CN111088983A - 一种采用水平定向钻进行顶拉结合的矩形顶管施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种采用水平定向钻进行顶拉结合的矩形顶管施工方法,包括以下步骤:S1在矩形顶管机头前端预制多个锚具接口,并将该矩形顶管机头布置于始发井内;S2在接收井内布置水平定向钻机,使水平定向钻机布置于一锚具接口的预估出洞处;S3水平定向钻机朝向步骤S2中的锚具接口钻进,并牵引一钢索使该钢索一端连接该锚具接口,水平定向钻机钻杆回缩,将该钢索另一端回拖至接收井内;S4重复步骤S2和S3,直至所有钢索均回拖完毕;S5在始发井内通过后千斤顶向前顶动矩形顶管机头前进,在接收井内通过所有钢索拉动矩形顶管机头前进。本发明的有益效果:对矩形顶管机头“顶拉结合”的效果,解决了矩形顶管机顶进力不足的问题,使顶管工程顺利进行。

Description

一种采用水平定向钻进行顶拉结合的矩形顶管施工方法
技术领域
本发明涉及工程建筑领域的矩形顶管施工方法,尤其涉及一种采用水平定向钻进行顶拉结合的矩形顶管施工方法。
背景技术
目前城市软土地层浅埋隧道施工多使用明挖法,盾构法,顶管法等方法施工。其中,矩形顶管技术因为其具有断面利用率高,一次成型,机械化施工程度高等优点,常用于箱涵,地下隧道以及地下人行通道等工程的建设。
传统的矩形顶管法隧道建设施工方法需要做两个工作井作为始发井和接收井,为工程施工提供空间。但是矩形顶管施工过程中的顶进力随距离增加而增加,并且矩形顶管断面较大,因此所需要的顶进力非常大,不仅导致始发井的反力墙设计和修建复杂,施工成本高,而且也增加了施工过程中控向和纠偏难度。
这种情况下目前一般采用两种方法解决:一、对顶法;二、中继间法。对顶法和中继间法虽然具有增大顶力的优点,但是也存在一定的限制。对顶法需要修建两处反力墙,需要两套千斤顶设备,而且需要两边机头对接合拢,故对顶管方向、高程精度控制有着较高的要求,施工过程很难控制。中继间法在高水压条件下施工难度大,密封止水效果差,且工程施工过程中需要多次启动;同时,受管节抗压强度限制,顶力需要控制在一定范围以内,这些问题一定程度上限制了矩形顶管法技术的适用广度。
我国关于顶拉法的相关工程实践较少,且一般采用“蠕动”式的方式前进,即每节管道之间都有一组千斤顶,千斤顶开动之后前节到位,再通过千斤顶对后节产生拉力,过程中靠前节管壁摩阻力提供反力。效率低且需要花费大笔费用购置千斤顶。例如中铁三局集团有限公司和中铁三局集团第三工程有限公司研发的专利CN201320070910.8以及CN201310048872.0,分别设计了一种用于“蠕动式”顶拉法施工的分配梁及其施工方法。也有利用钢索提供拉力的专利如上海隧道工程股份有限公司研发的专利CN103899321A,靠钢索的拉力,以及对向顶管产生的顶力,实现对故障顶管机头的“撤回”。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种利用水平定向钻机精确布设用于回拉矩形顶管的钢索,然后利用钢索为顶管机提供导向和拉力的顶拉结合法非开挖矩形顶管施工方法。
本发明的实施例提供一种采用水平定向钻进行顶拉结合的矩形顶管施工方法,包括以下步骤:
S1在矩形顶管机头前端预制多个锚具接口,并将该矩形顶管机头布置于始发井内;
S2在所述始发井前方的接收井内布置水平定向钻机,使所述水平定向钻机布置于一所述锚具接口的预估出洞处;
S3所述水平定向钻机朝向所述步骤S2中的锚具接口钻进,并牵引一钢索使该钢索一端连接该锚具接口,所述水平定向钻机钻杆回缩,将该钢索另一端回拖至所述接收井内;
S4重复步骤S2和S3,直至所有钢索均回拖完毕;
S5在所述始发井内通过后千斤顶向前顶动所述矩形顶管机头前进,在所述接收井内通过所有钢索拉动所述矩形顶管机头前进。
进一步地,所述锚具接口的数量为四个,四所述锚具接口分别设置于所述矩形顶管机头的前端的四角处。
