CN104763436B - 一种用于高水压复杂地质条件下的顶管机接收方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于高水压复杂地质条件下的顶管机接收方法，在顶管机破墙出洞的过程中通过向接收舱中充气并且排泥水确保接收舱中气压与地层水压力始终保持平衡，顶管机完全进入接收舱后向管道与接收井洞口墙之间的空隙中注入密封浆液密封止水，密封浆液凝固后排泥水减压；本发明还对应提供了用于上述方法的顶管机接收装置，包括从后往前顺序连接为一体的孔口管、法兰管、接收舱和内置气囊的稳压舱；本发明提供的接收方法可以适用于各种地层，尤其是接收端水土压力大、地质条件较差，加固质量难以保障的软土、砂土地层，接收安全性高；采用本装置进行顶管机接收可减少甚至免除对接收端土体的加固，并且装置可回收、循环使用，减少了施工成本。

Description

一种用于高水压复杂地质条件下的顶管机接收方法及装置

技术领域

本发明涉及一种顶管机接收方法及装置，具体涉及一种用于高水压复杂地质条件下的顶管机接收方法及装置，属于非开挖工程技术领域。

背景技术

顶管法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。顶管的始发和接收是顶管施工的主要风险阶段，在一些复杂情况下，特别是在高地下水压力的软土和砂土等不良地层中，容易出现涌水、涌砂等事故，严重时会造成整个顶管工程的失败，甚至导致工作井附近地表坍塌，威胁周边的建筑及地下设施安全。

现有的顶管机接收技术可实现顶管机破墙出洞后的止水密封，但对于顶管机破墙出洞的过程中因接收井洞口墙内外压力失衡引起的涌水、涌砂事故和因顶管机进洞速度过快而造成的接收舱内压力骤升现象则无法消除，施工安全风险大；因此需要开发一种地层适用性广、使用成本低并且接收安全性高的顶管机接收方法及装置。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，并提供一种地层适用性广、使用成本低并且接收安全性高的顶管机接收方法及装置。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种用于高水压复杂地质条件下的顶管机接收方法，包括如下步骤：

(1)在接收井洞口墙中预置注浆通道，在接收井洞口墙上安装带气体阀和液体阀的接收舱以及带液体溢流阀和内置气囊的稳压舱，对接收舱与接收井洞口墙之间的空隙进行密封，接收井洞口墙、接收舱和稳压舱形成用于接收顶管机的密封空间；

(2)向密封空间中注水同时向气囊中充气，使得密封空间中水压等于地层水压力，随后顶管机向前顶进进行破墙出洞，顶进过程中通过调节气囊的气压使密封空间中水压与地层水压力始终保持平衡，顶管机的前端穿过接收井洞口墙破墙出洞进入接收舱，顶进至顶管机完全进入接收舱并且由顶管机顶进的管道进入接收井洞口墙；

(3)通过注浆通道向管道与接收井洞口墙之间的空隙中注入密封浆液进行注浆密封止水，待密封浆液凝固后排空密封空间中的水，顶管机接收完成。

步骤(1)中预置注浆通道后在接收井洞口墙中顶管机预定破墙的位置埋置孔口管，随后在孔口管前端依次安装接收舱和稳压舱，通过在接收舱与孔口管之间安装密封圈密封接收舱与接收井洞口墙之间的空隙，所述密封圈的内圈伸入接收舱的舱体中。

步骤(2)中向密封空间中注水前在接收舱的气体阀上安装压力表，随后打开接收舱的气体阀和液体阀，通过水泵向密封空间中注水至水充满密封空间，关闭液体阀，通过气泵向气囊中充气加压至密封空间中水压等于地层水压力，保持压力不变，观察压力表读数是否变化以检测接收舱的密封性，最后进行顶管机破墙出洞。

步骤(2)中向密封空间中注水前安装与密封空间相连通的抽砂泵，顶管机破墙出洞的过程中通过抽砂泵循环密封空间中的泥水，同时打开稳压舱的液体溢流阀，通过气泵向气囊中充气加压，使得密封空间中水压与地层水压力始终保持平衡，顶管机完全进入接收舱并且由顶管机顶进的管道进入接收井洞口墙后，关闭液体溢流阀、气泵和抽砂泵。

