CN115387380A - 一种适用于非开挖管道施工的水刀装置及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于非开挖管道施工的水刀装置及施工方法，属于地下管道施工技术领域。该适用于非开挖管道施工的水刀装置包括喷射装置和掘进装置；喷射装置包括外壳骨架、注水管道和中心注水管道，外壳骨架的外侧设置有旋转侧壁，旋转侧壁可沿外壳骨架的轴线水平旋转设置，旋转侧壁嵌设有第一高压喷嘴，第一高压喷嘴与注水管道连通设置；掘进装置包括旋转喷头和第一驱动机构，旋转喷头可水平旋转的设置在外壳骨架下端，旋转喷头设置有第二高压喷嘴，第二高压喷嘴与中心注水管道连通。本发明的适用于非开挖管道施工的水刀装置通过喷射装置和掘进装置的配合，能够快速高效的完成地下管道铺设施工，并且将开挖、清孔等工序一次性完成，操作简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于非开挖管道施工的水刀装置及施工方法，属于地下管道施工技术领域。
背景技术
随着城市基础设施和城市功能的不断发展，常涉及给排水管道、燃气管道、供热管道、电力电缆等。城市地下管线的施工建设日益繁复和多样化，繁忙的老城区尤为突出，主要体现在以下几个方面：第一，城市功能的多元化和集聚化，加快了城市地下管线的施工建设频率，除了满足人民生活基本需要的给水、排水、燃气等基本设施，通信等管道施工也日益成为城市的必备管道设施。第二，城市管网建设面临的地下环境愈发复杂，例如，地下管网种类繁多，浅埋管道与深埋管道并存，既有有压管道，也有无压管道；管道材质、功能及结构形式各异，管线空间分布复杂。这给管道开挖新建、维修都造成了极大的困难，导致城市管道的施工和保护难度日益增大。第三，在当前地下管线施工过程中，往往存在只重施工不重保护的倾向，新建管道时，如何尽可能减小对其他既有管线扰动的同时，提高施工效率及安全性是管线施工面临主要难点之一。目前管道施工的技术主要分为两大类，一类是明挖法，一类是非开挖技术；明挖法已经较难满足城市核心区的诸多边界条件要求；而现有的非开挖技术主要有遁地穿梭矛铺管法、顶管掘进机铺管法、顶管铺管法等，这些方法在管道施工方面有一定的优势，但无法高效且节能的完成地下管道的布置，而且在遇到管网复杂条件时，这类方法并不能达到对既有管线保护的要求，常常会导致地下既有管道的损伤甚至破坏失效。
因此，如何在不影响既有管道的同时，实现高效且节能的管道施工是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提出一种适用于非开挖管道施工的水刀装置及施工方法。
本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种适用于非开挖管道施工的水刀装置，包括喷射装置和掘进装置，掘进装置设置在喷射装置下端；喷射装置包括外壳骨架、注水管道和中心注水管道，外壳骨架为空心圆柱状，注水管道和中心注水管道沿外壳骨架长度方向设置在其内部，外壳骨架的外侧自上至下间隔设置有旋转侧壁，旋转侧壁的水平截面为圆环状，旋转侧壁可沿外壳骨架的轴线水平旋转设置，旋转侧壁沿圆周方向间隔嵌设有第一高压喷嘴，第一高压喷嘴与注水管道通过管路连通设置；掘进装置包括旋转喷头和第一驱动机构，旋转喷头为漏斗状，旋转喷头可水平旋转的设置在外壳骨架下端，第一驱动机构设置在外壳骨架和旋转喷头之间用于驱动旋转喷头旋转，旋转喷头上部和下部中央分别设置有第二高压喷嘴，第二高压喷嘴通过管路与中心注水管道连通设置。
上述技术方案的改进是：第一驱动机构包括第一电机、第一齿轮和第一齿圈，第一电机设置在外壳骨架下端且输出轴竖直向下，第一齿轮中部与第一电机的输出轴固接，第一齿圈与旋转喷头上部的内侧壁固接，第一齿轮和第一齿圈相互啮合设置。
