CN111502683A - 泥水平衡顶拉管方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥水平衡顶拉管方法，包括：将主机放入工作井，并固定；调整主机标高，并根据设计管道坡度调整主机轴向倾斜度，安装钻头；启动主机，将钻头向管道方向洞口顶进；前节导向钻头的钻杆入土后，回撤顶具安装导向钻杆，继续导向顶进；当钻头进入接收井后，取下所述钻头，在接收井内将泥水平衡机头安装在导向钻杆上；在泥水平衡机头后安装中心拉杆、排泥管、注浆管、管道、套管和尾部挡板；启动主机，进行旋转回拉，将所述管道朝向工作井拉回；前节管道拉入后继续安装下节管道；以及当管道拉至工作井后，拆机头，取下导向钻杆。

Description

泥水平衡顶拉管方法及装置

技术领域

本发明涉及管道施工技术领域。更具体地，本发明涉及一种泥水平衡顶拉管方法及装置。

背景技术

随着市政建设的进一步发展以及农村居住条件的逐步改善，公共基础设施以及家庭给水排水需求进一步提升，这就离不开管道安装、维修等施工工作。

与开挖施工相比，地下管道非开挖施工的整体优势在于施工的负面影响小，占用场地比较少，对地面、交通、环境以及周围地下管线等等的影响很微弱。

在污水管道施工中经常遇到不良地质且建筑密集的区域，为了减少对现有道路及周边建筑物的影响一般采用非开挖施工，但是现有的非开挖施工工艺在小口径污水管道施工方面存在造价高、施工效率低、工作场地脏乱、标高控制不准等问题。

小口径污水管道(D300～D600)非开挖施工方法有泥水平衡顶管、水平定向钻、定向钻拉顶管等工艺。其中泥水平衡顶管难以纠偏，地质复杂时容易卡钻；水平定向钻标高控制不准，场地要求大；定向钻拉顶管标高控制不准，入钻场地要求高，存在水土流失，施工影响大。

发明内容

现有定向钻顶拉管技术的缺点是场地要求大，要有入钻空间；施工时难以做到压力平衡，存在水土流失，对周边扰动大；管道标高控制不准。小口径泥水平衡顶管的缺点是难以纠偏，容易卡钻。

本发明的目的就是复杂地质且建筑密集区域的管道施工问题，缩小施工所需空间，提高标高精度，降低施工难度，改善施工环境，提高施工效率。

根据本发明的一个实施例，提供一种泥水平衡顶拉管方法，包括：

将主机放入工作井，并固定；

调整主机标高，并根据设计管道坡度调整主机轴向倾斜度，安装钻头；

启动主机，将钻头向管道方向洞口顶进；

前节导向钻头的钻杆入土后，回撤顶具安装导向钻杆，继续导向顶进；

当钻头进入接收井后，取下所述钻头，在接收井内将泥水平衡机头安装在导向钻杆上；

在泥水平衡机头后安装中心拉杆、排泥管、注浆管、管道、套管和尾部挡板；

启动主机，进行旋转回拉，将所述管道朝向工作井拉回；

前节管道拉入后继续安装下节管道；以及

当管道拉至工作井后，拆机头，取下导向钻杆。

在本发明的一个实施例中，所述钻头是激光导向钻头，每当一段导向钻杆顶进完成后，查看激光导向是否偏离靶心，如果偏离靶心，则调整钻头方向，利用顶进土压力进行纠正。

在本发明的一个实施例中，所述泥水平衡机头的前端设有切削刀盘，切削刀盘的主轴固定在所述导向钻杆上，切削刀盘的后端设有用于收集切削刀盘切削下来泥土的泥浆仓，泥浆仓通过管道分别与排泥管和注浆管相连通，泥浆仓内设置有压力计，压力计用于测量泥浆舱的压力情况，根据泥浆舱的压力情况确定是否排泥，保持压力平衡。

