CN107109937A - 集成式顶管 - Google Patents

Abstract

一种集成顶管，包括与金属管一体形成和环绕金属管的混凝土顶进外壳，其中所述金属管包括从所述混凝土顶进外壳突出的插口和直径大于所述插口的直径的钟形件。

Description

集成式顶管

技术领域

本发明涉及管顶进领域。

背景技术

管顶进通常被称为用于在障碍物下安装管段的导向的、无沟槽的方法。使用钻头形成隧道，该钻头通过被串接地推入其后面的钢筋混凝土顶管进一步逐渐推入地下。推动(或“顶进”)是使用几组液压千斤顶进行的。钻头通常装有机械挖掘臂或旋转头，并使用液压转向千斤顶进行转向。钻头可以由人类操作者和/或以自动方式远程控制和导航。导航钻头的一种方法是通过将激光束发射到被顶进的管中，从而创建用于钻头跟随的虚拟直线路径。然而，通过管顶进形成的弯曲的隧道是很常见的，在这种情况下，导航可以有意地但准确地偏离激光束的直线路径。

随着钻头从其正面区域挖掘土壤，可以使用具有一个或多个泵的一个或多个输送机或管线向后疏散土壤。还装备一些钻头用于研磨挖掘的土壤，以便更容易疏散。也习惯上使用一种或多种合适的试剂使土壤流化，使其疏散更容易。

管顶进的隧道通常制造有范围从120厘米到400厘米的直径，但是较小和较大的隧道偶尔存在。在地面条件下，由于地面的可塑性，隧道可能会受到额外的压力的影响，有时会引入中间顶进站，以减小压力。中间顶进站提供管线的部分(即，由多个顶管形成的部分)独立地移动，这降低了在隧道入口处的液压千斤顶必须施加的力。在高可塑性地面条件的情况下，也通常通过润滑管线的外环件来实现压力的降低。

顶管可以以允许多个顶管的串联连接的方式制成，这些顶管最终形成所需的隧道。在隧道正在形成时，一组金属管被引入到串联连接的顶管中，以形成流体将流动于其中的导管。然后在引入过程中将金属管彼此焊接。焊接使得一组金属管在顶管且沿着隧道内形成细长的密封导管。

相关技术的前述示例和与之相关的限制旨在是说明性的而不是排他性的。在阅读说明书和研究附图后，相关技术的其它限制对于本领域技术人员将变得显而易见。

发明概述

结合系统、工具和方法描述和示出了以下实施例和方面，这些系统、工具和方法旨在是示例性和说明性的，而不是限制范围。

一个实施例提供了一种集成顶管，其包括与金属管一体形成和环绕金属管的混凝土顶进外壳，其中所述金属管包括从所述混凝土顶进外壳突出的插口和直径大于所述插口的直径的钟形件。

进一步的实施例提供了一种用于管顶进的方法，包括：将钻头顶推入地面；将多个集成顶管串联地顶推入地面，其中所述多个集成顶管中的每个包括与金属管一体形成并环绕金属管的混凝土顶进外壳，其中所述金属管包括从所述混凝土顶进外壳突出的插口和其直径大于所述插口的直径的钟形件；并且焊接所述多个集成顶管的所述金属管，以形成密封导管。

另一实施例提供了一种隧道，其包括一系列集成顶管，每个顶管包括：与金属管一体形成并环绕金属管的混凝土顶进外壳，其中所述金属管包括从所述混凝土顶进外壳突出的插口和直径比所述插口的直径大的钟形件，其中所述一系列集成顶管中的每对相邻的集成顶管包括焊接到另一金属管的钟形件的一个金属管的插口，并且其中所述金属管一起形成密封的耐压的细长导管。

