CN114876491A - 用于大型管廊的顶管施工系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于大型管廊的顶管施工系统，包括支撑机构、顶进机构和预制管廊；顶进机构通过支撑机构固定在待开挖的工作井内，顶进机构包括顶进设备和刃角组件，顶进设备固定在支撑机构上且顶进设备的输出端与预制管廊的尾端可拆卸连接，刃角组件可拆卸连接在预制管廊的头端，刃角组件在顶进设备的推动下对工作井进行开挖。本发明通过支撑结构来对顶进机构进行支撑和固定，顶进机构的刃角组件对工作井进行开挖的同时顶进机构的顶进设备将预制管廊顶入；本发明适用于进行大型管廊的施工，能够在顶管施工过程中为顶进机构提供稳定的支撑，利用特制结构的刃角组件来实现快速、效率的开挖工作，能够有效降低顶管施工的难度同时提高顶管施工的效率。

Description

用于大型管廊的顶管施工系统
技术领域
本发明涉及市政工程技术领域，尤其是一种用于大型管廊的顶管施工系统。
背景技术
随着经济社会的发展以及城市化进程的加快，由此引发的交通拥堵、环境污染、土地稀缺和城市内涝等问题日益突出。城市地下空间开发利用是缓解城市资源匮乏、改善环境状况及提升居民生活品质的重要途径；地下综合管廊作为市政基础设施集约敷设的重要手段，能够集中敷设电力、通信、广播电视、给排水、热力、燃气等市政管线，对缓解城市网管运维压力、降低地上管线使用过程中造成的经济损失、充分开发利用地下空间、打造现代化城市具有重要的实践意义。
而在综合管廊的建设过程中，由于开挖断面较大和开挖较深，特别是位于现状道路或者穿过现状道路段，为避免开挖对环境和交通造成影响，同时为了工程安全，常采用顶管施工；尤其是对于地处深厚淤泥或淤泥质软土区或者含砂层或圆砾层等地下水丰富地区，顶管工作井的实施效果至关重要。
顶管施工作为非开挖施工技术，是隧道或地下管道穿越铁塔、道路、河流或建筑物等各种障碍物时采用的一种暗挖式施工方法。在进行顶管施工时，先以准备好的顶压工作坑或工作井为出发点，将管廊下放卸入工作坑后，用液压千斤顶将管廊压入土层中，同时挖除并运走管廊正面的泥土。对于大型管廊的施工，顶管施工的难度大、施工效率较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种能有效提高施工效率的用于大型管廊的顶管施工系统。
为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：用于大型管廊的顶管施工系统，包括支撑机构、顶进机构和预制管廊；所述顶进机构通过支撑机构固定在待开挖的工作井内，所述顶进机构包括顶进设备和刃角组件，顶进设备固定在支撑机构上且顶进设备的输出端与预制管廊的尾端可拆卸连接，刃角组件可拆卸连接在预制管廊的头端，刃角组件在顶进设备的推动下对工作井进行开挖。
进一步的是：所述支撑机构包括沿工作井的内壁面设置的支护桩以及抵靠在支护桩上的后背墙；所述后背墙的底部折弯后朝向顶进设备的推进方向延伸，所示顶进机构位于后背墙折弯段的上方。
进一步的是：还包括固定在后背墙折弯段上的导向墩，多个导向墩分列并间隔设置在后背墙的折弯段上，所述预制管廊的底部与导向墩相接触。
进一步的是：还包括多根固定在后背墙折弯段底部的地锚梁，所述地锚梁顺着顶进设备的推进方向间隔排布，每根地锚梁的排布方向与顶进设备的推进方向相垂直；所述后背墙的折弯段与工作井的井底面之间还设有垫层。
进一步的是：所述顶进机构还包括顶进设备支架，所示顶进设备支架固定在后背墙上，顶进设备固定在顶进设备支架上；顶进设备支架上设有人行走廊。
进一步的是：所述顶进设备支架由多根横向工字钢和多根竖向工字钢相互交错固定组成；横向工字钢和竖向工字钢的连接处固定有梁托，所述顶进设备放置在梁托上并与后背墙相抵靠；所述人行走廊由多根倾斜固定在横向工字钢和竖向工字钢之间的斜向工字钢组成，斜向工字钢与横向工字钢以及竖向工字钢组成三角支撑结构。
