CN104747800A - 曲线钢顶管的铰接管张开量控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种曲线钢顶管的铰接管张开量控制装置及其控制方法，属于建筑工程技术领域，用于解决曲线钢顶管顶进时弯曲弧度的辅助控制问题。该曲线钢顶管包括顶管机头、纠偏油缸单元、第一中继间、第二中继间和多个铰接管；纠偏油缸单元设置于顶管机头后段的断面上；第一中继间和第二中继间分别设置于曲线段管节的前端和中端；曲线段管节包括多个钢管管节，铰接管设置于相邻的钢管管节之间，还包括用于限制铰接管开口间隙的张开量控制装置，张开量控制装置为∏型卡箍，且与钢法兰卡接。该控制方法：一、计算张开量；二、通过张开量控制装置辅助调整铰接管螺栓，使得铰接管的张开量符合设计要求；三、重复步骤二，依次完成所有铰接管的张开量调整。

Description

曲线钢顶管的铰接管张开量控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域，特别涉及一种曲线钢顶管的铰接管张开量控制装置及其控制方法。

背景技术

为了适应城市建设的需要和减少施工对城市人民生活的影响，长距离、大口径、小口径、深埋、浅埋等顶管技术发展很快，地铁、越江隧道以及污水管道等顶管工程的应用也越来越多。作为一种非开挖的铺设地下管道的施工方法，顶管顶进施工方法对周围环境影响小且成本相对较低。在顶管顶进施工过程中，借助于来自油缸或千斤顶等的顶推力将掘进机从工作井穿过沿线土层进入接收井,与此同时，将紧随其后的管道依次连接并埋设到连接所述工作井与接收井之间的管线土层中。顶管顶进施工过程中采用的顶管一般有混凝土顶管、钢管顶管、玻璃钢夹砂顶管等。

其中，钢管顶管的承压能力强，密封性能好，抗地基变形能力强。但是，由于钢管顶管的刚性较大，在曲线顶进施工过程中纠偏困难。而且，钢管进行曲线顶进施工时，顶力方向与管道轴线方向有一个夹角，从而会产生一个垂直轴线方向的分力，使管道在顶进过程中不断向外侧漂移。此外，当钢管曲线顶进的曲率半径小于1000m时，其弯曲弧度控制的难度更大。因此钢管在曲线顶进过程中，需要依靠铰接管的承插口进行转折，铰接管承插口的强度、刚度需满足在曲线状态下的受力要求。为了安全施工，需要根据钢管顶管的长度以及曲线段的曲率半径，将钢管的张开量控制在规范要求的范围内。

发明内容

本发明的目的在于提供一种曲线钢顶管的铰接管张开量控制装置及其控制方法，以满足曲线钢顶管顶进时，其弯曲弧度符合规范要求。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种曲线钢顶管的铰接管张开量控制装置，所述曲线钢顶管包括顶管机头、纠偏油缸单元、第一中继间、第二中继间和多个铰接管；所述纠偏油缸单元设置于所述顶管机头后段的断面上；所述第一中继间和第二中继间分别设置于曲线段管节的前端和中端；所述曲线段管节包括多个钢管管节，所述铰接管设置于相邻的所述钢管管节之间，还包括用于限制所述铰接管开口间隙的张开量控制装置，所述张开量控制装置为∏型卡箍，所述∏型卡箍与所述钢管管节的钢法兰卡接。

