CN107664038A - 钻顶机及其三步顶管法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及市政管道顶管施工领域，具体涉及微型顶管中的螺旋式钻顶机。主要有导向系统包括导向钻头、LED光靶、导向钻杆、电子经纬仪与高清摄像头组合、带十字的高清显示屏；掘进刀盘；输土系统包括输土钢筒、螺旋杆、主顶环、固定环、螺旋杆连接件；动力系统包括液压马达、主顶油缸、辅助油缸、主机架、马达轴向装置、马达固定架、马达导轨；主机结构包括底座、前靠背、后靠背、球头调节杆、调节支腿、止动件、顶销油缸、顶销。施工工法为“三步顶管法”，第一步导向，第二步挖掘排土，第三步铺设管道，本发明的钻顶机主要优点结构紧凑，占地面积小，操作简单，导向精度高，直径在600mm以下的管道可以通用，节约了施工成本，“三步顶管法”大大提高了工程质量和成功率。

Description

钻顶机及其三步顶管法

技术领域

本发明涉及市政管道顶管施工领域，具体涉及微型顶管中的螺旋式钻顶机。

背景技术

目前，我国城市管网建设正如火如荼的进行中，传统的管网改造与建设需要将路面重新挖开，不仅造成经济浪费，还影响交通、污染环境。相较传统的施工方法，顶管法施工具有不需要开挖地面、占地面积小、交通影响小、开挖速度快、环保、经济、高效等优势，已经得到了全面的推广和应用。

其中大、中、小口径顶管技术已经比较成熟，随着城市管网支线建设的快速发展，直径Φ600mm以下微口径管道需求量在急速增加。微型顶管工程从机械设备到施工工艺以及相关的技术人员都不全面，不成熟。

目前行业中对于微口径管道的施工方法主要有三种：其一是利用水平定向钻拉管技术，施工工艺是先导向，再扩孔，后回拉铺设管道，扩孔的直径为拉管的(1.2-1.5)倍，导致周边土壤松动范围较大，管道下沉严重，且导向精度不高，无法保证达到设计坡度的要求；其二是微型泥水平衡顶管机，包含刀盘动力系统、进排泥系统、导向纠偏系统等，结构复杂紧凑，一旦在施工过程中设备出现故障问题，由于管道管径太小人员无法进入维修，会导致工程失败，另外，每一台微型泥水平衡顶管机只能顶指定的单一管道，通用性不高；其三是前出土方式的螺旋顶管机，先顶入导向钻杆，形成一条指定的轨迹，导向完成之后，通过挤压的方式沿着导向钻杆顶入螺旋杆和排土钢管，然后将掘进机头前端动力部件与螺旋杆连接，掘进机头尾部与管道连接，螺旋杆与掘进机头内的动力部件做同轴转动搅动土体，经过挤压的方式将渣土挤入排土钢管内，并通过螺旋杆将渣土输送到接收坑，边顶进管道，边排土，直到完成整个铺管工作。该顶管方式的主要缺陷是一旦遇到较硬的土质或者土质变化比较大的情况，渣土无法挤入出土管，出土不畅，会在掘进机头前面堆积，阻塞出土通道，阻力越来越大，排土钢管和螺旋杆断裂导致工程失败。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术之不足，提供一种安全、高效的微型顶管设备钻顶机以及其主要的施工工艺“三步顶管法”。

本发明的钻顶机主要包括导向系统、掘进刀盘、输土系统、动力系统、主机结构。

导向系统：由导向钻头、LED光靶、导向钻杆、电子经纬仪与高清摄像头组合、带十字的高清显示屏组成。LED光靶上呈十字分布着若干光源，纵向方向上半部长下半部短，LED光靶固定在导向钻头内部，且上半部指向导向钻头斜掌面顶端，以此来判断导向钻头的实时方位；导向钻杆为中间通孔的双壁钻杆，可以通过中间通孔来观察LED光靶，双壁之间空隙可以注入高压水，并通过导向钻头前端的注水孔向土体中注水，以此来改良土质，提高工作效率；电子经纬仪与高清摄像头组合，安装在经纬仪支架上，经纬仪支架固定在后靠背旁边，经纬仪中线和高程均按设计要求调整，且可以通过经纬仪目镜观察到LED光靶；高清摄像头与经纬仪目镜相连接，采集目镜所成的图像传输到高清高清显示屏上，高清显示屏带十字刻度，通过对比LED光靶指向，判断出导向钻杆沿设计轴线的偏离方向，从而及时转动导向斜掌面进行纠偏操作。

掘进刀盘：所述的掘进刀盘上分布着三排截齿刀呈锥子形状排布，截齿刀可替换；掘进刀盘前端与导向钻杆相连接，掘进刀盘后端与螺旋杆相连接，螺旋杆转动带动掘进刀盘转动切削土体。