进一步的是：还包括U型卡环，所述U型卡环开口朝下地套设在预制管廊上并与预制管廊可拆卸连接，所述顶进设备的输出端与U型卡环可拆卸连接。
进一步的是：所述U型卡环由卡环横向工字钢和两个卡环竖向工字钢可拆卸连接组成；所述卡环横向工字钢和两个卡环竖向工字钢上都设有多个螺栓孔，两个卡环竖向工字钢分别通过螺帽连接在卡环横向工字钢的两端；卡环横向工字钢通过螺栓与顶进设备的输出端可拆卸连接，两个卡环竖向工字钢通过螺栓分别与预制管廊的两侧面可拆卸连接。
进一步的是：所述刃角组件包括U型底板、顶部钢板、侧方三角钢板、分层三角钢板和加强角钢组成；所述U型底板开口朝下连接在预制管廊的头端，两个侧方三角钢板小端朝下地分别垂直固定在U型底板的两侧边上，顶部钢板固定在U型底板和侧方三角钢板的顶部，所述加强角钢固定在顶部钢板、侧方三角钢板和U型底板三者的连接处；多个分层三角钢板在竖直方向上间隔排布并固定在两个侧方三角钢板上，分层三角钢板与侧方三角钢板垂直连接组成多个三角槽口，两个侧方三角板上的三角槽口一一对应且开口相对；分层三角钢板的长度从上至下依次减小以使刃角组件的刃口形成斜刃口。
进一步的是：所述U型底板通过多个螺栓与预制管廊的头端可拆卸连接。
本发明的有益效果是：本发明通过支撑结构来对顶进机构进行支撑和固定，通过顶进机构的刃角组件对工作井进行开挖的同时顶进机构的顶进设备将预制管廊顶入；本发明适用于进行大型管廊的施工，能够在顶管施工过程中为顶进机构提供稳定的支撑，利用特制结构的刃角组件来实现快速、效率的开挖工作，能够有效降低顶管施工的难度同时提高顶管施工的效率。
附图说明
图1为本发明的示意图；
图2为图1中A-A处的剖视图；
图3为本发明的局部俯视图；
图4为本发明中顶进设备支架的正视图；
图5为本发明中顶进设备支架的侧视图；
图6为本发明中U型卡环的结构爆炸图；
图7为本发明中刃角组件的结构示意图；
图8为本发明中刃角组件的正视图。
图中标记为：100-支撑机构、110-支护桩、120-后背墙、130-导向墩、140-地锚梁、150-垫层、200-顶进机构、210-顶进设备、220-刃角组件、221-U型底板、222-顶部钢板、223-侧方三角钢板、224-分层三角钢板、225-加强角钢、230-顶进设备支架、231-横向工字钢、232-竖向工字钢、233-梁托、240-人行走廊、300-预制管廊、400-U型卡环、410-卡环横向工字钢、420-卡环竖向工字钢。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明所公开的用于大型管廊的顶管施工系统包括支撑机构100、顶进机构200和预制管廊300。支撑机构100用于对待开挖的工作井进行支撑、稳固，同时用于对顶进机构200进行固定和稳定；顶进机构200的顶进设备210固定在支撑机构100上，顶进设备210的输出端与预制管廊300的尾端可拆卸连接，顶进机构200中的刃角组件200可拆卸安装在预制管廊300的头端，顶进机构200用于对工作井进行开挖并将预制管廊300顶入开挖部位，顶进设备210可采用顶管施工中常用的液压千斤顶；顶进机构200的具体工作方式为利用顶进设备210将安装在预制管廊300头端的刃角组件220顶入工作井的开挖部位，施工人员将刃角组件220挖出的泥土运走后，顶进设备210再将预制管廊300向前推进从而将预制管廊300顶入开挖部位，刃角组件220所挖出洞口的孔径应与预制管廊300的外径相匹配。
