CN109838241B - 一种顶管-盾构转换装置及施工设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顶管‑盾构转换装置及施工设备，属于地下管网施工领域。该装置包括连接管和变径管道。其中，变径管道包括：顺次连接的第一端口、第一平直段、过渡段、第二平直段、第二端口；第一端口、第一平直段的直径与顶管管节的直径相同；第二平直段、第二端口的直径与盾构环片的直径相同。连接管套装在第一端口上，第二端口与待铺设的首个盾构环片连接。本发明能够将顶管施工与盾构施工相结合，缩短工期，降低成本，适应各种复杂环境的管网施工，且通过变径管道实现盾构隧道与顶管隧道的对接，进一步扩大适用范围，降低成本。

Description

一种顶管-盾构转换装置及施工设备

技术领域

本发明涉及地下管网施工领域，特别涉及一种顶管-盾构转换装置及施工设备。

背景技术

实际生产中，一般采用顶管法或盾构法进行地下管网施工。顶管法通过直接顶进顶管管节的方式进行，但是随着顶进距离的延长，顶管管节与地层的摩擦阻力增大，效率降低。盾构法通过盾构机掘进过程中铺设盾构环片形成盾构隧道，但是施工速度相对较慢。为了解决以上技术问题，目前在地下管网施工时，初期采用顶管法进行施工，顶管施工到达预设位置后，转换成盾构法进行施工，该方式能够融合顶管施工与盾构施工的优点，缩短工期，降低成本，适应各种复杂环境的加工需求。因此，有必要提供一种能够将顶管施工与盾构施工结合使用的顶管-盾构转换装置。

现有技术提供了一种连接管作为转换装置，其中，连接管的两端分别用于与盾构环片与顶管管节连接，顶管管节在顶进过程中，推动连接管与盾构机向前深入，到达预设位置后，停止顶管施工，盾构机开始运转进行盾构施工，铺设盾构环片形成盾构隧道，实现顶管施工与盾构施工的转换。

发明人发现现有技术至少存在以下问题：

采用连接管分别与盾构环片和顶管管节直接相连，要求盾构施工后形成的盾构隧道必须与顶管管节直径相同以实现对接，一台盾构机只能适配固定直径的顶管管节，适用范围小。

发明内容

本发明实施例提供了一种顶管-盾构转换装置及施工设备，可解决上述技术问题。具体技术方案如下：

第一方面，提供了一种顶管-盾构转换装置，包括连接管，所述装置还包括：变径管道；

所述变径管道包括：顺次连接的第一端口、第一平直段、过渡段、第二平直段、第二端口；

所述第一端口、所述第一平直段的直径与顶管管节的直径相同；

所述第二平直段、所述第二端口的直径与盾构环片的直径相同；

所述连接管套装在所述第一端口上，所述第二端口与待铺设的首个盾构环片连接。

在一种可能的设计中，所述第二端口通过多个插销与所述首个盾构环片连接。

在一种可能的设计中，所述插销包括：插杆和两个插销套；

两个所述插销套分别固定在所述第二端口和所述首个盾构环片的端面内；

所述插杆的两个连接端分别用于插入并固定在两个所述插销套内。

在一种可能的设计中，所述插杆的两个连接端的外壁和所述插销套的内壁上设置有相适配的单向锁紧结构。

在一种可能的设计中，所述插销套的外壁上设置有粗糙结构。

在一种可能的设计中，所述第二端口与所述首个盾构环片之间设置有密封件。

在一种可能的设计中，所述密封件为环形弹片，且，所述密封件内部设置有多个缓冲孔。

在一种可能的设计中，所述变径管道为钢筋混凝土材质。

在一种可能的设计中，所述连接管的一端通过焊接方式套装在所述第一端口上，另一端设置成用于与待铺设的首个顶管管节承插连接的开放式结构。

在一种可能的设计中，所述连接管与所述第一端口之间设置有密封圈。

第二方面，提供了一种顶管-盾构施工设备，包括上述顶管-盾构转换装置。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

能够将顶管施工与盾构施工相结合，缩短工期，降低成本，适应各种复杂环境的管网施工，且利用变径管道实现盾构隧道与顶管管节的对接，使变径管道的第二平直段和第二端口的直径与盾构机的盾构环片相适配，通过改变第一平直段和第一端口的直径，能够使一台盾构机能与多种尺寸的顶管管节配合施工，进一步扩大适用范围，降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的顶管-盾构转换装置的剖面图；