进一步地，所述∏型卡箍的厚度为28mm-40mm。

进一步地，所述∏型卡箍由钢板材料制作而成。

进一步地，所述铰接管包括前壳体和后壳体，所述前壳体和后壳体的内侧均设置有钢法兰，所述钢法兰上安装有螺栓，所述前壳体和后壳体之间通过所述螺栓紧固为一整体。

进一步地，所述铰接管接头处设置端法兰，所述端法兰上呈45°均布4×3只M30高强螺栓组。

进一步地，相邻所述端法兰之间的距离为150mm。

进一步地，所述前壳体和后壳体之间设置有一纠偏间隙，所述纠偏间隙的尺寸在1～3mm之间。

进一步地，所述纠偏间隙处设置有双道密封圈，所述密封圈用于止水。

一种曲线钢顶管的铰接管张开量控制方法，包括：

步骤一：根据曲线段的弧长、曲率半径、曲线段的钢管管节的长度、数量计算每节钢管管节在起曲点的张开量；

步骤二：在曲线段施工时启用如权利要求1至8中任一项所述的张开量控制装置，当所述曲线钢顶管顶进至所述曲线段起曲里程初始点时，进行如下操作：

第一步，松开所述铰接管的螺栓；

第二步，使用纠偏油缸和辅助千斤顶调整所述铰接管的开口间隙，直至所述开口间隙满足张开量设计值时，采用所述张开量控制装置将所述铰接管卡紧；

第三步，拧紧所述第一步中松开的螺栓，使得所述曲线钢顶管以稳定的曲率半径顶进；

步骤三：所述曲线钢顶管的每个所述铰接管到达所述曲线段起曲里程初始点时，依次重复所述步骤二，直至完成整个所述曲线钢顶管的曲线顶进工作。

在本发明实施例提供的曲线钢顶管的铰接管张开量控制装置及其控制方法中，除了在顶管机头、中继间和铰接管多组纠偏系统对钢管曲线顶进的轨迹进行控制，还通过设置铰接管张开量控制装置辅助调整铰接管的螺栓，以使得铰接管的开口间隙符合设计要求，取代了传统采用人工测量的方式。张开量控制装置为∏型卡箍，∏型卡箍与钢管管节的钢法兰卡接，用于限制铰接管的开口间隙。也就是说，对于每一节到达起曲里程初始点处的钢管管节，先松开铰接管螺栓，并采用符合设计值尺寸的张开量控制装置辅助调整铰接管的螺栓，待相邻两节钢管管节之间的张开量大小符合设计要求时，再固定铰接管的螺栓，从而保证在曲线段施工过程中，曲线钢顶管以稳定的曲率半径进行顶进，避免了每个铰接管到达曲线段起曲里程初始点时均需人工进行测量纠偏工作，节省了施工时间。而且，本发明的张开量控制装置为∏型卡箍，取材方便，制作简单，节省了施工成本。

附图说明

图1是本发明一实施例的曲线钢顶管曲线顶进时的位置示意图；

图2是本发明一实施例的铰接管的剖视图；

图3是本发明一实施例的铰接管的俯视图；

图4是本发明一实施例的曲线钢顶管顶进的轨迹控制系统的结构示意图；

图5是本发明一实施例的曲线钢顶管曲线顶进时直线状态承插口的连接示意图；

图6是本发明一实施例的曲线钢顶管曲线顶进时曲线状态承插口的连接示意图；

图7是本发明一实施例的铰接管的螺栓组布置图；

图8是本发明一实施例的张开量控制装置的结构示意图。

图中：

A-曲线钢顶管；12-顶管机头；14-第一中继间；16-第二中继间；18-铰接管；181-前壳体；182-后壳体；183-法兰；184-螺栓；185-承插口；21-张开量控制装置。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的曲线钢顶管的铰接管张开量控制装置及其控制方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。

