机通过钻进即时导向纠偏系统能够对钻进轨迹进行实时跟踪与纠偏，提高了顶进精度，需要快速前进和后退时，采用长行程的传动马达和链条结构快速拉动动力头，需要大顶进力将钢管顶入时采用短行程的顶推油缸作为动力.另外，通过短行程的顶进油缸与长行程的传动马达为管幕钢管顶进提供双重动力，提高了工效，从而保证了施工的快速高效进行。

综上分析说明，可以看出，本发明螺旋出土跟管顶进管幕机的两大动力源解决了传统钻机给进速度较慢的问题，同时，该管幕机的钻进即时导向纠偏系统可以实现管幕机边钻进边导向纠偏顶进轨迹，与传统先预打导向孔再实施顶进的方法相比，不仅精度高且能及时纠偏，而且减少工序，节省时间，提高工效，具有良好的工程应用价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种螺旋出土跟管顶进管幕机，包括机架、安装在所述机架上的管幕钻机、以及纠偏系统；所述机架包括导轨，所述导轨上设有定位孔，所述管幕钻机连接螺旋钻杆；其特征在于，所述管幕钻机包括:

动力头，驱动所述螺旋钻杆旋转钻进；所述动力头通过动力头调整油缸连接在顶进管幕钢管的顶推盘的背面，所述顶推盘的后方设有顶推油缸以及可在所述导轨上纵向滑移的顶推油缸支架；以及驱动所述顶推油缸支架滑移的传动马达以及传动链条；

管幕钢管夹持器，安装在所述机架顶端并位于所述管幕钻机前方，用于支撑所述管幕钢管并限制所述管幕钢管偏向；

所述纠偏系统为钻进即时导向纠偏系统，包括：

钻进方位显示光源，安装在所述螺旋钻杆内部通孔前端；

钻进纠偏装置，为一楔形纠偏板，安装在所述螺旋钻杆的前端；

摄像机，用于实时对钻进方位以及所述楔形纠偏板的旋转位置摄像；

显示器，与所述摄像机相连接，用于处理所述摄像机摄录的图像，并在钻进方向存在偏差时，输出显示钻进方位与设计轨迹偏离的角度和距离；

所述钻进纠偏装置，根据所述显示器输出显示的钻进方位与设计轨迹偏离的角度和距离以及所述楔形纠偏板的旋转位置进行纠偏；

所述顶推盘、顶推油缸支架上分别具有一通孔，所述摄像机通过所述通孔以及所述螺旋钻杆的内部通孔摄录形成钻进方位图像。

2.根据权利要求1所述螺旋出土跟管顶进管幕机，其特征在于，所述钻进方位显示光源包括一个用于显示纠偏板的方向的纠偏板方向指示灯以及多个钻进偏离参照灯，所述钻进偏离参照灯包括一个中心灯以及多个环形均布在所述中心灯外围的外围灯，所述纠偏板方向指示灯位于所述外围灯的圆周外侧上方。

3.根据权利要求2所述螺旋出土跟管顶进管幕机，其特征在于，所述外围灯为4个。

4.根据权利要求3所述螺旋出土跟管顶进管幕机，其特征在于，所述钻进方位显示光源的纠偏板方向指示灯及钻进偏离参照灯经所述摄像机摄录成像并经所述显示器处理后构成一钟面，当所述中心灯发光点位于钟面中心时则认为实际钻进方位与设计轨迹相吻合，当所述中心灯发光点偏离钟面中心时，则认为实际钻进方位与设计轨迹不相吻合。

5.根据权利要求1或4所述螺旋出土跟管顶进管幕机，其特征在于，所述顶推油缸支架设有左右横向双向定位的定位销以及定位控制油缸；所述定位销可伸入所述机架上的定位销孔中使所述顶推油缸支架定位，所述定位控制油缸用于对所述定位销进行定位控制。

6.根据权利要求5所述螺旋出土跟管顶进管幕机，其特征在于，所述顶推油缸支架左右两侧设有卡槽，所述卡槽可卡在所述导轨上纵向滑移。

7.根据权利要求1或6所述螺旋出土跟管顶进管幕机，其特征在于，所述管幕钢管夹持器的中心与所述顶推盘的中心相一致。

8.根据权利要求7所述螺旋出土跟管顶进管幕机，其特征在于，所述顶推盘的前面设有与所述管幕钢管外径相适应的钢管适配孔。

9.根据权利要求8所述螺旋出土跟管顶进管幕机，其特征在于，所述动力头的输出轴端与所述顶推盘上的通孔以及所述螺旋钻杆内部的通孔相对应。