CN113685198A - 顶管施工装置及施工工艺 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种顶管施工装置及施工工艺，涉及顶管施工技术领域，顶管施工装置包括油缸和顶压件，还包括用于安装在管体前端的纠偏刀头机构，所述纠偏刀头机构包括套设连接且内部连通的前壳体与后壳体，所述前壳体的一端设有刀头，所述后壳体的一端插入到前壳体远离刀头的一端，所述后壳体的另一端用于与管体连接；所述后壳体伸入前壳体部分的轮廓外径小于前壳体的轮廓内径；所述前壳体远离刀头一端的内壁安装有纠偏组件，所述纠偏组件用于与所述后壳体端面抵接后调整后壳体与前壳体的轴线夹角；施工工艺包括测量定位、工作井施工、顶管施工装置安装、开机顶进、管内挖掘、回收掘进。该申请具有能够进行短距离小直径管道地下导管施工的效果。
Description
技术领域
本申请涉及顶管施工技术领域，尤其是涉及一种顶管施工装置及施工工艺。
背景技术
顶管施工是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术，即在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中，并将土方运走，重复此过程进行地下管道的铺设。
目前顶管施工一般利用顶管掘进机进行土方的挖掘，掘进机的端部对土壤进行切削并注浆搅拌，然后以浆料的形式将土壤排出。针对上述相关技术，发明人认为存在以下缺陷：掘进机的刀盘直径一般在1米以上，对于管道直径在500-800mm短距离(20-50米)的地下管道施工，带有掘进机的顶管施工设备无法适用。
发明内容
为了改善目前大型掘进机在短距离小直径管道地下导管施工中不适用的问题，本申请提供一种顶管施工装置及施工工艺。
第一方面，本申请提供一种顶管施工装置采用如下的技术方案：
一种顶管施工装置，包括油缸和顶压件，还包括用于安装在管体前端的纠偏刀头机构，所述纠偏刀头机构包括套设连接且内部连通的前壳体与后壳体，所述前壳体的一端设有刀头，所述后壳体的一端插入到前壳体远离刀头的一端，所述后壳体的另一端用于与管体连接；
所述后壳体伸入前壳体部分的轮廓外径小于前壳体的轮廓内径；所述前壳体远离刀头一端的内壁安装有纠偏组件，所述纠偏组件用于与所述后壳体端面抵接后调整后壳体与前壳体的轴线夹角。
通过采用上述技术方案，将纠偏刀头机构、管体、油缸以及顶压件安装完毕后，启动油缸将纠偏刀头机构压入到土体中，施工人员通过管体对前壳体与后壳体的土壤进行挖掘并运出，然后油缸回缩，在油缸和管体之间增加顶压件，油缸再次顶进将管体向前推动，施工人员再次对前壳体与后壳体的土壤进行开挖，重复上述过程使得管体不断向土中延伸。当井内的管体几乎全部顶入土中后，缩回油缸，吊去全部顶压件，将下一节管段吊下工作井并安装在上一管节的后面，继续顶进。循环施工直至顶完全程。
可选的，所述纠偏组件包括沿所述前壳体内壁周向固定的环筋以及螺纹连接于环筋上的多个纠偏螺栓。
通过采用上述技术方案，环筋增加了前壳体的抗变形能力，通过旋转调节螺栓，使得纠偏螺栓的端部凸出于环筋的长度不同，前壳体1的端面与纠偏螺栓抵接时发生一定倾斜，则后壳体的轴线与前壳体的轴线夹角相应改变，从而能够微调刀头开挖方向。
可选的，所述环筋上沿周向固定有多个纠偏螺母，所述纠偏螺栓与纠偏螺母螺纹连接，所述环筋上对应纠偏螺母位置设有通孔。
通过采用上述技术方案，纠偏螺栓受到顶压力后转移到纠偏螺母上，减小了环筋变形的可能。
可选的，所述后壳体中部的内壁设有挡环，挡环用于与管体抵接的一侧连接有垫圈。
通过采用上述技术方案，管体与后壳体之间减小了挤压力过大导致管体端面破损的可能，避免了后期在管接头位置发生漏水的现象。
可选的，所述油缸有四个，四个所述油缸分为两组并沿高度方向分布，上层的两个油缸在同一水平高度，下层的两个油缸在同一水平高度。
通过采用上述技术方案，在顶管出洞时，可以启动底部两个油缸，将顶力合力中心降低，使得顶管机的受力方向向下倾斜，避免顶管机发生磕头现象。
可选的，所述顶压件包括多个顶铁。
第二方面，本申请提供一种3D打印岩体物理模型的制作方法采用如下的技术方案：