如图1所示，本发明中所采用的支撑机构100包括支护桩110和后背墙120，其中支护桩110用于对工作井进行支撑、加固，支护桩110沿工作井的内壁面排布设置，而后背墙120则固定在工作井内部并抵靠在工作井的内壁上或支护桩110上，后背墙120用于为顶进机构200提供承力基础，同时能够减少顶进机构200在工作时对支护桩110所施加的反向推力，对工作井和支护桩110起到保护作用。由于大型管廊施工中预制管廊300和顶进设备200的总体重量很重，对工作井所加的压力加大，还需要对工作井的井底进行保护，本发明对后背墙120的底部进行折弯使后背墙120呈横置的L型墙体，后背墙120的底部折弯段朝向顶进设备210的顶进方向延伸，而顶进机构200则位于后背墙120折弯段的上方，顶进机构200和预制管廊300的重力施加在后背墙120的折弯段上，不会直接作用于工作井的井底。支护桩110可采用钻孔灌注的方式直接在工作井内施工，支撑机构100还可增加钢支撑、水泥土墙止水帷幕配合支护桩110一同使用。
本发明还在后背墙120底部折弯段上增加了多个导向墩130，多个导向墩130分列并间隔设置在后背墙120的折弯段上，预制管廊300的底部与导向墩130相接触，通过增加导向墩130来增加受力支点，能够有效减少对预制管廊300中管节和工作井底面的载荷影响。另外，还可对导向墩130的设置位置进行优化，如图2所示，使导向墩130排布在预制管廊300的两侧，则可通过导向墩130对预制管廊300进行限位，从而对预制管廊300在推进过程中起到导向作用，避免预制管廊300在推进过程中发生偏斜而安装错位，能够有效提高预制管廊300的顶进精度，保证施工质量。
进一步的，如图1至图3所示，本发明在后背墙120折弯段的底部增加了多根地锚梁140，地锚梁140顺着顶进设备210的推进方向间隔排布，每根地锚梁140的排布方向与顶进设备210的推进方向相垂直；后背墙120的折弯段与工作井的井底面之间还设有垫层150，垫层150铺设在工作井的底部。后背墙120的折弯段、地锚梁140和垫层150共同作用对工作井的底部进行加固、保护，能够确保工作井在顶进机构200和预制管廊300的共同重力作用下不会发生凹陷、塌陷，同时能够为顶进机构200和预制管廊300的顶进工作提供良好的稳定基础。
本发明中顶进机构200除开顶进设备210和刃角组件220外，还包括对顶进设备210进行固定的顶进设备支架230，顶进设备支架230的具体结构如图4和图5所示，顶进设备支架230由多根横向工字钢231和多根竖向工字钢232相互交错固定组成；横向工字钢231和竖向工字钢232的连接处固定有梁托233，顶进设备210放置在梁托233上并与后背墙120相抵靠，梁托233作为顶进设备210在顶进设备支架230上的支撑基础。为了便于施工人员通行，本发明在顶进设备支架230上还设置了人行走廊240，人行走廊240由多根倾斜固定在横向工字钢231和竖向工字钢232之间的斜向工字钢组成，斜向工字钢与横向工字钢231以及竖向工字钢232组成三角支撑结构。具体实施时，斜向工字钢可设置8根，在顶进设备支架230的上下层各设置4根，且每边设置2根，在两边的2根斜向工字钢之间搭设钢管支架和木板作为人行通道，斜向工字钢和人行通道就组成了人行走廊240，施工人员可从人行走廊240上通行。顶进设备支架230由于采用工字钢作为材料，各部位之间可通过焊接的方式进行固定连接。另外，斜向工字钢还能作为顶进设备支架230的受力支撑，斜向工字钢与横向工字钢231以及竖向工字钢232组成的三角支撑结构能够为顶进设备支架230提供更好的强度和稳定性。