图2是本发明实施例提供的顶管-盾构装置与顶管管节、盾构机连接的整体示意图；

图3是本发明实施例提供的顶管-盾构转换装置的横截面图；

图4是本发明实施例提供的顶管-盾构装换装置的插销结构示意图；

图5是本发明实施例提供的顶管-盾构转换装置的插杆结构示意图；

图6是本发明实施例提供的顶管-盾构转换装置的密封件的侧视图；

图7是本发明实施例提供的顶管-盾构转换装置的密封件的断面图。

附图标记分别表示：

1-连接管，

2-变径管道，

201-第一端口，202-第一平直段，203-过渡段，

204-第二平直段，205-第二端口，

3-插销，301-插杆，302-插销套，

4-密封件，

5-密封圈，

M-盾构环片，

N-顶管管节，

X1-滚刀刀具，

X2-动力系统，

X3-盾尾壳体，

X4-盾尾密封刷。

具体实施方式

除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

需要说明的是，盾构法为本领域所常见的，其采用盾构机进行施工。如附图2所示，盾构机包括滚刀刀具X1、动力系统X2、盾尾壳体X3、盾尾密封刷X4和盾构环片M，且盾构环片M位于盾尾壳体X3内。动力系统X2驱动滚刀刀具X1破岩，向前掘进，在掘进过程中铺设盾构环片M，形成盾构隧道，且盾构环片M位于盾尾壳体X3内部，盾尾壳体X3内壁上的盾尾密封刷X4用于在铺设的盾构环片M连接处形成密封。

本发明实施例提供了一种顶管-盾构转换装置，如附图1和附图2所示，该装置包括连接管1、变径管道2。

其中，变径管道2包括：顺次连接的第一端口201、第一平直段202、过渡段203、第二平直段204、第二端口205。

第一端口201、第一平直段202的直径与顶管管节N的直径相同；

第二平直段204、第二端口205的直径与盾构环片M的直径相同；

连接管1套装在第一端口201上，第二端口205与待铺设的首个盾构环片M连接。

以下对本发明实施例提供的顶管-盾构转换装置的工作原理进行说明：

利用本发明实施例提供的顶管-盾构转换装置进行地下管网施工时，首先，根据顶管管节N与盾构环片M的直径选取相适配的变径管道2，选取标准是第一端口201、第一平直段202的直径与顶管管节N的直径相同，第二端口205、第二平直段204的直径与盾构环片M的直径相同。可以理解的是，上述的直径相同指的是内径、外径均相同，以使连接更平稳和紧固。

然后将顶管管节N通过连接管1连接至第一端口201，待铺设的首个盾构环片M连接至第二端口205，如附图2所示，此时第二平直段204伸入盾尾壳体X3内，与盾尾壳体X3之间形成环形间隙，实现第二端口205与盾构环片M的连接。

连接完成后，进行顶管施工，顶管管节N在顶进过程中，推动变径管道2和盾构机向前移动，顶管施工到预设位置后，停止顶进，转换成盾构施工。此时，盾构机开始掘进并铺设盾构环片M，形成与第二端口205直径相同的盾构隧道。

盾构机造价高昂，且一台盾构机只能形成一种直径的盾构隧道，利用变径管道2实现盾构隧道与顶管管节N的对接，使变径管道2的第二平直段204和第二端口205的直径与盾构机的盾构环片M相适配，通过改变第一平直段202和第一端口201的直径，能够使一台盾构机能与多种尺寸的顶管管节N配合施工，适用范围广。

可见，通过本发明实施例提供的顶管与盾构装换装置，能够将顶管施工与盾构施工相结合，缩短工期，降低成本，适应各种复杂环境的管网施工，且通过变径管道2实现盾构隧道与顶管隧道的对接，进一步扩大适用范围，降低成本。

以下对本发明实施例提供的顶管-盾构转换装置的各部件及其作用分别给予阐述：

变径管道2是顶管-盾构转换装置的主体，如附图1和附图2所示，其包括：顺次连接的第一端口201、第一平直段202、过渡段203、第二平直段204、第二端口205。如此设置，使变径管道2在实现盾构隧道与顶管管节N对接的前提下，提高对接的稳定性和紧固性。