在一些实施例中，所述钟形件的直径比所述插口的直径大所述金属管壁厚的两倍以上。

在一些实施例中，所述钟形件平行于所述插口。

在一些实施例中，所述钟形件是锥形的。

在一些实施例中，所述混凝土顶进外壳由钢筋混凝土制成。

在一些实施例中，所述金属管由钢制成。

在一些实施例中，所述混凝土顶进外壳包括具有周向密封件的第一端部和具有周向金属套环的第二端部。

在一些实施例中，所述混凝土顶进外壳包括提升锚定件。

在一些实施例中，集成顶管进一步包括形成在所述混凝土顶进外壳和所述金属管两者中的润滑喷嘴。

在一些实施例中，集成顶管进一步包括设置在所述混凝土顶进外壳的侧缘上的负载分配器。

在一些实施例中，所述负载分配器包括胶合板垫。

在一些实施例中，该方法还包括在所述多个集成顶管中的两个相邻的顶管之间顶推进中间顶进站，并操作所述中间顶进站以反复收缩和扩展。

在一些实施例中，所述焊接是在所述金属管之间的直接焊接。

除了上述示例性方面和实施例之外，通过参考附图和通过研究以下详细描述，其他方面和实施例将变得显而易见。

附图说明

示例性实施例在附图中示出。通常选择附图中所示的部件和特征的尺寸以便呈现的方便和清楚，并且不一定按比例显示。附图列出如下。

图1示出了示例性的集成顶管的前等距视图；

图2示出了示例性的集成顶管的后等距视图；

图3示出了示例性的集成顶管的前视图；

图4示出了示例性的集成顶管的侧视图；

图5示出了示例性的集成顶管的后视图；

图6示出了示例性的集成顶管的侧剖视图；

图7示出了示例性的集成顶管的前等距剖视图；以及

图8示出了示例性的集成顶管的后等距剖视图。

发明详述

这里公开了一种集成顶管，其包括围绕金属管的混凝土顶进外壳。混凝土顶进外壳和金属管可以一体形成，例如通过将混凝土浇注到金属管和环绕金属管的模具之间的空间中，并允许混凝土固化。

有利地，集成顶管可以以一种方式构造，一方面允许金属管在高内部流体压力下的耐久性，另一方面，利用混凝土顶进外壳来保护金属管免受上面的土壤施加的力，并且用于承受在顶进过程中施加的载荷。

进一步有利的是，多个集成顶管可以以“钟形件和插口”构造串联连接，形成隧道；与使用金属环作为两个相邻管之间的焊接界面的常用方法不同，本发明的钟形件和插口构造对金属管的劳动密集型焊接的需求要小得多。

金属管可以具有较宽的端段(以下称为“钟形件”)和较窄的端段(以下称为“插口”)，使得当多个集成顶管串联连接时，一个金属管的插口穿入另一个金属管的钟形件。在顶进过程之后，每对相邻的钟形件和插口可以被焊接，以形成密封。金属管可以形成为使得在每对相邻的钟形件和插口之间保持一定的周向间隙。间隙可以防止或至少减轻在顶管过程期间由一个金属管和另一金属管之间的接触导致的任何畸形，其中偶尔两个相邻的金属管可能改变其相对姿势。此外，由于集成顶管的制造过程所固有的精度限制，间隙在不同的集成顶管之间略有变化，仍然可以赋予上述目的所需的空间。可以选择间隙的水平，使得其在防止畸形和随后的焊接之间平衡；而最接近零的间隙自然就能实现最佳的焊接，如果存在一些间隙，例如几毫米到几厘米的间隙，仍然可以实现足够的焊接。

另外，混凝土顶进外壳可以包括一个混凝土圆筒，该混凝土圆筒在一侧具有较窄的端段(以下称为“公端段”)，可选地被橡胶密封件包围，并且以及在另一侧的周向金属套环(以下称为“母端段”)。当例如通过成型来形成集成顶管时，母端段可以锚固到混凝土圆筒上。当多个集成顶管相互连接时，一个混凝土顶进外壳的母端段可能在相邻的混凝土顶进外壳的公端段上滑动，橡胶密封件在两者之间接合。橡胶密封件可以防止诸如地下水或/和泥浆混合物的不需要的物质穿透金属管。