一种顶管施工工艺，包括以下步骤：
S1：测量定位；
S2：工作井施工；
S3：顶管施工装置安装：将纠偏刀头机构安装到管体一端，将油缸安装到管体另一端，油缸与管体之间放置顶压件；
S4：开机顶进：启动油缸将纠偏刀头机构顶入土壤中；
S5：管内挖掘：将纠偏刀头机构中的土方挖掘后运出；
S6：回收掘进：油缸收缩，接入下一管体并放置顶压件，进行顶进并挖掘，重复步骤S4-S6，直至管道贯通。。
可选的，还包括以下步骤：在开机顶进前进行测量控制及纠偏操作，工作井施工完毕后，采用双井定向的方式，利用地面上布设的近井点或地面控制点来测定二吊垂线的坐标X和Y，以及其连线的方位角；在井下，根据投影点的坐标及其连线的方位角，确定地下导线的起算坐标及方位角。
可选的，测量控制的步骤包括：
S31：由地面用吊垂线向井下投点；
S32：地面和地下控制点和吊垂线的连接测量；
S33：计算二吊垂线在地面坐标系中的方向角和距离；计算而吊垂线和地下导线点在地下假定坐标系中的坐标；计算地下导线点在地面坐标系中的坐标。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1、通过油缸将纠偏刀头机构压入到土层中，形成初步支护，人员可以通过管体钻入到后壳体位置对前壳体内的土壤进行人工挖掘并运出，待该部分土方被挖掘运出后，继续向前顶进刀头，则管体进入到已开挖部分，重复上述过程可以安全地带铺设管体，方便短距离小直径管道地下导管施工。
附图说明
图1为本申请顶管施工装置使用状态的整体结构示意图；
图2为纠偏切头与管节连接关系的结构示意图；
图3为导向支撑组件和油缸支撑组件的结构示意图；
图4为油缸对顶管进行顶进作业的结构示意图；
图5为顶管施工工艺流程图；
图6为顶进测量放样的示意图。
附图标记说明：01、地表线；02、后背墙；1、前壳体；11、刀头；12、环筋；13、纠偏螺母；14、纠偏螺栓；2、后壳体；21、挡环；22、调节槽；23、封堵环；24、垫圈；3、管体；31、接口密封圈；32、防水层；4、工作井底板；5、导向支撑组件；51、支座；52、导轨；6、支架；61、横梁；7、油缸；8、顶压件；9、垫环。
具体实施方式
以下结合附图1-5对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开了一种顶管施工装置。参考图1和图2，顶管施工装置包括用于安装在管体3前端的纠偏刀头机构和用于对管体3施加顶压力的油缸7，纠偏刀头机构包括带有刀头11的前壳体11和用于连接管体3和前壳体1的后壳体2，在工作井底板4上安装有对管体3导向的导向支撑组件5，油缸7固定于导向支撑组件5上。通过油缸7将纠偏刀头机构压入到土层中，形成初步支护，人员可以通过管体3钻入到后壳体2位置对前壳体1内的土壤进行人工挖掘并运出，待该部分土方被挖掘运出后，继续向前顶进刀头11，则管体3进入到已开挖部分，重复上述过程可以安全地带铺设管体3。
参考图2，前壳体1为圆管状结构，刀头11同轴位于前壳体1的一端，刀头11的横截面呈三角形。刀头11与前壳体1之间可以一体成型，也可以是螺纹连接，以便刀头11磨损后进行维护更换。
前壳体1远离刀头11的一端内壁沿周向一体固设有环筋12，环筋12增加前壳体1的抗变形能力。环筋12上沿周向均匀固定有纠偏螺母13，环筋12上开设有与纠偏螺母13对应的通孔，纠偏螺母13上螺纹连接有纠偏螺栓14。
参考图2，后壳体2为圆管状结构，后壳体2分为两段轮廓外径不同的连接部A与连接部B。轮廓直径较大的一端为连接部B，用于与管体3插接；轮廓直径较小的一端为连接部A，用于插入到前壳体1内。在后壳体2的中部内壁沿周向固设有挡环21，使得管体3插入后避免向前进一步移动，这样管体3受到顶压力后能够把力通过挡环21传递到纠偏刀头机构。为了避免混凝土材质的管体3受压后与挡环21因硬接触导致端面出现破碎，而影响相邻两段管体3接缝处的密封性，在管体3与挡环21之间放置有垫圈24，垫圈24可以为木质垫圈，硬度较为适中。
