CN215672213U - 机械式泥水平衡开挖机头管 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种机械式泥水平衡开挖机头管，属于顶管施工装置的技术领域，包括机头外壳Ⅰ、机头外壳Ⅱ、机头外壳Ⅲ、刀盘系统、泥水平衡系统、喷射混凝土系统和同步注浆系统；机头外壳Ⅰ、机头外壳Ⅱ和机头外壳Ⅲ由前到后依次连接，机头外壳Ⅱ的两端分别与机头外壳Ⅰ的后端板和机头外壳Ⅲ的前端板转动连接。本实用新型集土体开挖、运输、混凝土喷射、同步注浆多种功能于一体，开挖时可以一并进行后续工作，解决在开挖过程中土体外运的问题，增加开挖土体的固化情况。

Description

机械式泥水平衡开挖机头管

技术领域

本实用新型属于顶管施工装置的技术领域，具体公开了一种机械式泥水平衡开挖机头管。

背景技术

城市内部的改造工程中时常伴有给水和排水管道的施工，并且有着穿越部门构筑物的情况，因此在城市改造过程中，对于施工技术和施工沉降控制也提出了更高的要求。

在城市中地下工程的建设过程中，采用明挖法进行施工时，由于城市的交通压力较大，且周围构筑物较多影响较大，所以明挖施工在城市中并不可取。当地下工程的管线高程较低时，采用盾构施工时易造成施工塌陷等风险，并且盾构施工的资金成本较大，若管线或者地下工程的体量较小时，采用盾构施工进行施工时容易造成施工成本的浪费。

因此顶管法施工在上述两种施工方式不满足的时候，不但能够很好的运用到工程中，并且在施工过程中精度相对较高，可适用的管径大小可进行调整，且不影响交通状况，覆土厚度不用太深。但是原始的顶管施工中，由于机头管的结构问题，导致施工过程顶管施工机械的组装相对麻烦，且在施工过程中对于开挖土体的处理不能实时处理，增加施工难度，增加施工时间和成本。因此顶管施工中需要对机头管进行改进，以达到简化施工程序，开挖和移土一体化的机头管。

实用新型内容

本实用新型提供一种机械式泥水平衡开挖机头管，集土体开挖、运输、混凝土喷射、同步注浆多种功能于一体，开挖时可以一并进行后续工作，保证工作的连续性和一体性，不会存在由于工序不一样而存在拆卸换器具的情况，可以减少顶管施工中机械拆卸组装而引起的问题，解决在开挖过程中土体外运的问题，增加开挖土体的固化情况。

为实现上述目的，本实用新型提供一种机械式泥水平衡开挖机头管，包括机头外壳Ⅰ、机头外壳Ⅱ、机头外壳Ⅲ、刀盘系统、泥水平衡系统、喷射混凝土系统和同步注浆系统；机头外壳Ⅰ、机头外壳Ⅱ和机头外壳Ⅲ由前到后依次连接，机头外壳Ⅱ的两端分别与机头外壳Ⅰ的后端板和机头外壳Ⅲ的前端板转动连接；刀盘系统包括刀盘隔板、刀具安装柱、刀具、刀盘连接柱和刀具驱动机构；刀盘隔板安装在机头外壳Ⅰ的前端，中心安装有刀具安装柱；多组刀具与刀具安装柱可拆卸连接，与刀盘隔板围合成刀盘腔；刀盘连接柱连接刀具安装柱和刀具驱动机构；泥水平衡系统包括喷射泥浆储存舱、泥浆喷射管、泥浆喷射装置、泥浆监测装置Ⅰ、废弃泥浆储存舱、泥浆回流管、泥浆外运装置和泥浆监测装置Ⅱ；多个喷射泥浆储存舱呈环形安装在机头外壳Ⅰ的内壁上；泥浆喷射管穿过刀盘隔板，连接喷射泥浆储存舱和刀盘腔；泥浆喷射装置与喷射泥浆储存舱连接，用于将喷射泥浆储存舱中的泥浆通过泥浆喷射管挤压至刀盘腔中；泥浆监测装置Ⅰ安装在刀盘腔中，用于监测刀盘腔中泥浆的情况；废弃泥浆储存舱安装在机头外壳Ⅰ的后端板的前侧；泥浆回流管穿过刀盘隔板和刀具安装柱，连接废弃泥浆储存舱和刀盘腔；泥浆外运装置穿过机头外壳Ⅰ的后端板和机头外壳Ⅲ，用于将废弃泥浆储存舱中的废弃泥浆运送至始发工作井外；泥浆监测装置Ⅱ安装在废弃泥浆储存舱中，用于监测废弃泥浆储存舱中废弃泥浆的情况；喷射混凝土系统包括混凝土喷头、混凝土储存舱、混凝土喷射装置、机头外壳Ⅱ旋转装置；混凝土喷头沿着机头外壳Ⅱ的轴线安装；混凝土储存舱设置在机头外壳中，与混凝土喷头之间通过混凝土喷管连接；混凝土喷射装置与混凝土储存舱连接，用于将混凝土储存舱中的混凝土通过混凝土喷管和混凝土喷头喷射至顶管隧道的土层上；机头外壳Ⅱ旋转装置安装在机头外壳Ⅲ的前端板，用于驱动机头外壳Ⅱ旋转；同步注浆系统包括同步注浆储存舱、同步注浆喷射装置、环形橡胶密封圈；多个同步注浆储存舱呈环形安装在机头外壳Ⅲ的内壁上，机头外壳Ⅲ上设置有与同步注浆储存舱连通的注浆喷射口；环形橡胶密封圈套设在管道外，与顶管隧道的土层密封相接；同步注浆喷射装置用于将同步注浆储存舱中的浆液通过注浆喷射口喷射至管道、顶管隧道的土层、环形橡胶密封圈以及机头外壳Ⅲ后端板围合成的环形区域中；刀盘系统、泥水平衡系统、喷射混凝土系统和同步注浆系统均设置有参数控制装置。

