CN112627831B - 一种顶管机施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种顶管机施工方法。至少包括成孔过程，成孔过程包括采用顶管机对需处理地层掘进打孔，然后取出顶管机主机以及孔洞内的各管节。这样能够方便的在地层中掘进到设定的位置或深度，而且顶管机主机和各管节的取出也避免了在地层中遗留设备部件，保证地层纯净，便于后续其他施工处理。

Description

一种顶管机施工方法

技术领域

本发明涉及一种顶管机施工方法。

背景技术

随着城市建设的飞速发展，对城市地下空间开发的需求越来越大，相应地，对地层的施工需求和施工目的也越来越多样化。不仅城市地下空间如此，近年来矿山开发、煤矿开采等诸多地下施工领域安全化、绿色化开发的趋势也越来越急切。基于这样的实际需求，对施工设备以及施工方法都提出了较高的要求。如何对于这些地层处理施工或地质改善施工进行有效实施，如何使施工操作延伸到地层中的预定位置，并在掘进开发后能够更好的保护地层，仅就目前现有的地下施工方式，尚不能进行方便有效的施工和处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种顶管机施工方法，以方便地下施工。

本发明的顶管机施工方法，至少包括成孔过程，成孔过程包括采用顶管机对需处理地层掘进打孔，然后取出顶管机主机以及孔洞内的各管节。这样能够方便的在地层中掘进到设定的位置或深度，而且顶管机主机和各管节的取出也避免了在地层中遗留设备部件，保证地层纯净，便于后续其他施工处理。

根据某些施工需求，所述顶管机施工方法还包括在打孔完成后对打出的孔洞进行回填。

根据具体的成孔情况，当通过顶管机掘进打出的孔洞为从始发井贯通到接收井的通孔时，取出顶管机主机，将顶管机打出的孔洞的一端孔口以及靠近该孔口的管节进行封堵，以形成封闭空间，然后向该封闭空间中注入回填介质，并在回填介质的作用下将各管节从孔洞中顶出，随之完成孔洞回填。

进一步的，根据实际需要，可在取出顶管机主机后，对孔洞前端的孔口以及最前端的管节进行封堵，且在封堵顶管机最前端的管节的封堵件上设置注浆孔，通过该注浆孔向所述封闭空间中注入回填介质；或者，在取出顶管机主机后，对孔洞前端的孔口以及最前端的管节进行封堵，在封堵孔洞的前端孔口的封堵件上设置注浆孔，并通过该注浆孔向所述封闭空间中注入回填介质。

根据具体的成孔情况，当通过顶管机掘进打出的孔洞为掘进到预定位置的盲孔时，顶管机前侧孔洞为封闭空间，通过向该封闭空间中注入回填介质，并在回填介质的作用下将顶管机从孔中顶出，随之完成孔洞回填。

作为一种优选的方案，在向封闭空间中注入回填介质时，通过顶管机自带的泥水平衡注浆系统进行回填。这样能够减少设备用量，降低施工成本。

作为一种优化的方案，在通过向封闭空间中注入回填介质反推顶管机的同时，通过回退油缸辅助拉出管节。这样能够更快速可靠的将传力管节从孔洞中取出，提高施工效率。

进一步的，通过将顶管机自带的用于顶推顶管机主机和管节的液压顶推装置的顶推油缸反装构成所述的回退油缸。这样无需额外设置回退油缸，减少了设备用量，降低了施工成本。

此外，在顶管机掘进和后退的过程中，通过注入减摩剂减小设备外侧面与孔洞内壁之间的摩擦阻力。这样能够更加方便的将各管节甚至顶管机主机从孔洞中取出，不仅提高施工效率，而且避免了设备与孔洞摩擦受损。

