小管径排水管道顶管机具及顶管施工方法与流程

本发明涉及小管径排水管道顶管机具及顶管施工方法，属于排水工程领域，特别涉及小管径排水管道的施工机具和施工方法。

背景技术：

城市排水分为雨水和污水，排水体制分为分流制与合流制两种，大部分城市都是采取分流制，即雨水、污水分别排放。城市建设初期，雨污分流的排水管道一般是采用明挖施工，管道铺设后再将沟槽回填，修筑道路。还有许多城市，在城市建设初期由于资金等因素采用合流制排水体制，即雨污水合流直接排入河道。随着城市发展，环境保护意识的强化，污水需经过污水处理厂处理达标后才能排入河道，这些合流排水管道需要进行雨污分流改造，原有合流管管径较大，保留用作雨水管道，新建污水截留管道，将原来排入合流管的污水从源头截留，再通过污水干管排入污水处理厂。在城市建成区改造排水管道，需要破除道路，铺设管道后回填沟槽，恢复路面，工程造价高，影响城市的道路交通。顶管施工是排水管道的常用施工方法，不需大面积破路，仅需在检查井的位置设置顶管工作井和接收井，对地面交通影响较小。

现有技术水平定向钻非开挖技术广泛应用，最小可以回拖拉管施工直径100mm的管道。水平定向钻的方向及竖向高程控制是依靠前端钻头内安装的探棒，探棒发射电波被地面的探测仪接收，判断钻头的方向和位置，再指挥定向钻控制钻头方向。水平定向钻的方向控制精度一般为300～500mm。《给水排水管道工程施工及验收规范》gb50268-2008规定，顶管施工管道内底高程误差要求为+30mm、－40mm，水平定向钻的精度远远达不到排水管道的要求，一般应用在给水、燃气等压力管道和电力、通讯的穿线管，不能用于排水管道。

排水管道顶管施工主要有土压平衡法和泥水平衡法，土压平衡法主要应用在大管径管道，人可进入管道操作区出土。小于等于1500mm的管道主要采用泥水平衡法，在顶管管道前端安装的机头旋转切土，通过压入机头前端和土体之间的泥浆使土压力平衡，工作井的千斤顶顶推管道，机头切削的土随泥浆排出，管道逐节顶至接收井。泥水平衡法顶管施工技术成熟，施工精度高，但最小管径只能顶进直径800mm的管道。

截污管道的次支管网管径多数为300～600mm，在截污管网中数量最多，应管径较小无法采用泥水平衡法顶管施工。现有技术还有一种二次顶管法，可以顶进300～600mm排水管道，其方法是先在工作井内，采用定向钻机顶进一根直径100mm的导杆，导杆的顶进方向采用激光经纬仪观察最前端的光标，出现偏移人工操作定向钻调整方向。导杆顶至接收井后，导杆后端通过一个锥体连接安装直径200～250mm的出土管，出土管逐节顶至接收井后，出土管内装入出土螺旋，出土管后端安装机头，机头采用液压马达做动力，机头后连接管道，工作井对管道顶进的同时起到液压马达旋转切土，土通过出土管的出土螺旋送至前端接收井，管道逐节顶至接收井。二次顶管在土质均匀的情况下，顶管精度可以控制在10mm左右，是目前新研发的一种小管径顶管技术。但二次顶管也存在一些缺陷，导杆顶入是采用激光经纬仪人工观察前端的光标，判别方向偏移人工纠偏，如观察不及时偏差较大时，纠偏困难，需要拉回一段重新调整再顶进；出土管顶进是依靠椎体扩径的出土管挤压土体，在遇到土质不均匀时容易出现出土管偏移，前段阻力较大时容易出现出土管后端隆起；管道顶进时机头的动力是地面的高压油泵提供液压油，需要在管道内穿一根进油管和一个回油管，每顶进一节管道，需要拆卸安装油管；顶管机头是靠管道传递顶力，遇到地质复杂时，有时会出现为机头未顶到接收井，后端的管道管壁破裂现象，不得已在机头位置挖开取出机头；前段阻力过大，顶推还可能造成管道隆起；经常出现出土螺旋被泥土堆积无法送出，导致机头负荷超载。二次顶管法虽然具有顶管直径小、顶管精度高的优点，应用在较软的淤泥质土施工可以取得较好的效果，但在粘土、粉质粘土等偏硬的地质条件下，容易出现上述一些问题，因此，二次顶管原则上顶进长度不超过60m，在土质偏硬的地质条件下顶进长度还会减小。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供小管径排水管道顶管机具及顶管施工方法，是一种双向拉顶施工方法，适用于管径200～700mm的排水管道顶管施工。决定顶管施工精度的钻杆顶进采用自动判别方向，自动纠偏。扩孔采用前端牵拉后端辅助顶推，牵拉和顶推同步进行，力量协调分担，牵拉扩孔不会造成方向偏移和导管隆起，后端管道沿着已经顶入土体导管轨迹顶进，顶力相对较小，可实现较长距离的顶进。有益效果是：解决了土压平衡法和泥水平衡法不能顶进小管径的问题。采用自动判别方向和自动纠偏，保证了管道顶进的精度。克服了现有技术二次顶管法，遇到地质变化导致出土管偏移，管道顶进时易出现隆起，顶管未到达接收井而顶力过大无法继续顶进的弊病，也省去二次顶管法每节管道安装时，需要拆卸安装高压油管的繁琐工作。适应土质范围广，管道受到的顶力小，可以加大顶管的距离。

