CN104568329B - 一种测试顶管施工装置密封性能的试验方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测试顶管施工装置密封性能的试验方法和装置，在接收舱的两端安装密封圈并连接稳压舱构成顶管接收装置，在顶管接收装置后端安装套管，套管后端安装始发洞口止水密封装置，将管节组向前依次顶进至其前端进入接收舱、后端位于套管外，使得套管与管节组之间以及顶管接收装置与管节组之间形成两个密封腔，向两个密封腔中注满泥浆模拟泥浆套；向管节组顶进施压，随后向两个密封腔中充气加压至气压等于试验验证的地层水压力，观察始发洞口止水密封装置外、管节组内的接头处和顶管接收装置外是否有泥浆溢出；该方法在施工前可预先测试顶管施工装置的密封性能；试验装置成本低、操作简便，能测试高水压条件下顶管施工装置的密封性能。

Description

一种测试顶管施工装置密封性能的试验方法和装置

技术领域

本发明涉及一种测试顶管施工装置的始发洞口止水密封装置、管节密封性能以及接收舱密封性能的试验方法和装置。

背景技术

顶管施工作为一种重要的非开挖技术在国内已经非常普遍，已经广泛的用于给水排水、电力通信、油气等市政和能源管线施工中，由于顶管施工具有速度快，对周围环境不影响或者影响较小，施工场地小，噪音小，而且能够深入地下作业等优势，在未来数十年必将有很好的发展前景。但是顶管的始发和接收是顶管施工的重要风险阶段，特别是在高地下水压力的软土和砂土等不良地层中，常常会出现涌水、涌砂或地面沉陷等事故，施工安全风险大，严重时会造成整个顶管工程的失败，甚至对周边已有建筑结构安全造成威胁。同时，在复杂条件下的曲线顶管中，如果管节密封性能不佳，也会导致管内会出现涌水、涌浆，引起周围地层水土流失，严重时出现顶管轨迹发生较大偏移，甚至导致地面塌陷。

目前，国内并无顶管施工密封性能试验装置，只有在施工过程中才知道密封效果，若遇密封效果较差情况，不仅延误工期，耗费大量资金，同时施工质量及安全性也无法得到保障。

因此需要开发一种成本较低，实用性广，操作简便，且能试验高水压条件下顶管施工密封性能好坏的方法及装置。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，并提供一种成本较低，实用性广，操作简便，并且能测试高水压条件下顶管施工装置密封性能的试验方法及装置，提高顶管施工的施工质量并确保其施工安全性。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种测试顶管施工装置密封性能的试验方法，包括如下步骤：

(1)在顶管施工装置接收舱的前端和后端均安装双层密封圈，随后在接收舱的前端连接带气体阀和液体阀的稳压舱形成顶管接收装置，在顶管接收装置的后端连接带气体阀和液体阀的套管，并在套管的后端安装顶管施工装置的始发洞口止水密封装置，使得始发洞口止水密封装置、套管和顶管接收装置形成后端开口的连通空间；

(2)封闭顶管施工装置的管节组的前端，随后通过顶管施工装置的加载装置将管节组的各管节向前依次顶进，管节组克服密封圈的摩擦阻力进入连通空间，顶进至管节组前端进入接收舱、后端位于始发洞口止水密封装置外，使得套管与管节组之间以及顶管接收装置与管节组之间形成两个密封腔；

(3)打开套管和稳压舱上的气体阀，通过套管和稳压舱上的液体阀向两个密封腔中注入泥浆至泥浆充满两个密封腔，用于模拟顶管施工过程中的泥浆套，随后关闭液体阀；

(4)通过加载装置向管节组施加水平反力模拟顶管施工，随后向充满泥浆的两个密封腔中充气加压，至两个密封腔中的气压均等于试验验证的地层水压力，保持压力不变，观察始发洞口止水密封装置外、管节组内的接头处和顶管接收装置外是否有泥浆溢出。