进一步地,所述步骤S3中所述水平定向钻机的钻进轨迹平行于所述顶管机机头预计运动轨迹。
进一步地,所述步骤S5中,在接收井内使用液压千斤顶系统来对所有钢索施加拉力,所述液压千斤顶系统包括横向扁担和前千斤顶,所有钢索均连接于所述横向扁担上,所述前千斤顶置于所述横向扁担和接收井前端反力墙之间,所述前千斤顶向前推动所述横向扁担向前运动,继而向前拉动所有钢索。
进一步地,每次前千斤顶达到最大行程时,将所述钢索和所述横向扁担分离,调节所述前千斤顶使其缩缸至最小行程,拉伸钢索将钢索重新连接在所述横向扁担上,所述前千斤顶伸缸,再次拉动所有钢索。
进一步地,所述步骤S5中,在所述矩形顶管机头前进过程中,实时监测所述矩形顶管机头位置数据,包括所述矩形顶管机头前进的水平距离、侧向偏移、倾角、方位角、顶管机机身旋转角度。
进一步地,所述锚具接口满足静载性能试验要求。
进一步地,所述钢索由多股钢绞线绞合形成,所述前千斤顶的顶进行程应大于所述钢索的钢绞线的弹性伸长量。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是:本发明的一种采用水平定向钻进行顶拉结合的矩形顶管施工方法,在矩形顶管施工顶进力不足的情况下,在接收井通过水平定向钻机布置钢索,通过钢索对矩形顶管机头施加拉力,以达到对矩形顶管机头“顶拉结合”的效果,解决了矩形顶管机顶进力不足的问题,使顶管工程顺利进行;同时降低了始发井反力墙的性能要求,减少了千斤顶的使用数量和顶管设备的复杂程度,减少了中继间的使用,可大幅度节约工程成本,同时保证施工顺利进行;应用于矩形顶管机头以一定的仰角顶进时,钢索可以为矩形顶管机头提供拉力,防止矩形顶管机头下滑,增强矩形顶管机头的稳定性;此外该施工方法可以通过对不同的钢索施加不同大小的拉力,实现对矩形顶管机头纠偏的效果。
附图说明
图1是本发明一种采用水平定向钻进行顶拉结合的矩形顶管施工方法步骤S1中锚具接口的布置示意图;
图2是是本发明一种采用水平定向钻进行顶拉结合的矩形顶管施工方法步骤S2中水平定向钻机的布置示意图;
图3是是本发明一种采用水平定向钻进行顶拉结合的矩形顶管施工方法步骤S5中矩形顶管机头前进的示意图;
图4是图3中液压千斤顶系统对钢索施加拉力的示意图。
图中:1-锚具接口、2-刀盘、3-始发井、4-接收井、5-水平定向钻机、6-钻杆、7-矩形顶管机头、8-横向扁担、9-前千斤顶、10-钢索。
具体实施方式
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描述。
请参考图1,本发明的实施例提供了本发明的实施例提供一种采用水平定向钻进行顶拉结合的矩形顶管施工方法,包括以下步骤:
S1在矩形顶管机头7前端预制多个锚具接口1,并将该矩形顶管机头7布置于始发井3内;
具体的,锚具接口1用来与钢索10连接,在实际施工时,在布置锚具接口1之前,应根据地层情况和现场工程实际,计算出牵引所述矩形顶管机头7所需要的拉力,进而确定钢索10的参数。所述锚具接口1的数量由钢索10的数量决定。
所述钢索10的参数包括锚具接口1的数量、位置,每根钢索10需要承担的拉力,每根钢绞线需要承受的拉力。本实施例中,所述钢索10的数量为四根,因此所述锚具接口1的数量也为四个,四所述锚具接口1分别设置于所述矩形顶管机头7的前端的四角处,设置于所述矩形顶管机头7前端的刀盘面上、位于多个刀盘2之间。
所述钢索10由多股钢绞线绞合形成,考虑到顶进过程中钢绞线受力的不均匀性及安全储备,取1.5倍安全系数。例如,顶管工程中需要16000kN的拉力,每根钢索10承担4000kN的拉力。若钢索10由22根钢绞线组成,则每根钢绞线承受181kN的拉力,采用1.5的安全系数,则每根钢绞线应承受271kN的拉力。以此为依据确定钢绞线的截面面积。
还应对锚具接口1应进行静载性能试验,以保证其强度可靠。
S2在所述始发井3前方的接收井4内布置水平定向钻机5,使所述水平定向钻机5布置于一所述锚具接口1的预估出洞处;