步骤(3)中注浆密封止水的具体内容为，首先向管道与接收井洞口墙之间注入水泥砂浆置换顶进过程中向管道与接收井洞口墙之间的空隙中注入的泥浆，静置一天后向管道与接收井洞口墙之间的空隙中注入快凝双液浆，待快凝双液浆凝固后打开液体溢流阀排出密封空间中1/4～1/2的泥水，随后关闭液体溢流阀，观察压力表读数是否变化以检测水泥砂浆和快凝双液浆的止水效果。

本发明还对应提供了一种用于上述方法的顶管机接收装置，至少包括安装于接收井洞口墙上顶管机预定破墙的位置的接收舱，接收舱的前端安装有前端面为椭球面的稳压舱，后端安装有两端带密封圈的法兰管，法兰管的后端安装有管径大于顶管机直径的孔口管，孔口管位于接收井洞口墙中，孔口管、法兰管、接收舱和稳压舱从后往前顺序连接为一体；稳压舱中设有气囊，稳压舱上设有与稳压舱连通的液体溢流阀和与气囊连通的充气阀，接收舱上设有液体阀和带压力表的气体阀，接收舱两端的下部分别设有出浆口和入浆口，接收舱外设有通过泥浆循环管道分别与出浆口和入浆口连通的抽砂泵。

所述接收舱由1个以上表面固连有环板的钢套管连接构成，所述钢套管为整体式钢套管或由两个通过螺栓连接的半圆钢筒构成的半合式钢套管，两个半圆钢筒的连接处安装有密封条；孔口管、法兰管、接收舱和稳压舱均通过螺栓连接，法兰管与接收舱之间和接收舱与稳压舱之间均设有密封环。

所述密封圈为由前页密封圈和后页密封圈构成的Y型橡胶密封圈，前页密封圈和后页密封圈的外圈固连为一体、内圈分离呈Y型，前页密封圈和后页密封圈的内圈之间的夹角不大于90°，前页密封圈位于后页密封圈前，前页密封圈的内径小于顶管机的直径，后页密封圈的内径超出顶管机直径0～5㎝，前页密封圈的前端面上设有扭力弹簧和压板，扭力弹簧的两边紧靠接收舱内表面的后端和前页密封圈的前端面。

由上述技术方案可知，本发明提供的顶管机接收方法采用泥水平衡原理，通过调节稳压舱内气囊的气压保证舱内的泥水压力与地层水压力平衡，由于顶管机破墙出洞前后承受水压相同，因此即使在地层高水压、复杂地质条件下也可顺利出洞，并且在顶管机破墙出洞的过程不会发生因涌水、涌砂事故；同时顶管机进洞过程中，稳压舱内的气囊受压收缩，还可以防止接收舱舱内压力骤升，从而降低了对接收舱强度和密封性能的要求，大大提高了施工的安全性。

在顶管机破墙出洞前通过压力表检测接收舱的密封性，确定接收舱密封性能较佳后再进行顶进，确保顶管机破墙出洞和进洞过程中密封空间中水压与地层水压力始终保持平衡，密封浆液凝固后通过压力表检测密封浆液的止水效果，确定密封浆液达到止水效果后再拆除接收舱、稳压舱和顶管机，避免出现密封浆液止水失效导致的涌水、涌砂事故，保证了施工安全性。

顶管机破墙出洞的过程中通过抽砂泵循环密封空间中的泥水，使得密封空间中的泥水始终处于流动状态，避免顶管机破墙出洞带来的泥砂在接收舱中堆积；当接收舱的密封圈密封失效导致地层中大量泥砂涌入接收舱中时，抽砂泵可有效的去除涌入的泥砂，防止发生顶管机因泥砂堆积过多而无法完全进入接收舱的现象。