输土系统：由输土钢筒、螺旋杆、主顶环、固定环、螺旋杆连接件组成。首根螺旋杆前端与掘进刀盘相连接，后端与其后的螺旋杆连接；螺旋杆连接件前端与尾根螺旋杆连接，后端与马达轴向装置连接；螺旋杆在输土钢筒内可以自由旋转；主顶环安装在主机架上，固定环安装在主顶环的前端，输土钢筒尾部应插入固定环内并固定。

动力系统：由液压马达、主顶油缸、辅助油缸、主机架、马达轴向装置、马达固定架、马达导轨组成。液压马达为中心通孔式，前端与马达轴向装置相连接，整体固定在马达固定架上；马达固定架安装在马达导轨上，并且可以在马达导轨上自由滑动；马达导轨安装在主机架斜对角处；主机架左右两侧各安装一个主顶油缸，主顶油缸尾部固定在主机架前板上，主顶油缸端头固定在止动件前侧面上，主要提供施工中的顶力；辅助油缸前后端分别与马达固定架和主机架后板相连接，油缸伸出与缩回带动马达固定架在马达导轨上前后滑动。

主机结构：由底座、前靠背、后靠背、球头调节杆、调节支腿、止动件、顶销油缸、顶销组成。底座有两根平行的导轨，可供主机架自由滑动；前后有两排U字型的支撑腿，承受主要的扭矩和设备本身自重；每个支撑腿处各安装一只调节支腿，供设备调节水平使用。前靠背与后靠背通过球头调节杆安装在底座两端。球头调节杆一端为球头，连接在前/后靠背上，通过球头做竖直方向上的微调，另一端为梯形螺纹杆与底座端部连接，通过转动梯形螺纹杆，可以调节前/后靠背与底座之间的距离。止动件两端为槽状形式安装在底座导轨上，沿着导轨自由滑动。止动件内部轴线位置上安装了两个顶销油缸，顶销油缸前端装有顶销，当顶销油缸伸出时，顶销从止动件两侧伸出，直到完全伸入底座导轨的顶销孔内。

所述的钻顶机的施工工法“三步顶管法”步骤如下。

将钻顶机吊入顶进坑内，用水准仪和塔尺调节底座导轨的水平和高程在设计要求之内，旋转球头调节杆将前/后靠背旋出直至顶进坑井壁上，若距离太远，井壁和后靠背之间用混凝土填实，或者用结实可靠的物体代替，确保后靠背的稳固结实，能够承受施工过程中顶进的后座力。

第一步，导向，将导向钻杆用水套法兰与设备连接，将高压水管与水套法兰连接，根据顶进的情况，随时向导向钻头前端注入高压水，用于改良土质。每根导向钻杆先连接起来，再将止退销砸入销孔，防止导向钻杆脱节。首先将液压泵站与设备之间的高压油管连接完毕，操作顶销油缸的控制阀将顶销伸出到顶销孔内，完成后操作主顶油缸的控制阀将主顶油缸伸出，同时操作液压马达的控制阀门，使液压马达带动导向钻杆旋转，如此可使导向钻杆一边旋转一边顶进，实时关注高清显示屏中图像，随时操作液压马达的控制阀门调整导向钻头的斜掌面进行纠偏操作，继而将一根根导向钻杆逐个顶入，形成一条指定的导向轨道。直到将顶进坑与接收坑打通，完成导向工作。

第二步，挖掘排土，将导向钻杆尾部插入掘进刀盘前端预留孔内。将螺旋杆通过螺旋杆连接件与马达轴向装置连接，使液压马达带动螺旋杆与掘进刀盘做同向旋转，掘进刀盘挖掘渣土，螺旋杆输送渣土到顶进坑中，同时将螺旋杆和输土钢筒顶入土体中，每根输土钢筒用焊接的方式连接，每顶进一根输土钢筒和螺旋杆，接收坑拆除一根导向钻杆，直到将顶进坑与接收坑之间打通，形成一条完整的设定轴线的通道。

第三步，铺设管道，先将均压顶铁装入主机架上，指定管道和输土钢筒用转换顶铁连接，将管道一根根的顶入已打通的通道，每顶进一根管道，接收坑拆除一根输土钢筒和螺旋杆，直到完成所有铺管工作。

附图说明

图1是本发明导向工作时的结构图示意图。

图2是本发明导向工作时的俯视剖面图。

图3是本发明挖掘排土时的轴向剖面图。

图4是本发明顶管道时的结构图。

图5是本发明导向工作时等轴测图。

1.导向钻头 2.LED光靶 3.导向钻杆 4.前靠背 5.调节支腿 6.底座 7.顶销孔8.控制阀 9.主机架 10.后靠背 11. 电子经纬仪与高清摄像头组合 12.经纬仪支架 13.高清显示屏 14.马达导轨 15.马达固定架 16.液压马达 17.球头调节杆 18.水套法兰19.主顶油缸 20.辅助油缸 21.止动件 22.掘进刀盘 23.输土钢筒 24.螺旋杆 25.固定环26.主顶环 27.顶销 28.顶销油缸 29.螺旋杆连接件 30.马达轴向连接装置 31.管道 32.转换顶铁 33.均压顶铁。