附图说明

图1为显示基岩地层异形断面掘进施工的地层结构示意图；

图2为图1中从始发井沿掘进路径方向的地层结构示意图；

图3为显示矩形断面掘进机的刀盘分布图；

图4为显示图3所示的矩形断面掘进机的开挖盲区的示意图；

图5为通过顶管机对矩形断面掘进机的开挖盲区中基岩侵入的位置进行打孔操作的断面示意图；

图6为马蹄形断面掘进机的开挖盲区的示意图；

图7为通过顶管机对马蹄形断面掘进机的开挖盲区中基岩侵入的位置进行打孔操作的断面示意图；

图8为在开挖盲区中侵入基岩贯通整个掘进路径时，通过顶管机打孔施工的示意图；

图9为图8所示打孔施工完成后回填施工的示意图；

图10为在开挖盲区中侵入基岩占据部分掘进路径时，通过顶管机打孔施工的示意图；

图11为图10所示打孔施工完成后回填施工的示意图；

图12为包含本发明的顶管机施工方法的隧道掘进施工方法的具体操作步骤流程图；

图中：10、始发井；11、接收井；110、孔洞封板；2、掘进路径；20、软土；3、基岩；23、回填介质；4、刀盘；40、刀盘掘进面；5、开挖盲区；6、顶管机主机打孔截面；60、顶管机主机；61、传力管节；610、管节封板；611、注浆孔；62、注浆管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明的顶管机施工方法的具体实施例：为了便于介绍和说明本发明的顶管机施工方法，以下借助于顶管机施工方法在一种具体施工实例中的使用来进行说明。

具体的，在隧道掘进施工过程中，在针对上软下硬、局部基岩或桩基、全断面硬岩等地层，现有异形断面隧道掘进机（非圆形：包括但不限于矩形、马蹄形等断面）刀盘开挖存在盲区，且盲区基岩无法切削掘进，进而使得掘进机的掘进路径出现偏差，甚至出现掘进机顶死的问题，因此需要对开挖盲区进行预处理，而此处所涉及的对开挖盲区的预处理即采用了本发明的顶管机施工方法。

整个隧道掘进施工方法如下，结合图1-12，通过前期对掘进位置的地质勘探，确定软土20中基岩3的位置，完成异形断面隧道掘进机选型，掘进机的选型需要最大程度的保证后期掘进机的高效稳定开挖，而且异形断面掘进机应具备搅拌装置、泡沫注入系统、膨润土改良系统，能够确保后期掘进过程中达到土压或泥水平衡的地层稳定效果。然后依据地质勘探的基岩3位置具体区域、分布形式，结合掘进机刀盘掘进面40确定开挖盲区5位置，对需要进行基岩3预处理的位置在地层探测图纸上进行标定。之后，再根据掘进机盲区内的基岩3分布、水文等现场工况，采用顶管机施工方法完成对侵入盲区的基岩3的预处理，最后再通过异形断面隧道掘进机进行正常的掘进施工。这样，由于侵入开挖盲区5的基岩3或桩基已经预先被处理，不会对掘进机产生障碍。

实际施工过程中，根据不同的地质情况所采用的顶管机施工方法略有差异。

第一种情况：当盲区内的基岩3为硬岩、富水地层、复合地层等复杂地质条件，且盲区内的基岩3贯穿整条隧道的掘进机掘进路径2时（贯穿整个隧道掘进机的掘进路径是指间断或连续分布在整个掘进路径上），首先在隧道挖掘的始发井10内测量顶管机主机60的放置点位，然后放置顶管机主机60，保证顶管机主机打孔截面6对准开挖盲区5中侵入的基岩3，且在顶管机主机60的背向掘进断面的一侧安装顶管机自带的液压顶推装置，在顶管机主机60以及液压顶推装置之间放置传力管节61，通过液压顶推装置顶推传力管节61并间接顶推顶管机主机60进行掘进；随着顶管机主机60的推进，连续多次增加顶管机主机60以及液压顶推装置之间的传力管节61的数量，即每掘进一定距离，增加一节传力管节61，直到顶管机主机60掘进贯通接收井11，就完成了对该盲区进入基岩3位置的打孔，而且打出的孔洞内填满了连续成串的传力管节61。