其中，过渡段203可以为弧形结构，能够使应力分布更加均匀。

为了实现第一端口201与顶管管节N的连接，对第二平直段204的长度作出如下限定：第二平直段204的长度要满足第二端口205与首个盾构环片M连接时，过渡段203和第一平直段202位于盾尾壳体X3外部。并且，此时盾尾密封刷X4将与第二平直段204密封接触，而不会与过渡段203与第一平直段202接触，以避免过渡段203与第一平直段202的直径与盾尾密封刷X4不适配对盾尾密封刷X4的损坏。

进一步地，为了提高顶进效率，顶管管节N和第一平直段202的外径可以小于盾尾壳体X3的外径，如此设置，可以使顶进时的阻力最大限度的集中在盾构机的滚刀刀具X1上，利用滚刀刀具X1的破岩效果降低顶进阻力。

为了保证顶管-盾构转换装置的强度和刚度，变径管道2为钢筋混凝土材质，且钢筋混凝土造价低，可塑性好，通过一次浇筑可直接形成上述结构的变径管道2。具体的浇筑过程可以为：

选用适配的模具，在模具内部架设钢筋笼，然后将胶凝材料、骨料和水混合注入模具内，侯凝，移除模具，即可得到一体成型的变径管道2。

其中，胶凝材料可以为水泥，骨料可以为砂、石等。

在本发明实施例中，第二端口205通过多个插销3与首个盾构环片M连接，能够提高对接精度和连接稳固性。

其中，如附图3所示，多个插销3沿周向均匀分布在第二端口205和盾构环片M的对接端面上。

对于插销3与第二端口205的连接方式，可以将插销3的一端固定在第二端口205内，在连接时插入首个盾构环片M的端面内；也可以将插销3的一端固定在首个盾构环片M的端面内，在连接时插入第二端口205内；也可以使插销3仅仅在应用时即时与第二端口205和首个盾构环片M的端面连接。

在此基础上，以下给出一种示例：

如附图4所示，该插销3包括：插杆301和两个插销套302；

两个插销套302分别固定在第二端口205和首个盾构环片M的端面内；

插杆301的两个连接端分别用于插入并固定在两个插销套302内。

如此设置，应用时，通过插杆301的两个连接端插入并固定在两个插销套302内，即可实现精确对准和第二端口205与首个盾构环片M的固定连接。并且，在不进行连接时第二端口205和首个盾构环片M的端面不具有凸出部分，表面光滑，便于运输，且安全性较高。

插杆301可以为一体等径的金属杆，左右两端设置成与插销套302相适配的连接端，用于插入并固定在插销套302内。或者，为了提高插杆301的强度，如附图4和附图5所示，可以将插杆301的中部设置成凸起的双锥台结构，具体形状为中心直径较大，向两端逐渐减小至与连接端等径，且中心位置切削成柱形，易于夹持，便于将插杆301插入插销套302内。

对于插杆301的连接端如何插入并固定在插销套302内，以下给出一种示例：

插杆301的两个连接端的外壁和插销套302的内壁设置有相适配的单向锁紧结构，使插杆301可以插入插销套302内，且在受力时无法拔出，实现单向锁紧。

对于上述的单向锁紧结构，以下给出示例说明：可以在插杆301的连接端和插销套302内设置相适配的单向锥形齿牙实现单向锁紧。通过单向锥形齿牙实现单向锁紧时，以附图4和附图5所示的方向为基准，插杆301的左侧连接端的齿牙右偏(即，齿面向左倾斜)，右侧连接端的齿牙左偏(即，齿面向右倾斜)，相应地，左侧插销套302的齿牙左偏，右侧插销套302的齿牙右偏。插入时，插杆301和插销套302的齿牙之间齿面相抵，在外力作用下能够深入，在拔出时，插杆301上齿牙的齿尖与插销套302齿牙的齿根相抵，进行锁紧，在外力作用下无法拔出。

对于上述两个插销套302分别固定在第二端口205和首个盾构环片M的端面内，对于固定方式，以下给出一种示例：

变径管道2浇筑过程中，钢筋笼架设完成后，在将要形成第二端口205的位置放置插销套302，然后进行浇筑，侯凝后，即可将插销套302固定在第二端口205内。

插销套302固定在盾构环片M内的方式与盾构环片M的材质有关，盾构环片M为钢筋混凝土材质时，固定方式与上述相同。

为了提高固定效果，插销套302的外壁上设置有粗糙结构。粗糙结构能使插销套302与第二端口205和盾构环片M的接触更加紧密，增大摩擦阻力，抗拉拔能力强，提高固定效果。