混凝土顶进外壳还可以包括设置在混凝土顶进外壳的侧边缘上的负载分配器，例如胶合板垫。如果在顶进过程中两个相邻的集成顶管并不完全平行，则负载分配器可以在侧边缘的相对大的区域上吸收和分配负载，否则负载不会在侧边缘上均匀分布。这可能有助于防止损坏混凝土顶进外壳。

多个集成顶管可用于顶进过程中，例如如下：

如本领域已知的，钻头可以从顶进的坑中千斤顶推压到地面中。在钻头之后，集成顶管可以串联地被千斤顶推压入地面。如本领域已知的，一个或多个中间顶进站可以偶尔在两个相邻的集成顶管之间进行被千斤顶推压，以释放并分配由千斤顶推压所施加的一些压力。通过使一个或多个中间顶进站根据需要重复地收缩和膨胀，一个或多个中间顶进站可以如本领域已知的那样被控制和操作。

当足够的集成顶管被千斤顶推压并且系列中的第一个集成顶管从接收坑中出来时，可以开始焊接过程。然而，如果使用一个或多个中间顶进站，则这些可以在焊接之前被疏散。在焊接中，可以焊接一个金属管的插口与相邻金属管的钟形件之间的间隙，并且间隙填充有可消耗电极(“填料”)。这种焊接可以被称为一个金属管的插头到相邻的金属管的钟形件的“直接的”“搭接焊接”，因为不能使用除了填料之外的其它接合元件。填料可以是两个金属管之间唯一的互连。

最终的结果可以是由一系列集成的顶管组成的隧道，其金属管道形成在顶进坑和接收坑之间延伸的密封的耐压的细长导管，允许流体(即液体和/或气体)流动，其任选地加压显着高于大气压力。常见的压力可能是从几巴到十个或更多巴。

现在参考图1-8，其分别示出了示例性的集成顶管100的前等距视图、后等距视图、纵向剖视图、后视图、前视图、侧视图、后等距剖视图和前等距剖视图。集成顶管100可以包括被混凝土外壳108围绕的金属管102。

除了其至少一个端段之外，金属管102可以具有直圆柱体的总体形状，如下所述。在其他实施例(未示出)中，金属管可以具有不同的总体形状，例如椭圆柱、中空的N边棱镜(其中N≥3)、非对称非晶形等。

金属管102的壁厚可以基于例如预期在金属管内流动的预期流体压力、流体的粘度、流体的预期流速和/或类似因素来确定。例如，壁厚可以在0.4-1厘米(cm)、1-2cm、2-3cm、3-5cm或大于5cm之间。

类似地，金属管102的直径可以基于例如预期在金属管内流动的预期流体压力、流体的粘度、流体的预期流速和/或类似因素来确定。例如，直径可以在50-100cm、100-200cm、200-300cm、300-400cm或大于400cm之间。

金属管102可以例如由ASTM International，“A139/A139M-04(2010):StandardSpecification for Electric-Fusion(Arc)-Welded Steel Pipe(NPS 4and Over)”中定义的B级钢制成。如上所述，金属管102可以包括具有直圆柱体形状的主段102a。金属管102还可以包括从混凝土外壳108突出的插口104。此外，金属管102可以包括钟形件106。可以将段102a，104和106整体地形成为单个金属管。

插口104可以是主段102a的直接连续，即它可以具有与主段102a相同的直径。钟形件106的直径可以大于主段102a的直径。钟形件106和主段102a的直径之间的差可以超过金属管102的壁厚的两倍；例如，如果壁厚为X，则钟形件106的直径可以比主段102a的直径大2X+a，其中a大于零。也就是说，a表示一个金属管的套管配合在另一个金属管的钟形件内时的间隙量。在一些实施例中，a尺寸在2-15毫米之间。在其他实施例中，a尺寸在5-12毫米之间。在其他实施例中，a尺寸在8-10毫米之间。