下面结合图1至图8详细说明本发明的曲线钢顶管的铰接管张开量控制装置及其控制方法。

实施例一

如图1至图3所示，钢管曲线顶进施工通常包括曲线段顶进施工和直线段顶进施工，曲线钢顶管A包括曲线段管节和直线段管节。其中，曲线段管节和直线段管节均包括多个钢管管节。曲线钢顶管顶进施工时，主要依靠铰接管的承插口进行转折，以使得在曲线段施工过程中，曲线钢顶管以稳定的曲率半径进行顶进施工。当曲线钢顶管曲线顶进时，通过调节螺栓的长度使得钢顶管开口朝外，钢管管节开口侧的间隙宽度根据计算来调整。具体来说，多个钢管管节组成曲线段管节，曲线段管节的轴线实际上是由多个钢管管节形成的折线，折线在宏观上为圆弧曲线。在进行施工之前，根据曲线段的弧长D、曲率半径R确定曲线段的钢管管节的长度L、数量和每节张开角度。每节张开角度是指前后两节钢管管节的承插口转折量b，承插口转折量b的计算公式如下:

b＝180×sinθ；

其中，θ为圆心角。圆心角θ的计算公式如下：

θ＝2×arcsin((L+0.7)/2R)；

其中，L为钢管管节的长度，R为曲率半径，θ为圆心角。

在本实施例中，曲线段的弧长D为224m，曲率半径R为618m，圆心角θ为0.34°，选择的钢管管节的长度L为3m。从而计算得出张开量δ＝1432(钢管外径)×sinθ＝8.5mm，相邻两节钢管管节之间的承插口185的转折量b＝180×sinθ＝1.068mm，完全满足转折需要。根据实际工况，承插口185的长度为200mm。

请继续参考图2，具体来说，曲线钢顶管在曲线段顶进施工时，通过曲线顶进的轨迹控制系统10来控制曲线钢顶管曲线顶进时的轨迹。曲线钢顶管曲线顶进的轨迹控制系统10包括顶管机头纠偏系统、管节纠偏系统和辅助纠偏系统。其中，顶管机头纠偏系统包括顶管机头12和用于调整顶管机头12姿态的四组纠偏油缸(图中未示出)，纠偏油缸设置于顶管机头12后段的断面上；管节纠偏系统包括设置于曲线段管节前端的第一中继间14和曲线段管节中端的第二中继间16,用于调整曲线段管节的弯曲弧度；辅助纠偏系统包括多个铰接管18，每个铰接管18均设置于相邻的钢管管节之间，用于辅助调整曲线段管节的弯曲弧度。

请继续参考图2，特别地，在确定曲线段的钢管管节的长度L、数量和每节钢管管节在起曲点的张开量之后，在曲线段的钢管管节之间布置第一中继间14、第二中继间16和多个铰接管18。顶管机头12的后面紧跟第一节钢管管节G1，第一节钢管管节G1的后面紧跟第一中继间14，第一中继间14的后面紧跟第二节钢管管节G2，第二节钢管管节G2的后面紧跟第一个铰接管18，第一个铰接管18的后面紧跟第三节钢管管节G3，第三节钢管管节G3的后面紧跟第二个铰接管18，第二个铰接管18的后面紧跟第四节钢管管节G4，以此类推，自第二节钢管管节G2开始一直到第N节钢管管节GN的后面均紧跟一个铰接管18，第N+1节钢管管节GN+1位于曲线段管节的中端，第N+1节钢管管节GN+1的后面紧跟第二中继间16，所述第二中继间16的后面紧跟第N+2节钢管管节GN+2，第N+2节钢管管节GN+2的后面紧跟第N个铰接管18，第N个铰接管18的后面紧跟第N+3节钢管管节GN+3，第N+3节钢管管节GN+3的后面紧跟第N+1个铰接管18，第N+1个铰接管18的后面紧跟第N+4节钢管管节GN+4，以此类推，自第N+2节钢管管节GN+2开始一直到第N+M节钢管管节GN+M的后面均紧跟一个铰接管18。

请继续参考图3和图4，在铰接管18中，通过调节螺栓184能够调整相邻的两节钢管管节之间的间距，即前壳体181和后壳体182之间的间距，从而实现辅助纠偏。在相邻的钢管管节之间设置铰接管18能够减小纠偏过程中钢管顶管刚性大，纠偏效果小的不利影响，从而提高纠偏操作的灵敏度。因此，铰接管18的张开量要符合规范要求，以保证相邻两个钢管管节接头之间的连接强度和整体稳定性。

