一种超大断面顶管隧道施工用振动顶管机及施工方法与流程

本发明涉及顶管隧道施工用机械技术领域，具体涉及一种超大断面顶管隧道施工用振动顶管机。

背景技术：

伴随着城市化的快速发展，人们越发重视城市地下工程的开展；顶管法是一种非明挖技术，主要是利用主顶以及管节间的中继间的顶推压力，把工具管从始发井内顶进地层中，一直顶到接收井内，跟在工具管后面的管节自然的铺设在两个工作井中间的隧道施工方法；虽然顶管法施工具有土方开挖量小、方便快捷的优点，但是在施工过程中无法避免对施工周边地层产生影响，导致出现地表沉降问题；特别是超大断面顶管的施工对周边地层影响更大，在城市高层建筑日益增长的今天，超大断面顶管施工所产生的地表沉降已经威胁到施工周边高层建筑的安全，因此成为顶管隧道施工必须解决的一个技术难题。

顶管隧道施工引起地表沉降的主要原因为施工过程中的地层损失、以及顶管在顶进过程中与地层之间的剪切摩擦所引起的地层扰动所致；其中施工过程中的地层损失是为减小顶管在顶进过程中与地层之间的剪切摩擦，而在顶管外壁与开挖隧道间设置有约40毫米的间隙，在施工过程中，此间隙虽然会同步注浆予以填充，但仍会造成一定的地层损失，且损失量与间隙的大小呈正相关；在后期注浆自身失水也会造成地层损失，其损失量也与间隙的大小呈正相关；由以上分析可以看出，顶管隧道施工引起地表沉降最根本的原因为顶管与地层之间的摩擦力，降低顶管与地层之间的摩擦力是解决顶管隧道施工引起地表沉降问题的关键。

技术实现要素：

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种超大断面顶管隧道施工用振动顶管机，包括顶进装置、载车，顶进装置固定设置在载车上，由载车带动顶进装置在顶管内移动；所述顶进装置设置有振动顶进油缸，其包括顶进油缸、振动头，振动头固定设置在顶进油缸的油缸柱塞端部；振动顶管机在顶进过程中，振动头产生超音频振动，超音频振动传递到顶管上，使顶管与地层之间的摩擦力减小，顶进油缸提供顶进推力，使顶管产生移动；采用本发明的振动顶管机，可大幅度减小顶管与地层之间的摩擦力，因此可改善现有顶管施工工艺，大幅减小顶管外壁与开挖隧道间的间隙，达到大幅降低地层损失的目的，从而改善顶管隧道施工所引起地表沉降问题；另外减小顶管与地层之间的摩擦力，相应也减小了顶管与地层之间的剪切摩擦所引起的地层扰动，进一步改善了顶管隧道施工所引起地表沉降问题；本发明的振动顶管机解决了现有顶管隧道施工的一个技术难题，使顶管隧道施工在高层建筑越来越多的城市施工更加安全。

为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种超大断面顶管隧道施工用振动顶管机，包括顶进装置、载车；所述顶进装置包括振动顶进油缸组件、支撑组件，所述振动顶进油缸组件均布固定设置在支撑组件上；所述顶进装置固定设置在载车上；振动顶管机在工作过程中，由载车带动顶进装置在顶管内移动；

所述振动顶进油缸组件包括振动顶进油缸，振动顶进油缸包括顶进油缸、振动头，顶进油缸上活动设置有油缸柱塞，振动头固定设置在油缸柱塞的外端部；所述顶进油缸远离油缸柱塞侧的端面设置有减震垫；振动顶管机在顶进过程中，振动头产生超音频振动，减震垫用于阻尼衰减振动头产生的超音波振动，防止超音波振动在顶进过程中传递至顶进油缸后端的顶管上；顶进油缸的油缸柱塞推动振动的振动头提供顶进推力。

