CN109854272B - 一种岩体小断面通道的顶管管节 - Google Patents

Abstract

一种岩体小断面通道的顶管管节，适用于扰动岩体情境下的地下隧道工程技术领域。管节前承力环铁和后承力环铁之间设有顶管龙骨，顶管龙骨外侧设有外衬层、内侧设有内衬层，外衬层外侧设有减摩涂层，外衬层和内衬层之间填充有轻质填充料层，外衬层上开有贯穿轻质填充料层和内衬层的注浆孔。管节施工基于地下工程的空间资源特性，进行集约设计，利用可移动机械进行快速布置、灵活递装。有效解决了扰动岩体下顶管施工卡管、管节破损问题，其结构简单、易加工，管节具备让压性能，为地下岩体小断面通道的高效、无人化施工提供了有力支撑。

Description

一种岩体小断面通道的顶管管节

技术领域

本发明涉及一种岩体小断面通道的顶管管节，尤其适用于扰动岩体情境下的地下隧道工程技术领域使用的岩体小断面通道的顶管管节。

背景技术

拓展城市地下空间及开发深部赋存资源是当前经济社会发展的重要手段，越来越多的地下岩体工程在城市立体化建设和资源获取中发挥着关键性作用。顶管推进施工方法以其独特的非开挖特点，对环境和邻近交通及地下构筑物影响小、施工安全性高，在市政工程及隧道开挖领域有广泛应用。近些年来，随着硬岩顶管机的不断革新和发展，顶管推进技术在深部岩体工程中应用需求和实施案例也在不断涌现。由于目前对深部岩体中顶管管节的研究较少，对岩体顶管施工中管节的支护功能以及与围岩的接触机制认识不清，缺乏针对性产品；已经实施的深部岩体顶管工程任然采用土层及浅埋条件下的钢筋混凝土管节或钢管节，存在顶进过程中因管节强度不足导致顶力传递不畅；施工后期在围岩压力作用下顶管与围岩发生接触而损坏的情况。对深部岩体工程来说，目前缺乏重量轻、承载能力强的针对性产品设计；部分已经施工的顶管工程将土层混凝土顶管用于深部岩体，由于不具备让压能力，在围岩变形中发生破坏的情形，因此，需要结合深部岩体工程特性，设计和制作适用于岩体顶管推进施工的新型管节。另外，地下工程空间狭小，采用电动葫芦吊装管节反而使施工繁琐，需要改进。

发明内容

技术问题：针对上述技术的不足之处，提供一种生产成本低、重量轻、减摩性能好，具有让压能力，对深部岩体环境的适应性强，且在深部岩体顶管施工中管节顶力传递强，不容易与围岩接触而发生破损的岩体小断面通道的顶管管节。

技术方案：为解决上述问题，本发明的岩体小断面通道的顶管管节，包括前承力环铁、减摩涂层、外衬层、轻质填充料填充区、内衬层、注浆孔、应力应变传感器、纵向传力梁、应力缓冲垫圈、滑槽、后承力环铁、环向传力梁；

其中前承力环铁和后承力环铁分别设置在前后两端，前承力环铁和后承力环铁之间设有顶管龙骨，顶管龙骨外侧设有外衬层、内侧设有内衬层，外衬层外侧设有减摩涂层，外衬层和内衬层之间填充有轻质填充料层，外衬层上开有轻质填充料填充区和内衬层的注浆孔。

所述顶管龙骨包括3-6根横向设有纵向传力梁，纵向传力梁的数量根据施工深度、围岩应力扰动强度及预测顶力进行确定，纵向传力梁上设有多根环向传力梁，环向传力梁与纵向传力梁接触处设有应力缓冲垫圈。

所述纵向传力梁为曲面四边形柱状结构，纵向传力梁两端设有弧型四边形柱状凸起结构的纵向传力梁榫头，其中纵向传力梁外侧和内侧分别为外弧面和内弧面，其余两面为矩形侧面矩形侧面，纵向传力梁的两个矩形侧面上各开设有2至5个接触凹槽，与环向传力梁的一个环向传力梁端面匹配，形成管节完整的承力骨架，接触凹槽内设有应力缓冲垫圈，应力缓冲垫圈中间设有应力缓冲垫圈中心孔。