具体地，粗糙结构可以将插销套302的表面设置成凹凸不平的结构来获得，也可以在插销套302的外壁上设置多圈周向的圆弧凹槽，且多圈圆弧凹槽沿轴向分布，如此设置，增加插销套302与第二端口205和盾构环片M的结合力度，增大抗拉拔能力，提高固定效果。

本发明实施例中，如附图1和附图2所示，第二端口205与首个盾构环片M之间设置有密封件4，一方面提高密封效果，另一方面具有缓冲作用。

如附图6和附图7所示，密封件4为环形弹片，且，密封件4内部设置有多个缓冲孔401。将密封件4设置成环形结构，适配第二端口205和首个盾构环片M的结构，能形成完整的密封，弹性材质具有良好的密封和缓冲效果，通过设置缓冲孔401，在受力时更易压缩，能够提高缓冲效果和密封效果。

其中，弹性材质可以为橡胶材质等，举例来说，可以为三元乙丙橡胶，该种橡胶的耐臭氧、耐热、耐候等耐老化性能优异，在地下环境不易腐蚀，使用寿命长。

如附图7所示，密封件4的中部可以对比两端的接触面更厚，抗挤压效果好，能够延长密封件4的使用寿命。

如附图7所示，缓冲孔401的数量可以为多个，沿密封件4的轴向分层分布，起到分层缓冲作用，且每层均包括多个缓冲孔401，进一步提高缓冲效果，且缓冲孔401对称分布，在受到挤压时使压力均匀的分布在密封件4的内部。

缓冲孔401为不规则形状，可以为圆形、椭圆形、半圆形、三角形等，多种不同形状的缓冲孔401间隙分布，在承受挤压力时，缓冲孔401变形时的朝向不同，起到应力分散效果，提高缓冲作用。

基于上述对密封件4的限定，以下对密封件4的结构给出一种具体示例：

环形密封件4的侧面图为如附图6所示的圆环，断面图如附图7所示，外形尺寸从左到右先增大后减小，内部分布有多个缓冲孔401，缓冲孔401以轴线为对称轴对称分布，轴线穿过两个相平行的半圆形缓冲孔401，距轴线较远的位置设置有两个圆形缓冲孔401和两个三角形缓冲孔401，两个圆形缓冲孔401和第一半圆形缓冲孔401构成第一层缓冲孔401，两个三角形缓冲孔401和第二半圆形缓冲孔401构成第二层缓冲孔402。且为了提高缓冲效果，半圆形缓冲孔401和三角形缓冲孔401的拐角均设置为圆角。

密封件4可以通过粘贴方式固定在第二端口205上，为了提高粘贴效果，可以在密封件4的粘贴面上设置粘贴强化结构，举例来说，粘贴强化结构可以为多个U形槽。密封件4可以直接粘贴在第二端口205的端面上，也可以在浇筑时在第二端口205的端面形成密封安装槽，便于密封件4的粘贴安装。

本发明实施例中，顶管管节N与第一端口201通过连接管1连接，连接管1的一端通过焊接方式套装在第一端口201上，另一端设置成用于与待铺设的首个顶管管节N承插连接的开放式结构，通过焊接将连接管1套装在第一端口201上，能够使套装牢固，连接管1与待铺设的首个顶管管节N插承连接，便于安装和拆卸。

其中，连接管1焊接在第一端口201内的钢筋笼上，且焊接过程发生在对变径管道2进行浇筑成型之前。

承插连接为本领域常见的，具体地，承插连接就是将管子或管件的一端插入欲接件的承口内，并在环隙内用坡充材料密封的连接方式。在本发明实施例中，连接管1的开放式结构为承口，将顶管管节N插入连接管1承口内，即可实现承插连接。进一步地，上述承插连接的坡充材料密封为密封圈5，连接管1与第一端口201之间设置有密封圈5，防止地下水从连接管1处渗入隧道内。