进一步地，参数控制装置通过管线电缆管道与地面工作站连接；管线电缆管道沿着机械式泥水平衡开挖机头管的中心设置。

进一步地，泥浆喷射管、泥浆回流管和注浆喷射口上均设置有止回阀。

进一步地，泥浆外运装置包括与废弃泥浆储存舱连接的泥浆排出管，泥浆排出管的出口接皮带运输机。

进一步地，泥浆排出管围绕管线电缆管道设置。

进一步地，机械式泥水平衡开挖机头管的中心安装有激光准直装置，内部安装陀螺仪和高度仪。

进一步地，刀具的数量为8组。

本实用新型具有以下有益效果。

（1）断面尺寸可进行调节。由于刀具是可拆卸的模式，可根据断面尺寸采用不同的刀具组装，适应不同断面尺寸的地下管道施工。

（2）装置一体化，减少安装步骤。整个机械式泥水平衡开挖机头管，刀具可拆卸，刀盘系统、泥水平衡系统、喷射混凝土系统和同步注浆系统安装在机头外壳上，集土体开挖、运输、混凝土喷射、同步注浆多种功能于一体，省去在施工前期对于机头管组装的步骤，避免由于组装误差引起的施工安全问题。

（3）施工工作面稳定。在开挖断面采用泥水平衡系统与刀盘系统的配合工作，降低在开挖之后，开挖面由于应力状态发生变化所引起的不安全因素，同时利用喷射混凝土系统将已开挖的土层进行固化，减少由于开挖之后坍塌的情况。

（4）开挖土体运输快，减少土体堆积而造成的施工停工风险。利用泥浆喷射装置和泥浆外运装置对开挖的土体进行移运，能够做到变开挖边移运，提高施工效率，减少施工停滞时间。