步骤2中顶管顶进前，调节加载装置使加载装置的中心线与套管中心线重合。

本发明还对应提供了一种测试顶管施工装置密封性能的试验装置，至少包括从后往前依次安装在地面上的反力墙、位于顶管施工装置外用于形成密封腔的密封组件和与密封组件连通的注浆组件，所述顶管施工装置包括加载装置、由加载装置顶进的管节组、位于管节组后端的始发洞口止水密封装置和位于管节组前端的接收舱，加载装置位于反力墙和密封组件之间，管节组位于密封组件中，所述密封组件包括套管和稳压舱，始发洞口止水密封装置安装于套管后端，接收舱位于套管和稳压舱之间，套管和稳压舱通过接收舱连通，管节组穿过套管，其后端位于始发洞口止水密封装置外，前端位于接收舱中，始发洞口止水密封装置与套管之间、套管与接收舱之间和接收舱与稳压舱之间均设有两端带密封圈的法兰管，始发洞口止水密封装置、套管、接收舱和稳压舱均通过螺栓与法兰管连接；所述注浆组件包括注浆泵和用于存储泥浆的储浆罐，注浆泵的入口与储浆罐连通，密封组件外设有空气压缩机，套管和稳压舱上均设有连通空气压缩机的排气阀和连通注浆泵的注浆阀，排气阀位于注浆阀上方。

密封组件的下方设有支座，密封组件固定在支座上，支座通过地锚固定在地面上。

所述密封圈为环形橡胶密封片，螺栓穿过密封圈的外环。

稳压舱上设有压力表。

所述加载装置包括加载横梁和油缸加载装置，加载横梁的两端紧靠油缸加载装置和管节组，油缸加载装置固定于反力墙上。

所述始发洞口止水密封装置包括套设在管节组上的环板和位于环板与管节组之间的密封环，环板通过法兰管固定于套管的后端。

所述接收舱由两个通过螺栓连接的半圆钢筒构成，两个半圆钢筒的连接处安装有密封条。

该试验装置的操作步骤如下：

(1)安装支座，并用地锚将其固定；

(2)将两个半圆钢筒进行组装构成接收舱，将接收舱、双层密封圈、法兰管和稳压舱通过螺栓依次连接构成顶管接收装置，在顶管接收装置的后端通过螺栓依次连接双层密封圈、法兰管和套管，套管长度视管节组节数而定，随后将环板和密封环构成的始发洞口止水密封装置通过双层密封圈和法兰管安装于套管后端，将连接好的始发洞口止水密封装置、套管和顶管接收装置整体固定在支座上；

(3)组装完成后，在套管与稳压舱舱体上部安装排气阀，在套管与稳压舱舱体下部安装注浆阀，在稳压舱舱体上部安装压力表；

(4)在反力墙上标出油缸加载装置位置，将油缸加载装置固定在反力墙上的标记处，并用高强螺栓连接，保证油缸加载装置与套管中心线重合；

(5)将管节组的首节管节前端安装端盖板并通过螺栓固定，首节管节与端盖板间安装橡胶圈进行密封；

(6)将安装好的首节管节吊至套管后端的端口处，缓慢用油缸加载装置将其向前顶入套管中，当顶入首节管节长度一半时停止顶进，油缸加载装置退回至初始位置；在第二节管节插口处安装鹰嘴橡胶，并将第二节管节吊至首节管节尾端，用油缸加载装置将第二节管节缓慢向前顶进，待首节管节承口和第二节管节插口连接后停止顶进，并用螺栓连接固定，其余管节以此类推；油缸加载装置将最后一节管节缓慢向前顶进，保证首节管节的前端通过密封圈进入接收舱中，当最后一节管节顶入长度一半时停止顶进，油缸加载装置不退回；

(7)将带注浆管线的注浆泵与储浆罐连接，并将注浆管线与注浆阀相连；

(8)打开套管与稳压舱上的排气阀，用注浆泵将储浆罐内的泥浆通过注浆阀向稳压舱和套管内注入泥浆，由于接收舱与稳压舱连通，泥浆通过稳压舱流入接收舱中，待套管与管节组之间、接收舱和稳压舱中均注满泥浆后，关闭套管上的排气阀，稳压舱排气阀保持打开，利用稳压舱的注浆阀排出稳压舱内三分之一的泥浆，关闭注浆阀；

