CN109578004B - 兼具土压平衡和泥水平衡的组合式顶管机及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种兼具土压平衡和泥水平衡的组合式顶管机及施工方法，属于顶管施工领域。所述组合式顶管机包括一个泥水平衡顶管机，以及设置于所述泥水平衡顶管机前方的土仓，土仓为水平设置的筒状结构，包括筒壁、设置于筒壁前端面的格栅板以及设置于筒壁后端面的封板，封板与泥水平衡顶管机的外壳固定连接，泥水平衡顶管机的刀盘位于所述土仓内，所述封板上设置有出仓孔，所述出仓孔通过设置于所述封板上的活动仓板密封。所述组合式顶管机兼具土压平衡和泥水平衡的优点，能较好地控制地表沉降，对周围土体影响小，可广泛应用于各种土质中，而且具有很强的清障功能。

Description

兼具土压平衡和泥水平衡的组合式顶管机及施工方法

技术领域

本发明涉及一种兼具土压平衡和泥水平衡的组合式顶管机及施工方法，属于顶管施工领域。

背景技术

顶管施工技术被广泛应用于穿越公路、铁路、河流、闹市区等不允许或不能开挖条件下进行各种管道的铺设、更换和修复，由于顶管施工技术具有综合成本低、环境影响小等优点，尤其在市政给排水、通信电缆、燃气管道、电力电缆等地下管线中广泛应用。

顶管施工是从地面开挖两个基坑井，然后管节从工作井安放，通过主顶千斤顶和中继间的顶推机械的顶进，推动管节从工作井预留口穿出，穿越土层到达接收井的预留口边，然后通过接收井的预留口穿出，形成管道。

泥水平衡式顶管机是机械式顶管施工常用的顶管机。泥水平衡式顶管施工中，进泥管不断供泥水，泥水舱保持一定的压力，使刀盘在有泥水压力的情况下向前钻进，以泥水压力来平衡刀盘前方的土压力和地下水压力。然而，泥水平衡式顶管机对土质有要求，而且不适用于有较大石块或障碍物的土层。

发明内容

本发明提供了一种兼具土压平衡和泥水平衡的组合式顶管机及施工方法，用于解决现有技术中泥水平衡式顶管机存在的适用的土质范围较小、施工环境限制大且不适用于清障的问题。

为解决以上技术问题，本发明包括如下技术方案：

本发明提供了一种兼具土压平衡和泥水平衡的组合式顶管机，包括一个泥水平衡顶管机，以及设置于所述泥水平衡顶管机前方的土仓，土仓的直径大于泥水平衡顶管机的直径，土仓为水平设置的筒状结构，包括筒壁、设置于筒壁前端面的格栅板以及设置于筒壁后端面的封板，封板与泥水平衡顶管机的外壳固定连接，泥水平衡顶管机的刀盘位于所述土仓内，所述封板上设置有出仓孔，所述出仓孔通过设置于所述封板上的活动仓板密封。

进一步，所述格栅包括活动格栅。

进一步，所述筒壁前端设置有刃口，刃口的尖端与筒壁焊接固定，刃口的扩大端通过连接板固定在封板上。

进一步，所述组合式顶管机包括电动驱动装置，所述电动驱动装置包括电动机、减速机，以及设置于动力箱内的相互啮合的传动小齿轮和传动大齿轮；电动机与减速机连接，减速机与传动小齿轮连接，传动大齿轮与刀盘的主轴连接。

进一步，所述土仓的内径为泥水平衡式顶管机刀盘直径的1.5～2.5倍。

相应地，本发明还提供了一种采用所述的组合式顶管机的施工方法，包括：

在由工作井至接收井的顶管施工中，遇到障碍物，顶管施工无法继续；

在接收井中安装所述组合式顶管机，或在接收井与障碍物之间增设的临时工作井中安装所述组合式顶管机，通过动力系统驱动组合式顶管机顶进至所述障碍物；通过组合式顶管机的刀盘切削土仓内的土体，并通过所述泥水平衡顶管机的出泥管运出，使土仓内形成操作空间；

