CN114109428A - 一种卵石层顶管结构及卵石层顶管施工的方法 - Google Patents

Abstract

一种卵石层顶管结构，包括工具头和管道，所述工具头通过千斤顶和管道连接，管道上设有注浆孔，通过注浆孔在管道外壁和土体间注入减阻泥浆；其特征在于：所述工具头在沿管道顶进方向上设有外径向工具头中心内收的挤压段。一种卵石层顶管结构，包括工具头和管道，所述工具头通过千斤顶和管道连接，管道上设有注浆孔，通过注浆孔在管道外壁和土体间注入减阻泥浆；其特征在于：所述工具头在沿管道顶进方向上设有外径向工具头中心内收的挤压段。

Description

一种卵石层顶管结构及卵石层顶管施工的方法

技术领域

本发明属于土木工程施工技术领域，具体涉及一种顶管结构和顶管施工的方法。

背景技术

管道在道路下敷设时，经常采用顶管法施工，以减小对路面交通的影响。如果顶管穿越的土层为大粒径、粘粒含量小的卵石层，顶管施工后路面往往会产生较大的沉降。这主要是因为顶管时必须清除影响管道顶进的所有卵石，即便某颗卵石仅有小部分影响顶管，也必须整颗清除，由于“拔出萝卜带出泥”的效应，这些卵石清除后会在管周留下较大的凹坑和空隙。这种凹坑和空隙使得管道上部土体失去支撑，逐渐坍塌，最后造成路面沉降。另外，管道底部的卵石也是凹凸不平，使得整个管道仅仅支承于部分凸出较高的卵石上，进一步使得支点处接触应力很大，造成管道顶进时外壁磨损，影响管道使用年限。

如果采用机械顶管穿越卵石层，顶管时可进行减阻注浆，对减小地面沉降和管道磨损有一定作用。但如果采用人工顶管穿越卵石层，由于管周缝隙太大，且前端为敞口，进行减阻注浆会大量跑浆，对减小地面沉降和管道磨损几乎没有作用，反而会恶化挖掘作业面环境。

在现有技术中，中国专利文件CN201910614446.6公开了《一种大直径卵石复杂地质条件下的顶管施工工法》，其中公开了利用破碎和注入泥浆的技术手段解决了夹杂卵石层或漂石的黏土层和砂土层地质条件下的顶进受阻问题。又如中国专利文件CN202010280645.0《砂卵石地质条件下顶管施工方法》，该发明专利公开的技术着重于解决砂卵石段顶管的顶力问题。在文献《关于在卵石层中顶管施工的技术分析》（作者：孙伟）一文中，提出利用表面涂蜡和二次破碎技术解决在卵石层顶管施工中顶进困难的问题。在以上文献中，均为机械顶管才能采取的措施，并未涉及人工顶管，同时也并未涉及解决卵石地层顶管施工后地面沉降的问题。

在文献《竖锚支撑与高压旋喷复合技术在顶管工程中的应用》（作者：邓学铮，杨庆，乐建）一文中，提出利用竖锚+斜撑或钢丝绳或横梁的加固方案解决塌陷对天然气管、电力浅沟、雨水管、供水管等现状管线的影响和破坏。又提出利用，对顶管沿线路基采取高压旋喷加固处理，以提高顶管周围土体的密实度、整体性和强度，并降低砂卵石层的渗透性。该文献记载的技术方案着重于解决在易塌陷松散地层中顶管施工过程中避免塌陷的问题，以及对于已他想施工段抢险施工的问题。这些措施能够减小卵石层顶管后的沉降，但费用昂贵，且施工时会影响路面交通，对于卵石地层顶管施工后的沉降问题并未涉及。