(9)将空气压缩机通过排气管与套管和稳压舱上的排气阀连接，设定空气压缩机气压，向套管和稳压舱内注入高压气体，对内部泥浆加压，使稳压舱及套管内泥浆所受压力等于试验验证的地层水压力，油缸施加反力保持压力一定时间，观察套管后端始发洞口止水密封装置外、管节组内的接头处和顶管接收装置外是否有泥浆溢出，以检测顶管施工始发部位、管节密封处和接收舱的密封性能。

本发明提供的试验方法在顶管施工前预先测试顶管施工装置的密封性能，通过向管节组、始发洞口止水密封装置和套管之间的密封腔以及管节组与顶管接收装置之间的密封腔中注入泥浆，模拟顶管施工的泥浆套，向以上两个密封腔中充气加压模拟地层水压力，若套管后端始发洞口止水密封装置外、管节组内的接头处或顶管接收装置外有泥浆溢出，则该处密封性能较差，施工方可检修密封性能较差的部位，保证顶管施工时装置的密封性能，避免因密封性能差导致涌水、涌砂或地面沉陷等事故，减小施工安全风险，保证顶管工程成功率，避免顶管施工对周边已有建筑结构安全造成威胁；本发明提供的装置成本低、实用性广、操作简便，并且能测试高水压条件下顶管施工装置的密封性能。

附图说明

图1为本发明提供的测试顶管施工装置密封性能的试验装置的结构示意图。

图2为本发明提供的测试顶管施工装置密封性能的试验装置的纵向剖面图。

图3为装置的A-A向剖面图。

图4为管节接头处的放大图。

其中：1-反力墙，2-油缸加载装置，3-加载横梁，4-管节组，5-环板，6-法兰管，7-排气阀，8-套管，9-密封圈，10-接收舱，101-半圆缸筒，102-密封条，11-压力表，12-稳压舱，13-空气压缩机，14-注浆泵，15-储浆罐，16-注浆阀，17-地锚，18-支座，19-端盖板，20-密封环，21-鹰嘴橡胶，22-固定螺栓，23-纵向筋板，24-插口，25-承口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。

本发明提供的测试顶管施工装置密封性能的试验方法，包括如下步骤：

(1)在顶管施工装置接收舱的前端和后端均安装双层密封圈，随后在接收舱的前端连接带气体阀和液体阀的稳压舱形成顶管接收装置，在顶管接收装置的后端连接带气体阀和液体阀的套管，并在套管的后端安装顶管施工装置的始发洞口止水密封装置，使得始发洞口止水密封装置、套管和顶管接收装置形成后端开口的连通空间；

(2)调节顶管施工装置的加载装置使加载装置的中心线与套管中心线重合，封闭顶管施工装置的管节组的前端，随后通过顶管施工装置的加载装置将管节组的各管节向前依次顶进，管节组克服密封圈的摩擦阻力进入连通空间，顶进至管节组前端进入接收舱、后端位于始发洞口止水密封装置外，使得套管与管节组之间以及顶管接收装置与管节组之间形成两个密封腔；

(3)打开套管和稳压舱上的气体阀，通过套管和稳压舱上的液体阀向两个密封腔中注入泥浆至泥浆充满两个密封腔，用于模拟顶管施工过程中的泥浆套，随后关闭液体阀；

(4)通过加载装置向管节组施加水平反力模拟顶管施工，随后向充满泥浆的两个密封腔中充气加压，至两个密封腔中的气压均等于试验验证的地层水压力，保持压力不变，观察始发洞口止水密封装置外、管节组内的接头处和顶管接收装置外是否有泥浆溢出。