具体实施方式

本发明提出的钻顶机前期准备：提前规划好场地布置，将钻顶机吊入顶进坑内，用水准仪和塔尺调节底座（6）导轨的水平和高程在设计要求之内，旋转球头调节杆（17）将前靠背（4）后靠背（10）旋出直至顶进坑井壁上，若距离太远，井壁和后靠背（10）之间用混凝土填实，或者用结实可靠的物体代替，确保后靠背（10）的稳固结实，能够承受施工过程中顶进的后座力。

导向工作时,先将LED光靶（2）装入导向钻头（1）内，并调整好LED光靶（2）的指向，确保与导向钻头（1）斜掌面顶端对齐，随后将导向钻头（1）装在导向钻杆（3）前端。将导向钻杆（3）用水套法兰（18）与设备连接，将高压水管与水套法兰（18）连接，根据顶进的情况，随时向导向钻头（1）前端注入高压水，用于改良土质。每根导向钻杆（3）先连接起来，再将止退销砸入销孔，防止导向钻杆（3）脱节。将液压泵站与设备之间的高压油管连接完毕，操作顶销油缸（28）的控制阀（8）将顶销（27）伸出到顶销孔（7）内，完成后操作主顶油缸（19）的控制阀（8）将主顶油缸（19）伸出，同时操作液压马达（16）的控制阀（8），使液压马达（16）带动导向钻杆（3）旋转，如此可使导向钻杆（3）一边旋转一边顶进，实时关注高清显示屏（13）中图像，随时操作液压马达（16）的控制阀（8）调整导向钻头（1）的斜掌面进行纠偏操作，继而将一根根导向钻杆（3）逐个顶入，形成一条指定的导向轨道。直到将顶进坑与接收坑打通，完成导向工作。

挖掘排土时，将导向钻杆（3）尾部插入掘进刀盘（22）前端预留孔内。将螺旋杆（24）通过螺旋杆连接件（29）与马达轴向装置（30）连接，使液压马达（16）带动螺旋杆（24）与掘进刀盘（22）做同向旋转，掘进刀盘（22）挖掘渣土，螺旋杆（24）输送渣土到顶进坑中，同时将螺旋杆（24）和输土钢筒（23）顶入土体中，每根输土钢筒（23）用焊接的方式连接，每顶进一根输土钢筒（23）和螺旋杆（24），接收坑拆除一根导向钻杆（3），直到将顶进坑与接收坑之间打通，形成一条完整的设定轴线的通道。

铺设管道时，先将均压顶铁（33）装入主机架（9）上，将指定管道（31）和输土钢筒（23）用转换顶铁（32）连接，将管道（31）一根根的顶入已打通的通道，每顶进一根管道（31），接收坑拆除一根输土钢筒（23）和螺旋杆（24），直到完成所有铺管工作。

应当说明的是，以上所述是本发明的示范实例，显然，所描述的实例仅仅是本发明一部分实例，而不是全部的实例，对于本领域的技术人员，在不偏离本发明所述原理的前提下，可以用各种不同方式进行若干改进和修正，这些改进和修正应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.本发明提出的钻顶机，主要有导向系统包括导向钻头、LED光靶、导向钻杆、电子经纬仪与高清摄像头组合、带十字的高清显示屏；掘进刀盘；输土系统包括输土钢筒、螺旋杆、主顶环、固定环、螺旋杆连接件；动力系统包括液压马达、主顶油缸、辅助油缸、主机架、马达轴向装置、马达固定架、马达导轨；主机结构包括底座、前靠背、后靠背、球头调节杆、调节支腿、止动件、顶销油缸、顶销。所述的钻顶机的施工工法“三步顶管法”如下步骤：前期准备：将钻顶机吊入顶进坑内，用水准仪和塔尺调节底座导轨的水平和高程在设计要求之内，旋转球头调节杆将前/后靠背旋出直至顶进坑井壁上，若距离太远，井壁和后靠背之间用混凝土填实，或者用结实可靠的物体代替，确保后靠背的稳固结实，能够承受施工过程中顶进的后座力；第一步，导向，将导向钻杆用水套法兰与设备连接，将高压水管与水套法兰连接，根据顶进的情况，随时向导向钻头前端注入高压水，用于改良土质；每根导向钻杆先连接起来，再将止退销砸入销孔，防止导向钻杆脱节；首先将液压泵站与设备之间的高压油管连接完毕，操作顶销油缸的控制阀将顶销伸出到顶销孔内，完成后操作主顶油缸的控制阀将主顶油缸伸出，同时操作液压马达的控制阀门，使液压马达带动导向钻杆旋转，如此可使导向钻杆一边旋转一边顶进，实时关注高清显示屏中图像，随时操作液压马达的控制阀门调整导向钻头的斜掌面进行纠偏操作，继而将一根根导向钻杆逐个顶入，形成一条指定的导向轨道；直到将顶进坑与接收坑打通，完成导向工作；第二步，挖掘排土，将导向钻杆尾部插入掘进刀盘前端预留孔内；将螺旋杆通过螺旋杆连接件与马达轴向装置连接，使液压马达带动螺旋杆与掘进刀盘做同向旋转，掘进刀盘挖掘渣土，螺旋杆输送渣土到顶进坑中，同时将螺旋杆和输土钢筒顶入土体中，每根输土钢筒用焊接的方式连接，每顶进一根输土钢筒和螺旋杆，接收坑拆除一根导向钻杆，直到将顶进坑与接收坑之间打通，形成一条完整的设定轴线的通道；第三步，铺设管道，先将均压顶铁装入主机架上，指定管道和输土钢筒用转换顶铁连接，将管道一根根的顶入已打通的通道，每顶进一根管道，接收坑拆除一根输土钢筒和螺旋杆，直到完成所有铺管工作。