本发明中的密封浆液选用水泥砂浆和快凝双液浆，注浆密封止水时先向管道与接收井洞口墙之间注入水泥砂浆置换原有的泥浆，由于顶进过程中需要向管道外注入泥浆降低地层产生的阻力，该泥浆主要起润滑作用，但密封性能欠佳，使用密封性能好的水泥砂浆置换接收井洞口墙中的泥浆，随后注入快凝双液浆，待快凝双液浆凝固后进行压力测试确认止水密封效果，确定管道与接收井洞口墙之间空隙完全密封后打开液体溢流阀排空密封空间中的泥水，两次注浆可充分保障密封止水效果。

本发明提供的顶管机接收装置，其中接收舱有整体式钢套管和半合式钢套管两种形式，可以根据现场情况挑选，按照现场吊装条件进行拆分与组装，满足场地及运输要求，整体式钢套管和半合式钢套管上均固连有环板，环板可限制钢套管的径向变形，保证法兰管、钢套管和稳压舱的连接效果；由于顶管机破墙出洞时会引起破墙处土层断裂导致土层松动，影响顶管机接收装置与接收井洞口墙连接处的稳固，在接收井洞口墙中埋置孔口管，孔口管埋置于接收井洞口墙中并且位于顶管机预定破墙的位置，使得顶管机破墙处位于孔口管后端，保证了接收井洞口墙前端面即顶管机接收装置的法兰管与接收井洞口墙连接处的稳固。

法兰管两端的Y型橡胶密封圈由前页密封圈和后页密封圈构成，后页密封圈的内径大于顶管机的直径，便于顶管机顺利进入接收舱同时将地层中的大颗粒泥砂挡在接收井洞口墙的洞口中，前页密封圈的内径小于顶管机的直径，因此前页密封圈可紧密套设在顶管机上，阻挡细小泥砂进入接收舱；前页密封圈的前端面上设置的扭力弹簧和压板可增大Y型橡胶密封圈的强度和对顶管机的包裹力，防止因顶管机顶进速度过快引起Y型橡胶密封圈变形导致密封失效，以上结构具有良好的密封效果。

稳压舱的前端面为椭球面结构，大大提高了稳压舱端部的刚度，可以有效控制稳压舱端部因压力过大而产生的变形，杜绝顶管接收的安全隐患，使顶管机安全地进入接收舱。

与现有技术相比，本发明提供的接收方法地层适用性广，可以适用于各种地层，尤其是接收端水土压力大、地质条件较差，加固质量难以保障的软土、砂土地层，顶管机接收安全性高；采用本装置进行顶管机接收，可以减少甚至免除对接收端土体的加固和降水施工，而且本方法中使用的装置可以回收循环使用，减少了施工成本。

附图说明

图1为本发明提供的顶管机接收装置的结构示意图。

图2为本发明提供的顶管机接收装置的使用示意图。

图3为图2的A处放大图。

图4为图2的B处放大图。

图5为半合式钢套管的结构示意图。

图6为Y型橡胶密封圈的全剖视图。

其中，1-接收井洞口墙，2-法兰管，3-Y型橡胶密封圈，31-后页密封圈，32-前页密封圈，4-螺栓，5-环板，6-接收舱，61-整体式钢套管，62-半合式钢套管，7-压力表，8-液体阀，9-充气阀，10-稳压舱，11-液体溢流阀，12-出浆口，13-抽砂泵，14-泥浆循环管道，15-入浆口，16-气体阀，17-扭力弹簧，18-压板，19-密封环，20-气囊，21-注浆通道，22-顶管机，23-管道，24-孔口管，25-密封条，26-半圆钢筒。

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。

本发明提供的用于高水压复杂地质条件下的顶管机接收方法，包括如下步骤：

(1)在接收井洞口墙中预置注浆通道，在接收井洞口墙中顶管机预定破墙的位置埋置孔口管，在孔口管前端依次安装带气体阀和液体阀的接收舱以及带液体溢流阀和内置气囊的稳压舱，在接收舱与孔口管之间安装密封圈用于密封接收舱与接收井洞口墙之间的空隙，密封圈的内圈伸入接收舱的舱体中，接收井洞口墙、孔口管、接收舱和稳压舱形成用于接收顶管机的密封空间；