上述技术方案的改进是：外壳骨架与旋转侧壁之间设置有第二驱动机构，第二驱动机构包括第二电机、第二齿轮和第二齿圈，第二电机设置在外壳骨架靠近旋转侧壁处且输出轴竖直向下，第二齿轮中部与第二电机的输出轴固接，第二齿圈与旋转侧壁上部的内侧壁固接，第二齿轮和第二齿圈相互啮合设置。
上述技术方案的改进是：外壳骨架的外侧自上至下均匀间隔设置有四个旋转侧壁。
上述技术方案的改进是：旋转侧壁沿圆周方向均匀间隔嵌设有四个第一高压喷嘴，注水管道为四根，四根注水管道分别与四个第一高压喷嘴通过管路连通设置。
上述技术方案的改进是：旋转喷头上部沿圆周方向均匀间隔嵌设有四个第二高压喷嘴，四个第二高压喷嘴分别通过管路与中心注水管道连通设置。
上述技术方案的改进是：外壳骨架下端嵌设有探地雷达。
上述技术方案的改进是：第一高压喷嘴和第二高压喷嘴处的管路上设置有高压喷嘴控制器。
上述技术方案的改进是：还包括拉伸式波纹管，拉伸式波纹管通过螺栓与外壳骨架上端固接，外壳骨架上端靠近拉伸式波纹管处开设有注浆孔。
一种适用于非开挖管道施工的水刀装置的施工方法，包括以下步骤：
A、竖井开挖：在待铺设管道的两端分别挖掘始发井和接收井，在始发井一侧设置蓄水沉淀池；
B、预挖定位孔：在待铺设管道的位置挖掘横向的定位孔，定位孔的直径大于待铺设管道的直径；
C、设备安装：将水刀装置放入定位孔内，通过螺栓将拉伸式波纹管与外壳骨架固接，将喷射装置的注水管道和中心注水管道通过连接阀、进水阀和可拆卸式水带与蓄水沉淀池连通，同时在始发井底部设置泥浆抽吸装置，泥浆抽吸装置通过另一进水阀和另一可拆卸式水带与蓄水沉淀池连通；
D、始发作业：开启进水阀、第一高压喷嘴和第二高压喷嘴，第一电机通过第一齿轮和第一齿圈驱动旋转喷头开始旋转，旋转喷头和第二高压喷嘴进行掘进切削地下土体作业；
E、掘进通孔及泥浆处理：第二电机通过第二齿轮和第二齿圈驱动旋转侧壁旋转，喷射装置的第一高压喷嘴推动掘进装置前进的同时将水泥浆液推入始发井及外壳骨架的注浆孔内以此来清理已掘进孔道，并为掘进装置提供润滑作用，进入注浆孔内的水泥浆液通过拉伸式波纹管进入始发井，泥浆抽吸装置将始发井内的水泥浆液抽入蓄水沉淀池；
F、管道铺设：拉伸式波纹管在喷射装置和掘进装置的带动下进入已掘进孔道，进行管道铺设，当水刀装置掘进至接收井后，管道铺设完成；
G、接收作业：水管道铺设完成后，在接收井内对水刀装置进行清洗并通过吊装设备吊起回收；
H、场地恢复：对始发井和接收井进行顶盖施工，恢复场地原貌。
本发明采用上述技术方案的有益效果是：
(1)本发明的适用于非开挖管道施工的水刀装置通过喷射装置和掘进装置的配合，能够快速高效的完成地下管道铺设施工，并且将开挖、清孔等工序一次性完成，操作简单；
(2)本发明的适用于非开挖管道施工的水刀装置中的外壳骨架承担了管道侧壁的支护任务，避免了因管道壁脱落发生成孔质量问题，安全性高；
(3)本发明的适用于非开挖管道施工的水刀装置的施工方法中，通过始发井和接收井的设置，避免了对既有建筑物的破坏和降低了对使用中建筑物的影响。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明实施例适用于非开挖管道施工的水刀装置的剖视结构示意图；
图2是本发明实施例适用于非开挖管道施工的水刀装置的旋转喷头结构示意图；
图3是本发明实施例适用于非开挖管道施工的水刀装置的可拉伸式波纹管与外壳骨架连接处结构示意图；
图4是图1的俯视图；
图5是本发明实施例适用于非开挖管道施工的水刀装置的第一高压喷嘴处剖视结构示意图；
图6是本发明实施例适用于非开挖管道施工的水刀装置的第二驱动机构处结构示意图；