进一步的，所述振动头包括振动头壳体、振动头尾端盖、振动头前端盖、线圈骨架、线圈、超磁致体、前振动盘、尾振动盘、前碟簧、振动耦合头、后碟簧、振动头连接过渡盘；所述振动头壳体为带法兰的短管状，其法兰端端面设置有沉孔，沉孔内固定设置有振动头尾端盖，振动头尾端盖与振动头壳体接触端面设置有凸圆环；振动头壳体靠近法兰端内圆面上设置有环槽，环槽开口方向与振动头壳体轴线平行，环槽内固定设置有线圈骨架，线圈骨架中间设置有通孔，其外圆面设置有绕线槽，绕线槽内绕制有线圈；所述振动头壳体另一端面固定设置有振动头前端盖，其中间设置有通孔；所述线圈骨架中间通孔中活动设置有短圆柱状超磁致体，其一侧端面固定设置有前振动盘，所述前振动盘为两端面均设置有台阶圆的圆板状，与超磁致体接触端的台阶圆设置在线圈骨架的圆孔中，其对应台阶面与线圈骨架的端面之间设置有间隙，远离超磁致体的台阶面与振动头前端盖之间设置有前碟簧，远离超磁致体的端面固定设置有振动耦合头，振动耦合头为圆板状，其外圆面设置在振动头前端盖的圆孔中，其外侧端面高于振动头前端盖的外侧端面；超磁致体另一侧端面固定设置有尾振动盘，尾振动盘为圆板状，其远离超磁致体的端面设置有两级台阶面，第一级台阶面与振动头壳体的环槽侧壁端面间设置有间隙，第二级台阶面与振动头尾端盖凸圆环的端面之间设置有后碟簧；所述振动头壳体法兰端端面固定连接有振动头连接过渡盘，振动头通过振动头连接过渡盘固定连接在油缸柱塞的外端部；所述后碟簧的刚度大于前碟簧的刚度；所述振动头在工作中的振动部分为前振动盘、超磁致体、后振动盘，其通过前碟簧、后碟簧两个弹性元件与振动头的振动头前端盖、振动头尾端盖、振动头壳体构成弹性支撑连接；振动头在工作时，线圈通过有正弦电流，线圈内产生交变磁场，超磁致体在交变磁场中长度发生变化，由于前碟簧、后碟簧两个弹性元件的刚度不同，结果使振动部分产生轴向位移的振动；因后碟簧的刚度大于前碟簧的刚度，振动部分朝向前碟簧的位移远大于朝向后碟簧的位移；振动部分的能量经振动耦合头传递出去；振动耦合头在非工作状态下其外端面高于振动头前端盖，工作时振动耦合头受到顶管端面压力后退，与振动头前端盖平齐，因此振动耦合头与顶管端面间保持有预压力，此预压力使振动头在工作时振动耦合头与顶管端面间始终保持接触，保证振动头的振动能量顺利传递到顶管上；振动头在工作过程中，振动头连接过渡盘发生轻微振动传递至顶进油缸，顶进油缸远离油缸柱塞侧的端面设置有减震垫，阻尼衰减顶进油缸的振动，防止在顶进过程将振动传递至顶进油缸后端的顶管上。

进一步的，所述振动顶进油缸组件还包括剪式伸缩架，剪式伸缩架包括伸缩架基座、伸缩架驱动油缸、顶进油缸座；所述伸缩架驱动油缸固定设置在伸缩架基座上；顶进油缸座通过连杆、转轴与伸缩架基座活动连接；剪式伸缩架通过顶进油缸座与振动顶进油缸固定连接；剪式伸缩架通过伸缩架基座与支撑组件固定连接；伸缩架驱动油缸用于驱动剪式伸缩架向外伸出。

进一步的，所述支撑组件包括支撑框架、框架连接板、框架补强杆；所述支撑框架为若干槽钢固定连接而成；所述框架补强杆为十字状，固定设置在支撑框架内侧；所述框架连接板固定设置在支撑框架外侧面，用于将多个支撑框架连接成整体。

进一步的，所述载车包括车体，其底部设置有行走机构，上部尾端设置有操作台，操作台前部并列设置有液压系统、振动头驱动电源，振动头驱动电源设置有外接电源插座，用于从外部取电；车体前端设置有通槽，所述顶进装置固定设置在车体上部前端，其中一组振动顶进油缸组件设置在通槽中。