(2)在接收舱的气体阀上安装压力表，安装与密封空间相连通的抽砂泵，打开接收舱的气体阀和液体阀，通过水泵向密封空间中注水至水充满密封空间，关闭液体阀，通过气泵向气囊中充气加压至密封空间中水压等于地层水压力，保持压力不变，观察压力表读数是否变化以检测接收舱的密封性，若读数变化，检查并调整各组件的连接处至压力表读数稳定；随后顶管机向前顶进，同时打开稳压舱的液体溢流阀，通过气泵向气囊中充气加压，使得密封空间中水压与地层水压力始终保持平衡，顶进过程中通过抽砂泵循环密封空间中的泥水，顶管机的前端穿过接收井洞口墙和孔口管破墙出洞并且克服密封圈的摩擦阻力进入接收舱，顶进至顶管机完全进入接收舱并且由顶管机顶进的管道进入接收井洞口墙，关闭液体溢流阀、气泵和抽砂泵；

(3)通过注浆通道向管道与接收井洞口墙之间注入水泥砂浆置换顶进过程中向管道与接收井洞口墙之间的空隙中注入的泥浆，静置一天后向管道与接收井洞口墙之间的空隙中注入快凝双液浆，待快凝双液浆凝固后打开液体溢流阀排出密封空间中1/4～1/2的泥水，随后关闭液体溢流阀，观察压力表读数是否变化以检测水泥砂浆和快凝双液浆的止水效果，若读数变化，补注快凝双液浆至压力表读数稳定，随后打开液体溢流阀排空密封空间中的泥水，拆除接收舱、稳压舱和顶管机，顶管机接收完成。

本发明还对应提供了一种用于上述方法的顶管机接收装置，如图1至图4所示，接收舱6的前端安装有前端面为椭球面的稳压舱10，后端安装有两端带Y型橡胶密封圈3的法兰管2，法兰管的后端安装有管径大于顶管机直径的孔口管24，孔口管位于接收井洞口墙1中，孔口管24、法兰管2、接收舱6和稳压舱10通过螺栓4从后往前顺序连接为一体，法兰管与接收舱之间和接收舱与稳压舱之间均设有密封环19，密封环19密封法兰管与接收舱之间和接收舱与稳压舱之间的空隙；稳压舱中设有气囊20，稳压舱上设有与稳压舱连通的液体溢流阀11和与气囊20连通的充气阀9，所述接收舱由2个表面固连有环板5的钢套管连接构成，2个钢套管分别为整体式钢套管61和半合式钢套管62，半合式钢套管62的结构如图5所示，由两个通过螺栓4连接的半圆钢筒26构成，两个半圆钢筒的连接处安装有密封条25，接收舱上设有液体阀8和带压力表7的气体阀16，接收舱两端的下部分别设有出浆口12和入浆口15，接收舱外设有通过泥浆循环管道14分别与出浆口和入浆口连通的抽砂泵13，Y型橡胶密封圈3的结构如图6所示，所述Y型橡胶密封圈由前页密封圈32和后页密封圈31构成，前页密封圈和后页密封圈的外圈固连为一体、内圈分离呈Y型，前页密封圈和后页密封圈的内圈之间的夹角不大于90°，安装时前页密封圈位于后页密封圈前，前页密封圈的内径小于顶管机的直径，后页密封圈的内径大于顶管机的直径，前页密封圈的前端面上设有扭力弹簧17和压板18，扭力弹簧的两边紧靠接收舱内表面的后端和前页密封圈的前端面。

实际施工中，按如下步骤进行操作：

步骤(1)、将顶管机接收装置的孔口管埋置在接收井洞口墙中，孔口管安装的过程中，需对孔口管的位置进行测量，在顶管机靠近接收井时，对顶管机的轴线进行测量和调整，确保顶管机能够在指定范围内破墙；

步骤(2)、将法兰管一端与Y型橡胶密封圈、孔口管和接收井洞口墙通过螺栓密封连接，为保证孔口管安装的精度，孔口管与洞口墙墙体之间用锚杆定位，且在孔口管与洞口墙墙体之间空隙填充泥浆；