在本发明的一个实施例中，当主机进行旋转回拉时，导向钻杆旋转带动泥水平衡机头的刀盘切削土壤。

在本发明的一个实施例中，所述中心拉杆安装在泥水平衡机头的后端，所述管道套在中心拉杆上。套管固定在泥水平衡机头的后端，尾部挡板固定在中心拉杆的末端并且与管道接触。

在本发明的一个实施例中，所述中心拉杆、套管和尾部挡板用于锁紧固定管道。

在本发明的一个实施例中，所述主机拉力分配为两部分，一部分拉动机头，抵消迎面土压力；另一部分通过中心拉杆传递给尾端挡板，顶进管道，抵消管周摩擦力。

根据本发明的另一个实施例，提供一种泥水平衡顶拉管装置，包括：

主机系统，所述主机系统提供顶管和拉管施工的旋转顶进和旋转回拉动力，所述主机系统包括顶架系统、导向系统、液压系统以及控制系统；

激光导向钻头，所述激光导向钻头与主机系统的导向系统配合，进行导向钻杆的顶进；

前后连接的导向钻杆，所述导向钻杆的一端连接在主机系统上；

泥水平衡机头；以及

安装在泥水平衡机头后部的中心拉杆、排泥管、注浆管、管道、套管和尾部挡板，

其中所述主机系统设置在工作井中，所述主机系统旋转顶进所述激光导向钻头，前节导向钻头的钻杆入土后，回撤顶具安装导向钻杆，继续导向顶进，当钻头进入接收井后，取下所述钻头，在接收井内将泥水平衡机头安装在导向钻杆上。

在本发明的另一个实施例中，所述泥水平衡机头的前端设有切削刀盘，切削刀盘的主轴固定在所述导向钻杆上，切削刀盘的后端设有用于收集切削刀盘切削下来泥土的泥浆仓，泥浆仓通过管道分别与排泥管和注浆管相连通，泥浆仓内设置有压力计，压力计用于测量泥浆舱的压力情况，根据泥浆舱的压力情况确定是否排泥，保持压力平衡。

在本发明的另一个实施例中，所述中心拉杆安装在泥水平衡机头的后端，所述管道套在中心拉杆上。套管固定在泥水平衡机头的后端，尾部挡板固定在中心拉杆的末端并且与管道接触。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的一个实施例的泥水平衡顶拉管方法的流程图。

图2示出根据本发明的一个实施例的安装完成钻头后的工作井与接收井的截面示意图。

图3示出图2所示工作井的局部放大图。

图4示出根据本发明的实施例激光导向钻头开始旋转顶进的截面示意图。

图5示出根据本发明的实施例安装导向钻杆223的截面示意图。

图6示出根据本发明的实施例安装导向钻杆223的截面示意图。

图7示出根据本发明的实施例的安装有泥水平衡机头的接收井210的部分截面示意图。

图8示出根据本发明的实施例的安装有管道215的接收井210的部分截面示意图。

图9示出根据本发明的实施例的泥水平衡机头211拉直工作井220的截面示意图。

图10示出根据本发明的实施例的管道215安装完毕的截面示意图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

通常情况下，在狭窄区域施工污水管道时存在如下问题：

1、场地狭窄，不具备开挖施工条件；

2、空间狭促，难以做下工作井、接收井；

3、周围建筑密集，施工对周围建筑产生影响；

4、地质复杂，现有技术难以成功穿越，穿越失败时要开天窗；

5、施工效率低，进度缓慢；

6、场地空间有限，大型设备难以进场；

7、标高控制不准，施工困难。

现有的定向钻拉顶管工艺，其施工工艺包括：

1、导向，造斜入钻，利用水平段穿过始末检查井；

2、在末端井安装钻头，装短管，装中心杆及挡板，然后回拉；

3、一节管道拉进土体后，安装第二节管道、中心杆及挡板；

4、重复上述动作，直至拉至起始检查井；

5、钻机带动钻头旋转喷浆，形成大泥浆从管道流出至末端井；

6、在末端井内抽取泥浆至泥浆车。

现有定向钻顶拉管技术的缺点是场地要求大，要有入钻空间；施工时难以做到压力平衡，存在水土流失，对周边扰动大；管道标高控制不准。小口径泥水平衡顶管的缺点是难以纠偏，容易卡钻。总结缺点如下：