连接部A的轮廓外径小于前壳体1的轮廓内径，使得连接部A的外壁形成有调节槽22，这样连接部A插入到前壳体1后留有一定间隙，间隙可以为5-15mm，以便后壳体2与前壳体1两者的轴线夹角在一定范围内可以调节。通过旋转调节螺栓14，使得纠偏螺栓14的端部凸出于环筋12的长度不同，前壳体1的端面与纠偏螺栓14抵接时发生一定倾斜，则后壳体2的轴线与前壳体1的轴线夹角相应改变。
为了减小挖掘过程中外部可能存在的渗水渗入到管道内，在前壳体1与后壳体2之间固设有封堵环23，封堵环23可以为橡胶圈，具有较好的变形能力，以适应后壳体2相对前壳体1的偏转。在管体3插入后壳体2的一端外壁沿周向套设有接口密封圈31，减小施工过程中管体3内发生渗水的可能。
参考图3和图4，在地面线01位置向下开挖工作井，在工作井的地面上利用混凝土浇筑成型有工作井底板4，工作井侧壁远离顶管施工的一面设置背墙02，导向支撑组件5包括通过螺栓固定于工作井底板4上的支座51和通过螺栓固定于支座51上的导轨52，支座51可以为工字梁焊接而成。
工作井底板4靠近背墙02的一侧固定安装有支架6，支架6位于支座51的两侧，支架6可以为矩形钢管制作而成，支座61竖直设置且底端通过螺栓与工作井底板4固定。每个支座61上沿高度方向固定有两个横梁61，四个横梁61分布在同一圆周上。
油缸7此处为千斤顶，千斤顶固定于横梁61上且顶杆平行于管体3的轴线设置。为了使得油缸7施加的力均匀分布在管体3上，油缸7与管体3之间设有垫环9和顶压件8，垫环9为圆环结构，垫环9的半径与管体3的半径相适应。顶压件8可以为铁柱，使得千斤顶的端部不与垫环9直接接触，补充千斤顶的顶压距离。
在管体3铺设后，相邻两个管体3的接缝内壁沿周向固设有防水层32，防水层32可以为树脂层，树脂层与管体3之间熔接固定。
该顶管施工装置进行顶管施工的过程如下：
（1） 工作井和接收井定位测量
在开挖前，由测量工根据图纸尺寸进行桩位测放，经校核无误后，用钢筋混凝土浇筑桩锁口圈，并用醒目的红三角在锁口圈上标出桩心十字线，并在锁口边标明开挖深度、井口高程，方可进行土方开挖施工。
（2） 工作井和接收井土方开挖
工作井、接收井基坑的开挖和支护采用逆作法施工。对于脚软的土方采用人工使用铁锹、镐，对较硬的强风化、中风化岩采用空压机、风镐等工具进行挖掘。基坑内土的提升使用电动挖孔桩机架提升，水平运输采用手推车运输至堆土处，然后运出。
（3） 基坑支护结构采用现浇钢筋混凝土结构，每挖一定深度如0.5-1.0m，支模绑扎钢筋并浇筑混凝土，待支护结构达到2.5Mpa后继续向下开挖。开挖达到设计深度后进行井壁钢筋绑扎后支护模板施工。
（4） 工作井后背墙浇筑施工
（5） 顶管施工装置的安装
（6） 顶进测量放样
① 坐标引入
当工作井施工完毕后，采用双井定向的方式，利用地面上布设的近井点或地面控制点来测定二吊垂线的坐标X和Y，以及其连线的方位角。在井下，根据投影点的坐标及其连线的方位角，确定地下导线的起算坐标及方位角。具体步骤为：
第一步，由地面用吊垂线向井下投点。通常采用单荷重稳定投点法。为减小误差，吊垂线应布置在上下观测仪台的同一边并且二线间距距离要大。如图6所示，a、b为上下观测站，A、B为已知点，BMa、BMb为井下待定点，T1、T2为钢丝吊线位置。
第二步，地面和地下控制点和吊垂线的连接测量。采用年全站仪观测，测站与吊线之间的距离用反射片测量。角度观测的中误差3’’。
第三步，计算二吊垂线在地面坐标系中的方向角和距离；计算而吊垂线和地下导线点在地下假定坐标系中的坐标；计算地下导线点在地面坐标系中的坐标；地面及地下所计算的吊垂线距离之差不超过±2mm。
② 竖井高程导入
竖井高程导入的目的是把地面高程传入竖井底。进行高程传递时，用挂49N的钢尺，两台水准仪在井上和井下同步观测，将高程传至井下固定点。共测量三次，每次变动仪器高度，三次测得地上、地下水准点的高度校差应小于3mm。
实际操作时，从严格要求，井上、井下水准仪和水准尺互换位置，再独立测量三次。
（7） 顶管出洞
顶管机从工作井内穿越封门进入待开挖土体的过程称为出洞。工作坑内设备安装完毕，经检查各部处于良好状态，用设备除去临时封堵墙体，即可进行顶管出洞。首先将第一节管子下到导轨52上，就位以后，安装顶压件8，校测管轴线和管底标高是否符合设计要求，合格后即可进行向前顶进出洞，将机头前端顶进洞口防水密封圈。