图7是本发明实施例适用于非开挖管道施工的水刀装置的第一驱动机构处结构示意图；
图8是本发明实施例适用于非开挖管道施工的水刀装置在施工时的结构示意图；
图9是本发明实施例适用于非开挖管道施工的水刀装置的施工方法流程图；
图10是本发明实施例适用于非开挖管道施工的水刀装置中探地雷达的工作原理图；
其中：1-外壳骨架、2-注水管道、3-高压喷嘴控制器、4-第二高压喷嘴、5-旋转侧壁、6-第一高压喷嘴、7.1-第二电机、7.2-第一电机、8-中心注水管道、9-第一驱动机构、9.1-第一齿圈，9.2-第一齿轮，10-探地雷达、11-旋转喷头、12-第二齿轮、13-第二齿圈、14-始发井、15-接收井、16-进水阀、17-蓄水沉淀池、18-既有管道、19-可拆卸水带、20-连接阀、21-泥浆抽吸装置、22-注浆孔、23-螺栓、24-拉伸式波纹管。
具体实施方式
实施例
本实施例的一种适用于非开挖管道施工的水刀装置，如图1-图9所示，包括喷射装置和掘进装置，掘进装置设置在喷射装置下端；喷射装置包括外壳骨架1、注水管道2和中心注水管道8，外壳骨架1为空心圆柱状，注水管道2和中心注水管道8沿外壳骨架1长度方向设置在其内部，外壳骨架1的外侧自上至下间隔设置有旋转侧壁5，旋转侧壁5的水平截面为圆环状，旋转侧壁5可沿外壳骨架1的轴线水平旋转设置，旋转侧壁5沿圆周方向间隔嵌设有第一高压喷嘴6，第一高压喷嘴6与注水管道2通过管路连通设置；掘进装置包括旋转喷头11和第一驱动机构9，旋转喷头11为漏斗状，旋转喷头11可水平旋转的设置在外壳骨架1下端，旋转喷头11与外壳骨架1下端通过轴承转动连接，第一驱动机构9设置在外壳骨架1和旋转喷头11之间用于驱动旋转喷头11旋转，旋转喷头11上部和下部中央分别设置有第二高压喷嘴4，第二高压喷嘴4通过管路与中心注水管道8连通设置。第一驱动机构9包括第一电机7.2、第一齿轮9.2和第一齿圈9.1，第一电机7.2设置在外壳骨架1下端且输出轴竖直向下，第一齿轮9.2中部与第一电机7.2的输出轴固接，第一齿圈9.1与旋转喷头11上部的内侧壁固接，第一齿轮9.2和第一齿圈9.1相互啮合设置。
本实施例的一种适用于非开挖管道施工的水刀装置中，外壳骨架1与旋转侧壁5之间设置有第二驱动机构，第二驱动机构包括第二电机7.1、第二齿轮12和第二齿圈13，第二电机7.1设置在外壳骨架1靠近旋转侧壁5处且输出轴竖直向下，第二齿轮12中部与第二电机7.1的输出轴固接，第二齿圈13与旋转侧壁5上部的内侧壁固接，第二齿轮12和第二齿圈13相互啮合设置。
本实施例的一种适用于非开挖管道施工的水刀装置中，外壳骨架1的外侧自上至下均匀间隔设置有四个旋转侧壁5。旋转侧壁5沿圆周方向均匀间隔嵌设有四个第一高压喷嘴6，注水管道2为四根，四根注水管道2分别与四个第一高压喷嘴6通过管路连通设置。旋转喷头11上部沿圆周方向均匀间隔嵌设有四个第二高压喷嘴4，四个第二高压喷嘴4分别通过管路与中心注水管道8连通设置。外壳骨架1下端嵌设有探地雷达10。第一高压喷嘴6和第二高压喷嘴4处的管路上设置有高压喷嘴控制器3。
本实施例的一种适用于非开挖管道施工的水刀装置，如图3所示，还包括拉伸式波纹管24，拉伸式波纹管24通过螺栓23与外壳骨架1上端固接，外壳骨架1上端靠近拉伸式波纹管24处开设有注浆孔22。
一种适用于非开挖管道施工的水刀装置的施工方法，如图8和9所示，包括以下步骤：
A、竖井开挖：在待铺设管道的两端分别挖掘始发井14和接收井15，在始发井14一侧设置蓄水沉淀池17；
B、预挖定位孔：在待铺设管道的位置挖掘横向的定位孔，定位孔的直径大于待铺设管道的直径；