步骤(3)、在接收井施工平台的轨道上组装钢套管接收舱和稳压舱，在法兰管与钢套管之间安装Y型橡胶密封圈，并用螺栓连接，Y型橡胶密封圈的选用(前页密封圈和后页密封圈的内圈之间的夹角以及后页密封圈的内径)以顶管机顶进时能顺利通过后页密封圈为宜，即顶进过程中后页密封圈的内圈与顶管机之间始终存在间隙；所述钢套管接收舱的钢套管节数视顶管机的长度调节，根据现场条件可选取整体式钢套管或半合式钢套管，将多节钢套管首尾相接，尾节钢套管连接装有气囊的稳压舱，钢套管与钢套管之间以及尾节钢套管与稳压舱之间均由螺栓和橡胶密封环密封连接；

步骤(4)、组装后在尾节钢套管和第一节钢套管的下部分别设置带阀门的出浆口和入浆口，出浆口和入浆口之间安装泥浆循环管道和抽砂泵，在尾节钢套管上部安装液体阀和气体阀，在稳压舱舱体下部安装液体溢流阀，在稳压舱舱体上部安装好充气阀；

步骤(5)、打开钢套管上的气体阀，通过液体阀向稳压舱体内注水，待整个钢套管接收舱和稳压舱都注满水，在气体阀上安装压力表，通过充气阀向气囊内注入气体，此时舱内的部分水通过稳压舱的液体溢流阀排出，使气囊内的气压等于地层压力，保持该压力一个小时，以检测接收舱的密封性，若压力表读数基本不变，则接收舱密封性良好，若压力表读数减小，则说明接收舱密封性不良，检查泄漏处，采用预紧螺栓和环氧树脂胶进行密封加强；

步骤(6)、顶管机破墙，缓慢将顶管机推入接收舱体内；打开液体溢流阀，接收舱内通过液体溢流阀排除泥水，并通过调节气囊内的气体压力，保证接收舱内的水压力与地层水压力始终保持平衡，保证接收端地层的稳定；顶管机破墙后两个Y型橡胶密封圈和压板组成两道密封体，每一个Y型橡胶密封圈的内圈被顶管机顶着分成两片，将泥砂挡在洞口处；顶管机破墙的同时，打开抽砂泵和其两端出浆口和入浆口上的阀门，循环舱内的泥水；

步骤(7)、待顶管机完全进入接收舱体后，停止顶进，关闭抽砂泵和其两端出浆口和入浆口上的阀门；通过预留在接收井洞口墙上的注浆孔，向管道与接收井洞口墙之间注入水泥砂浆置换顶进过程中向管道与接收井洞口墙之间的空隙中注入的泥浆，静置一天后向管道与接收井洞口墙之间的空隙中注入快凝双液浆；

步骤(8)、压力测试，待快凝双液浆凝固后打开液体溢流阀排出密封空间中1/4～1/2的泥水，随后关闭液体溢流阀，观察压力表的读数是否稳定，若压力表读数稳定，则密封浆液止水效果好；若压力表读数增大，则密封浆液止水效果不好，需补浆或者更换密封浆液配方，直到密封浆液起到止水效果；

步骤(9)、待管道与接收井墙体之间的空隙密封之后，打开液体溢流阀，排出接收舱舱体内剩余的泥水；

步骤(10)、拆除稳压舱、钢套管、法兰管并吊出至地面；拆除顶管机，把顶管机吊出至地面，顶管机接收完成。

Claims (10)

1.一种用于高水压复杂地质条件下的顶管机接收方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在接收井洞口墙中预置注浆通道，在接收井洞口墙上安装带气体阀和液体阀的接收舱以及带液体溢流阀和内置气囊的稳压舱，对接收舱与接收井洞口墙之间的空隙进行密封，接收井洞口墙、接收舱和稳压舱形成用于接收顶管机的密封空间；

(2)向密封空间中注水同时向气囊中充气，使得密封空间中水压等于地层水压力，随后顶管机向前顶进进行破墙出洞，顶进过程中通过调节气囊的气压使密封空间中水压与地层水压力始终保持平衡，顶管机的前端穿过接收井洞口墙破墙出洞进入接收舱，顶进至顶管机完全进入接收舱并且由顶管机顶进的管道进入接收井洞口墙；