密封圈5可以为吸水膨胀式密封胶条，该胶条中配合有吸水材料，当与水接触时吸收水分体积膨胀，堵塞、切断水流通道而达到止水密封效果，能够满足本发明实施例的密封要求。

密封圈5可以粘贴在连接管1的内壁上进行固定，且粘贴过程发生在焊接完成后、浇筑成型前，保证连接的紧固性。

第二方面，本发明实施例还提供了一种顶管-盾构施工设备，包括上述的顶管-盾构转换装置。

可以理解的是，该设备还包括盾构机、顶管驱动系统。

盾构机包括滚刀刀具X1、动力系统X2、盾尾壳体X3、盾尾密封刷X4进而位于盾尾壳体X3内部的盾构环片M。动力系统X2驱动滚刀刀具X1破岩，向前掘进，在掘进过程中铺设盾构环片M，形成盾构隧道，盾尾壳体X3内壁上的盾尾密封刷X4用于在铺设的盾构环片M连接处形成密封。

顶管驱动系统位于顶管中继间内，包括钢制外壳、油缸、油缸托架、液压动力站。油缸通过油缸托架安装在钢制外壳内，油缸不可伸缩段顶住顶管管节N，可伸缩段通过液压动力站提供动力，驱动油缸不可伸缩段往复运动，推动顶管管节N向前运动。

利用本发明实施例提供的顶管-盾构设备进行地下管网施工时，将待铺设的首个顶管管节N通过连接管1与第一端口201连接，第二端口205与盾构机内待铺设的首个盾构环片M连接，此时第二平直段204位于盾尾壳体X3内，盾尾密封刷X4与第二平直段204密封接触。顶管驱动系统推动顶管管节N向前顶进，并在深入过程中在后方逐渐添加新的顶管管节N，变径管道2和盾构机随首个顶管管节N深入，顶管施工到预设位置后，停止顶进，盾构机从第二端口205处开始施工，动力系统X2驱动滚刀刀具X1运转破岩，向前掘进并逐渐铺设盾构环片M，位于盾尾壳体X3内壁上的盾尾密封刷X4前进过程中在盾构环片M表面刷过，在盾构环片M连接处形成密封，通过多节盾构环片M形成与第二端口205直径相同的盾构隧道。直至施工到预设位置后，完成整个地下管网施工过程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种顶管-盾构转换装置，包括连接管(1)，其特征在于，所述装置还包括：变径管道(2)、包括滚刀刀具(X1)的盾构机和顶管驱动系统；

所述变径管道(2)包括：顺次连接的第一端口(201)、第一平直段(202)、过渡段(203)、第二平直段(204)、第二端口(205)，且所述过渡段(203)为弧形结构，所述第一平直段(202)的直径与所述第二平直段(204)的直径不同；

所述第一端口(201)、所述第一平直段(202)的直径与顶管管节(N)的直径相同，且所述第一平直段(202)的直径与所述顶管管节(N)的直径小于所述盾构机的盾尾壳体(X3)的直径；

所述第二平直段(204)、所述第二端口(205)的直径与盾构环片(M)的直径相同；

所述连接管(1)套装在所述第一端口(201)上，所述第二端口(205)与待铺设的首个盾构环片(M)连接；

所述第二平直段(204)，用于在所述第二端口(205)与所述首个盾构环片(M)连接时，使所述过渡段(203)位于所述盾尾壳体(X3)外部；

其中，所述盾构机用于通过所述滚刀刀具(X1)破岩掘进，所述顶管驱动系统用于推动顶管管节(N)向前运动。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二端口(205)通过多个插销(3)与所述首个盾构环片(M)连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述插销(3)包括：插杆(301)和两个插销套(302)；

两个所述插销套(302)分别固定在所述第二端口(205)和所述首个盾构环片(M)的端面内；

所述插杆(301)的两个连接端分别用于插入并固定在两个所述插销套(302)内。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述插杆(301)的两个连接端的外壁和所述插销套(302)的内壁上设置有相适配的单向锁紧结构。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述插销套(302)的外壁上设置有粗糙结构。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二端口(205)与所述首个盾构环片(M)之间设置有密封件(4)。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述密封件(4)为环形弹片，且，所述密封件(4)内部设置有多个缓冲孔(401)。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变径管道(2)为钢筋混凝土材质。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述连接管(1)的一端通过焊接方式套装在所述第一端口(201)上，另一端设置成用于与待铺设的首个顶管管节(N)承插连接的开放式结构。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述连接管(1)与所述第一端口(201)之间设置有密封圈(5)。

11.一种顶管-盾构施工设备，包括权利要求1-10任一项所述的顶管-盾构转换装置。

Images