本发明是通过以下技术实现的：小管径排水管道顶管机具，主要由定向钻1、定向钻控制台2、顶管机3、顶管机控制台4、钻杆5、钻头6、扩孔器7、导管8、泥浆系统9组成，所述的定向钻1具有顶进和牵拉双向动力，定向钻1装有顶进方向监控系统。所述的钻头6前端设有倾斜的导向面10，钻头6后端装有校准器11，校准器11朝向定向钻1的方向设置光靶12，定向钻1和钻头6采用空心的钻杆5连接，定向钻1的方向监控系统通过钻杆5的中心孔向光靶12发射一束聚集的光束，校准器11根据光束照射在光靶12上的位置判断钻头6的方向，采用无线信号发射通过钻杆5中心孔传输至定向钻1的接收机，经过解调后的信号传至定向钻控制台2的方向控制系统，控制定向钻1改变钻头6的导向面10的位置，调整钻头6的前进方向。所述的顶管机3由顶管机控制台4控制，定向钻控制台2和顶管机控制台4之间采用无线信号进行通讯，定向钻控制台2在控制定向钻1的同时，可通过顶管机控制台4对顶管机3进行控制，使定向钻1和顶管机3的行程和速度同步，定向钻控制台2和顶管机控制台4之间还能相互传输语音和视频信号，定向钻控制台2和顶管机控制台4的操作人员可以观察工作井21和顶管井22内的状况，通过语音或者手势进行操作交流。

所述的光靶12外围上、下、左、右、左上、左下、右上、右下环状均布八列光电二极管，每一列的光电二极管至少为二个，钻头6正常时是匀速旋转顶进，钻头6方向正确时光束照射在光靶的中心，光电二极管不受光束照射，钻头6方向发生偏移时，偏移相反方向的光电二极管受到光束照射，通过光束照射在光靶12的光电二极管方向和数量判断钻头6偏移的方向和幅度，校准器11的方向识别单元对偏移信息处理调制，通过信号发射单元传输到定向钻1的接收机，再通过定向钻控制台2控制钻头6旋转使导向面10对准偏移方向顶进，借助倾斜的导向面10使钻头6纠偏，回到正确位置时再匀速旋转顶进，定向钻控制台2的操作面板的显示屏可实时显示钻头6的顶进偏移方向和幅度，存储器可储存钻头6的顶进轨迹，可以提取轨迹数据作为顶管施工竣工资料。