本发明中预制管廊300与顶进设备210之间的连接依靠U型卡环400来实现，如图1和图2所示，U型卡环400为开口朝下的U型结构，U型卡环400套设在预制管廊300上并与预制管廊300连接，同时顶进设备210的输出端与U型卡环400连接。U型卡环400的具体结构如图6所示，U型卡环400由卡环横向工字钢410和两个卡环竖向工字钢420可拆卸连接组成，卡环横向工字钢410和两个卡环竖向工字钢420上都设有多个螺栓孔，两个卡环竖向工字钢420分别通过螺帽连接在卡环横向工字钢410的两端；卡环横向工字钢410通过螺栓与顶进设备210的输出端可拆卸连接，两个卡环竖向工字钢420通过螺栓分别与预制管(300的两侧面可拆卸连接。通过采用U型卡环400不仅能够快速实现顶进设备210与预制管廊300之间的连接，还能通过U型卡环400对预制管廊300的各管节进行加固，U型卡环400与预制管廊300之间以及U型卡环400与顶进设备210之间都采用螺栓连接的方式进行安装，U型卡环400拆装方便，因此可循环使用，不仅节能环保还能降低生产成本。
如图1所示，本发明所公开的用于大型管廊的顶管施工系统在进行施工时，通过安装在预制管廊300头端的刃角组件220对工作井进行开挖，刃角组件220采用特制的结构来实现更效率的施工工作。如图7和图8所示，本发明中刃角组件220的组成部件包括U型底板221、顶部钢板222、侧方三角钢板223、分层三角钢板224和加强角钢225；U型底板221为开口朝下的U型板块结构，其材质也为钢板，因此U型底板221、顶部钢板222、侧方三角钢板223、分层三角钢板224和加强角钢225之间都采用焊接的方式进行连接固定，各焊接处的焊缝高度不低于10mm。侧方三角钢板223和分层三角钢板224都为三角形的钢板结构，两个侧方三角钢板223的尺寸相同，两个侧方三角钢板223分别垂直固定在U型底板221的两个分支边上，侧方三角钢板223沿U型底板221上分支的长度方向延伸设置，两个侧方三角钢板223对称布置。U顶底板221则通过多个螺栓与预制管廊300的头端可拆卸连接。加强角钢225固定在顶部钢板222、侧方三角钢板223和U型底板221这三者的连接处，通过设置加强角钢225对顶部钢板222、侧方三角钢板223和U型底板221这三者的连接处进行加固，以增加连接强度。分层三角钢板224的数量为多个，具体的数量根据实际需要进行设定，多个分层三角钢板224垂直固定在侧方三角钢板223上并相互间隔设置，分层三角钢板224的两个直角边分别与侧方三角钢板223以及U型底板221焊接固定，使得每个分层三角钢板224都与侧方三角钢板223以及U型底板221组成三角槽口，两个侧方三角板233上的三角槽口一一对应且开口相对；同时，每个侧方三角钢板223上的多个分层三角钢板224的长度从上至下依次减小以使刃角组件220的刃口形成斜刃口。
本发明采用上述结构的刃角组件220进行施工时，刃角组件220在顶进设备210的推动下顶入工作井的待开挖处，刃角组件220上的三角槽口插入工作井的土壤中对土壤进行切割，刃角组件220的多个三角槽口结构能够将前方的土壤切割成多个小块，开挖过程中土壤的受力点，降低开挖难度，随着刃角组件220的逐步顶进，三角槽口内被挖出的土壤不断堆积的同时通过三角槽口的开口朝向中间方向挤压，对挖出的土壤起到调头的作用，还能抵消一部分扎头现象，迫使被挖出的土壤被挤入刃角组件220后方，便于施工人员进行清理、运输，开挖施工工作更加方便、效率。另外，刃角组件220在进行开挖工作时能够抵消侧方土壤的压力，降低开挖过程中刃角组件220受到的阻力。

Claims (10)

1.用于大型管廊的顶管施工系统，其特征在于：包括支撑机构(100)、顶进机构(200)和预制管廊(300)；所述顶进机构(200)通过支撑机构(100)固定在待开挖的工作井内，所述顶进机构(200)包括顶进设备(210)和刃角组件(220)，顶进设备(210)固定在支撑机构(100)上且顶进设备(210)的输出端与预制管廊(300)的尾端可拆卸连接，刃角组件(220)可拆卸连接在预制管廊(300)的头端，刃角组件(220)在顶进设备(210)的推动下对工作井进行开挖。