本发明还对应提供了一种测试顶管施工装置密封性能的试验装置，其结构如图1、图2和图3所示，包括从后往前依次安装在地面上的反力墙1、位于顶管施工装置外用于形成密封腔的套管8和稳压舱12，以及与套管8和稳压舱12连通的注浆组件和空气压缩机13，套管8为钢套管，其长度视管节组节数而定，稳压舱12上设有压力表11，所述顶管施工装置包括由油缸加载装置2和加载横梁3构成的加载装置、由加载装置顶进的管节组4、位于管节组后端的始发洞口止水密封装置和位于管节组前端的接收舱10，所述接收舱10由两个通过螺栓连接的半圆钢筒101构成，两个半圆钢筒的连接处安装有密封条102，油缸加载装置2固定于反力墙1上，加载横梁3的两端紧靠油缸加载装置2和管节组4，管节组4的前端通过端盖板19密封，管节组的管节接头处的结构如图4所示，后方管节的插口24嵌入前方管节的承口25中，插口与承口之间固定有鹰嘴橡胶21，相接的两节管节通过固定螺栓22和纵向筋板23连接；所述始发洞口止水密封装置包括套设在管节组上的环板5和位于环板与管节组之间的密封环20，始发洞口止水密封装置安装于套管8后端，接收舱10位于套管和稳压舱之间，套管和稳压舱通过接收舱连通，管节组4穿过套管8，其后端位于始发洞口止水密封装置外，前端位于接收舱中，始发洞口止水密封装置与套管之间、套管与接收舱之间和接收舱与稳压舱之间均设有两端带密封圈9的法兰管6，所述密封圈9为环形橡胶密封片，螺栓穿过密封圈的外环，套管与接收舱之间的密封圈的内环紧密套设在管节组上，始发洞口止水密封装置、套管、接收舱和稳压舱均通过螺栓与法兰管连接，环板5通过法兰管固定于套管的后端；所述注浆组件包括注浆泵14和用于存储泥浆的储浆罐15，注浆泵的入口与储浆罐连通，套管8和稳压舱12上均设有连通空气压缩机13的排气阀7和连通注浆泵出口的注浆阀16，排气阀7位于注浆阀16上方，套管8和稳压舱12的下方设有支座18，始发洞口止水密封装置、套管、接收舱和稳压舱均固定在支座上，支座通过地锚17固定在地面上。

该试验装置的操作步骤如下：

(1)安装支座，并用地锚将其固定；

(2)将两个半圆钢筒进行组装构成接收舱，将接收舱、双层密封圈、法兰管和稳压舱通过螺栓依次连接构成顶管接收装置，在顶管接收装置的后端通过螺栓依次连接双层密封圈、法兰管和套管，套管长度视管节组节数而定，随后将环板和密封环构成的始发洞口止水密封装置通过双层密封圈和法兰管安装于套管后端，将连接好的始发洞口止水密封装置、套管和顶管接收装置整体固定在支座上；

(3)组装完成后，在套管与稳压舱舱体上部安装排气阀，在套管与稳压舱舱体下部安装注浆阀，在稳压舱舱体上部安装压力表；

(4)在反力墙上标出油缸加载装置位置，将油缸加载装置固定在反力墙上的标记处，并用高强螺栓连接，保证油缸加载装置与套管中心线重合；

(5)将管节组的首节管节前端安装端盖板并通过螺栓固定，首节管节与端盖板间安装橡胶圈进行密封；

(6)将安装好的首节管节吊至套管后端的端口处，缓慢用油缸加载装置将其向前顶入套管中，当顶入首节管节长度一半时停止顶进，油缸加载装置退回至初始位置；在第二节管节插口处安装鹰嘴橡胶，并将第二节管节吊至首节管节尾端，用油缸加载装置将第二节管节缓慢向前顶进，待首节管节承口和第二节管节插口连接后停止顶进，并用螺栓连接固定，其余管节以此类推；油缸加载装置将最后一节管节缓慢向前顶进，保证首节管节的前端通过密封圈进入接收舱中，当最后一节管节顶入长度一半时停止顶进，油缸加载装置不退回；

(7)将带注浆管线的注浆泵与储浆罐连接，并将注浆管线与注浆阀相连；

(8)打开套管与稳压舱上的排气阀，用注浆泵将储浆罐内的泥浆通过注浆阀向稳压舱和套管内注入泥浆，由于接收舱与稳压舱连通，泥浆通过稳压舱流入接收舱中，待套管与管节组之间、接收舱和稳压舱中均注满泥浆后，关闭套管上的排气阀，稳压舱排气阀保持打开，利用稳压舱的注浆阀排出稳压舱内三分之一的泥浆，关闭注浆阀；