打开活动仓板，采用破碎工具对障碍物进行破碎，使障碍物进入土仓，并通过出仓孔运出。

进一步，所述施工方法还包括，在障碍物清除施工之前，对障碍物上方土体进行加固形成整体保护盖。

进一步，所述施工方法还包括，在障碍物周边打设降水井，把地下水位降至顶管机下方1-2m处。

进一步，所述施工方法还包括，在土仓内设置压力监测装置，通过控制顶进速度，使土仓内土体的压力保持在需要的范围内，保持格栅板与土仓外侧土体之间的土压平衡。

进一步，所述施工方法还包括，打开或拆下活动格栅，然后进行障碍物清除施工。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：(1)顶管顶进时，土体由土仓的格栅板进入土仓内，经过泥水平衡顶管机刀盘的进一步切削及挤压，可实现土仓与格栅板外侧土体之间的土压平衡，而泥水平衡顶管机本身又存在泥水平衡，因此可兼具土压平衡和泥水平衡的优点，从而能较好地控制地表沉降，达到保护周边建筑物及管线的效果；(2)组合式顶管机的刀盘位于土仓内，开挖面位于土仓中，能保持土体稳定，对周围土体影响小，对土质要求较低，可在淤泥质土、粘土、粉土、砂土、砾石、局部中风化岩石、孤石等土层中顶进施工；(3)所述组合式顶管机具有很强的清障功能，出仓孔为清障提供了通道，土仓为清障活动提供了空间，且障碍物破碎后可通过出仓孔运出；(4)采用小型泥水平衡顶管机配备大管径管道，降低了泥浆的用量，降低了对施工场地的要求，对周围环境影响较小。

附图说明

图1为本发明一实施例中的兼具土压平衡和泥水平衡的顶管机的结构示意图；

图2为图1中沿A-A的侧视图；

图3为图1中沿B-B的剖视图。

图中标号如下：

1-泥水平衡顶管机；11-刀盘；12-电动驱动装置；2-土仓；21-筒壁；211-刃口；212-连接板；22-格栅板；221-活动格栅23-封板；231-出仓孔；232-活动仓板。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提供的兼具土压平衡和泥水平衡的组合式顶管机及施工方法进一步详细说明。结合下面说明，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。

实施例一

本实施例提供了一种兼具土压平衡和泥水平衡的组合式顶管机，下面结合图1至图3所示，对该组合式顶管机作进一步描述。

一种兼具土压平衡和泥水平衡的组合式顶管机，包括一个泥水平衡顶管机1，以及设置于所述泥水平衡顶管机1前方的土仓2，土仓2的直径大于泥水平衡顶管机1外壳的直径，土仓2为水平设置的筒状结构，包括筒壁21、设置于筒壁21前端面的格栅板22以及设置于筒壁21后端面的封板23，封板23与泥水平衡顶管机1的外壳焊接，泥水平衡顶管机1的刀盘11位于所述土仓2内，所述封板23上设置有出仓孔231，所述出仓孔231通过设置于所述封板23上的活动仓板232密封。

通常，泥水平衡顶管机无法用于清障，且受土质限制应用范围小，而且大直径的泥水平衡顶管机需要的泥水量多，不适用狭小施工区及闹市区，而且泥水平衡顶管机可能对周围土体产生较大紊动。而本发明提供的兼具土压平衡和泥水平衡的组合式顶管机，在小型的泥水平衡顶管机1前方设置土仓2，土仓2的内径大于泥水平衡顶管机1的外径，泥水平衡顶管机1的刀盘11位于土仓2内，土仓内径可达到刀盘11直径的1.5～2.5倍，土仓2的直径与管道的直径相同土仓的筒壁21与管道对接。本发明提供的组合式顶管机具有如下有益效果：(1)顶管顶进时，土体由土仓2的格栅板22进入土仓2内，经过泥水平衡顶管机1刀盘11的进一步切削及挤压，可实现土仓2与格栅板22外侧土体之间的土压平衡，而泥水平衡顶管机1本身又存在泥水平衡，因此可兼具土压平衡和泥水平衡的优点，从而能较好地控制地表沉降，达到保护周边建筑物及管线的效果；(2)组合式顶管机的刀盘11位于土仓2内，开挖面位于土仓2中，能保持土体稳定，对周围土体影响小，对土质要求较低，可在淤泥质土、粘土、粉土、砂土、砾石、局部中风化岩石、孤石等土层中顶进施工；(3)所述组合式顶管机具有很强的清障功能，出仓孔231为清障提供了通道，土仓2为清障活动提供了空间，且障碍物破碎后可通过出仓孔231运出；(4)采用小型泥水平衡顶管机1配备大管径管道，降低了泥浆的用量，降低了对施工场地的要求，对周围环境影响较小。