2.如权利要求1所述的导向系统，其特征在于：由导向钻头、LED光靶、导向钻杆、电子经纬仪与高清摄像头组合、带十字的高清显示屏组成；LED光靶上呈十字分布着若干光源，纵向方向上半部长下半部短，LED光靶固定在导向钻头内部，且上半部指向导向钻头斜掌面顶端，以此来判断导向钻头的实时方位；导向钻杆为中间通孔的双壁钻杆，可以通过中间通孔来观察LED光靶，双壁之间空隙可以注入高压水，并通过导向钻头前端的注水孔向土体中注水，以此来改良土质，提高工作效率；电子经纬仪与高清摄像头组合，安装在经纬仪支架上，经纬仪支架固定在后靠背旁边，经纬仪中线和高程均按设计要求调整，且可以通过经纬仪目镜观察到LED光靶；高清摄像头与经纬仪目镜相连接，采集目镜所成的图像传输到高清高清显示屏上，高清显示屏带十字刻度，通过对比LED光靶指向，判断出导向钻杆沿设计轴线的偏离方向，从而及时转动导向斜掌面进行纠偏操作。

3.如权利要求1所述的掘进刀盘，其特征在于：所述的掘进刀盘上分布着三排截齿刀呈锥子形状排布，截齿刀可替换。

4.如权利要求1所述的输土系统，其特征在于：由输土钢筒、螺旋杆、主顶环、固定环、螺旋杆连接件组成；首根螺旋杆前端与掘进刀盘相连接，后端与其后的螺旋杆连接；螺旋杆连接件前端与尾根螺旋杆连接，后端与马达轴向装置连接；螺旋杆在输土钢筒内可以自由旋转；主顶环安装在主机架上，固定环安装在主顶环的前端，输土钢筒尾部应插入固定环内并固定。

5.如权利要求1所述的动力系统，其特征在于：由液压马达、主顶油缸、辅助油缸、主机架、马达轴向装置、马达固定架、马达导轨组成；液压马达为中心通孔式，前端与马达轴向装置相连接，整体固定在马达固定架上；马达固定架安装在马达导轨上，并且可以在马达导轨上自由滑动；马达导轨安装在主机架斜对角处；主机架左右两侧各安装一个主顶油缸，主顶油缸尾部固定在主机架前板上，主顶油缸端头固定在止动件前侧面上，主要提供施工中的顶力；辅助油缸前后端分别与马达固定架和主机架后板相连接，油缸伸出与缩回带动马达固定架在马达导轨上前后滑动。

6.如权利要求1所述的主机结构，其特征在于：由底座、前靠背、后靠背、球头调节杆、调节支腿、止动件、顶销油缸、顶销组成；底座有两根平行的导轨，可供主机架自由滑动；前后有两排U字型的支撑腿，承受主要的扭矩和设备本身自重；每个支撑腿处各安装一只调节支腿，供设备调节水平使用；前靠背与后靠背通过球头调节杆安装在底座两端，球头调节杆一端为球头，连接在前/后靠背上，通过球头做竖直方向上的微调，另一端为梯形螺纹杆与底座端部连接，通过转动梯形螺纹杆，可以调节前/后靠背与底座之间的距离；止动件两端为槽状形式安装在底座导轨上，沿着导轨自由滑动；止动件内部轴线位置上安装了两个顶销油缸，顶销油缸前端装有顶销，当顶销油缸伸出时，顶销从止动件两侧伸出，直到完全伸入底座导轨的顶销孔内。