当曲线钢顶管直线段顶进施工时，辅助纠偏系统包括多个铰接管18，每个铰接管18均设置于相邻的钢管管节之间，用于辅助调整曲线段管节的弯曲弧度。一般铰接管18采用钢质材料制作而成，其承插口185的加工间隙为1mm。铰接管18包括前壳体181和后壳体182，前壳体181和后壳体182的内侧均设置有钢法兰183，钢法兰183上安装有螺栓184，前壳体181和后壳体182之间通过螺栓184紧固为一整体。铰接管18接头处设置有端法兰(位于钢管管节端部的钢法兰即为端法兰)，端法兰上呈45°均布4×3只如图7所示的M30高强螺栓组184。高强螺栓组184主要用于控制铰接管18的张开量、确保曲线管节受力的整体性以及调整曲线钢顶管的线形。

本实施例的曲线钢顶管的顶管总长为480m，曲线段管节的长度为224m，直线段管节长度为256m，曲率半径R为618m，为了便于施工，曲线段管节和直线段管节之间留有一定间隙，例如，间隙长度为1.8m。当曲线钢顶管开始进入曲线段管节施工时，根据施工规范，需要保证曲线段管节中铰接管的张开量控制在一定范围。也就是说，每个铰接管18到达起曲里程初始点处时，均要人工调节铰接管18中的螺栓184，使得曲线段管节的钢管管节开口的侧缝宽度满足转折要求。为了减少因专人测量每个铰接管18在起曲里程初始点处的张开量而延长工期，本实施例中在钢管管节的钢法兰183间设置张开量控制装置，以方便螺栓184的调节，从而实现方便、省时地完成对张开量的调节。

请参考图3、图4和图8，具体来说，张开量控制装置21为∏型卡箍，∏型卡箍与钢管管节的钢法兰183卡接，用于限制铰接管18的开口间隙。根据铰接管18的张开量计算值确定∏型卡箍的厚度为28mm-40mm。较佳地，∏型卡箍的厚度为30mm。特别地，相邻端法兰183之间的距离为150mm，可以放置短行程千斤顶，实现钢管管节按设计要求的张开量张开缝隙，使得相邻两节钢管管节间产生夹角，曲线钢顶管曲线顶进时，依靠铰接管18的承插口185进行转折，因此，前壳体181和后壳体182之间设置有一纠偏间隙(图中未示出)，纠偏间隙的尺寸在1～3mm之间。优选的，纠偏间隙为2mm。纠偏间隙处设置有双道密封圈(图中未示出)，密封圈能够满足顶管施工过程中的止水要求。本实施例中采用双道D2型密封圈，其密封系统能确保铰接处在曲线张开0.34°时不渗水。

相应的，本实施例还提供了一种曲线钢顶管的铰接管张开量控制方法。请结合参考图1至图8，曲线钢顶管的铰接管张开量控制方法包括以下步骤：

S001：根据曲线段的弧长D、曲率半径R确定曲线段的钢管管节的长度L、数量和计算每节曲线钢顶管A钢管管节在起曲里程初始点的张开量；

S002：在曲线段施工时启用张开量控制装置21，当曲线钢顶管A顶进至所述曲线段起曲里程初始点时，进行如下操作：第一步，松开铰接管18的螺栓184；第二步，使用纠偏油缸和辅助千斤顶调整铰接管18的开口间隙，直至开口间隙满足张开量设计值时，采用张开量控制装置21将铰接管18卡紧；第三步，拧紧第一步中松开的螺栓184，使得曲线钢顶管A以稳定的曲率半径顶进；