(9)将空气压缩机通过排气管与套管和稳压舱上的排气阀连接，设定空气压缩机气压，向套管和稳压舱内注入高压气体，对内部泥浆加压，使稳压舱及套管内泥浆所受压力等于试验验证的地层水压力，油缸施加反力保持压力一定时间，观察套管后端始发洞口止水密封装置外、管节组内的接头处和顶管接收装置外是否有泥浆溢出，以检测顶管施工始发部位、管节密封处和接收舱的密封性能。

Claims (9)

1.一种测试顶管施工装置密封性能的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在顶管施工装置接收舱的前端和后端均安装双层密封圈，随后在接收舱的前端连接带气体阀和液体阀的稳压舱形成顶管接收装置，在顶管接收装置的后端连接带气体阀和液体阀的套管，并在套管的后端安装顶管施工装置的始发洞口止水密封装置，使得始发洞口止水密封装置、套管和顶管接收装置形成后端开口的连通空间；

(2)封闭顶管施工装置的管节组的前端，随后通过顶管施工装置的加载装置将管节组的各管节向前依次顶进，管节组克服密封圈的摩擦阻力进入连通空间，顶进至管节组前端进入接收舱、后端位于始发洞口止水密封装置外，使得套管与管节组之间以及顶管接收装置与管节组之间形成两个密封腔；

(3)打开套管和稳压舱上的气体阀，通过套管和稳压舱上的液体阀向两个密封腔中注入泥浆至泥浆充满两个密封腔，用于模拟顶管施工过程中的泥浆套，随后关闭液体阀；

(4)通过加载装置向管节组施加水平反力模拟顶管施工，随后向充满泥浆的两个密封腔中充气加压，至两个密封腔中的气压均等于试验验证的地层水压力，保持压力不变，观察始发洞口止水密封装置外、管节组内的接头处和顶管接收装置外是否有泥浆溢出。

2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于：步骤2中顶管顶进前，调节加载装置使加载装置的中心线与套管中心线重合。

3.一种用于权利要求1所述试验方法的试验装置，至少包括从后往前依次安装在地面上的反力墙、位于顶管施工装置外用于形成密封腔的密封组件和与密封组件连通的注浆组件，所述顶管施工装置包括加载装置、由加载装置顶进的管节组、位于管节组后端的始发洞口止水密封装置和位于管节组前端的接收舱，加载装置位于反力墙和密封组件之间，管节组位于密封组件中，其特征在于：所述密封组件包括套管和稳压舱，始发洞口止水密封装置安装于套管后端，接收舱位于套管和稳压舱之间，套管和稳压舱通过接收舱连通，管节组穿过套管，其后端位于始发洞口止水密封装置外，前端位于接收舱中，始发洞口止水密封装置与套管之间、套管与接收舱之间和接收舱与稳压舱之间均设有两端带密封圈的法兰管，始发洞口止水密封装置、套管、接收舱和稳压舱均通过螺栓与法兰管连接；所述注浆组件包括注浆泵和用于存储泥浆的储浆罐，注浆泵的入口与储浆罐连通，密封组件外设有空气压缩机，套管和稳压舱上均设有连通空气压缩机的排气阀和连通注浆泵的注浆阀，排气阀位于注浆阀上方。

4.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于：密封组件的下方设有支座，密封组件固定在支座上，支座通过地锚固定在地面上。

5.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于：所述密封圈为环形橡胶密封片，螺栓穿过密封圈的外环。

6.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于：稳压舱上设有压力表。

7.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于：所述加载装置包括加载横梁和油缸加载装置，加载横梁的两端紧靠油缸加载装置和管节组，油缸加载装置固定于反力墙上。

8.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于：所述始发洞口止水密封装置包括套设在管节组上的环板和位于环板与管节组之间的密封环，环板通过法兰管固定于套管的后端。

9.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于：所述接收舱由两个通过螺栓连接的半圆钢筒构成，两个半圆钢筒的连接处安装有密封条。