机头出洞推进时，要将机头和前几节管节上的上端用拉杆连接好，并调整好千斤顶编组，以防机头出洞入土后发生磕头现象。出洞磕头，就是在出洞的时候发生机头下沉、机尾上翘的现象。通常来说，虽然顶进管道的比重是比土低的，但顶管机相对来说是比较重的，其重心又比较靠前，如果机头从工作井排架上顶出后，悬臂段过长，土体支撑力不够，就会发生磕头现象，特别是在砂性土层中容易发生这种现象。
为了减小磕头现象发生的可能，在顶管出洞时，启动底部两个油缸7，将顶力合力中心降低，使得顶管机的受力方向向下倾斜，避免顶管机的磕头；采用延伸导轨，使得基坑导轨的支点前移，从而避免磕头现象，还可酌情预留抛高；对洞口外土体进行加固处理，加固方法可以为注浆法、旋喷法、深层搅拌法等任一化学方式以及降水和冷冻等物理方法。
（8） 油缸7顶进时，以顶管机开路，推动管体3顶入土中，然后人通过管体3进入前壳体1内，在前壳体1的保护下，在前壳体1的前端挖土，挖出的图通过管体3运到工作井内。当油缸7达到最大行程后缩回，放入顶压件8，填充缩回行程，油缸7继续顶进，重复上述过程使得管体3不断向土中延伸。当井内导轨52上的管体3几乎全部顶入土中后，缩回油缸7，吊去全部顶压件，将下一节管段吊下工作井并安装在上一管节的后面，继续顶进。循环施工直至顶完全程。
（9） 砌筑井体。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种顶管施工装置，包括油缸和顶压件，其特征在于：还包括用于安装在管体前端的纠偏刀头机构，所述纠偏刀头机构包括套设连接且内部连通的前壳体与后壳体，所述前壳体的一端设有刀头，所述后壳体的一端插入到前壳体远离刀头的一端，所述后壳体的另一端用于与管体连接；
所述后壳体伸入前壳体部分的轮廓外径小于前壳体的轮廓内径；所述前壳体远离刀头一端的内壁安装有纠偏组件，所述纠偏组件用于与所述后壳体端面抵接后调整后壳体与前壳体的轴线夹角。
2.根据权利要求1所述的顶管施工装置，其特征在于：所述纠偏组件包括沿所述前壳体内壁周向固定的环筋以及螺纹连接于环筋上的多个纠偏螺栓。
3.根据权利要求2所述的顶管施工装置，其特征在于：所述环筋上沿周向固定有多个纠偏螺母，所述纠偏螺栓与纠偏螺母螺纹连接，所述环筋上对应纠偏螺母位置设有通孔。
4.根据权利要求1-3任一所述的顶管施工装置，其特征在于：所述后壳体中部的内壁设有挡环，挡环用于与管体抵接的一侧连接有垫圈。
5.根据权利要求1所述的顶管施工装置，其特征在于：所述油缸有四个，四个所述油缸分为两组并沿高度方向分布，上层的两个油缸在同一水平高度，下层的两个油缸在同一水平高度。
6.根据权利要求1所述的顶管施工装置，其特征在于：所述顶压件包括多个顶铁。
7.一种顶管施工工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S1：测量定位；
S2：工作井施工；
S3：顶管施工装置安装：将纠偏刀头机构安装到管体一端，将油缸安装到管体另一端，油缸与管体之间放置顶压件；
S4：开机顶进：启动油缸将纠偏刀头机构顶入土壤中；
S5：管内挖掘：将纠偏刀头机构中的土方挖掘后运出；
S6：回收掘进：油缸收缩，接入下一管体并放置顶压件，进行顶进并挖掘，重复步骤S4-S6，直至管道贯通。
8.根据权利要求7所述的顶管施工工艺，其特征在于：还包括以下步骤：在开机顶进前进行测量控制及纠偏操作，工作井施工完毕后，采用双井定向的方式，利用地面上布设的近井点或地面控制点来测定二吊垂线的坐标X和Y，以及其连线的方位角；在井下，根据投影点的坐标及其连线的方位角，确定地下导线的起算坐标及方位角。
9.根据权利要求8所述的顶管施工工艺，其特征在于：测量控制的步骤包括：
S31：由地面用吊垂线向井下投点；
S32：地面和地下控制点和吊垂线的连接测量；
S33：计算二吊垂线在地面坐标系中的方向角和距离；计算而吊垂线和地下导线点在地下假定坐标系中的坐标；计算地下导线点在地面坐标系中的坐标。
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