根据顶管工程设计方案,确定所述矩形顶管机头7前进轨迹参数,根据前进轨迹参数,在接收井4内,预估所述矩形顶管机头7出洞时,各个锚具接口1对应的位置。然后将所述水平定向钻机5的钻头对准一所述锚具接口1的对应位置。
S3所述水平定向钻机5朝向所述步骤S2中的锚具接口1钻进,并牵引一钢索10使该钢索10一端连接该锚具接口1,所述水平定向钻机5钻杆6回缩,将该钢索10另一端回拖至所述接收井4内;
所述水平定向钻机5的钻进轨迹应平行于顶管机机头预计前进轨迹,最后垂直于所述矩形顶管机头7刀盘面,使所述钢索10连接所述锚具接口1。
关于所述水平定向钻机5,根据地层条件、防渗层深度等,进行钻机钻头等钻进设备选型、导向设备选择及水平定向钻进工艺参数设计,具体为:
a、不同地层的导向孔典型钻具组合:
软土层无线导向:斜掌钻头+探棒仓+钻杆柱;
软土层有线导向:钻头+弯接口+定向接口+无磁钻铤+钻杆柱;
中硬土层无线导向:铣齿牙轮钻头+弯接口+探棒仓+钻杆柱;
岩石层无线导向:镶齿牙轮钻头+弯螺杆钻具+探棒仓+钻杆柱;
岩石层有线导向:钻头+弯螺杆钻具+定向接口+无磁钻铤+钻杆柱。
b、水平定向钻进工艺参数设计:
钻压:根据导向情况、钻头直径、地层可钻性等确定,软地层以控制钻速为主;
转速:根据导向情况、地层条件、钻头直径等确定,直线钻进时,钻头外刃线速度控制在1~3m/s;
泵量:根据钻具组合、地层条件、钻头直径等确定,如采用孔底动力钻具,泵量还需满足孔底动力钻具的要求。
其次,实时监测钻杆6钻进的长度、水平距离、侧向偏移、垂深、倾角、方位角等。
具体的,在所述水平定向钻机5钻进之前,检查所述水平定向钻机5和导向系统是否正常,导向系统的导向钻头及钻杆6是否损坏或缺少,设置泥浆池,接收井4内井底面积应满足钻机施工要求,泥浆池面积根据泥浆返回量确定。根据前期设计的路线及导向孔布置方案进行测量放线,钻机定位,连接钻杆6和导向钻头,调整钻机角度方位。
S4重复步骤S2和S3,直至所有钢索10均回拖完毕;
具体的,所述水平定向钻机5改变位置,先后钻进三次,分别带动另三根钢索10穿过所述始发井3和所述接收井4,每一所述钢索10一端连接所述锚具接口1,另一端置于所述接收井4内。
S5在所述始发井3内通过后千斤顶向前顶动所述矩形顶管机头7前进,在所述接收井4内通过所有钢索10拉动所述矩形顶管机头7前进。
具体的,在接收井4内使用液压千斤顶系统来对所有钢索10施加拉力,所述液压千斤顶系统包括横向扁担8和前千斤顶9,所有钢索10均连接于所述横向扁担8上,所述前千斤顶9置于所述横向扁担8和接收井4前端反力墙之间,所述前千斤顶9向前推动所述横向扁担8向前运动,继而向前拉动所有钢索10。
另外,所述前千斤顶9多次伸缩来对所述矩形顶管机头7进行拉进。每次前千斤顶9达到最大行程时,将所述钢索10和所述横向扁担8分离,调节所述前千斤顶9使其缩缸至最小行程,拉伸钢索10将钢索10重新连接在所述横向扁担8上,所述前千斤顶9伸缸,再次拉动所有钢索10。
需要说明的是,所述前千斤顶9通过所述横向扁担8对所述钢索10施加的拉力应在合理范围之内,以防止钢索10所受的拉力超过钢索10强度。且所述前千斤顶9的顶进行程应大于所述钢索10的钢绞线的弹性伸长量,以免所述前千斤顶9施加拉力仅能使所述钢索10的钢绞线发生弹性变形,无法为顶管机提供拉力。拉动钢索10形成的反力不大于接收井4的结构强度。所述前千斤顶9推进速度应控制在3mm/min~5mm/min,使该过程具备低速可调节能力。
进一步地,在所述矩形顶管机头7前进过程中,实时监测所述矩形顶管机头7位置数据,包括所述矩形顶管机头7前进的水平距离、侧向偏移、倾角、方位角、顶管机机身旋转角度。根据所述矩形顶管机头7位置数据,控制顶管机前进方法和姿态,并且应根据测量结果分析偏差产生的原因和发展趋势,确定纠偏的措施。
