一种水下隧道顶管掘进装置及其施工法的制作方法

本发明涉及的是一种水下隧道顶管掘进装置及其施工法,属于土木工程基础施工技术领域。

背景技术：

现有水底隧道施工有沉管法，沉管法是将若干个预制段分别浮运到海面（河面）现场，并一个接一个地沉放安装在已疏浚好的基槽内，以此方法修建的水下隧道，但基槽施工土方量大，施工周期长。

技术实现要素：

本发明提出的是一种水下隧道顶管掘进装置及其施工法，其目的旨在克服现有技术存在的缺陷，由于顶管掘进装置的前段 在半敞开式的U型舱内挖掘岩土，施工方便，由于U型舱的两侧墙对基坑的支护作用，土方开挖量小。

本发明的技术解决方案：顶管掘进装置由顶管装置和掘进段组成，顶管装置位于工作井内；掘进段由前段和后舱组成，后舱的下部截面与隧道截面相同，后舱下部尾端与第一管节的前端相连，后舱底面与管节底面齐平，后舱下部两外侧面与管节两外侧面平齐，施工时掘进段的下部位于岩土中，掘进段的上部平面高于水底，在掘进段不但对隧道截面投影面积的岩土进行挖掘，还对位于隧道之上的掘进段上部截面投影面积的岩土进行挖掘；

掘进段的上部高于水面；所述的后舱是上部开口或有盖的室体，后舱和前段之间设有高于水面的挡水墙，后舱的下部尾端洞口与隧道相通。

前段由U型舱和挖掘装置组成，U型舱由两侧墙和底板组成，即U型舱的前部和上部均开口，U型舱的两侧墙和底板的前端均设有链刀运行的轨道，挖掘装置由传动装置和链刀组成，传动装置由驱动装置和链轮组成，链刀由链条和固定于链条上的刀具组成；施工时驱动装置驱动链刀，链刀沿着轨道运行，U型舱前端轨道上的链刀仅挖掘两侧墙和底板前方的岩土。

前段由两侧墙和位于两侧墙前端的挖掘装置组成，即前段的前部和上下均开口，两侧墙的前端设有链刀运行的轨道，（两侧墙还设有链刀运行的轨道；）挖掘装置由传动装置和链刀组成，传动装置由驱动装置和链轮组成，链刀由链条和固定于链条上的刀具组成；施工时驱动装置驱动链刀，链刀沿着轨道运行，前端轨道上的链刀仅挖掘两侧墙前方的岩土。

本发明的优点：施工操作都在工程船内完成，施工快捷、安全；由于工程船前段在半敞开式的U型舱内挖掘岩土，施工方便，由于U型舱的两侧墙对基坑的支护作用，所以土方开挖量小。

附图说明

图1是顶管掘进装置的顶管装置1在工作井9内推顶升管节10，掘进段2的掘装置4挖掘岩土的结构示意图，也是由U型舱3-1和挖掘装置4组成的前段3A的结构示意图；

图2是图1的A向视图，也是由驱动装置4-1-1和链轮4-1-2组成的传动装置4-1的结构式示意图，也是前段3内链刀6运行的轨道3-3的结构示意图；

图3是图1的B向视图，也是传动装置4-1和链刀6组成的挖掘装置4的结构示意图；

图4是图2的C-C视图， 也是在U型舱3-1的两侧墙的上方设有的轨道7-1，轨道7-1上有运行的挖掘机7的结构示意图；

图5是链刀6的结构示意图，也是链条6-1和刀具6-2的结构示意图，也是由A十字节6-1-1和B十字节6-1-2组成的链条6-1的十字节的结构示意图；也是链条6-1实现空间弯曲的结构示意图是链刀6的结构示意图,（a）是链条6-1和刀具6-2的结构示意图，也是由A十字节6-1-1和B十字节6-1-2组成的链条6-1的十字节的结构示意图；也是链条6-1实现空间弯曲的结构示意图。（b）是链刀6由柔性带6-1B和刀具6-2B组成的结构示意图；也是柔性带6-1B和刀具6-2B的结构示意图；