对于缓解顶管施工后的沉降问题，目前现有技术中也有采取工艺进行部分减小地面沉降的做法。具体的工艺是：在顶管完成后，从管内通过孔洞（也可部分利用减阻注浆孔）向管外注入水泥砂浆填充空隙，利用水泥砂浆凝固后产生的支撑力来减小沉降。但是，此类工艺不能做到在顶管施工过程中随顶随填，必须在顶管完成后才能进行，此时土体已经部分坍塌，路面已经出现沉降，因此此施工工艺的作用效果较小。

以上引用的文献资料，基于其采用的技术手段和已公开的技术效果可以看出，现有技术中对于顶管施工过程中减少管道磨损的技术研究还未涉及。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种卵石层顶管结构及施工的方法，可实现人工顶管穿越卵石层时填充管道周边的间隙，减小和预防土体垮塌造成的地面沉降。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：

一种卵石层顶管结构，包括工具头和管道，所述工具头通过千斤顶和管道连接，管道上设有注浆孔，通过注浆孔在管道外壁和土体间注入减阻泥浆；其特征在于：所述工具头在沿管道顶进方向上设有外径向工具头中心内收的挤压段。

优选的，所述挤压段为设置在工具头端头并向工具头中心内收的锥形段。

优选的，所述挤压段为设置在工具头中部的挤注环，所述挤注环向工具头中心凹陷，所述挤注环上设有若干挤注孔。

一种卵石层顶管施工的方法，其特征在于，利用上述结构，包括以下步骤：

S1、顶进施工过程中，首先在工具头前端挖土，在掌子面土体与工具头前端之间挖出空段；

S2、通过千斤顶先顶进工具头，然后整体顶进管道，每次顶进后，通过挤压段向管道与土体空隙之间挤注填充材料；

S3、填充材料挤注完成后，继续挖土顶进，顶进时挤压段周边外径向工具头中心内收的外表面对填充材料进行二次挤压，使填充材料进一步密实；

S4、通过在工具头末端及管道上预留的注浆孔注入减阻泥浆，并保持压力，减小顶进阻力；

S5、重复上述步骤，完成顶管施工。

优选的，在S2步骤中，所述挤注压力0.2~1.0MPa。

优选的，在S3步骤中，所述填充材料早期抗压强度为0.05~0.1 MPa，后期抗压强度不小于0.2MPa。

优选的，在S4步骤中，所述减阻注浆压力为 0.2MPa。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

通过填充材料对管道周围空隙的填充，在管道顶进过程中在管道与卵石间形成有一定支撑强度的柔性隔离，既可减小人工顶管造成的地面沉降，又能保护管道外壁不被卵石磨损，同时还能避免减阻泥浆跑浆。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

在附图中：1、工具头；2、挤注环；3、管道；4、挤注孔；5、千斤顶；6、掌子面土体；7、填充材料；8、减阻泥浆。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的实施例2的结构示意图。

图3为实施例3的横截面剖面示意图。

具体实施方式

以下将以图式揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示诸如上、下、左、右、前、后……仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开了一种卵石层顶管施工的方法，包括以下步骤：

S1、顶进施工过程中，首先在工具头1前端挖土，在掌子面土体6与工具头1前端之间挖出空段。

S2、通过千斤顶5先顶进工具头1，然后整体顶进管道3，每次顶进后，通过挤压段向管道3与土体空隙之间挤注填充材料7。顶进施工过程中，顶进工具头1先顶进至掌子面土体6处。

本发明所述的填充材料7，可以为速凝膏状水泥土、聚氨酯发泡剂等，其中速凝膏状水泥土以泥、水泥和速凝剂混合而成。选用速凝膏状水泥土因其具有以下特点：速凝膏状水泥土能较好地附着于土层上，并能较快固化，固化后强度随时间增长，24小时抗压强度一般能达到0.05MPa以上，7天抗压强度一般能达到0.3MPa以上，14天抗压强度一般能达到0.45MPa，28天抗压强度一般能达到0.6MPa，60天抗压强度一般能达到0.8MPa，60天后抗压强度仍会缓慢增长。在此基础上，满足以上参数要求的材料均可作为备选填充材料使用。