1、场地空间要求大；

2、导向标高精度低，施工管道标高精度达不到污水管道验收标准；

3、施工钻头难以做到压力平衡，存在水土流失，产生次生灾害；

4、利用管道排浆，工作环境差；

5、管道施工完成后需要二次清洗；

6、小口径泥水平衡顶管不容易纠偏且容易卡钻；

针对现有技术存在的问题和当前工程施工中亟需解决的难点，本发明提出一种泥水平衡顶拉管施工工艺及施工装置。将激光导向、泥水平衡、顶拉管相结合用于排水管道的施工。在本发明的实施例中，泥水平衡顶管前进动力由后顶改为前拉。泥水平衡旋转动力由机头提供改为由前端主机提供。泥水平衡顶进管道激光导向改为先导管激光导向。

图1示出根据本发明的一个实施例的泥水平衡顶拉管方法的流程图。

首先，在步骤110，将主机放入工作井，并固定。

在步骤120，调整主机标高，并根据设计管道坡度调整主机轴向倾斜度，安装钻头。

图2示出根据本发明的一个实施例的安装完成钻头后的工作井与接收井的截面示意图。如图2所示，左侧为接收井210，右侧为工作井220。主机221 固定在工作井220内，钻头222安装在主机221上。图3示出图2所示工作井的局部放大图。

在本发明的实施例中，主机221是可以进行顶管和拉管施工的钻机。例如，在一个具体的实施例中，主机可以是微型螺旋顶管机，可适用于小管径Φ300、Φ400、Φ500、Φ600污水管道、雨污分流管道及热力管道的套管等、钢性和半钢性管道的铺设。主机设备体积小，能够实现在直径2500cm的圆形工作井内施工。主机221可以包括顶架系统、导向系统、液压系统以及控制系统。

在本发明的实施例中，钻头可以是激光导向钻头。激光导向钻头内部安装有LED指示灯。主机221的导向系统包括连接在经纬仪上的高清摄像机，通过观测激光导向钻头内部的LED指示灯的实时位置与经纬仪确定激光导向钻头的方向是否偏离原定设计方向，来保证导向的精准性。通过连接在经纬仪上的高清摄像机，拍摄的影像送至主机221的操作台显示器，观测激光导向钻头内部LED指示灯的实时指向位置，判断激光导向钻头的方向偏离情况；通过调整激光导向钻头转动方向改变导向方向，保证经纬仪与激光导向钻头LED 指向靶点对正，使导向精准。

接下来，在步骤130，启动主机，将钻头向管道方向洞口顶进。图4示出根据本发明的实施例激光导向钻头开始旋转顶进的截面示意图。如图4所示，主机的顶架系统固定在液压系统的液压伸缩端。液压系统可包括液压泵站、液压马达、液压油缸和配套液压元件等，通过液压马达旋转，液压缸的推进完成钻头的螺旋顶进工作。

钻头前端为斜面，可以利用土压平衡调整方向。钻头旋转顶进时，钻头沿轴线前进，不旋转时，朝斜面前端尖端方向顶进。钻头顶进过程中，通过监视器观察导向屏，及时纠偏。

接下来，在步骤140，前节导向钻头的钻杆入土后，回撤顶具安装导向钻杆223，继续导向顶进，如图5所示。图5示出根据本发明的实施例安装导向钻杆223的截面示意图。在本发明的实施例中，导向钻杆223为多段结构，每段导向钻杆223上设置有定位孔，用以前后导向钻杆的连接。

多次重复步骤140，直到钻头222进入接收井210，如图6所示。图6示出根据本发明的实施例安装导向钻杆223的截面示意图。依次前后连接的多段钻杆223贯穿工作井220和接收井210。在本发明的具体实施例中，每当一段导向钻杆223顶进完成后，查看激光导向是否偏离靶心，如果偏离靶心，则调整钻头方向，利用顶进土压力进行纠正。