优选的实施方式为，如图2所示，所述格栅板22包括活动格栅221。在障碍物较大时，打开或拆下活动格栅221，从而增强组合式顶管机的清障能力。

优选的实施方式为，所述土仓2内设置有压力监测装置，用于监测土仓2内的土压力。

优选的实施方式为，所述组合式顶管机包括电动驱动装置12，所述电动驱动装置12包括电动机、减速机，以及设置于动力箱内的相互啮合的传动小齿轮和传动大齿轮；电动机与减速机连接，减速机与传动小齿轮连接，传动大齿轮与刀盘11的主轴连接。

优选的实施方式为，筒壁前端设置有刃口，刃口211的尖端与筒壁焊接固定，刃口211的另一端(即扩大端)通过连接板212固定在封板23上。

优选的实施方式为，所述组合式顶管机还包括纠偏油缸，纠偏油缸布置在第一节纠偏混凝土管内，共布置4个纠偏油缸，每个纠偏油缸安装一套与自动控制台相连的行程传感器及限位开关。优选为，纠偏油缸连接有压力表，用于监测纠偏油缸的压力。

作为介绍，泥水平衡顶管机包括泥水系统，泥水系统主要由进水管、出泥管、两个三通球阀、球阀油缸、隔膜压力表、换向阀组成。通过球阀油缸来控制三通球阀的工作模式，一种是正常施工的进水、排泥工作模式；另一种是清洗管道状况。各类阀门的工作状况在操纵台上可以显示出来，根据顶进时的工作状况的不同需求，由操作者通过顶管机的操控系统来实现控制切换工作模式。还可以设置用于监测管道泥水压力的压力表。

需要说明的是，组合式顶管机当然包括位于工作井中的反力墙、千斤顶等设备，以及泵站、设备操纵台等，还可以包括设置于中间管道间的中继间，这些采用现有的技术即可，本发明不做介绍。

实施例二

本实施例提供了一种采用实施例一所述的组合式顶管机的施工方法，下面结合图1至图3对该施工方法作进一步介绍。该施工方法包括：

在由工作井至接收井的顶管施工中，遇到障碍物，顶管施工无法继续；在接收井中安装所述组合式顶管机，或在接收井与障碍物之间增设的临时工作井中安装所述组合式顶管机，通过动力系统驱动组合式顶管机顶进至所述障碍物；通过组合式顶管机的刀盘11切削土仓2内的土体，并通过泥水平衡顶管机1的出你管运出，使土仓2内形成操作空间；打开活动仓板232及活动格栅221，采用破碎工具对障碍物进行破碎，使障碍物进入土仓2，并通过出仓孔231运出。

需要说明的是，如果障碍物的位置距离接收井较远，可以选择在接收井与障碍物之间且靠近障碍物的地方临时增设用于清障的工作井。

其中，所述施工方法还包括，在障碍物清除施工之前，对障碍物上方土体进行加固形成整体保护盖。

其中，所述施工方法还包括，在障碍物清除施工之前，在障碍物周边打设降水井，把地下水位降至顶管机下方1-2m处。

优选为，在土仓2内设置压力监测装置，通过控制顶进速度和泥水压力，使土仓2内土体的压力保持在需要的范围内，保持格栅板22与土仓2外侧土体之间的土压平衡。

实施例三

在某工程中，工作井W1#井和接收井W2#井距离为350m，管径Ф1350mm，埋深4.915m。在由W1#井向W2#井顶进施工至190m时，顶管阻力剧增，顶管巨大，导致无法继续顶进。经勘察显示顶管遇到以前废除的桥桩，桥桩上方还设置有20孔22万伏的电力管。因Ф1350顶管机不具备破桩能力，导致无法顶进施工。