所述应力缓冲垫圈为橡胶材料，其厚度为20mm、宽度为40mm、长度为40mm，应力缓冲垫圈中心孔半径为15mm。

所述前承力环铁和后承力环铁为外低内高的台阶结构，前承力环铁包括高位的前承力环铁顶面和低位的前承力环铁凹面，后承力环铁包括高位的后承力环铁凸起面和低位的后承力环铁凹面，前承力环铁和后承力环铁与纵向传力梁连接处设有与纵向传力梁榫头匹配的承力环铁凹槽，前承力环铁和后承力环铁内侧对称设有四道滑槽用于铺设线路和设备滑动运输。

所述前承力环铁顶面宽度为30mm、前承力环的凹面深度为50mm；环铁底端面厚度为100mm；环铁总高度为100mm；承力环铁凹槽深度为30mm，凹槽宽度为60mm；后承力环铁的后承力环铁凸起面与前承力环铁的凹面匹配传递顶力；后承力环铁凸起面与前承力环铁的凹面预留直径差15mm；前承力环铁和后承力环铁匹配设计，各项参数保持一直，环高度为100mm；后承力环铁凸起面距后承力环铁凹面距离为50mm；所述的环向传力梁呈弧形状，环向传力梁端面呈矩形，环向传力梁端面长与宽与矩形侧面上设置的接触凹槽的尺寸一致，分别为宽度为40mm，长度为50mm；匹配深度为20mm。

所述的减摩涂层为MOLYKOTE减摩涂层或纳米硫化亚铁自润滑涂层，减摩涂层厚度根据材料特点为0.5mm-3mm；所述的内衬层、外衬层均采用轻质的具有较高强度的玻璃纤维复合材料，内衬层厚度10mm、内衬层厚度18mm；轻质填充料为树脂或橡胶制品，实现管节环向应力传递，注浆孔设计在管节中间部位，每个管节布置3个注浆孔，实现减摩浆液的注入。

有益效果

（1）本发明适用于扰动岩体情境下的顶管管节，管节通过缓冲垫、轻质充填料实现了让压、与围岩协调变形能力，降低了被围岩损坏的可能。管节采用前、后承力环铁与纵向传力梁搭接的骨架结构，与传统的钢筋水泥结构相比，能有效提高管节屈服强度；纵向传力梁承载能力强，明显提升传递顶力能力；管节内衬层外衬层采用了高强度的玻璃纤维复合材料，轻质填充料为树脂或橡胶制品，充分降低管节重量、减少重力引起的摩阻力，有效增强管节在地下工程中的适应性；

（2）管节结构设计简单，便于加工，实用性强。管节采用部件设计考虑了可操作性，金属骨架结构便于搭接，便于与缠绕式双向纤维增强的玻璃钢配套加工。考虑地下空间资源有限，管节重量轻、便于运输和灵活操作，施工方法简单，具有显著的实用性。

附图说明

图1 为本发明中管节剖面结构示意图；

图2 为本发明前承力环铁和后承力环铁的A-A剖面示意图；

图3 为本发明前承力环铁结构示意图；

图4 为本发明后承力环铁结构示意图；

图5 为本发明纵向传力梁结构示意图；

图6 为本发明环向传力梁结构示意图；

图7 为本发明应力缓冲垫圈结构示意图。

图中：1-前承力环铁、2-减摩涂层、3-外衬层、4-环向传力梁端面、5-轻质填充料填充区、6-内衬层、7-注浆孔、8-应力应变传感器、9-纵向传力梁、10-应力缓冲垫圈、11-滑槽、12-后承力环铁、13-环向传力梁、14-纵向传力梁榫头、15-接触凹槽、16-矩形侧面、17-承力环铁凹槽、18-前承力环铁顶面、19-前承力环铁凹面、20-后承力环铁凹面、21-后承力环铁凸起面、22-应力缓冲垫圈中心孔。

实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细说明：

如图1所示，本发明的岩体小断面通道的顶管管节，包括前承力环铁1、减摩涂层2、外衬层3、轻质填充料填充区5、内衬层6、注浆孔7、应力应变传感器8、纵向传力梁9、应力缓冲垫圈10、滑槽11、后承力环铁12、环向传力梁13；