接下来，在步骤150，取下导向钻头222，在接收井210内安装泥水平衡机头，如图7所示。图7示出根据本发明的实施例的安装有泥水平衡机头的接收井210的部分截面示意图。如图7所示，泥水平衡机头211安装在钻杆223 上。泥水平衡机头211的前端设有切削刀盘，切削刀盘的主轴固定在钻杆223 上，切削刀盘的后端设有用于收集切削刀盘切削下来泥土的泥浆仓，泥浆仓通过管道及旁通阀分别与一根排泥管跟一根进水管相连通。泥浆仓内设置有压力计。压力计用于测量泥浆舱的压力情况，根据泥浆舱的压力情况确定是否排泥，保持压力平衡。当进行主机进行旋转回拉时，钻杆223旋转带动泥水平衡机头 211的刀盘切削土壤。

接下来，在步骤160，在泥水平衡机头211后安装中心拉杆212、排泥管 213、注浆管214、管道215、套管216和尾部挡板217，如图8所示。图8示出根据本发明的实施例的安装有管道215的接收井210的部分截面示意图。如图8所示，中心拉杆212安装在泥水平衡机头211的后端中心位置附近，管道 215套在中心拉杆212上。泥水平衡机头211的后端还设置有用于固定管道215 前端的套管216和用于固定管道215后端的尾部挡板217。套管216和管道215 之间可以有橡胶圈密封，套管216和管道215之间可以相对滑动。

尾部挡板217固定在中心拉杆212的末端，并且与管道215接触。中心拉杆212、套管216和尾部挡板217用于锁紧固定管道215。排泥管213、注浆管 214穿过管道215连通到泥浆舱。在图8所示实施例中，套管216为圆筒形，尾部挡板217为圆盘形，然而本领域的技术人员应该清楚本发明的保护范围不限于图示实施例，在本发明的其他实施例中，可以使用其他形状的挡板结构，只要能够锁紧固定管道215即可落入本发明的保护范围。

在实际工作中，本发明公开的泥水平衡顶拉管装置的外部还设置有注浆泵、泥浆泵、泥浆处理器、地面液压站等装置，以便配合泥水平衡机头，排出泥浆。

在步骤170，启动主机，进行拉管。主机给泥水平衡机头提供前进动力及旋转动力，泥水平衡机头不需要动力设备和纠偏设备，只保留压力控制设备、排泥设备，增加中心拉杆，用于锁紧固定管道。

主机拉力分配为两部分，一部分拉动机头，抵消迎面土压力；另一部分通过中心杆传递给尾端挡板，顶进管道，抵消管周摩擦力。

前节管道拉入后继续安装下节管道，泥浆通过管道输送至外部泥浆池，直到管道拉至工作井，如图9所示。图9示出根据本发明的实施例的泥水平衡机头211拉直工作井220的截面示意图。

在步骤180，当管道拉至工作井后，拆机头，取钻杆，如图10所示。图 10示出根据本发明的实施例的管道215安装完毕的截面示意图

在步骤190，施工完成。

与现有的定向钻拉顶管工艺相比，本发明的实施例公开的泥水平衡顶拉管方法及装置施工精度高，由于不需要造斜入钻，工作井的直径可以降至2.5米，因此空间要求低。本发明的实施例公开的泥水平衡顶拉管方法及装置施工精度高地质适应性广、管道顶进过程不需要纠偏，不易卡钻。钻杆进入接收井后，直接进行管道拉管工艺，不需要进行扩孔。本发明的实施例公开的泥水平衡顶拉管方法及装置对顶管机头进行大大简化。本发明的实施例公开的泥水平衡顶拉管方法及装置还具有施工内外压力平衡、对周边影响小、施工环境好、施工效率高、进度快。本发明的实施例公开的泥水平衡顶拉管方法及装置由于不需要对管道进行顶管工艺，因此不仅可以施工刚性管材，也可以施工柔性管材。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种泥水平衡顶拉管方法，包括：