进一步的，所述顶进油缸、伸缩架驱动油缸通过油管与液压系统动力连接，且每个顶进油缸、每个伸缩架驱动油缸均设置有独立的液压操作装置，用于对顶进油缸、伸缩架驱动油缸单独进行操作；所述振动头通过电缆与振动头驱动电源连接，且每个振动头均连接有独立的驱动电源，每个驱动电源输出电流的波形保持相位同步，防止振动头因输出波形相位不同步而产生干扰衰减。

进一步的，所述行走机构为履带式。

进一步的，所述行走机构为轮式。

进一步的。所述行走机构为轨道式。

一种基于超大断面顶管隧道施工用振动顶管机的施工方法，包括顶进前准备、预顶进、施工顶进三个步骤：

s1、顶进前准备：载车带动顶进装置在顶管内移动，移动至预顶进顶管尾部；操作控制液压系统，驱动伸缩架驱动油缸，剪式伸缩架伸出，带动振动顶进油缸设置在预顶进顶管尾部及后部顶管头部之间；操作控制液压系统，油缸柱塞伸出，使振动顶进油缸顶紧在预顶进顶管尾部及后部顶管头部之间，顶紧力为顶进油缸最大输出推力的20%-40%之间；

s2、预顶进：启动振动头驱动电源，振动头产生超音频振动，超音频振动的输出功率为其最大功率的40%-60%之间，时间持续为30-60秒；超音频振动经振动耦合头传递至预顶进顶管，顶管产生沿轴线方向传播的超音频振动，使顶管外壁包裹的注浆层由凝胶体转变为胶状液体，从而使顶管与注浆层之间摩擦力下降。

s3、施工顶进：逐渐加大顶进油缸输出推力至最大推力的70%-90%，顶进油缸推动预顶进顶管向前移动，直至预顶进顶管移动到位。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明公开的一种超大断面顶管隧道施工用振动顶管机，包括顶进装置、载车，顶进装置固定设置在载车上，由载车带动顶进装置在顶管内移动；所述顶进装置设置有振动顶进油缸，其包括顶进油缸、振动头，振动头固定设置在顶进油缸的油缸柱塞端部；振动顶管机在顶进过程中，振动头产生超音频振动，超音频振动传递到顶管上，使顶管与地层之间的摩擦力减小，顶进油缸提供顶进推力，使顶管产生移动；采用本发明的振动顶管机，可大幅度减小顶管与地层之间的摩擦力，因此可改善现有顶管施工工艺，大幅减小顶管外壁与开挖隧道间的间隙，达到大幅降低地层损失的目的，从而改善顶管隧道施工所引起地表沉降问题；另外减小顶管与地层之间的摩擦力，相应也减小了顶管与地层之间的剪切摩擦所引起的地层扰动，进一步改善了顶管隧道施工所引起地表沉降问题；本发明的振动顶管机解决了现有顶管隧道施工的一个技术难题，使顶管隧道施工在高层建筑越来越多的城市施工更加安全。

附图说明

图1为超大断面顶管隧道施工用振动顶管机工作状态图；

图2为超大断面顶管隧道施工用振动顶管机外观示意图；

图3为顶进装置外观示意图；

图4为振动顶进油缸组件外观示意图；

图5为振动顶进油缸外观示意图；

图6为顶进油缸外观示意图；

图7为振动头外观示意图；

图8为振动头剖面示意图；

图9为振动头壳体外观示意图；

图10为剪式伸缩架外观示意图；

图11为支撑组件外观示意图；

图12为载车外观示意图。

图中：1、顶进装置；1.1、振动顶进油缸组件；1.1.1、振动顶进油缸；1.1.1.1、顶进油缸；1.1.1.1.1、油缸柱塞；1.1.1.2、振动头；1.1.1.2.1、振动头壳体；1.1.1.2.2、振动头尾端盖；1.1.1.2.3、振动头前端盖；1.1.1.2.4、线圈骨架；1.1.1.2.5、线圈；1.1.1.2.6、超磁致体；1.1.1.2.7、前振动盘；1.1.1.2.8、尾振动盘；1.1.1.2.9、前碟簧；1.1.1.2.10、振动耦合头；1.1.1.2.11、后碟簧；1.1.1.2.12、振动头连接过渡盘；1.1.2、剪式伸缩架；1.1.2.1、伸缩架基座；1.1.2.2、伸缩架驱动油缸；1.1.2.3、顶进油缸座；1.2、支撑组件；1.2.1、支撑框架；1.2.2、框架连接板；1.2.3、框架补强杆；2、载车；2.1、车体；2.2、行走机构；2.3、操作台；2.4、液压系统；2.5、振动头驱动电源；3、顶管；4、注浆层。