所述的钻杆5采用钢制，为直径80～100mm的空心圆杆，中心孔径40～60mm，一节长度1.0～2.0m，节间采用锥形螺纹连接，锥形螺纹便于快速安装和拆卸。扩孔器7采用钢板制作的空心橄榄形球体，上面装有切土刀14，钻有出水孔15，按照扩孔器7工作时的运行方向，扩孔器7前端与钻杆5采用锥形螺纹连接，钻杆5的中心孔与扩孔器7的空心内腔连通，扩孔器7的后端连接旋转接头16。所述的导管8采用钢制的圆筒，内径与顶管的管节19外径相同，一节长度1.0～2.0m，节间采用锥形螺纹连接，按照导管8工作时的运行方向，导管8的最前端采用导管拉头17与旋转接头16连接，导管拉头17的前端设有泥浆口18，导管8的后端与管节19衔接处设置管堵20，设置管堵20的目的是避免导管8内的残余泥浆流入管节19内。

所述的泥浆系统9由泥浆泵及管路、井底泥浆斗和地面泥浆池组成。

本发明提供一种小管径排水管道顶管施工方法，其特征是：所述的顶管施工方法是一种双向拉顶施工方法，分为钻杆顶进、回拖扩孔顶进导管、顶进管节三个步骤，钻杆顶进向一个方向，回拖扩孔顶进导管和顶进管节向另一个方向。施工步骤如下。

1）在设计的井位开挖制作工作井21和顶管井22，在工作井21内安装定向钻1，连接定向钻1与定向钻控制台2的电路和高压油管；在顶管井22内安装顶管井3，连接顶管井3与顶管机控制台4的电路和高压油管；在顶管井22处安装泥浆系统9。

2）定向钻1安装钻杆5，钻杆5的前端安装钻头6，钻头6按照设计的管中心向顶管井22方向匀速旋转顶进，钻头6的方向由定向钻控制台2自动控制，一节钻杆5顶入土中后，再装一节，直至钻头6顶至顶管井22。

3）在顶管井22内将钻头6卸下，装上扩孔器7，扩孔器7与导管拉头17之间采用旋转接头16连接，导管拉头17的另一端连接导管8，顶管机3通过顶铁顶在导管8上，启动定向钻1旋转回拖扩孔器7，顶管机3同步对导管8顶推，高压水通过定向钻1、钻杆5流入扩孔器7的空心腔内，扩孔器7上的切土刀14切削土体，与扩孔器7的出水口15流出的水混合成泥浆，通过导管拉头17的泥浆口18流入管节19内，流至顶管井22通过泥浆系统9排至地面的泥浆池中；在定向钻控制台2启动定向钻1回拖扩孔器7的同时，定向钻控制台2向顶管机控制台4传送信号启动顶管机3，导管8被逐节前拉牵拉后顶推顶进土中，直至在工作井21内卸下全部钻杆5和扩孔器7，导管8全部被拉顶至土中。

4）工作井21内定向钻1与导管拉头17连接，顶管井22内导管8上安装管堵20，管节19安装在管堵20的后面，防止导管8内的残留泥浆流入管节19内，顶管机3通过顶铁顶在管节19上，在定向钻控制台2启动定向钻1牵拉导管8的同时，定向钻控制台2向顶管机控制台4传送信号启动顶管机3同步对管节19顶推，在工作井21内逐节卸下导管8，顶管井内逐节安装管节19，直至在工作井21内全部卸下导管8，管节19全部顶入土中，完成管道顶进。

本发明是一种双向拉顶施工方法，钻杆5的直径较小，且刚性较大，从工作井21采用挤压的方法顶进土体，在定向钻1的顶进方向监控系统和定向钻控制台2的方向控制系统的控制下，钻杆5可以精准地被顶至顶管井22。在顶管井22内将钻头6换成扩孔器7，在工作井21采用定向钻1通过钻杆5旋转牵拉扩孔器7，同时顶管井22的顶管机3顶推后面连接的导管8，导管8起到一个护筒的作用，防止孔道坍塌。由于扩孔器7已将孔道扩大到导管8的直径，导管8在扩孔器7的牵引下，沿钻杆5的轴线受力，顶管机3在导管8的后面顶推，不会造成导管8前段受阻隆起。导管8顶入工作井21后，再从顶管井22逐节将管节19顶入导管8形成孔道内。