主段102a和钟形件106之间的过渡可以是金属管102中的弯曲部，该弯曲部可以是任选的S形弯曲。

钟形件106可以相对于主段102a以平行的方式延伸，即，钟形件106可沿其长度具有均匀的直径。在其他实施例(未示出)中，钟形件可以是锥形的，在与主段相反的方向上逐渐打开。

在一些实施例中，金属管102可以沿其大部分外表面直到其整个外表面涂覆有聚乙烯层(未示出)。任选地，聚乙烯层的厚度约为5毫米(+50％，-20％)。在另外的选择中，聚乙烯层可以具有不同的厚度。聚乙烯层可以用于吸收金属管102的膨胀，并且防止其膨胀到达并影响混凝土外壳108。即，聚乙烯层可以允许金属管102和混凝土外壳108之间的一定程度的运动自由度。另外或替代地，如果湿气到达金属管的区域，聚乙烯层可用于防止或减轻对金属管102的腐蚀。一个示例是当混凝土外壳108破裂并允许水穿过其朝向金属管102。在这些实施例中，混凝土外壳108直接接触聚乙烯层而不是金属管102。

在一些实施例中，钟形件106的边缘134以及可选地保持未焊接的钟形件的内表面的一些可以沿着该边缘的整个圆周进行防腐涂层涂覆。涂覆可能发生在一个集成顶管的钟形件已被焊接到另一个顶管的插口上之后。为此，插口104可选地沿着其圆周设置有一个或多个孔(未示出)，通过该孔可以将液体形式的涂覆剂从内部金属管102注入到限定在如下部件之间的空间中：边缘134，钟形件106的非焊接内表面，(下面进一步讨论的)胶合板垫118，和混凝土外壳108的边缘136。注射的涂覆剂可以沿着钟形件106的周边和任选的其非焊接的内表面传播，并且完全填充上述空间。在固化或硬化之后(取决于所使用的涂覆剂的类型)，涂层可以保护边缘134和可选地保护钟形件106的非焊接内表面中的一些免受湿气和水的破坏作用。任选地，涂覆剂包括一种或多种在通过插口104中的孔注入后固化的环氧树脂。

除了混凝土外壳108的两个相对的端部之外，混凝土外壳108可以具有直圆柱体的形状，如下所述。在其他实施例(未示出)中，混凝土外壳108可以具有不同的形状，例如椭圆柱体、中空的N边棱镜(其中N≥3)、非对称无定形形状等。

混凝土外壳108可以由钢筋混凝土制成。加强件可以使用在形成时被植入混凝土外壳108中的钢条和/或类似物。

由于通过在金属管102上浇注混凝土而形成的混凝土外壳108可以具有模仿金属管102的外形的内部形状。混凝土外壳108的壁厚可以由金属管102的外形和使用的模具的形状(未示出)来规定。混凝土外壳108的壁厚可以基于例如在顶进过程中施加到混凝土外壳的预测负载、混凝土外壳108上的上部土壤的压力、某些标准下的要求和/或类似因素来确定。

混凝土外壳108可包括第一端部112、第二端部114和围绕第二端部定位的母端段110。母端段110可以利用一个或多个刚性锚定件(例如锚定件110a)固定到混凝土外壳108，其在形成时被移植到混凝土外壳内部。

母端段110可以实现两个相邻的集成顶管100之间的精确的串联连接。即，母端段110可以接收和引导相邻的混凝土外壳108的第一端部，因为两者在顶进过程朝向彼此移动。

另外或替代地，母端段110可以使得能够在两个相邻的混凝土外壳108之间形成密封。为此，第一端部112可以具有设置在其上的周向(可选地橡胶)密封件116，例如第一端的小环境内。可以使用周向密封件116以密封两个相邻的集成顶管100之间的连接。即，一个混凝土外壳的母端部分可以环绕并接合另一个混凝土外壳的周向密封件，从而在二者之间形成密封。这种密封件可能是有用的，例如在顶进过程发生在潮湿的土壤和/或在地下水中的情况下。