2.如权利要求1所述的用于大型管廊的顶管施工系统，其特征在于：所述支撑机构(100)包括沿工作井的内壁面设置的支护桩(110)以及抵靠在支护桩(110)上的后背墙(120)；所述后背墙(120)的底部折弯后朝向顶进设备(210)的推进方向延伸，所述顶进机构(200)位于后背墙(120)折弯段的上方。
3.如权利要求2所述的用于大型管廊的顶管施工系统，其特征在于：还包括固定在后背墙(120)折弯段上的导向墩(130)，多个导向墩(130)分列并间隔设置在后背墙(120)的折弯段上，所述预制管廊(300)的底部与导向墩(130)相接触。
4.如权利要求3所述的用于大型管廊的顶管施工系统，其特征在于：还包括多根固定在后背墙(120)折弯段底部的地锚梁(140)，所述地锚梁(140)顺着顶进设备(210)的推进方向间隔排布，每根地锚梁(140)的排布方向与顶进设备(210)的推进方向相垂直；所述后背墙(120)的折弯段与工作井的井底面之间还设有垫层(150)。
5.如权利要求1所述的用于大型管廊的顶管施工系统，其特征在于：所述顶进机构(200)还包括顶进设备支架(230)，所述顶进设备支架(230)固定在后背墙(120)上，顶进设备(210)固定在顶进设备支架(230)上；顶进设备支架(230)上设有人行走廊(240)。
6.如权利要求5所述的用于大型管廊的顶管施工系统，其特征在于：所述顶进设备支架(230)由多根横向工字钢(231)和多根竖向工字钢(232)相互交错固定组成；横向工字钢(231)和竖向工字钢(232)的连接处固定有梁托(233)，所述顶进设备(210)放置在梁托(233)上并与后背墙(120)相抵靠；所述人行走廊(240)由多根倾斜固定在横向工字钢(231)和竖向工字钢(232)之间的斜向工字钢组成，斜向工字钢与横向工字钢(231)以及竖向工字钢(232)组成三角支撑结构。
7.如权利要求1所述的用于大型管廊的顶管施工系统，其特征在于：还包括U型卡环(400)，所述U型卡环(400)开口朝下地套设在预制管廊(300)上并与预制管廊(300)可拆卸连接，所述顶进设备(210)的输出端与U型卡环(400)可拆卸连接。
8.如权利要求7所述的用于大型管廊的顶管施工系统，其特征在于：所述U型卡环(400)由卡环横向工字钢(410)和两个卡环竖向工字钢(420)可拆卸连接组成；所述卡环横向工字钢(410)和两个卡环竖向工字钢(420)上都设有多个螺栓孔，两个卡环竖向工字钢(420)分别通过螺帽连接在卡环横向工字钢(410)的两端；卡环横向工字钢(410)通过螺栓与顶进设备(210)的输出端可拆卸连接，两个卡环竖向工字钢(420)通过螺栓分别与预制管廊(300)的两侧面可拆卸连接。
9.如权利要求1所述的用于大型管廊的顶管施工系统，其特征在于：所述刃角组件(220)包括U型底板(221)、顶部钢板(222)、侧方三角钢板(223)、分层三角钢板(224)和加强角钢(225)组成；所述U型底板(221)开口朝下连接在预制管廊(300)的头端，两个侧方三角钢板(223)小端朝下地分别垂直固定在U型底板(221)的两侧边上，顶部钢板(222)固定在U型底板(221)和侧方三角钢板(223)的顶部，所述加强角钢(225)固定在顶部钢板(222)、侧方三角钢板(223)和U型底板(221)三者的连接处；多个分层三角钢板(224)在竖直方向上间隔排布并固定在两个侧方三角钢板(223)上，分层三角钢板(224)与侧方三角钢板(223)垂直连接组成多个三角槽口，两个侧方三角板(233)上的三角槽口一一对应且开口相对；分层三角钢板(224)的长度从上至下依次减小以使刃角组件(220)的刃口形成斜刃口。
10.如权利要求9所述的用于大型管廊的顶管施工系统，其特征在于：所述U型底板(221)通过多个螺栓与预制管廊(300)的头端可拆卸连接。
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