在进行回填时，从接收井11一侧取出顶管机主机60，然后将孔洞的前端孔口，即处于接收井11井壁上的孔口通过孔洞封板110进行封堵，将最前侧的一节传力管节61的前端管口通过管节封板610进行封堵，然后通过顶管机自带的泥水平衡注浆系统向两个封板以及孔壁围成的封闭空间中注浆打压，进行回填。由于高压灌注浆液即回填介质23的同时，高压回填介质23对孔洞内的传力管节61具有压力，进而能够顶退孔洞内的传力管节61，使其从始发井10一端逐节退出，进而在取出各传力管节61的同时，实现密实的回填。

泥水平衡注浆系统的注浆管62从始发井10一侧通过各传力管节61的内腔然后连接在封堵管口的封板上向封闭空间内注浆。或者，在封堵最前侧的一节传力管节时，可以通过堵塞直接填塞在传力管节的管孔内，在堵塞上设置注浆孔，泥水平衡注浆系统的注浆管穿过堵塞上的注浆孔，以对封闭空间中进行注浆。再或者，根据实际情况，也并非一定要封堵最前的一节传力管节，在条件不具备或者条件更合适时，可以封堵靠前的第二节传力管节，而与前端孔口的封板围成封闭空间。当然，也可以在封堵孔口的封板上设置注浆口，接收井11内额外布置回填注浆系统，并通过回填注浆系统向的注浆管连接注浆口，以向封闭空间内注浆。甚至在一些实施方式中，还可以封堵孔洞的后端孔口以及靠近后端孔口的传力管节的管孔，然后在封堵孔洞的后端孔口的封堵件上设置注浆孔，泥水平衡注浆系统的注浆管通过注浆孔向封闭空间内注浆。

传力管节61优选采用钢管节，相比混凝土管节，其重量较轻且外壁面光滑，与孔洞之间的摩擦力较小，便于回退。当然，在其他实施例中也可以采用强度较高的工程塑料管节。

如果传力管节61数量较多，还可以通过在始发井10内或者接收井11内安装回退油缸来拉动传力管节61，每拉出一节，再顶推或拉拽下一节，依次将各传力管节61从孔洞中移出。各传力管节61的端部可以设置连接结构，例如内连接法兰，从而实现孔洞内的各传力管节61之间的固定连接，这样在通过回退油缸顶推或拉拽后端的一节传力管节61时，能够对所有传力管节61施力。当然，为了减少设备使用，还可将始发井内顶管机自带的液压顶推装置的油缸反装构成回退油缸。

当然，具体操作时，可以单独通过打压注浆进行回填以及实现传力管节61的回退，也可以单独通过回退油缸实现各传力管节61的回退，然后再进行注浆，或者在通过打压注浆回退的同时，通过回退油缸辅助回退。

第二种情况，当盲区内的基岩3为硬岩、富水地层、复合地层等复杂地质条件，且盲区只存在局部基岩3时，首先在隧道挖掘的始发井10内测量顶管机主机60的放置点位，然后放置顶管机主机60，且在顶管机主机60的背向掘进断面的一侧安装顶管机自带的液压顶推装置，在顶管机主机60以及液压顶推装置之间放置传力管节61，通过液压顶推装置顶推传力管节61并间接顶推顶管机主机60进行掘进；随着顶管机主机60的推进，连续多次增加顶管机主机60以及液压顶推装置之间的传力管节61的数量，即每掘进一定距离，增加一节传力管节61，直到顶管机主机60掘进到预定位置，即将侵入盲区的基岩3打通的位置，完成打孔，而且打出的盲孔内填满了连续成串的传力管节61。

在进行回填时，由于顶管机主机60前侧与地层之间形成封闭空间，通过顶管机主机60自带的泥水平衡注浆系统向顶管机主机60前侧的封闭空间直接注浆打压，顶管机主机60以及其后侧的各传力管节61均受到向后的压力，既能够进行回填的同时实现顶管机主机60以及各传力管节61的回退，在实现密实的回填的同时完成顶管机主机60以及各传力管节61的回退。此时，顶管机主机60自带的泥水平衡注浆系统构成驱动顶管机以及各传力管节61回退的回退驱动装置。