S3、填充材料7挤注完成后，继续挖土顶进，顶进时挤压段周边外径向工具头1中心内收的外表面对填充材料进行二次挤压，使填充材料7进一步密实。

本发明所述填充材料7，通过挤注或喷涂的方式填充到挤压段与土体空隙之间，在工具头1向前顶进的过程中，挤压段挤压填充材料7，使填充材料7填补卵石取出后的孔洞。

具体采用挤注还是喷涂的方式，一方面，取决于顶管施工过程中卵石层的泥土含量，进一步的解释，也就是取决于卵石层本身的粘接性能。在泥土含量较少的卵石层，卵石之间的粘接性很小，卵石容易脱落，在人工顶管施工过程中，面对这样的地层很难在保证人员和施工区安全的情况下在工具头1和掌子面土体6之间挖出一个喷涂作业面，因此就需要从工具头1的中部进行填充材料7挤注，如图2所示。在泥土含量较高的卵石层，卵石之间的粘接性很强，卵石之间连接稳固，并且在人工顶管施工的过程中，人工挖掘不能对卵石进行破碎，需要整体取下卵石，此时形成的空洞往往较大，填充材料7采用喷涂的方式能够更有效的对间隙进行填充，再利用工具头1向前顶进的过程中锥形段的二次挤压就能够有效避免地面沉降，如图1所示。

具体采用挤注还是喷涂的方式，另一方面，主要取决于顶管施工具体项目采用的工具头1的形式。如图2所示，如锥形段在工具头1中间，则只能采用挤注的方式，施工顺序是先顶进工具头1然后再挤注，挤注的方式工具头适用的施工范围更广。如图1所示，如锥形段在工具头1前端，则只能采用喷涂的方式，施工顺序是先喷涂，再顶进工具头1。喷涂工具头1首先要求施工区域卵石地层本身的稳定性较好，不易脱落。

填充材料7能较好填充管道3与土体间的空隙，并且有一定早期强度，能够起到稳定管道周边土体和防止管道3与卵石硬接触造成管道3磨损的作用。

S4、通过在工具头1末端及管道3上预留的注浆孔注入减阻泥浆8，并保持压力，减小顶进阻力。填充材料7的有效的封堵了工具头1与周边土体之间的间隙，使得注入的减阻泥浆8不会跑浆，并能保持一定压力，使减阻泥浆8的减阻效果明显提高。

本发明所述减阻泥浆8，在注入后在管道3和填充材料7之间，减小管道3的摩擦力，同时也减小填充材料7的横向拉扯，保证填充材料7的支撑稳定性。

在本发明中，值得强调的是填充材料7本身是有具有一定强度的，能够起到承载的作用，但在顶管施工的初期其表面又不是坚硬的，强度随时间逐渐增强，能起到承托土体避免地面沉降的作用。同时，由于填充材料7的承载作用，保持了管道3与卵石之间的间隙，避免了管道3外表面与卵石的直接接触，保护管道3不被卵石磨损。

卵石地层由于卵石之间的间隙较大，往往在施工过程中减阻泥浆8注入后即从卵石的间隙中流失，因此卵石地层顶管施工过程中减阻泥浆8对管道3的减阻和抗磨效果大打折扣。在本发明中，由于填充材料7本身的空隙较小，对流体有一定的阻隔作用，因此填充材料7形成的卵石地层与管道3之间的隔层还能保证减阻泥浆8不跑浆，对提升顶管施工的效率，和保护管道3有促进作用。

S5、重复上述步骤，完成顶管施工。

本发明所述的S2步骤中，所述挤注压力0.2~1.0MPa。具体可以为：0.2MPa、0.4MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa。