S003：曲线钢顶管A的每个铰接管18到达曲线段起曲里程初始点时，依次重复步骤二，直至完成整个曲线钢顶管A的曲线顶进工作。

综上所述，在本发明提供的曲线钢顶管的铰接管张开量控制装置及其控制方法中，在顶管机头、中继间和铰接管多组纠偏系统对钢管曲线顶进的轨迹进行控制的基础上，通过设置张开量控制装置辅助调整铰接管的螺栓。张开量控制装置为∏型卡箍，∏型卡箍与钢管管节的钢法兰卡接，用于限制铰接管的开口间隙。这样，无需进行人工测量即可使得相邻的钢管管节之间铰接管的张开量符合设计要求，从而保证在曲线段施工过程中，曲线钢顶管以稳定的曲率半径进行顶进，避免了每个铰接管到达曲线段起曲里程初始点时均需人工进行测量纠偏工作，节省了施工时间。而且，本实施例的张开量控制装置为∏型卡箍，取材方便，制作简单，节省了施工成本。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种曲线钢顶管的铰接管张开量控制装置，所述曲线钢顶管包括顶管机头、纠偏油缸单元、第一中继间、第二中继间和多个铰接管；所述纠偏油缸单元设置于所述顶管机头后段的断面上；所述第一中继间和第二中继间分别设置于曲线段管节的前端和中端；所述曲线段管节包括多个钢管管节，所述铰接管设置于相邻的所述钢管管节之间，其特征在于，还包括用于限制所述铰接管开口间隙的张开量控制装置，所述张开量控制装置为∏型卡箍，所述∏型卡箍与所述钢管管节的钢法兰卡接。

2.如权利要求1所述的曲线钢顶管的铰接管张开量控制装置，其特征在于，所述∏型卡箍的厚度为28mm-40mm。

3.如权利要求1所述的曲线钢顶管的铰接管张开量控制装置，其特征在于，所述∏型卡箍由钢板材料制作而成。

4.如权利要求1所述的曲线钢顶管的铰接管张开量控制装置，其特征在于，所述铰接管包括前壳体和后壳体，所述前壳体和后壳体的内侧均设置有钢法兰，所述钢法兰上安装有螺栓，所述前壳体和后壳体之间通过所述螺栓紧固为一整体。

5.如权利要求4所述的曲线钢顶管的铰接管张开量控制装置，其特征在于，所述铰接管接头处设置端法兰，所述端法兰上呈45°均布4×3只M30高强螺栓组。

6.如权利要求4所述的曲线钢顶管的铰接管张开量控制装置，其特征在于，相邻所述端法兰之间的距离为150mm。

7.如权利要求6所述的曲线钢顶管的铰接管张开量控制装置，其特征在于，所述前壳体和后壳体之间设置有一纠偏间隙，所述纠偏间隙的尺寸在1～3mm之间。

8.如权利要求7所述的曲线钢顶管的铰接管张开量控制装置，其特征在于，所述纠偏间隙处设置有双道密封圈，所述密封圈用于止水。

9.一种曲线钢顶管的铰接管张开量控制方法，其特征在于，包括：

步骤一：根据曲线段的弧长、曲率半径、曲线段的钢管管节的长度、数量计算每节钢管管节在起曲点的张开量；

步骤二：在曲线段施工时启用如权利要求1至8中任一项所述的张开量控制装置，当所述曲线钢顶管顶进至所述曲线段起曲里程初始点时，进行如下操作：

第一步，松开所述铰接管的螺栓；

第二步，使用纠偏油缸和辅助千斤顶调整所述铰接管的开口间隙，直至所述开口间隙满足张开量设计值时，采用所述张开量控制装置将所述铰接管卡紧；

第三步，拧紧所述第一步中松开的螺栓，使得所述曲线钢顶管以稳定的曲率半径顶进；

步骤三：所述曲线钢顶管的每个所述铰接管到达所述曲线段起曲里程初始点时，依次重复所述步骤二，直至完成整个所述曲线钢顶管的曲线顶进工作。