具体实施方式

通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。

一种超大断面顶管隧道施工用振动顶管机，包括顶进装置1、载车2；所述顶进装置1包括四组振动顶进油缸组件1.1、一个支撑组件1.2，所述振动顶进油缸组件1.1通过螺栓固定设置在支撑组件1.2上；所述顶进装置1通过螺栓固定设置在载车2上；振动顶管机在工作过程中，由载车2带动顶进装置1在顶管内移动；

所述振动顶进油缸组件1.1包括振动顶进油缸1.1.1，振动顶进油缸1.1.1包括顶进油缸1.1.1.1、振动头1.1.1.2，顶进油缸1.1.1.1上活动设置有油缸柱塞1.1.1.1.1，振动头1.1.1.2固定设置在油缸柱塞1.1.1.1.1的外端部；所述顶进油缸1.1.1.1远离油缸柱塞1.1.1.1.1侧的端面设置有减震垫；振动顶管机在顶进过程中，振动头1.1.1.2产生振动，由顶进油缸1.1.1.1的油缸柱塞1.1.1.1.1带动振动的振动头1.1.1.2提供顶进动力；

所述振动头1.1.1.2包括振动头壳体1.1.1.2.1、振动头尾端盖1.1.1.2.2、振动头前端盖1.1.1.2.3、线圈骨架1.1.1.2.4、线圈1.1.1.2.5、超磁致体1.1.1.2.6、前振动盘1.1.1.2.7、尾振动盘1.1.1.2.8、前碟簧1.1.1.2.9、振动耦合头1.1.1.2.10、后碟簧1.1.1.2.11、振动头连接过渡盘1.1.1.2.12；所述振动头壳体1.1.1.2.1为带法兰的短管状，其法兰端端面设置有沉孔，沉孔内固定设置有振动头尾端盖1.1.1.2.2，振动头尾端盖1.1.1.2.2右侧端面设置有凸圆环；振动头壳体1.1.1.2.1靠近法兰端内圆面上设置有环槽，环槽开口方向与振动头壳体1.1.1.2.1轴线平行，环槽内固定设置有线圈骨架1.1.1.2.4，其中间设置有通孔，其外圆面设置有绕线槽，绕线槽内绕制有线圈1.1.1.2.5；所述振动头壳体1.1.1.2.1另一端面固定设置有振动头前端盖1.1.1.2.3，其中间设置有通孔；所述线圈骨架1.1.1.2.4中间通孔中活动设置有短圆柱状超磁致体1.1.1.2.6，其一侧端面固定设置有前振动盘1.1.1.2.7，所述前振动盘1.1.1.2.7为两端面均设置有台阶圆的圆板状，与超磁致体1.1.1.2.6接触端的台阶圆设置在线圈骨架1.1.1.2.4的圆孔中，其对应台阶面与线圈骨架1.1.1.2.4的端面之间设置有间隙，远离超磁致体1.1.1.2.6的台阶面与振动头前端盖1.1.1.2.3之间设置有前碟簧1.1.1.2.9，远离超磁致体1.1.1.2.6的端面固定设置有振动耦合头1.1.1.2.10，振动耦合头1.1.1.2.10为圆板状，其外圆面设置在振动头前端盖1.1.1.2.3的圆孔中，其外侧端面高于振动头前端盖1.1.1.2.3的外侧端面；超磁致体1.1.1.2.6另一侧端面固定设置有尾振动盘1.1.1.2.8，尾振动盘1.1.1.2.8为圆板状，其远离超磁致体1.1.1.2.6的端面设置有两级台阶面，第一级台阶面与振动头壳体1.1.1.2.1的环槽侧壁端面间设置有间隙，第二级台阶面与振动头尾端盖1.1.1.2.2凸圆环的端面之间设置有后碟簧1.1.1.2.11；所述振动头壳体1.1.1.2.1法兰端端面固定连接有振动头连接过渡盘1.1.1.2.12，振动头1.1.1.2通过振动头连接过渡盘1.1.1.2.12固定连接在油缸柱塞1.1.1.1.1的外端部；所述后碟簧1.1.1.2.11的刚度大于前碟簧1.1.1.2.9的刚度；