同样的，如果传力管节61数量较多，还可以通过在始发井10内安装回退油缸向后顶推或拉拽传力管节61，每退出一节，再顶推或拉拽下一节，依次将各传力管节61退出。为了减少设备使用，还可将顶管机自带的液压顶推装置的油缸反装构成回退油缸。各传力管节61的端部可以设置连接结构，而实现孔洞内的各传力管节61之间的固定连接，这样在通过回退油缸顶推或拉拽后端的一节传力管节61时，能够对所有传力管节61施力。

当然，具体操作时，可以单独通过打压注浆进行回填以及传力管节61的回退，也可以单独通过回退油缸实现各传力管节61的回退，然后在进行注浆，或者在通过打压注浆回退的同时，通过回退油缸辅助回退。

另外，在顶管机掘进过程中及回退过程中，通过注浆泵注入减摩剂以减少设备外壁与地层之间的磨阻力，使机体外壳形成完整的减摩浆液薄膜，确保施工正常进行。

如以上介绍的，回填的回填介质23为水泥土，水泥土按照水泥和膨润土的掺比分别做不同的配比，根据地层压力情况的实验结果选用适合的配比，抗压强度控制根据具体地层情况确定，一般不大于3Mpa。顶管机主机60或传力管节61回退时，通过控制打泥泵流量和压力、以及回退油缸的设备回退速度及地表沉降的数据对回退速度进行控制，地表沉降检测通过在盲区内的基岩3预处理开挖破碎位置的前进段和后退段分别设置深层监测孔，并在深层检测孔内布置检测装置进行检测。水泥土的注入要根据深层监测孔和地表监测的数据计算好打泥量和打泥压力，并及时调整打泥量和打泥参数。现场根据深层监测孔的监测数据，在保证管线及地面不沉降不隆起的情况下，及时通过控制设备的回退速度和打泥泵流量和压力进行止退和土体压力调整。

在对整个有基岩3侵入的开挖盲区5重复上面介绍的打孔回填处理之后，完成对盲区内的基岩3部分的全部水泥土置换的预处理工序，在确保异形断面掘进机达到盲区位置软土20切削的效果，避免后期因开挖盲区5局部基岩3引起的异形断面掘进机无法按预定轨迹安全高效施工掘进的隐患。

在盲区内的基岩3预处理完成后，采用所选择的土压或泥水平衡模式异形隧道掘进机进行后续施工，直至完成对隧道的全面贯通。

很显然，通过以上介绍可知，本发明的顶管机施工方法在针对基岩地层的非圆形断面掘进机隧道掘进施工过程中得到了很好的应用，而且切实解决了传统的非圆形端面掘进施工过程中存在的问题。当然，以上仅仅是本发明的顶管机施工方法在实际应用中的一种应用实例，其当然可以应用于其他施工过程中，例如在需要对松软地层进行填实修复时，可以先进行成孔过程，然后在打出的孔洞内填充质地更硬实的填充介质。或者针对采矿开挖采空区的填实处理施工过程中，通过本发明的顶管机施工方案进行成孔以及回填过程。或者在地层中的某一位置进行掏空处理时，采用本发明的顶管机施工方法实施成孔过程即可。

总结来看，以上顶管机施工方法可概括为：至少包括成孔过程，成孔过程包括采用顶管机对需处理地层掘进打孔，然后取出顶管机主机以及孔洞内的各管节。这样能够方便的在地层中掘进到设定的位置或深度，而且顶管机主机和各管节的取出也避免了在地层中遗留设备部件，保证地层纯净，便于后续其他施工处理。

根据某些施工需求，所述顶管机施工方法还包括在打孔完成后对打出的孔洞进行回填。

根据具体的成孔情况，当通过顶管机掘进打出的孔洞为从始发井贯通到接收井的通孔时，取出顶管机主机，将顶管机打出的孔洞的一端孔口以及靠近该孔口的管节进行封堵，以形成封闭空间，然后向该封闭空间中注入回填介质，并在回填介质的作用下将各管节从孔洞中顶出，随之完成孔洞回填。