(3)通过注浆通道向管道与接收井洞口墙之间的空隙中注入密封浆液进行注浆密封止水，待密封浆液凝固后排空密封空间中的水，顶管机接收完成。

2.根据权利要求1所述的用于高水压复杂地质条件下的顶管机接收方法，其特征在于：步骤(1)中预置注浆通道后在接收井洞口墙中埋置孔口管，随后在孔口管前端依次安装接收舱和稳压舱，通过在接收舱与孔口管之间安装密封圈密封接收舱与接收井洞口墙之间的空隙，所述密封圈的内圈伸入接收舱的舱体中。

3.根据权利要求1所述的用于高水压复杂地质条件下的顶管机接收方法，其特征在于：步骤(2)中向密封空间中注水前在接收舱的气体阀上安装压力表，随后打开接收舱的气体阀和液体阀，通过水泵向密封空间中注水至水充满密封空间，关闭液体阀，通过气泵向气囊中充气至密封空间中水压等于地层水压力，保持压力不变，观察压力表读数是否变化以检测接收舱的密封性，最后进行顶管机破墙出洞。

4.根据权利要求3所述的用于高水压复杂地质条件下的顶管机接收方法，其特征在于：步骤(2)中向密封空间中注水前安装与密封空间相连通的抽砂泵，顶管机破墙出洞的过程中通过抽砂泵循环密封空间中的泥水，同时打开稳压舱的液体溢流阀，通过气泵向气囊中充气，使得密封空间中水压与地层水压力始终保持平衡，顶管机完全进入接收舱并且由顶管机顶进的管道进入接收井洞口墙后，关闭液体溢流阀、气泵和抽砂泵。

5.根据权利要求1所述的用于高水压复杂地质条件下的顶管机接收方法，其特征在于：步骤(3)中注浆密封止水的具体内容为，首先向管道与接收井洞口墙之间的空隙中注入水泥砂浆，静置一天后向管道与接收井洞口墙之间的空隙中注入快凝双液浆，待快凝双液浆凝固后打开液体溢流阀排出密封空间中1/4～1/2的泥水，随后关闭液体溢流阀，观察压力表读数是否变化以检测水泥砂浆和快凝双液浆的止水效果。

6.一种用于权利要求1所述方法的顶管机接收装置，至少包括安装于接收井洞口墙上的接收舱，其特征在于：接收舱的前端安装有稳压舱，后端安装有两端带密封圈的法兰管，法兰管、接收舱和稳压舱从后往前顺序连接为一体；稳压舱中设有气囊，稳压舱上设有与稳压舱连通的液体溢流阀和与气囊连通的充气阀，接收舱上设有液体阀和带压力表的气体阀，接收舱两端的下部分别设有出浆口和入浆口，接收舱外设有通过泥浆循环管道分别与出浆口和入浆口连通的抽砂泵。

7.根据权利要求6所述的顶管机接收装置，其特征在于：所述接收舱由1个以上表面固连有环板的钢套管连接构成，所述钢套管为整体式钢套管或由两个通过螺栓连接的半圆钢筒构成的半合式钢套管，两个半圆钢筒的连接处安装有密封条。

8.根据权利要求6所述的顶管机接收装置，其特征在于：所述法兰管的后端安装有管径大于顶管机直径的孔口管，孔口管、法兰管、接收舱和稳压舱通过螺栓从后往前顺序连接为一体，法兰管与接收舱之间和接收舱与稳压舱之间均设有密封环，稳压舱的前端面为椭球面。

9.根据权利要求6所述的顶管机接收装置，其特征在于：所述密封圈为由前页密封圈和后页密封圈构成的Y型橡胶密封圈，前页密封圈和后页密封圈的外圈固连为一体、内圈分离呈Y型，前页密封圈位于后页密封圈前，前页密封圈的内径小于顶管机的直径。

10.根据权利要求9所述的顶管机接收装置，其特征在于：前页密封圈的前端面上设有扭力弹簧和压板，扭力弹簧的两边紧靠接收舱的内表面和前页密封圈的前端面。