C、设备安装：将水刀装置放入定位孔内，通过螺栓23将拉伸式波纹管24与外壳骨架1固接，将喷射装置的注水管道2和中心注水管道8通过连接阀20、进水阀16和可拆卸式水带19与蓄水沉淀池17连通，同时在始发井14底部设置泥浆抽吸装置21，泥浆抽吸装置21通过另一进水阀16和另一可拆卸式水带19与蓄水沉淀池17连通；
D、始发作业：开启进水阀16、第一高压喷嘴6和第二高压喷嘴4，第一电机7.2通过第一齿轮9.2和第一齿圈9.1驱动旋转喷头11开始旋转，旋转喷头11和第二高压喷嘴4进行掘进切削地下土体作业；
E、掘进通孔及泥浆处理：第二电机7.1通过第二齿轮12和第二齿圈13驱动旋转侧壁5旋转，喷射装置的第一高压喷嘴6推动掘进装置前进的同时将水泥浆液推入始发井14及外壳骨架1的注浆孔22内以此来清理已掘进孔道，并为掘进装置提供润滑作用，进入注浆孔22内的水泥浆液通过拉伸式波纹管24进入始发井14，泥浆抽吸装置21将始发井内的水泥浆液抽入蓄水沉淀池17；
F、管道铺设：拉伸式波纹管24在喷射装置和掘进装置的带动下进入已掘进孔道，进行管道铺设，当水刀装置掘进至接收井15后，管道铺设完成；
G、接收作业：水管道铺设完成后，在接收井15内对水刀装置进行清洗并通过吊装设备吊起回收；
H、场地恢复：对始发井14和接收井15进行项盖施工，恢复场地原貌。
如图8中，水刀装置的上方为既有管道18，更能代表实际应用中施工时作业区域状况。
本实施例的一种适用于非开挖管道施工的水刀装置在实际应用时，高压喷嘴控制器3为电子式电动单座套筒式调节阀，探地雷达10为CAS-S800浅层探地雷达。施工步骤C中，施工人员在安装设备时可以根据施工需求调整第一高压喷嘴6的喷射角度。在施工步骤E中，当探地雷达10发现障碍物时，施工暂停，通过工作人员判断决定将水刀装置上升或下潜，若选择将水刀装置上升，则增大喷射装置位孔道下方的第一高压喷嘴6的水压，从而控制水刀装置上升；若选择将水刀装置下潜，则增大喷射装置位孔道上方的第一高压喷嘴6的水压，从而控制水刀装置下潜。第一高压喷嘴6的水压通过高压喷嘴控制器3控制。探地雷达10在工作时的原理为：如图10所示，在施工位置上方设置天线，若地下有障碍物，当探地雷达发射功率为Pt时，障碍物的接收功率Pr可近似用雷达方程式求之，公式为
式中，Pt和Pr分别为发射和接收功率；Gt和Gr分别为发射和接收天线增益；Lt和Lr分别为发射和接收天线与大地的耦合损耗；Lp为电磁波在地下的传播损耗；So为埋地目标的雷达反射截面；λ为所用电磁波的波长；R为天线到障碍物的距离。探测到天线到障碍物的距离和天线到探底雷达10的距离后，通过工业计算机可判断施工位置的水刀装置前方是否有障碍物。
本实施例的一种适用于非开挖管道施工的水刀装置的施工方法中，在遇到水刀装置前方有障碍物时，可以通过调节外壳骨架上不同位置处第一高压喷嘴的压力，达到避绕障碍物的目的。在遇到既有地下管线时，可以通过控制外壳骨架上第一高压喷嘴压力，实现不损伤管线的同时，开挖土体。
本发明不局限于上述实施例。凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种适用于非开挖管道施工的水刀装置，其特征在于：包括喷射装置和掘进装置，所述掘进装置设置在所述喷射装置下端；所述喷射装置包括外壳骨架、注水管道和中心注水管道，所述外壳骨架为空心圆柱状，所述注水管道和中心注水管道沿所述外壳骨架长度方向设置在其内部，所述外壳骨架的外侧自上至下间隔设置有旋转侧壁，所述旋转侧壁的水平截面为圆环状，所述旋转侧壁可沿所述外壳骨架的轴线水平旋转设置，所述旋转侧壁沿圆周方向间隔嵌设有第一高压喷嘴，所述第一高压喷嘴与所述注水管道通过管路连通设置；所述掘进装置包括旋转喷头和第一驱动机构，所述旋转喷头为漏斗状，所述旋转喷头可水平旋转的设置在所述外壳骨架下端，所述第一驱动机构设置在所述外壳骨架和旋转喷头之间用于驱动所述旋转喷头旋转，所述旋转喷头上部和下部中央分别设置有第二高压喷嘴，所述第二高压喷嘴通过管路与所述中心注水管道连通设置。