本发明所述的S3步骤中，所述填充材料7早期抗压强度为0.05~0.1MPa，具体可以为：0.05、0.08、0.1 MPa。后期抗压强度不小于0.2MPa。

本发明所述的S4步骤中，减阻注浆压力为0.2MPa。

实施例1

在一般直线施工的顶管施工中包括工具头1和管道3，所述工具头1的前端直接套设在管道3上，管道3上设有注浆孔，通过注浆孔在管道3外壁和土体间注入减阻泥浆8，减阻泥浆8的存在减小管道3外壁和土体之间的摩擦力，减小顶管的阻力，同时保护管道3的外壁。

实施例2

在本实施例中，顶管施工中包括工具头1和管道3，在本实施例中工具头1有纠偏功能，工具头1通过若干千斤顶5和管道3连接，通过控制千斤顶5伸长量的不同，来控制工具头1在管道顶进轴向的偏转量，进一步控制顶管的方向。

管道3上设有注浆孔，通过注浆孔在管道3外壁和土体间注入减阻泥浆8，减阻泥浆8的存在减小管道3外壁和土体之间的摩擦力，减小顶管的阻力，同时保护管道3的外壁。

如图1所示，本发明公开了一种卵石层顶管结构，工具头1在沿管道3顶进方向上设有外径向工具头1中心内收的挤压段。挤压段为设置在工具头1端头并向工具头1中心内收的锥形段。在顶管过程中，锥形段由于外径的缩小，能够对工具头1端头处于土体间的填充材料7进行挤压，进一步填充工具头1、管道3与卵石土体间的空隙。

实施例3

如图2所示，在本实施例中挤压段为设置在工具头1中部的挤注环2，所述挤注环2向工具头1中心凹陷，所述挤注环2上设有若干挤注孔4，为了保证填充材料7挤注的效率，挤注孔4优选设置在挤注环2直径最小处，即工具头1外表面最低处。这样的结构能够避免填充材料7在工具头1上堆积。填充材料7通过挤注孔4进入挤注环2外部的凹陷中，在工具头1顶进时，填充材料7被挤压进入工具头1、管道3与卵石土体间的空隙。

挤注环2的横截面形状可以为：等腰梯形、直角梯形、三角形、喇叭口形。

通过挤注泵可向管道3与土体空隙之间挤注填充材料7。挤注泵为一种可调整压力的螺杆泵或活塞泵，根据现有技术即可实现，故不进行太多描述。

值得强调的是，在施工过程中，每个挤注孔4相对独立，能够通过连接相互独立的前端挤注设备，通过施加不同的挤注量使从挤注孔4挤出的填充材料7的厚度和压力不同，因此填充材料7对于工具头1的反作用力作用在工具头1的四周大小不一致，通过工具头1外部填充材料7的压力差，对工具头1在管道顶进径向上施加力。在千斤顶5控制顶管的方向的同时，通过调整填充材料7喷涂厚度或挤注压力，在工具头1径向施加作用力进一步对顶管的方向进行纠偏和微调。如图3箭头所示力的方向。

实施例4

一种卵石层顶管施工的方法，包括以下步骤：

S1、顶进施工过程中，首先在工具头1前端挖土，在掌子面土体6与工具头1前端之间挖出空段。

S2、通过千斤顶5先顶进工具头1，然后整体顶进管道3，每次顶进后向管道3与土体空隙之间挤注填充材料7。

S3、填充材料7挤注完成后，继续挖土顶进，顶进时工具头1端头处内收的锥形段周边外径向工具头1中心内收的外表面对填充材料进行二次挤压，使填充材料7进一步密实。刚挤注的填充材料7，密实度相对较差，通过二次挤压，填充效果更好。