本发明的采用水平定向钻进行顶拉结合的矩形顶管施工方法,可用于市政综合管廊、电力隧道、地下人行通道等土地层浅埋矩形隧道的非开挖顶管施工,在矩形顶管施工顶进力不足的情况下,在接收井4通过水平定向钻机5布置钢索10,通过钢索10对矩形顶管机头7施加拉力,以达到对矩形顶管机头7“顶拉结合”的效果,解决了矩形顶管机顶进力不足的问题,使顶管工程顺利进行。同时降低了始发井3反力墙的性能要求,减少了千斤顶的使用数量和顶管设备的复杂程度,减少了中继间的使用,可大幅度节约工程成本,同时保证施工顺利进行。针对个别倾斜施工的顶管工程中,矩形顶管机头7以一定的仰角顶进,钢索10可以为矩形顶管机头7提供拉力,防止矩形顶管机头7下滑,增强矩形顶管机头7的稳定性。此外该施工方法可以通过对不同的钢索10施加不同大小的拉力,实现对矩形顶管机头7纠偏的效果。
在本文中,所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的,只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解,所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下,本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,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 (8)

1.一种采用水平定向钻进行顶拉结合的矩形顶管施工方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1在矩形顶管机头前端预制多个锚具接口,并将该矩形顶管机头布置于始发井内;
S2在所述始发井前方的接收井内布置水平定向钻机,使所述水平定向钻机布置于一所述锚具接口的预估出洞处;
S3所述水平定向钻机朝向所述步骤S2中的锚具接口钻进,并牵引一钢索使该钢索一端连接该锚具接口,所述水平定向钻机钻杆回缩,将该钢索另一端回拖至所述接收井内;
S4重复步骤S2和S3,直至所有钢索均回拖完毕;
S5在所述始发井内通过后千斤顶向前顶动所述矩形顶管机头前进,在所述接收井内通过所有钢索拉动所述矩形顶管机头前进。
2.如权利要求1所述的一种采用水平定向钻进行顶拉结合的矩形顶管施工方法,其特征在于:所述锚具接口的数量为四个,四所述锚具接口分别设置于所述矩形顶管机头的前端的四角处。
3.如权利要求1所述的一种采用水平定向钻进行顶拉结合的矩形顶管施工方法,其特征在于:所述步骤S3中所述水平定向钻机的钻进轨迹平行于所述顶管机机头预计运动轨迹。
4.如权利要求1所述的一种采用水平定向钻进行顶拉结合的矩形顶管施工方法,其特征在于:所述步骤S5中,在接收井内使用液压千斤顶系统来对所有钢索施加拉力,所述液压千斤顶系统包括横向扁担和前千斤顶,所有钢索均连接于所述横向扁担上,所述前千斤顶置于所述横向扁担和接收井前端反力墙之间,所述前千斤顶向前推动所述横向扁担向前运动,继而向前拉动所有钢索。
5.如权利要求4所述的一种采用水平定向钻进行顶拉结合的矩形顶管施工方法,其特征在于:每次前千斤顶达到最大行程时,将所述钢索和所述横向扁担分离,调节所述前千斤顶使其缩缸至最小行程,拉伸钢索将钢索重新连接在所述横向扁担上,所述前千斤顶伸缸,再次拉动所有钢索。
6.如权利要求1所述的一种采用水平定向钻进行顶拉结合的矩形顶管施工方法,其特征在于:所述步骤S5中,在所述矩形顶管机头前进过程中,实时监测所述矩形顶管机头位置数据,包括所述矩形顶管机头前进的水平距离、侧向偏移、倾角、方位角、顶管机机身旋转角度。
7.如权利要求1所述的一种采用水平定向钻进行顶拉结合的矩形顶管施工方法,其特征在于:所述锚具接口满足静载性能试验要求。
8.如权利要求1所述的一种采用水平定向钻进行顶拉结合的矩形顶管施工方法,其特征在于:所述钢索由多股钢绞线绞合形成,所述前千斤顶的顶进行程应大于所述钢索的钢绞线的弹性伸长量。
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