图6是前段3的后部设有无底板的隧道基础处理段8的结构示意图，也是后舱5的下部尾端洞口与隧道的管节10相通，抽水后形成人行通道的结构示意图；

图7是由两侧墙3-2和位于两侧墙前端的挖掘装置4组成的前段3B的结构示意图, 也是施工好的隧道上部在淤泥之中的结构示意图；

图8是A法中的建工作井，搭建作业平台，安装顶进装置1和掘进段2的结构示意图；

图9是图8的下一步工作示意图，也是将导向装置13与导向拉杆12相连，将第一管节10的前端与掘进段2的尾段连接的结构示意图；

图10是图9的下一步工作示意图，也是掘进段2挖掘前方的岩土，顶进装置1顶推管节10的尾端，管节10向前运行的结构示意图；

图11是图10的下一步工作示意图，也是第一管节10顶推至设定距离后，顶进装置1缩回，放下第二管节10，将第二管节10的头部与第一管节10的尾部相连的结构示意图；

图12是B法中的建两工作井9，搭建作业平台，安装顶进装置1和掘进段2的结构示意图；

图13是图12的下一步工作示意图，也是两工作井内分别将导向装置13与导向拉杆12相连，将第一管节10的前端与掘进段2的尾段连接的结构示意图；

图14是图13的下一步工作示意图，也是两套掘进段2各自挖掘前方的岩土，顶进装置1顶推管节10的尾端，管节10向前运行的结构示意图；

图15是图14的下一步工作示意图，也是两套顶管掘进装置的第一管节10顶推至设定距离后，顶进装置1缩回，放下第二管节10，将第二管节10的头部与第一管节10的尾部相连的结构示意图；

图16是在掘进段的后方建新的工作井9的结构示意图；

图17是挖掘装置4的链刀轨道的结构示意图，轨道的类型包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ共5种，其中Ⅰ是平面型，Ⅱ是凸型，Ⅲ、Ⅳ是凹型；

图18是Ⅴ为纵向多排轨道错开成锥型的结构示意图；

图19是Ⅴ型轨道和多排链刀的结构示意图；

图中的1是顶管掘进装置的顶管装置；2是顶管掘进装置的掘进段，由前段3和后舱5组成；3是掘进段2的前段，有3A和3B两种结构形式；3A是由U型舱3-1和挖掘装置4组成的前段；3B是由两侧墙3-2和位于两侧墙前端的挖掘装置4组成的前段，即前段3B的前部和上下均开口；3-1是前段3的U型舱；3-2是前段3的两侧墙；3-3是前段3内链刀6运行的轨道；4是前段3的挖掘装置，由传动装置4-1和链刀6组成；4-1是传动装置，由驱动装置4-1-1和链轮4-1-2组成；4-1-1是传动装置4-1的驱动装置；4-1-2是传动装置4-1的链轮；5是掘进段3的后舱；6是组成挖掘装置4的链刀；6-1是组成链刀6的链条，包括履带、绳索和柔性带；6-1-1是组成链条6-1的十字节的A十字节；6-1-2是组成链条6-1的十字节的B十字节；6-1B是组成链刀6的柔性带；6-2是固定在链条6-1上的挖掘岩土的刀具；6-2B是固定在柔性带6-1B上的挖掘岩土的刀具；7是挖掘机；7-1是在两侧墙的上方设有挖掘机7行走的轨道；8是隧道基础处理段；9是工作井；10是管节；11是前段3和后舱5间设有高于水面的挡水墙；12是导向拉杆；13是用于导向拉杆12上的导向装置或牵引装置。

具体实施方式

一种水下隧道顶管掘进装置由顶管装置和掘进段组成，顶管装置位于工作井内；掘进段由前段和后舱组成，后舱的下部截面与隧道截面相同，后舱下部尾端与第一管节的前端相连，后舱底面与管节底面齐平，后舱下部两外侧面与管节两外侧面平齐，施工时掘进段的下部位于岩土中，掘进段的上部平面高于水底，在掘进段不但对隧道截面投影面积的岩土进行挖掘，还对位于隧道之上的掘进段上部截面投影面积的岩土进行挖掘。