如图2所示，前承力环铁1和后承力环铁12分别设置在前后两端，前承力环铁1和后承力环铁12之间设有顶管龙骨，顶管龙骨外侧设有外衬层3、内侧设有内衬层6，外衬层3外侧设有减摩涂层2，外衬层3和内衬层6之间填充有轻质填充料层5，外衬层3上开有轻质填充料填充区5和内衬层6的注浆孔7。

顶管龙骨包括3-6根横向设有纵向传力梁9，纵向传力梁9的数量根据施工深度、围岩应力扰动强度及预测顶力进行确定，纵向传力梁9上设有多根环向传力梁13，环向传力梁13与纵向传力梁9接触处设有应力缓冲垫圈10；纵向传力梁9为曲面四边形柱状结构，如图5所示，纵向传力梁9两端设有弧型四边形柱状凸起结构的纵向传力梁榫头14，其中纵向传力梁9外侧和内侧分别为外弧面和内弧面，其余两面为矩形侧面16矩形侧面16，纵向传力梁9的两个矩形侧面16上各开设有2至5个接触凹槽15，与环向传力梁13的一个环向传力梁端面匹配，形成管节完整的承力骨架，接触凹槽15内设有应力缓冲垫圈10，如图7所示，应力缓冲垫圈10中间设有应力缓冲垫圈中心孔22；所述应力缓冲垫圈10为橡胶材料，其厚度为20mm、宽度为40mm、长度为40mm，应力缓冲垫圈中心孔22半径为15mm。

如图3和图4所示，所述前承力环铁1和后承力环铁12为外低内高的台阶结构，前承力环铁1和后承力环铁12之间可以互相匹配连接，前承力环铁1和后承力环铁12连接处设有滑动胶圈；前承力环铁1包括高位的前承力环铁顶面18和低位的前承力环铁凹面19，后承力环铁12包括高位的后承力环铁凸起面21和低位的后承力环铁凹面20，前承力环铁1和后承力环铁12与纵向传力梁9连接处设有与纵向传力梁榫头14匹配的承力环铁凹槽17，前承力环铁1和后承力环铁12内侧对称设有四道滑槽用于铺设线路和设备滑动运输；所述前承力环铁顶面18宽度为30mm、前承力环的凹面深度为50mm；环铁底端面厚度为100mm；环铁总高度为100mm；承力环铁凹槽17深度为30mm，凹槽宽度为60mm；后承力环铁12的后承力环铁凸起面21与前承力环铁的凹面19匹配传递顶力；后承力环铁凸起面21与前承力环铁的凹面19预留直径差15mm；前承力环铁1和后承力环铁12匹配设计，各项参数保持一直，环高度为100mm；后承力环铁凸起面21距后承力环铁凹面20距离为50mm。

如图6所示，所述的环向传力梁13呈弧形状，环向传力梁端面4呈矩形，环向传力梁端面4长与宽与矩形侧面16上设置的接触凹槽15的尺寸一致，分别为宽度为40mm，长度为50mm；匹配深度为20mm。

所述的减摩涂层2为MOLYKOTE减摩涂层或纳米硫化亚铁自润滑涂层，减摩涂层2厚度根据材料特点为0.5mm-3mm；所述的内衬层6、外衬层3均采用轻质的具有较高强度的玻璃纤维复合材料，内衬层6厚度10mm、内衬层厚度18mm；轻质填充料5为树脂或橡胶制品，实现管节环向应力传递，注浆孔7设计在管节中间部位，每个管节布置3个注浆孔，实现减摩浆液的注入。

施工方法：在入地之前，要对顶管管节的前承力环铁（1）、后承力环铁（12）滑槽对应位置进行反光标识标记；管节利用无轨胶轮或矿井胶带输送机快速运到施工位置后，依次接替排列在施工场地一侧壁帮，距离位置5米以外，现场保持管节数量为5-8节；采用叉车将管节递装在导轨上，根据反光标记调整管节姿态，使得管节滑槽大致匹配，最后通过安装在巷帮另一侧的推力系统实现顶进。

Claims (6)

1.一种岩体小断面通道的顶管管节，其特征在于：它包括前承力环铁（1）、减摩涂层（2）、外衬层（3）、轻质填充料填充区（5）、内衬层（6）、注浆孔（7）、应力应变传感器（8）、纵向传力梁（9）、应力缓冲垫圈（10）、滑槽（11）、后承力环铁（12）、环向传力梁（13）；