附图说明

图1为机械式泥水平衡开挖机头管的结构示意图；

图2为机械式泥水平衡开挖机头管的施工示意图。

图中：1-机头外壳Ⅰ；2-机头外壳Ⅱ；3-机头外壳Ⅲ；4-刀盘隔板；5-刀具安装柱；6-刀具；7-刀盘连接柱；8-刀具驱动机构；9-喷射泥浆储存舱；10-泥浆喷射管；11-泥浆喷射装置；12-泥浆监测装置Ⅰ；13-废弃泥浆储存舱；14-泥浆回流管；15-泥浆监测装置Ⅱ；16-混凝土喷头；17-机头外壳Ⅱ旋转装置；18-同步注浆储存舱；19-同步注浆喷射装置；20-环形橡胶密封圈；21-管线电缆管道；22-止回阀；23-同步注浆系统的参数控制装置；24-泥浆排出管；25-激光准直装置；101-始发工作井；102-顶铁；103-液压千斤顶；104-后背墙。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实施例提供一种机械式泥水平衡开挖机头管，包括机头外壳Ⅰ1、机头外壳Ⅱ2、机头外壳Ⅲ3、刀盘系统、泥水平衡系统、喷射混凝土系统和同步注浆系统；机头外壳Ⅰ1、机头外壳Ⅱ2和机头外壳Ⅲ3由前到后依次连接，机头外壳Ⅱ2的两端分别与机头外壳Ⅰ1的后端板和机头外壳Ⅲ3的前端板转动连接；刀盘系统包括刀盘隔板4、刀具安装柱5、刀具6、刀盘连接柱7和刀具驱动机构8；刀盘隔板4安装在机头外壳Ⅰ1的前端，中心安装有刀具安装柱5；多组刀具6与刀具安装柱5可拆卸连接，与刀盘隔板4围合成刀盘腔；刀盘连接柱7连接刀具安装柱5和刀具驱动机构8；泥水平衡系统包括喷射泥浆储存舱9、泥浆喷射管10、泥浆喷射装置11、泥浆监测装置Ⅰ12、废弃泥浆储存舱13、泥浆回流管14、泥浆外运装置和泥浆监测装置Ⅱ15；多个喷射泥浆储存舱9呈环形安装在机头外壳Ⅰ1的内壁上；泥浆喷射管10穿过刀盘隔板4，连接喷射泥浆储存舱9和刀盘腔；泥浆喷射装置11与喷射泥浆储存舱9连接，用于将喷射泥浆储存舱9中的泥浆通过泥浆喷射管10挤压至刀盘腔中，与刀具6剥离下的土体混合；泥浆监测装置Ⅰ12安装在刀盘腔中，用于监测刀盘腔中泥浆的情况，比如泥浆压力，密度；废弃泥浆储存舱13安装在机头外壳Ⅰ1的后端板的前侧；泥浆回流管14穿过刀盘隔板4和刀具安装柱5，连接废弃泥浆储存舱13和刀盘腔；泥浆外运装置穿过机头外壳Ⅰ1的后端板和机头外壳Ⅲ3，用于将废弃泥浆储存舱13中的废弃泥浆运送至始发工作井1外；泥浆监测装置Ⅱ15安装在废弃泥浆储存舱13中，用于监测废弃泥浆储存舱13中废弃泥浆的情况，比如泥浆压力，密度；喷射混凝土系统包括混凝土喷头16、混凝土储存舱、混凝土喷射装置、机头外壳Ⅱ旋转装置17；混凝土喷头16沿着机头外壳Ⅱ2的轴线安装；混凝土储存舱设置在机头外壳中，与混凝土喷头16之间通过混凝土喷管连接；混凝土喷射装置与混凝土储存舱连接，用于将混凝土储存舱中的混凝土通过混凝土喷管和混凝土喷头16喷射至顶管隧道的土层上；机头外壳Ⅱ旋转装置17安装在机头外壳Ⅲ3的前端板，用于驱动机头外壳Ⅱ2旋转，以达到从顶管隧道底部向顶管隧道顶部进行喷射混凝土，混凝土采用速凝混凝土，图1中，混凝土喷头16为分别处于最高位和最低位的状态；同步注浆系统包括同步注浆储存舱18、同步注浆喷射装置19、环形橡胶密封圈20；多个同步注浆储存舱18呈环形安装在机头外壳Ⅲ3的内壁上，机头外壳Ⅲ3上设置有与同步注浆储存舱18连通的注浆喷射口；环形橡胶密封20圈套设在管道6外，与顶管隧道的土层密封相接；同步注浆喷射装置19用于将同步注浆储存舱18中的浆液通过注浆喷射口喷射至管道6、顶管隧道的土层、环形橡胶密封圈20以及机头外壳Ⅲ后端板围合成的环形区域中；刀盘系统、泥水平衡系统、喷射混凝土系统和同步注浆系统均设置有参数控制装置，参数控制装置通过管线电缆管道21与地面工作站连接，防止由于管线混乱造成施工的不安全；管线电缆管道21沿着机械式泥水平衡开挖机头管的中心设置。