进一步的，根据实际需要，可在取出顶管机主机后，对孔洞前端的孔口以及最前端的管节进行封堵，且在封堵顶管机最前端的管节的封堵件上设置注浆孔，通过该注浆孔向所述封闭空间中注入回填介质；或者，在取出顶管机主机后，对孔洞前端的孔口以及最前端的管节进行封堵，在封堵孔洞的前端孔口的封堵件上设置注浆孔，并通过该注浆孔向所述封闭空间中注入回填介质。

根据具体的成孔情况，当通过顶管机掘进打出的孔洞为掘进到预定位置的盲孔时，顶管机前侧孔洞为封闭空间，通过向该封闭空间中注入回填介质，并在回填介质的作用下将顶管机从孔中顶出，随之完成孔洞回填。

作为一种优选的方案，在向封闭空间中注入回填介质时，通过顶管机自带的泥水平衡注浆系统进行回填。这样能够减少设备用量，降低施工成本。

作为一种优化的方案，在通过向封闭空间中注入回填介质反推顶管机的同时，通过回退油缸辅助拉出管节。这样能够更快速可靠的将传力管节从孔洞中取出，提高施工效率。

进一步的，通过将顶管机自带的用于顶推顶管机主机和管节的液压顶推装置的顶推油缸反装构成所述的回退油缸。这样无需额外设置回退油缸，减少了设备用量，降低了施工成本。

此外，在顶管机掘进和后退的过程中，通过注入减摩剂减小设备外侧面与孔洞内壁之间的摩擦阻力。这样能够更加方便的将各管节甚至顶管机主机从孔洞中取出，不仅提高施工效率，而且避免了设备与孔洞摩擦受损。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种顶管机施工方法，其特征是，至少包括成孔过程，成孔过程包括采用顶管机对需处理地层掘进打孔，然后取出顶管机主机以及打出的孔洞内的各管节，所述顶管机施工方法还包括在打孔完成后对打出的孔洞进行回填，且填满打出的孔洞；

当通过顶管机掘进打出的孔洞为从始发井贯通到接收井的通孔时，取出顶管机主机，将顶管机打出的孔洞的一端孔口以及靠近该孔口的管节通过封堵件进行封堵，以形成封闭空间，在封堵件上设置注浆孔，然后通过注浆孔向该封闭空间中注入回填介质，并在回填介质的作用下将各管节从孔洞中顶出，随之完成孔洞回填；

当通过顶管机掘进打出的孔洞为掘进到预定位置的盲孔时，顶管机前侧孔洞为封闭空间，通过顶管机自带的泥水平衡注浆系统向该封闭空间中注入回填介质进行回填，并在回填介质的作用下将顶管机从孔中顶出，随之完成孔洞回填。

2.根据权利要求1所述的顶管机施工方法，其特征是，在取出顶管机主机后，对孔洞前端的孔口以及最前端的管节进行封堵，且在封堵顶管机最前端的管节的封堵件上设置注浆孔，通过该注浆孔向所述封闭空间中注入回填介质。

3.根据权利要求1所述的顶管机施工方法，其特征是，在取出顶管机主机后，对孔洞前端的孔口以及最前端的管节进行封堵，在封堵孔洞的前端孔口的封堵件上设置注浆孔，并通过该注浆孔向所述封闭空间中注入回填介质。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的顶管机施工方法，其特征是，在通过向封闭空间中注入回填介质反推顶管机的同时，通过回退油缸辅助拉出管节。

5.根据权利要求4所述的顶管机施工方法，其特征是，通过将顶管机自带的用于顶推顶管机主机和管节的液压顶推装置的顶推油缸反装构成所述的回退油缸。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的顶管机施工方法，其特征是，在顶管机掘进和后退的过程中，通过注入减摩剂减小设备外侧面与孔洞内壁之间的摩擦阻力。

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