2.根据权利要求1所述的一种适用于非开挖管道施工的水刀装置，其特征在于：所述第一驱动机构包括第一电机、第一齿轮和第一齿圈，所述第一电机设置在所述外壳骨架下端且输出轴竖直向下，所述第一齿轮中部与所述第一电机的输出轴固接，所述第一齿圈与所述旋转喷头上部的内侧壁固接，所述第一齿轮和第一齿圈相互啮合设置。
3.根据权利要求1所述的一种适用于非开挖管道施工的水刀装置，其特征在于：所述外壳骨架与旋转侧壁之间设置有第二驱动机构，所述第二驱动机构包括第二电机、第二齿轮和第二齿圈，所述第二电机设置在所述外壳骨架靠近所述旋转侧壁处且输出轴竖直向下，所述第二齿轮中部与所述第二电机的输出轴固接，所述第二齿圈与所述旋转侧壁上部的内侧壁固接，所述第二齿轮和第二齿圈相互啮合设置。
4.根据权利要求1所述的一种适用于非开挖管道施工的水刀装置，其特征在于：所述外壳骨架的外侧自上至下均匀间隔设置有四个旋转侧壁。
5.根据权利要求1所述的一种适用于非开挖管道施工的水刀装置，其特征在于：所述旋转侧壁沿圆周方向均匀间隔嵌设有四个第一高压喷嘴，所述注水管道为四根，四根注水管道分别与四个第一高压喷嘴通过管路连通设置。
6.根据权利要求1所述的一种适用于非开挖管道施工的水刀装置，其特征在于：所述旋转喷头上部沿圆周方向均匀间隔嵌设有四个第二高压喷嘴，四个第二高压喷嘴分别通过管路与所述中心注水管道连通设置。
7.根据权利要求1所述的一种适用于非开挖管道施工的水刀装置，其特征在于：所述外壳骨架下端嵌设有探地雷达。
8.根据权利要求1所述的一种适用于非开挖管道施工的水刀装置，其特征在于：所述第一高压喷嘴和第二高压喷嘴处的管路上设置有高压喷嘴控制器。
9.根据权利要求1所述的一种适用于非开挖管道施工的水刀装置，其特征在于：还包括拉伸式波纹管，所述拉伸式波纹管通过螺栓与所述外壳骨架上端固接，所述外壳骨架上端靠近所述拉伸式波纹管处开设有注浆孔。
10.一种适用于非开挖管道施工的水刀装置的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、竖井开挖：在待铺设管道的两端分别挖掘始发井和接收井，在始发井一侧设置蓄水沉淀池；
B、预挖定位孔：在待铺设管道的位置挖掘横向的定位孔，定位孔的直径大于待铺设管道的直径；
C、设备安装：将水刀装置放入定位孔内，通过螺栓将拉伸式波纹管与外壳骨架固接，将喷射装置的注水管道和中心注水管道通过连接阀、进水阀和可拆卸式水带与所述蓄水沉淀池连通，同时在始发井底部设置泥浆抽吸装置，泥浆抽吸装置通过另一进水阀和另一可拆卸式水带与所述蓄水沉淀池连通；
D、始发作业：开启进水阀、第一高压喷嘴和第二高压喷嘴，第一电机通过第一齿轮和第一齿圈驱动旋转喷头开始旋转，旋转喷头和第二高压喷嘴进行掘进切削地下土体作业；
E、掘进通孔及泥浆处理：第二电机通过第二齿轮和第二齿圈驱动旋转侧壁旋转，喷射装置的第一高压喷嘴推动掘进装置前进的同时将水泥浆液推入始发井及外壳骨架的注浆孔内以此来清理已掘进孔道，并为掘进装置提供润滑作用，进入注浆孔内的水泥浆液通过拉伸式波纹管进入始发井，泥浆抽吸装置将始发井内的水泥浆液抽入蓄水沉淀池；
F、管道铺设：拉伸式波纹管在喷射装置和掘进装置的带动下进入已掘进孔道，进行管道铺设，当水刀装置掘进至接收井后，管道铺设完成；
G、接收作业：水管道铺设完成后，在接收井内对水刀装置进行清洗并通过吊装设备吊起回收；
H、场地恢复：对始发井和接收井进行顶盖施工，恢复场地原貌。
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