现有技术的二次顶管只在一个工作井内设置定向钻和顶管机，工作井直径3.5m，对向的接收井只用作回收钻杆和出土管以及管道到达，接收井的直径2.5m。但定向钻只顶进钻杆，顶进出土管和管道顶进需要顶力更大的顶管机，因此在钻杆顶至接收井后需要在工作井内更换顶管机。与二次顶管不同的是，本发明双向拉顶施工，工作井21和顶管井22都为直径3.5m，定向钻1和顶管井3分别安装在工作井21和顶管井22内，顶进工作开始后，从钻杆5顶进、扩孔器7回拖拉入导管8、管节19顶进工序不间断，施工进度快，不会出现导管和管道隆起、中间顶不动的现象，管道受力相对较小，顶管间距可以加大，或者使用强度满足自身环刚度要求的管材，减低管材的造价。

附图说明

图1为本发明钻杆顶进工况图；

图2为本发明回拖扩孔顶进导管工况图；

图3为本发明顶进管节工况图；

图4为钻头构造示意图；

图5为光靶示意图；

图6为扩孔器与导管连接示意图；

图7为导管与管节连接示意图。

图中：1-定向钻，2-定向钻控制台，3-顶管机，4-顶管机控制台，5-钻杆，6-钻头，7-扩孔器、8-导管，9-泥浆系统，10-导向面，11-校准器，12-光靶，13-光电二级管，14-切土刀，15-出水孔，16-旋转接头，17-导管拉头，18-泥浆口，19-管节，20-管堵，21-工作井，22-顶管井。

具体实施方式

本发明是一种双向拉顶施工方法，分为钻杆顶进、回拖扩孔顶进导管、顶进管节三个步骤，分别见图1、图2、图3。小管径排水管道顶管机具，主要由定向钻1、定向钻控制台2、顶管机3、顶管机控制台4、钻杆5、钻头6、扩孔器7、导管8、泥浆系统9组成，所述的定向钻1具有顶进和牵拉双向动力，定向钻1装有顶进方向监控系统。钻头6前端设有倾斜的导向面10，钻头6后端装有校准器11，校准器11朝向定向钻1的方向设置光靶12，定向钻1和钻头6采用空心的钻杆5连接，见图4。定向钻1的方向监控系统通过钻杆5的中心孔向光靶12发射一束聚集的光束，校准器11根据光束照射在光靶12上的位置判断钻头6的方向，采用无线信号发射通过钻杆5中心孔传输至定向钻1的接收机，经过解调后的信号传至定向钻控制台2的方向控制系统，控制定向钻1改变钻头6的导向面10的位置，调整钻头6的前进方向。所述的顶管机3由顶管机控制台4控制，定向钻控制台2和顶管机控制台4之间采用无线信号进行通讯，定向钻控制台2在控制定向钻1的同时，可通过顶管机控制台4对顶管机3进行控制，使定向钻1和顶管机3的行程和速度同步，定向钻控制台2和顶管机控制台4之间还能相互传输语音和视频信号，定向钻控制台2和顶管机控制台4的操作人员可以观察工作井21和顶管井22内的状况，通过语音或者手势进行操作交流。

光靶12外围上、下、左、右、左上、左下、右上、右下环状均布八列光电二极管，见图5。每一列的光电二极管为至少为二个，不限定二个，钻头6正常时是匀速旋转顶进，钻头6方向正确时光束照射在光靶的中心，光电二极管不受光束照射，钻头6方向发生偏移时，偏移相反方向的光电二极管受到光束照射，见图5，图中中心的实线圆圈是准确时的光束，虚线圆圈是钻头6向上方偏移的光束。通过光束照射在光靶12的光电二极管方向和数量判断钻头6偏移的方向和幅度，校准器11的方向识别单元对偏移信息处理调制，通过信号发射单元传输到定向钻1的接收机，再通过定向钻控制台2控制钻头6旋转使导向面10对准偏移方向顶进，借助倾斜的导向面10使钻头6纠偏，回到正确位置时再匀速旋转顶进，定向钻控制台2的操作面板的显示屏可实时显示钻头6的顶进偏移方向和幅度，存储器可储存钻头6的顶进轨迹，可以提取轨迹数据作为顶管施工竣工资料。