所述振动顶进油缸组件1.1还包括剪式伸缩架1.1.2，其包括伸缩架基座1.1.2.1、伸缩架驱动油缸1.1.2.2、顶进油缸座1.1.2.3；所述伸缩架驱动油缸1.1.2.2固定设置在伸缩架基座1.1.2.1上，顶进油缸座1.1.2.3通过连杆、转轴与伸缩架基座1.1.2.1活动连接；剪式伸缩架1.1.2通过顶进油缸座1.1.2.3与振动顶进油缸1.1.1固定连接；剪式伸缩架1.1.2通过伸缩架基座1.1.2.1与支撑组件1.2固定连接；

所述支撑组件1.2包括支撑框架1.2.1、框架连接板1.2.2、框架补强杆1.2.3；所述支撑框架1.2.1为若干槽钢固定连接而成；所述框架补强杆1.2.3为十字状，固定设置在支撑框架1.2.1内侧；所述框架连接板1.2.2固定设置在支撑框架1.2.1外侧面；

所述载车2包括车体2.1，其底部设置有行走机构2.2，上部尾端设置有操作台2.3，操作台2.3前部并列设置有液压系统2.4、振动头驱动电源2.5，振动头驱动电源2.5设置有外接电源插座；车体2.1前端设置有通槽，所述顶进装置1固定设置在车体2.1上部前端，其中一组振动顶进油缸组件1.1设置在通槽中；

所述顶进油缸1.1.1.1、伸缩架驱动油缸1.1.2.2通过油管与液压系统2.4动力连接，且每个顶进油缸1.1.1.1、每个伸缩架驱动油缸1.1.2.2均设置有独立的液压操作装置；所述振动头1.1.1.2通过电缆与振动头驱动电源2.5连接，且每个振动头1.1.1.2均连接有独立的驱动电源；

所述行走机构2.2为履带式。

一种基于超大断面顶管隧道施工用振动顶管机的施工方法，包括顶进前准备、预顶进、施工顶进三个步骤：

s1、顶进前准备：载车2带动顶进装置1在顶管3内移动，移动至预顶进顶管3尾部；操作控制液压系统2.4，驱动伸缩架驱动油缸1.1.2.2，剪式伸缩架1.1.2伸出，带动振动顶进油缸1.1.1设置在预顶进顶管3尾部及后部顶管3头部之间；操作控制液压系统2.4，油缸柱塞1.1.1.1.1伸出，使振动顶进油缸1.1.1顶紧在预顶进顶管3尾部及后部顶管3头部之间，顶紧力为顶进油缸1.1.1.1最大输出推力的30%；

s2、预顶进：启动振动头驱动电源2.5，振动头1.1.1.2产生超音频振动，振动头1.1.1.2产生超音频振动的输出功率为其最大功率的50%，时间持续60秒；超音频振动经振动耦合头1.1.1.2.10传递至预顶进顶管3，顶管3产生沿轴线方向传播的超音频振动，使顶管3外壁包裹的注浆层4由凝胶体转变为胶状液体，顶管3与注浆层4之间摩擦力下降。

s32、施工顶进：逐渐加大顶进油缸1.1.1.1输出推力至最大推力的80%，顶进油缸1.1.1.1推动预顶进顶管3向前移动，直至预顶进顶管3移动到位。

采用振动顶管机进行超大断面顶管隧道施工，可将现有掘进隧道与顶管间的间隙由40毫米降低至最小10毫米，以直径6米的超大断面顶管隧道施工为例，其地层损失减少约75%，相应的施工中地表沉降也减少了约75%，因此在城市施工中，地表沉降对施工周边的高层建筑的威胁也极大的减轻，提高了超大断面顶管隧道施工在城市施工中的安全性。

本发明未详述部分为现有技术。