如果倒拔顶管机重新顶进，将对周边管线扰动比较大，地面沉降大且施工工期长、施工成本高。由于存在电力管，无法实现对桥桩的开挖拔除。

该工程中，在桥桩与工作井之间、离桥桩距离较近处增加一座工作井，因为电力管的存在，需要控制对周边土体的影响，防止地面沉降，采用实施例一所述的组合式顶管机，反向顶进至Φ1350mm顶管机处进行清障并完成地下对接。

在该工程中，该组合式顶管机由于设置有土仓2，且设置有活动格栅221和出仓孔231，具备超强的地下清障能力。泥水平衡顶管机1的刀头位于土仓2内，在顶进时，土体由土仓2的格栅板22进入土仓2内，经过泥水平衡顶管机1刀盘11的进一步切削及挤压，可实现土仓2与格栅板22外侧土体之间的土压平衡，而泥水平衡顶管机1本身又存在泥水平衡，因此可兼具土压平衡和泥水平衡的优点，从而能较好地控制地表沉降，达到保护周边建筑物及管线的效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种兼具土压平衡和泥水平衡的组合式顶管机，其特征在于，包括一个泥水平衡顶管机，以及设置于所述泥水平衡顶管机前方的土仓，土仓的直径大于泥水平衡顶管机的直径，土仓为水平设置的筒状结构，包括筒壁、设置于筒壁前端面的格栅板以及设置于筒壁后端面的封板，封板与泥水平衡顶管机的外壳固定连接，泥水平衡顶管机的刀盘位于所述土仓内，所述封板上设置有出仓孔，所述出仓孔通过设置于所述封板上的活动仓板密封；所述格栅包括活动格栅；所述筒壁前端设置有刃口，刃口的尖端与筒壁焊接固定，刃口的扩大端通过连接板固定在封板上；所述土仓的内径为泥水平衡式顶管机刀盘直径的1.5～2.5倍。

2.如权利要求1所述的组合式顶管机，其特征在于，所述组合式顶管机包括电动驱动装置，所述电动驱动装置包括电动机、减速机，以及设置于动力箱内的相互啮合的传动小齿轮和传动大齿轮；电动机与减速机连接，减速机与传动小齿轮连接，传动大齿轮与刀盘的主轴连接。

3.采用如权利要求1或2所述的组合式顶管机的施工方法，其特征在于，包括：

在由工作井至接收井的顶管施工中，遇到障碍物，顶管施工无法继续；

在接收井中安装所述组合式顶管机，或在接收井与障碍物之间增设的临时工作井中安装所述组合式顶管机，通过动力系统驱动组合式顶管机顶进至所述障碍物；通过组合式顶管机的刀盘切削土仓内的土体，并通过所述泥水平衡顶管机的出泥管运出，使土仓内形成操作空间；

打开活动仓板，采用破碎工具对障碍物进行破碎，使障碍物进入土仓，并通过出仓孔运出。

4.如权利要求3所述的施工方法，其特征在于，所述施工方法还包括，在障碍物清除施工之前，对障碍物上方土体进行加固形成整体保护盖。

5.如权利要求3所述的施工方法，其特征在于，所述施工方法还包括，在障碍物周边打设降水井，把地下水位降至顶管机下方1-2m处。

6.如权利要求3所述的施工方法，其特征在于，所述施工方法还包括，在土仓内设置压力监测装置，通过控制顶进速度，使土仓内土体的压力保持在需要的范围内，保持格栅板与土仓外侧土体之间的土压平衡。

7.如权利要求3所述的施工方法，其特征在于，所述施工方法还包括，打开或拆下活动格栅，然后进行障碍物清除施工。