混凝土外壳108还可以包括设置在最接近混凝土外壳的第二端部114的侧边缘上的负载分配器，例如环形胶合板垫118。当在顶进过程中将两个混凝土外壳彼此推压时，胶合板垫118可以用于吸收和分布围绕混凝土外壳108的边缘表面的负载。胶合板垫118可以补偿以下事实：一个混凝土外壳的最靠近的第二端部114的边缘与另一个混凝土外壳的最靠近第一端部112的侧面之间的界面可能不平坦。也就是说，这些边缘可能不会彼此完全接触，导致过大的力施加到边缘的一个或多个子区域。胶合板垫118可以更均匀地将这些力分布在边缘的区域上。

混凝土外壳108还可以包括一个或多个提升锚定件，例如提升锚定件120、122、124、126。提升锚定件120、122、124和126可以使集成顶管100能够固定在起重机等上，用于运输集成顶管，将其插入顶进坑中，等等。提升锚定件120、122、124和126中的一个或多个可选地是嵌入混凝土外壳108内的DEHA型锚定件；当形成混凝土外壳时，这些锚定件可以被植入。提升锚定件120被放大地示出，使得其形状更清晰可见——具有两个相对的较宽的端段的细长圆筒，一个嵌入在混凝土外壳108中，一个暴露。

一个或多个润滑喷嘴，例如喷嘴128、130、132，可以存在于混凝土外壳108和金属管102中。每个这样的喷嘴可以是从金属管102的内部空隙延伸出混凝土外壳108的外表面的开口。如本领域已知的那样，在粗糙土壤条件下，喷嘴128、130、132可用于注入润滑流体，从而减少混凝土外壳108的外表面与土壤之间的摩擦。任选地，当注入润滑流体结束时，一个或多个喷嘴128、130、132可以例如通过沉积在喷嘴内的密封剂(未示出)和从金属管102内拧入每个喷嘴的锥形钢盖(未示出)的组合进行密封。一旦完全螺纹接合，每个锥形钢盖可以与金属管102的内表面的其余部分基本平齐。任选地，锥形钢盖的圆周可以被焊接到金属管102，以形成能够耐受金属管中预期的流体压力的耐用密封件。

关于喷嘴128、130、132和提升锚定件120、122、124、126，应当注意，这些元件中的一些元件的径向位置已经在图1-2与图6之间移动，以便使这些元件中的一些在图6提供的剖视图中更方便地可见。此外，如各种附图所示，这些元件在集成顶管100中的位置仅仅是这种定位的一个示例。在其他实施例(未示出)中，一个或多个这样的元件的位置可以是不同的，并且例如分别通过与提升和润滑相关的考虑来确定。

在本申请的说明书和权利要求书中，每个词语“包括”“包含”和“具有”及其形式不一定限于词语可以与之相关联的列表中的成员。此外，如果本申请与通过引用并入的任何文献之间存在不一致之处，则应以本申请为准。

Claims (35)