S4、通过在工具头1末端空隙及管道3上预留的注浆孔注入减阻泥浆8，并保持压力，减小顶进阻力。

S5、重复上述步骤，完成顶管施工。

实施例5

一种卵石层顶管施工的方法，包括以下步骤：

S1、顶进施工过程中，首先在工具头1前端挖土，在掌子面土体6与工具头1前端之间挖出空段。

S2、通过千斤顶5先顶进工具头1，然后整体顶进管道3，每次顶进后，通过工具头1上的挤注环2，利用挤注泵通过挤注孔4可向管道3与土体空隙之间挤注填充填充材料7，同时挤注环2凹陷的结构能够存储更多的填充材料7，为二次压缩准备更多的原料。

S3、填充材料7挤注完成后，继续挖土顶进，顶进时工具头1中部的挤注环2的外表面对填充材料进行二次挤压，使填充材料7进一步密实。刚挤注的填充材料7，密实度相对较差，通过二次挤压，填充效果更好。

S4、通过在工具头1末端及管道3上预留的注浆孔注入减阻泥浆8，并保持压力，减小顶进阻力。

S5、重复上述步骤，完成顶管施工。

实施例6

如图1所示，在本实施例中，卵石与一种卵石层的泥土含量较少，卵石之间的粘接性很小，卵石容易脱落。为了防止卵石脱落，需要先进行填充材料7的喷涂。

顶管施工的方法，包括以下步骤：

S1、顶进施工过程中，首先在工具头1前端挖土，在掌子面土体6与工具头1前端之间挖出空段。

S2、在开挖区域喷涂填充材料7，使填充材料7先附着在卵石层表面。

S3、通过千斤顶5先顶进工具头1，然后整体顶进管道3，顶进时工具头1端头处内收的锥形段对填充材料进行二次挤压，使填充材料7进一步密实。

S4、通过在工具头1末端及管道3上预留的注浆孔注入减阻泥浆8，并保持压力，减小顶进阻力。

S5、重复上述步骤，完成顶管施工。

Claims (7)

1.一种卵石层顶管结构，包括工具头（1）和管道（3），所述工具头（1）通过千斤顶（5）和管道（3）连接，管道（3）上设有注浆孔，通过注浆孔在管道（3）外壁和土体间注入减阻泥浆（8）；其特征在于：所述工具头（1）在沿管道（3）顶进方向上设有外径向工具头（1）中心内收的挤压段。

2.根据权利要求1所述的卵石层顶管结构，其特征在于：所述挤压段为设置在工具头（1）端头并向工具头（1）中心内收的锥形段。

3.根据权利要求1所述的卵石层顶管结构，其特征在于：所述挤压段为设置在工具头（1）中部的挤注环（2），所述挤注环（2）向工具头（1）中心凹陷，所述挤注环（2）上设有若干挤注孔（4）。

4.一种卵石层顶管施工的方法，其特征在于，利用上述结构，包括以下步骤：

S1、顶进施工过程中，首先在工具头（1）前端挖土，在掌子面土体（6）与工具头（1）前端之间挖出空段；

S2、通过千斤顶（5）先顶进工具头（1），然后整体顶进管道（3），每次顶进后，通过挤压段向管道（3）与土体空隙之间挤注填充材料（7）；

S3、填充材料（7）挤注完成后，继续挖土顶进，顶进时挤压段周边外径向工具头（1）中心内收的外表面对填充材料进行二次挤压，使填充材料（7）进一步密实；

S4、通过在工具头（1）末端空隙及管道（3）上预留的注浆孔注入减阻泥浆（8），并保持压力，减小顶进阻力；

S5、重复上述步骤，完成顶管施工。

5.根据权利要求4所述的一种卵石层顶管施工的方法，其特征在于，在S2步骤中，所述挤注压力0.2~1.0MPa。

6.根据权利要求4所述的一种卵石层顶管施工的方法，其特征在于，在S3步骤中，所述填充材料（7）早期抗压强度为0.05~0.1 MPa，后期抗压强度不小于0.2MPa。

7.根据权利要求4所述的一种卵石层顶管施工的方法，其特征在于，在S4步骤中，所述减阻注浆压力为 0.2MPa。

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