机械式泥水平衡开挖机头管用于为管道施工提供通道，利用泥水平衡对地层进行开挖，刀具6采用内弧盾构刀，对土体进行剥离并将土体挤压至刀盘腔中，剥离下的土体与泥浆喷射管10喷出的泥浆混合，然后通过泥浆回流管14回流至废弃泥浆储存舱13中暂时储存，根据泥浆监测装置Ⅰ12和泥浆监测装置Ⅱ15的检测值，地面工作站控制刀盘系统和泥水平衡系统的参数控制装置，控制刀具6的转速以及泥浆喷射速度。喷射混凝土系统在开挖之后的地层上喷射混凝土，喷射混凝土的终凝时间控制10min之内。在喷射混凝土系统之后以布置环形的同步注浆系统，根据试验要求配制润滑泥浆，为后侧顶进管道提供泥浆套润滑，减少施工中的摩阻力，环形橡胶密封20用于对浆液的边界条件进行控制。在机头管内部同时安装有泥土外运装置、开挖监测系统。

本实施例中，泥浆外运装置包括与废弃泥浆储存舱13连接的泥浆排出管24，为防止泥浆堆积，泥浆排出管24的出口接皮带运输机。

进一步地，泥浆排出管24围绕管线电缆管道21设置。

进一步地，泥浆喷射管10、泥浆回流管14和注浆喷射口上均设置有止回阀22，防止在施工过程中的浆液回流。

进一步地，机械式泥水平衡开挖机头管的中心安装有激光准直装置25，内部安装陀螺仪和高度仪。

进一步地，刀具的数量为8组，能够便于后期拆卸和维修，防止整体更换刀盘系统造成的成本浪费。

如图2所示，采用上述机械式泥水平衡开挖机头管进行施工时，具体操作步骤可以概括为以下几点。

（1）做好施工准备，勘察当地的地下管线和地质条件，对始发工作井101进行开挖，并做好围护桩和排水工程，加固始发工作井101的井壁。

（2）在始发工作井101开挖结束之后，为顶管施工做充足的准备，并对顶管施工的后背墙104进行施工养护，以达到足够的工作强度，并对环形顶管的开挖面进行加固。

（3）对机械式泥水平衡开挖机头管进行始发安装，将其安装到已开挖并加固的工作面内，并对其参数进行调试。

（4）吊装顶铁102，液压千斤顶103和其他设备，合理布置泥浆排出管24，管线电缆管道21，并安装废弃泥浆处理装置等配套设备。

（5）机械式泥水平衡开挖机头管进行试运行，开启泥浆监测装置Ⅰ12，刀具驱动机构8，泥浆喷射装置11，混凝土喷射装置，机头外壳Ⅱ旋转装置17，同步注浆喷射装置19等需要进行启动的设备，调试参数观察是否出现非正常情况，若出现则暂停施工；若参数正常则正式进行顶管开挖作业。

（6）刀盘系统运转，刀具6旋转，进行土体剥落，同时泥浆喷射装置11和泥浆监测装置配合，调整泥浆喷射参数，进行土体剥落。

（7）在顶进过程中刀盘腔中泥浆通过泥浆回流管14传输到废弃泥浆储存舱13，在泥浆回流管14内部都存在止回阀22，防止由于泥浆压力的不同造成浆液不必要的回流，从而影响正常施工。

（8）在顶进过程中混凝土喷头16和混凝土喷射装置联合使用，对顶管隧道喷射混凝土进行首次固化，防止由于顶管隧道的土体失稳导致顶管隧道的沉陷和变形。

（9）通过泥浆排出管24将废弃泥浆储存舱13内的废弃泥浆输出后，需要对其进行泥水分离，并安装废弃泥浆处理池，对泥浆进行处理。

（10）在施工顶进过程中通过同步注浆储存舱18、同步注浆喷射装置19、环形橡胶密封圈20、同步注浆系统的参数控制装置23配合使用，对顶进过程进行同步注浆，减少在顶进时候的阻力，增加工作效率。

（11）在施工过程中通过激光准直装置25和其他准直设备，确定在顶进过程中的顶进精度，并通过控制始发工作井101内的液压千斤顶103调整其顶进偏差，当机械式泥水平衡开挖机头管到达后方的接收井之后，施工结束。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种机械式泥水平衡开挖机头管，其特征在于，包括机头外壳Ⅰ、机头外壳Ⅱ、机头外壳Ⅲ、刀盘系统、泥水平衡系统、喷射混凝土系统和同步注浆系统；