其中前承力环铁（1）和后承力环铁（12）分别设置在前后两端，前承力环铁（1）和后承力环铁（12）之间设有顶管龙骨，顶管龙骨外侧设有外衬层（3）、内侧设有内衬层（6），外衬层（3）外侧设有减摩涂层（2），外衬层（3）和内衬层（6）之间填充有轻质填充料填充区（5），外衬层（3）上开有贯穿轻质填充料填充区（5）和内衬层（6）的注浆孔（7）；

所述纵向传力梁（9）为曲面四边形柱状结构，纵向传力梁（9）两端设有弧型四边形柱状凸起结构的纵向传力梁榫头（14），其中纵向传力梁（9）外侧和内侧分别为外弧面和内弧面，其余两面为矩形侧面（16），纵向传力梁（9）的两个矩形侧面（16）上各开设有2至5个接触凹槽（15），与环向传力梁（13）的一个环向传力梁端面匹配，形成管节完整的承力骨架，接触凹槽（15）内设有应力缓冲垫圈（10），应力缓冲垫圈（10）中间设有应力缓冲垫圈中心孔（22）。

2.根据权利要求1所述的岩体小断面通道的顶管管节，其特征在于：所述顶管龙骨包括3-6根横向设有纵向传力梁（9），纵向传力梁（9）的数量根据施工深度、围岩应力扰动强度及预测顶力进行确定，纵向传力梁（9）上设有多根环向传力梁（13），环向传力梁（13）与纵向传力梁（9）接触处设有应力缓冲垫圈（10）。

3.根据权利要求2所述的岩体小断面通道的顶管管节，其特征在于：所述应力缓冲垫圈（10）为橡胶材料，其厚度为20mm、宽度为40mm、长度为40mm，应力缓冲垫圈中心孔（22）半径为15mm。

4.根据权利要求1所述的岩体小断面通道的顶管管节，其特征在于：所述前承力环铁（1）和后承力环铁（12）为外低内高的台阶结构，前承力环铁（1）包括高位的前承力环铁顶面（18）和低位的前承力环铁凹面（19），后承力环铁（12）包括高位的后承力环铁凸起面（21）和低位的后承力环铁凹面（20），前承力环铁（1）和后承力环铁（12）与纵向传力梁（9）连接处设有与纵向传力梁榫头（14）匹配的承力环铁凹槽（17），前承力环铁（1）和后承力环铁（12）内侧对称设有纵向传力梁榫头（14）用于铺设线路和设备滑动运输。

5.根据权利要求4所述的岩体小断面通道的顶管管节，其特征在于：所述前承力环铁顶面（18）宽度为30mm、前承力环的凹面深度为50mm；环铁底端面厚度为100mm；环铁总高度为100mm；承力环铁凹槽（17）深度为30mm，凹槽宽度为60mm；后承力环铁（12）的后承力环铁凸起面（21）与前承力环铁的凹面（19）匹配传递顶力；后承力环铁凸起面（21）与前承力环铁的凹面（19）预留直径差15mm；前承力环铁（1）和后承力环铁（12）匹配设计，各项参数保持一直，环高度为100mm；后承力环铁凸起面（21）距后承力环铁凹面（20）距离为50mm；所述的环向传力梁（13）呈弧形状，环向传力梁端面（4）呈矩形，环向传力梁端面长与宽与矩形侧面（16）上设置的接触凹槽（15）的尺寸一致，分别为宽度为40mm，长度为50mm；匹配深度为20mm。

6.根据权利要求1所述的岩体小断面通道的顶管管节，其特征在于：所述的减摩涂层（2）为MOLYKOTE减摩涂层或纳米硫化亚铁自润滑涂层，减摩涂层（2）厚度根据材料特点为0.5mm-3mm；所述的内衬层（6）、外衬层（3）均采用轻质的具有较高强度的玻璃纤维复合材料，内衬层（6）厚度10mm、内衬层厚度18mm；轻质填充料填充区（5）为树脂或橡胶制品，实现管节环向应力传递，注浆孔（7）设计在管节中间部位，每个管节布置3个注浆孔，实现减摩浆液的注入。