将主机放入工作井，并固定；

调整主机标高，并根据设计管道坡度调整主机轴向倾斜度，安装钻头；

启动主机，将钻头向管道方向洞口顶进；

前节导向钻头的钻杆入土后，回撤顶具安装导向钻杆，继续导向顶进；

当钻头进入接收井后，取下所述钻头，在接收井内将泥水平衡机头安装在导向钻杆上；

在泥水平衡机头后安装中心拉杆、排泥管、注浆管、管道、套管和尾部挡板；

启动主机，进行旋转回拉，将所述管道朝向工作井拉回；

前节管道拉入后继续安装下节管道；以及

当管道拉至工作井后，拆机头，取下导向钻杆。

2.如权利要求1所述的泥水平衡顶拉管方法，其特征在于，所述钻头是激光导向钻头，每当一段导向钻杆顶进完成后，查看激光导向是否偏离靶心，如果偏离靶心，则调整钻头方向，利用顶进土压力进行纠正。

3.如权利要求1所述的泥水平衡顶拉管方法，其特征在于，所述泥水平衡机头的前端设有切削刀盘，切削刀盘的主轴固定在所述导向钻杆上，切削刀盘的后端设有用于收集切削刀盘切削下来泥土的泥浆仓，泥浆仓通过管道分别与排泥管和注浆管相连通，泥浆仓内设置有压力计，压力计用于测量泥浆舱的压力情况，根据泥浆舱的压力情况确定是否排泥，保持压力平衡。

4.如权利要求3所述的泥水平衡顶拉管方法，其特征在于，当主机进行旋转回拉时，导向钻杆旋转带动泥水平衡机头的刀盘切削土壤。

5.如权利要求3所述的泥水平衡顶拉管方法，其特征在于，所述中心拉杆安装在泥水平衡机头的后端，所述管道套在中心拉杆上，套管固定在泥水平衡机头的后端，尾部挡板固定在中心拉杆的末端并且与管道接触。

6.如权利要求3所述的泥水平衡顶拉管方法，其特征在于，所述中心拉杆、套管和尾部挡板用于锁紧固定管道。

7.如权利要求3所述的泥水平衡顶拉管方法，其特征在于，所述主机拉力分配为两部分，一部分拉动机头，抵消迎面土压力；另一部分通过中心拉杆传递给尾端挡板，顶进管道，抵消管周摩擦力。

8.一种泥水平衡顶拉管装置，包括：

主机系统，所述主机系统提供顶管和拉管施工的旋转顶进和旋转回拉动力，所述主机系统包括顶架系统、导向系统、液压系统以及控制系统；

激光导向钻头，所述激光导向钻头与主机系统的导向系统配合，进行导向钻杆的顶进；

前后连接的导向钻杆，所述导向钻杆的一端连接在主机系统上；

泥水平衡机头；以及

安装在泥水平衡机头后部的中心拉杆、排泥管、注浆管、管道、套管和尾部挡板，

其中所述主机系统设置在工作井中，所述主机系统旋转顶进所述激光导向钻头，前节导向钻头的钻杆入土后，回撤顶具安装导向钻杆，继续导向顶进，当钻头进入接收井后，取下所述钻头，在接收井内将泥水平衡机头安装在导向钻杆上。

9.如权利要求8所述的泥水平衡顶拉管装置，其特征在于，所述泥水平衡机头的前端设有切削刀盘，切削刀盘的主轴固定在所述导向钻杆上，切削刀盘的后端设有用于收集切削刀盘切削下来泥土的泥浆仓，泥浆仓通过管道分别与排泥管和注浆管相连通，泥浆仓内设置有压力计，压力计用于测量泥浆舱的压力情况，根据泥浆舱的压力情况确定是否排泥，保持压力平衡。

10.如权利要求8所述的泥水平衡顶拉管装置，其特征在于，所述中心拉杆安装在泥水平衡机头的后端，所述管道套在中心拉杆上，套管固定在泥水平衡机头的后端，尾部挡板固定在中心拉杆的末端并且与管道接触。

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