所述的掘进段的上部高于水面；所述的后舱是上部开口或有盖的室体，后舱和前段之间设有高于水面的挡水墙，后舱的下部尾端洞口与隧道相通。

所述的前段由U型舱和挖掘装置组成，U型舱由两侧墙和底板组成，即U型舱的前部和上部均开口，U型舱的两侧墙和底板的前端均设有链刀运行的轨道，挖掘装置由传动装置和链刀组成，传动装置由驱动装置和链轮组成，链刀由链条和固定于链条上的刀具组成；施工时驱动装置驱动链刀，链刀沿着轨道运行，U型舱前端轨道上的链刀仅挖掘两侧墙和底板前方的岩土。

所述的前段由两侧墙和位于两侧墙前端的挖掘装置组成，即前段的前部和上下均开口，两侧墙的前端设有链刀运行的轨道，（两侧墙还设有链刀运行的轨道；）挖掘装置由传动装置和链刀组成，传动装置由驱动装置和链轮组成，链刀由链条和固定于链条上的刀具组成；施工时驱动装置驱动链刀，链刀沿着轨道运行，前端轨道上的链刀仅挖掘两侧墙前方的岩土。

所述的高于水面的两侧墙的上方设有挖掘机行走的轨道，挖掘机挖掘两侧墙内的岩土。

所述的前段的后部设有无底板的隧道基础处理段。

所述的隧道顶进至一定的长度后，在掘进段的后方建新的工作井，排水后拆除部分已建的临时管节，安装顶进装置，形成新的作业平台。

所述的工作井与工作井设定的距离间或两工作井间安装有导向拉杆，所述的掘进段的上部设有导向装置和／或牵引装置，导向装置与导向拉杆相连或在导向拉杆上滑动，牵引装置的力作用于导向拉杆上。

所述的施工法包括A法一端顶进和B法两端往中间顶进：

A法包括如下步骤：

1）建工作井，搭建作业平台；

2）安装顶进装置和掘进段；

3）在距离工作井设定的位置安装导向拉杆安装座，安装导向拉杆；

4）将导向拉杆的另一端与工作井固定；

5）将掘进段中的导向装置与导向拉杆相连；

6）将第一管节的前端与掘进段的尾段连接；

7）掘进段挖掘前方的岩土，顶进装置顶推管节的尾端，管节向前运行；

8）第一管节顶推至设定距离后，顶进装置缩回，放下第二管节，将第二管节的头部与第一管节的尾部相连；

9）掘进段继续挖掘前方的岩土，顶进装置顶推第二管节的尾端，管节向前运动；

10）重复上述动作，完成全部管节的施工；

B法包括如下步骤：

1）建两工作井，搭建作业平台；

2）安装顶进装置和掘进段；

3）在两工作井间安装导向拉杆；

4）将导向拉杆的两端分别与两工作井固定；

5）将掘进段的导向装置与导向拉杆相连；

6）在两工作井内，分别将各自的第一管节前端与两掘进段的尾段连接；

7）掘进段挖掘前方的岩土，顶进装置顶推管节的尾端，管节向前运行；

8）第一管节顶推至设定距离后，顶进装置缩回，放下第二管节，将第二管节的头部与第一管节的尾部相连；

9）掘进段继续挖掘前方的岩土，顶进装置顶推第二管节的尾端，管节向前运动；

10）重复上述动作，完成全部管节的施工；

所述的隧道上部在水底之上或淤泥之中。

下面结合附图进一步描述本发明：

如图1～图5所示，顶管掘进装置由顶管装置1和掘进段2组成，顶管装置1位于工作井9内；掘进段2由前段3A和后舱5组成，后舱5的下部截面与隧道截面相同，后舱5下部尾端与第一管节10的前端相连，后舱5底面与管节10底面齐平，后舱5下部两外侧面与管节两外侧面平齐，施工时掘进段2的下部位于岩土中，掘进段的上部平面高于水底，在掘进段不但对隧道截面投影面积的岩土进行挖掘，还对位于隧道之上的掘进段上部截面投影面积的岩土进行挖掘。