所述机头外壳Ⅰ、机头外壳Ⅱ和机头外壳Ⅲ由前到后依次连接，机头外壳Ⅱ的两端分别与机头外壳Ⅰ的后端板和机头外壳Ⅲ的前端板转动连接；

所述刀盘系统包括刀盘隔板、刀具安装柱、刀具、刀盘连接柱和刀具驱动机构；

所述刀盘隔板安装在机头外壳Ⅰ的前端，中心安装有刀具安装柱；

多组刀具与刀具安装柱可拆卸连接，与刀盘隔板围合成刀盘腔；

所述刀盘连接柱连接刀具安装柱和刀具驱动机构；

所述泥水平衡系统包括喷射泥浆储存舱、泥浆喷射管、泥浆喷射装置、泥浆监测装置Ⅰ、废弃泥浆储存舱、泥浆回流管、泥浆外运装置和泥浆监测装置Ⅱ；

多个喷射泥浆储存舱呈环形安装在机头外壳Ⅰ的内壁上；

所述泥浆喷射管穿过刀盘隔板，连接喷射泥浆储存舱和刀盘腔；

所述泥浆喷射装置与喷射泥浆储存舱连接，用于将喷射泥浆储存舱中的泥浆通过泥浆喷射管挤压至刀盘腔中；

所述泥浆监测装置Ⅰ安装在刀盘腔中，用于监测刀盘腔中泥浆的情况；

所述废弃泥浆储存舱安装在机头外壳Ⅰ的后端板的前侧；

所述泥浆回流管穿过刀盘隔板和刀具安装柱，连接废弃泥浆储存舱和刀盘腔；

所述泥浆外运装置穿过机头外壳Ⅰ的后端板和机头外壳Ⅲ，用于将废弃泥浆储存舱中的废弃泥浆运送至始发工作井外；

所述泥浆监测装置Ⅱ安装在废弃泥浆储存舱中，用于监测废弃泥浆储存舱中废弃泥浆的情况；

所述喷射混凝土系统包括混凝土喷头、混凝土储存舱、混凝土喷射装置、机头外壳Ⅱ旋转装置；

所述混凝土喷头沿着机头外壳Ⅱ的轴线安装；

所述混凝土储存舱设置在机头外壳中，与混凝土喷头之间通过混凝土喷管连接；

所述混凝土喷射装置与混凝土储存舱连接，用于将混凝土储存舱中的混凝土通过混凝土喷管和混凝土喷头喷射至顶管隧道的土层上；

所述机头外壳Ⅱ旋转装置安装在机头外壳Ⅲ的前端板，用于驱动机头外壳Ⅱ旋转；

所述同步注浆系统包括同步注浆储存舱、同步注浆喷射装置、环形橡胶密封圈；

多个同步注浆储存舱呈环形安装在机头外壳Ⅲ的内壁上，机头外壳Ⅲ上设置有与同步注浆储存舱连通的注浆喷射口；

所述环形橡胶密封圈套设在管道外，与顶管隧道的土层密封相接；

所述同步注浆喷射装置用于将同步注浆储存舱中的浆液通过注浆喷射口喷射至管道、顶管隧道的土层、环形橡胶密封圈以及机头外壳Ⅲ后端板围合成的环形区域中；

刀盘系统、泥水平衡系统、喷射混凝土系统和同步注浆系统均设置有参数控制装置。

2.根据权利要求1所述的机械式泥水平衡开挖机头管，其特征在于，参数控制装置通过管线电缆管道与地面工作站连接；

管线电缆管道沿着机械式泥水平衡开挖机头管的中心设置。

3.根据权利要求2所述的机械式泥水平衡开挖机头管，其特征在于，泥浆喷射管、泥浆回流管和注浆喷射口上均设置有止回阀。

4.根据权利要求3所述的机械式泥水平衡开挖机头管，其特征在于，泥浆外运装置包括与废弃泥浆储存舱连接的泥浆排出管，泥浆排出管的出口接皮带运输机。

5.根据权利要求4所述的机械式泥水平衡开挖机头管，其特征在于，泥浆排出管围绕管线电缆管道设置。

6.根据权利要求5所述的机械式泥水平衡开挖机头管，其特征在于，机械式泥水平衡开挖机头管的中心安装有激光准直装置，内部安装陀螺仪和高度仪。

7.根据权利要求1所述的机械式泥水平衡开挖机头管，其特征在于，刀具的数量为8组。

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