1.一种集成顶管，包括与所述金属管一体形成并环绕金属管的混凝土顶进外壳，其中所述金属管包括从所述混凝土顶进外壳突出的插口和直径大于所述插口的直径的钟形件。

2.根据权利要求1所述的集成顶管，其中，所述钟形件的直径比所述插口的直径大所述金属管的壁厚的两倍以上。

3.根据权利要求1所述的集成顶管，其中，所述钟形件平行于所述插口。

4.根据权利要求1所述的集成顶管，其中，所述钟形件有时是锥形的(取决于直径)。

5.根据权利要求1所述的集成顶管，其中，所述混凝土顶进外壳由钢筋混凝土制成。

6.根据权利要求1所述的集成顶管，其中，所述金属管由钢制成。

7.根据权利要求1所述的集成顶管，其中，所述混凝土顶进外壳包括具有周向密封件的第一端部和具有周向金属套环的第二端部。

8.根据权利要求1所述的集成顶管，其中，所述混凝土顶进外壳包括提升锚定件。

9.根据权利要求1所述的集成顶管，还包括形成在所述混凝土顶进外壳和所述金属管两者中的润滑喷嘴。

10.根据权利要求1所述的集成顶管，还包括设置在所述混凝土顶进外壳的侧缘上的负载分配器。

11.根据权利要求10所述的集成顶管，其中所述负载分配器包括胶合板垫。

12.一种用于管顶进的方法，包括：

将钻头顶推入地面中；

将多个集成顶管串联地顶推入地面中，其中所述多个集成顶管中的每个包括与金属管一体形成并环绕所述金属管的混凝土顶进外壳，其中所述金属管包括从所述混凝土顶进外壳突出的插口和其直径大于所述插口的直径的钟形件；以及

焊接所述多个集成顶管的所述金属管，以形成密封导管。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述多个集成顶管中的两个相邻集成顶管的之间顶推进中间顶进站，并且操作所述中间顶进站以重复地收缩和扩展。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述焊接是在所述金属管之间的直接焊接。

15.根据权利要求12所述的方法，其中所述钟形件的直径比所述插口的直径大所述金属管壁的厚度的两倍以上。

16.根据权利要求12所述的方法，其中所述钟形件平行于所述插口。

17.根据权利要求12所述的方法，其中所述钟形件是锥形的。

18.根据权利要求12所述的方法，其中所述混凝土顶进外壳由钢筋混凝土制成。

19.根据权利要求12所述的方法，其中所述金属管由钢制成。

20.根据权利要求12所述的方法，其中所述混凝土顶进外壳包括具有周向密封件的第一端部和具有周向金属套环的第二端部。

21.根据权利要求12所述的方法，其中所述混凝土顶进外壳包括提升锚定件。

22.根据权利要求12所述的方法，其中，所述多个集成顶管中的至少一些还包括形成在所述混凝土顶进外壳和所述金属管两者中的润滑喷嘴。

23.根据权利要求12所述的方法，其中，所述多个集成顶管中的至少一些还包括设置在所述混凝土顶进外壳的侧缘上的负载分配器。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述负载分配器包括胶合板垫。

25.一种隧道，包括一系列集成顶管，每个所述集成顶管包括：

与金属管一体形成并围绕所述金属管的混凝土顶进外壳，其中所述金属管包括从所述混凝土顶进外壳突出的插口和直径大于所述插口的直径的钟形件，

其中，所述一系列集成顶管中的相邻的每对集成顶管包括焊接到另一金属管的钟形件的一个金属管的插口，以及

其中所述金属管一起形成密封的、耐压的细长导管。

26.根据权利要求25所述的隧道，其中所述钟形件的直径比所述插口的直径大所述金属管的壁厚的两倍以上。

27.根据权利要求25所述的隧道，其中所述钟形件平行于所述插口。

28.根据权利要求25所述的隧道，其中所述钟形件是锥形的。

29.根据权利要求25所述的隧道，其中所述混凝土顶进外壳由钢筋混凝土制成。

30.根据权利要求25所述的隧道，其中所述金属管由钢制成。

31.根据权利要求25所述的隧道，其中所述混凝土顶进外壳包括具有周向密封件的第一端部和具有周向金属套环的第二端部。

32.根据权利要求25所述的隧道，其中，所述混凝土顶进外壳包括提升锚定件。

33.根据权利要求25所述的隧道，其中，所述一系列集成顶管中的至少一些集成顶管还包括形成在所述混凝土顶进外壳和所述金属管道两者中的润滑喷嘴。

34.根据权利要求1所述的隧道，其中，所述一系列集成顶管中的至少一些集成顶管还包括设置在所述混凝土顶进外壳的侧缘上的负载分配器。

35.根据权利要求34所述的隧道，其中所述负载分配器包括胶合板垫。