如图1～图5所示，前段3A由U型舱3-1和挖掘装置4组成，U型舱3-1由两侧墙和底板组成，即U型舱3-1的前部和上部均开口，U型舱3-1的两侧墙和底板的前端均设有链刀6运行的轨道3-3，挖掘装置4由传动装置4-1和链刀6组成，传动装置4-1由驱动装置4-1-1和链轮4-1-2组成，链刀6由链条6-1和固定于链条6-1上的刀具6-2组成；施工时驱动装置驱动链刀6，链刀6沿着轨道3-3运行，U型舱3-1前端轨道上的链刀6仅挖掘两侧墙和底板前方的岩土。

如图4所示，掘进段2的上部高于水面，后舱5是上部开口或有盖的室体，后舱5和前段2之间设有高于水面的挡水墙11；高于水面的两侧墙3-2的上方设有挖掘机7行走的轨道7-1，挖掘机7挖掘两侧墙内的岩土，如果有需要，增加挖泥船配合施工。

如图6所示，前段3的后部设有无底板的隧道基础处理段8，后舱5的下部尾端洞口与隧道的管节10相通，抽水后形成人行通道。

如图7所示，前段3B由两侧墙3-2和位于两侧墙前端的挖掘装置4组成，即前段的前部和上下均开口，两侧墙3-2的前端设有链刀6运行的轨道3-2，挖掘装置4由传动装置4-1和链刀6组成，传动装置4-1由驱动装置4-1-1和链轮4-1-2组成，链刀6由链条6-1和固定于链条6-1上的刀具6-2组成；施工时驱动装置4-1-1驱动链刀6，链刀6沿着轨道3-3运行，前端轨道3-3上的链刀6仅挖掘两侧墙前方的岩土。

如图8～图11所示，A施工法是一端顶进，括如下步骤：

1）建工作井9搭建作业平台；

2）安装顶进装置1和掘进段2；

3）在距离工作井设定的位置安装导向拉杆12安装座，安装导向拉杆12；

4）将导向拉杆12的另一端与工作井固定；

5）将掘进段2中的导向装置13与导向拉杆12相连；

6）将第一管节10的前端与掘进段2的尾段连接；

7）掘进段2挖掘前方的岩土，顶进装置1顶推管节10的尾端，管节10向前运行；

8）第一管节10顶推至设定距离后，顶进装置1缩回，放下第二管节10，将第二管节10的头部与第一管节10的尾部相连；

9）掘进段2继续挖掘前方的岩土，顶进装置顶1推第二管节10的尾端，管节向前运动；

10）重复上述动作，完成全部管节10的施工。

如图12～图15所示，B施工法是两端往中间顶进，括如下步骤：

1）建两工作井9，搭建作业平台；

2）安装顶进装置1和掘进段2；

3）在两工作井间9安装导向拉杆12；

4）将导向拉杆12的两端分别与两工作井9固定；

5）将掘进段2的导向装置13与导向拉杆12相连；

6）在两工作井9内，分别将各自的第一管节10前端与两掘进段2的尾段连接；

7）掘进段挖2掘前方的岩土，顶进装置1顶推管节10的尾端，管节10向前运行；

8）第一管节10顶推至设定距离后，顶进装置1缩回，放下第二管节10，将第二管节10的头部与第一管节10的尾部相连；

9）掘进段2继续挖掘前方的岩土，顶进装置顶1推第二管节10的尾端，管节10向前运动；

10）重复上述动作，完成全部管节10的施工。

如图16所示，隧道顶进至一定的长度后，在掘进段2的后方建新的工作井9，排水后拆除部分已建的临时管节10，安装顶进装置1，形成新的作业平台。