钻杆5采用钢制，为直径80～100mm的空心圆杆，中心孔径40～60mm，一节长度1.0～2.0m，节间采用锥形螺纹连接，锥形螺纹便于快速安装和拆卸。扩孔器7采用钢板制作的空心橄榄形球体，上面装有切土刀14，钻有出水孔15，按照扩孔器7工作时的运行方向，扩孔器7前端与钻杆5采用锥形螺纹连接，钻杆5的中心孔与扩孔器7的空心内腔连通，扩孔器7的后端连接旋转接头16，见图6。导管8采用钢制的圆筒，内径与顶管的管节19外径相同，一节长度1.0～2.0m，节间采用锥形螺纹连接，按照导管8工作时的运行方向，导管8的最前端采用导管拉头17与旋转接头16连接，导管拉头17的前端设有泥浆口18，导管8的后端与管节19衔接处设置管堵20，设置管堵20的目的是避免导管8内的残余泥浆流入管节19内，见图7。扩孔器7、导管8、旋转接头16、导管拉头17、管堵20是可重复使用的机具。

所述的泥浆系统9由泥浆泵及管路、井底泥浆斗和地面泥浆池组成。

本发明顶管施工方法是一种双向拉顶施工方法，分为钻杆顶进、回拖扩孔顶进导管、顶进管节三个步骤，钻杆顶进向一个方向，回拖扩孔顶进导管和顶进管节向另一个方向。施工步骤如下。

1）在设计的井位开挖制作工作井21和顶管井22，在工作井21内安装定向钻1，连接定向钻1与定向钻控制台2的电路和高压油管；在顶管井22内安装顶管井3，连接顶管井3与顶管机控制台4的电路和高压油管；在顶管井22处安装泥浆系统9。

2）施工准备工作就绪后，定向钻1安装钻杆5，钻杆5的前端安装钻头6，钻头6按照设计的管中心向顶管井22方向匀速旋转顶进，钻头6的方向由定向钻控制台2自动控制，一节钻杆5顶入土中后，再装一节，直至钻头6顶至顶管井22，见图1。

3）在顶管井22内将钻头6卸下，装上扩孔器7，扩孔器7与导管拉头17之间采用旋转接头16连接，扩孔器7旋转切土，导管拉头17不旋转。导管拉头17的另一端连接导管8，顶管机3通过顶铁顶在导管8上。定向钻控制台2的操作人员通过视频观察顶管井22内的操作，顶管井22内的操作人员通过语音或视频手势示意可以开始，定向钻控制台2的操作人员启动定向钻1旋转回拖扩孔器7，定向钻控制台2向顶管机控制台4发出指令，控制顶管机3同步对导管8顶推，高压水通过定向钻1、钻杆5流入扩孔器7的空心腔内，扩孔器7上的切土刀14切削土体，与扩孔器7的出水口15流出的水混合成泥浆，通过导管拉头17的泥浆口18流入管节19内，流至顶管井22通过泥浆系统9排至地面的泥浆池中。导管8被逐节前拉牵拉后顶推顶进土中，直至在工作井21内卸下全部钻杆5和扩孔器7，导管8全部被拉顶至土中，见图2。

4）工作井21内定向钻1与导管拉头17连接，顶管井22内导管8上安装管堵20，管节19安装在管堵20的后面，防止导管8内的残留泥浆流入管节19内，顶管机3通过顶铁顶在管节19上，在定向钻控制台2启动定向钻1牵拉导管8的同时，定向钻控制台2向顶管机控制台4传送信号启动顶管机3同步对管节19顶推，在工作井21内逐节卸下导管8，顶管井内逐节安装管节19，直至在工作井21内全部卸下导管8，管节19全部顶入土中，完成管道顶进，见图3。