一种曲线穿越富水破碎地层的长距离顶管装置及施工方法与流程

1.本发明涉及地下管路技术领域，具体涉及一种曲线穿越富水破碎地层的长距离顶管装置及施工方法。


背景技术：

2.在地下管路的埋设过程中，通常采用顶管装置进行开挖，当遇到砂层带或与地勘报告有区别时，这就使得顶管装置在顶进过程中不断有砂被管道带走，且当岩石为强风化时，岩石形成不完整存在裂隙，结构疏松容易脱落，存在对管道的安全隐患。
3.此时顶管装置机头处的管节下方淤积泥土、砂石、顶管碎渣，在管道底部混合板结抬高管节，致使管道上部紧贴上方岩壁存在磕壁现象，管道下方可能存在岩渣卡管现象，顶管装置机身处的管节部分管节一侧偏岩壁，管道下方存在顶管碎渣卡管，且管部分管壁另一侧岩壁局部存在磕管现象，管道下方存在顶管碎渣卡管，顶管装置机尾处的管节在顶管压力增大的原因下，管道与岩壁之间存在大量泥沙和地下水。
4.在砂石和碎渣的作用下，需要对顶管装置的刀具进行经常性更换，通常硬岩段平均约20m换刀一次，每次换刀几乎整盘面板12把滚刀一次性全部更换，部分周边刮刀也更换数次，硬岩强度不一致刀具更换类型、频率比较高，始终达不到刀具正常功效，使用效率极低，费用高。
5.同时顶管竖向下行曲线中存在液态膨润土泥浆流向机头一侧，进入泥浆仓中，排渣时泥浆顺排渣管抽走，流失严重，很难形成有效泥浆套，管道不可能产生悬浮状态，容易擦着管道周边岩石表面，增大摩阻力；其二泥浆流失后管道外壁石渣、石屑和砂杂质极容易堆积造成卡管现象。
6.当继续采用现有设备继续顶管操作时，存在以下技术难题：1、管道外水压增大造成清渣和换刀难度加大；2、现有管道线性对管道造成影响，管道会出现折点，降低管道安全性；3、带压换刀风险性大、4、滚刀锁扣加固现采用焊接方式，带压换刀严禁动火，更改加固方式；5、后期顶管触变泥浆流失更加严重，施工风险大，单顶成功可能性比较渺茫。
7.而采用沉管法和顶管的方式进行顶管操作时，存在以下技术难题：1.现有顶管不知最终顶进里程如何，如果顶管装置还在岩石中，沉管作业需要在岩石中开槽，施工难度极大；2.沉管与现有顶管管道对接方案施工难度比较大，两根管道如何连接，目前没有成功案列可查询；3.沉管作业遇到涨潮、落潮时河水流速比较急，会给施工作业带来不利麻烦和难度；4.沉管作业水下开槽，砂层中挖沟范围比较大，影响面比较广，潜水作业风险比较高。水上水下作业施工难度比较大，涉及海事部门相关手续申报繁多，工期比较长，沉管施工需要停止水面船只通航，报备手续难度极大，等待停航通知比较漫长，工期不可控，后期变更涉及面比较大，财审流程完成后确定价格才能够实施。
8.采用盾构法的方式进行顶管操作时，存在以下技术难题：1.工作井内径尺寸是否可以满足现有小直径盾构机设备安装；2.盾构换刀也会遇到带压换刀问题；3.接收井进洞口需要重新开凿，安装洞帘止水；4.盾构设备遇到河床砂层承载力低，设备是否会出现“磕
头”现象。费用比较昂贵，变更流程比较繁琐，价格需要财审确认后实施，变更时间太长工期不可控。
9.同时当通过现有技术的方式进行作业中，当前方土层出现复杂情况时，如顶进过程中遇到掌子面岩石强度不均，顶进姿态难以控制，造成顶进线性控制偏差比较大，局部线性存在水平“s”弯，可能造成管道擦到岩壁造成顶力增大等一系列技术难题。


技术实现要素：

10.本发明是为了克服上述现有技术中的缺陷，提供一种安全可靠，稳定性好，精确度高的曲线穿越富水破碎地层的长距离顶管装置及施工方法。
11.为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种曲线穿越富水破碎地层的长距离顶管装置，包括相连接的机头、机身和机尾，机头包括分隔设置的泥水混合舱和动力舱，且泥水混合舱端部设有与动力舱相连接的破碎系统；所述泥水混合舱和动力舱之间形成有人孔通道；所述动力舱内设有若干纠偏千斤顶，机身内设有驱动电机和与纠偏千斤顶相适配的纠偏油缸；所述机身内设有电气柜和第一气压舱门，电气柜与纠偏油缸和驱动电机电性连接；所述机身和机尾外壁上形成有盾尾刷，且机尾内还设有止转油缸和第二气压舱门；所述机身和机尾内均设有铰接千斤顶；所述机头、机身和机尾两两连接处焊接有插销和密封圈。
12.作为本发明的一种优选方案，所述机身内还设有减速器，减速器位于驱动电机与破碎系统之间，且机身与机尾连接处设有气囊状止水圈，机头外壁上设有滑雪板和外圈环。
13.作为本发明的一种优选方案，所述动力舱内设有4个纠偏千斤顶，4个纠偏千斤顶阵列排布。
14.作为本发明的一种优选方案，所述第一气压舱门内为工作舱，第二气压舱门内为应急舱，应急舱内放置有应急气囊。
15.作为本发明的一种优选方案，所述泥水混合舱包括相连接的破碎仓和泥水仓，破碎仓和泥水仓之间设有相连通的进料管，且泥水仓上设有排泥管。
16.作为本发明的一种优选方案，所述破碎系统包括破碎刀盘和二次破碎装置。
17.一种曲线穿越富水破碎地层的长距离顶管装置的施工方法，包括以下步骤：步骤a:根据实际情况和设计图纸确定顶管路线，从而确定顶管装置的线型调整图；步骤b：对顶管装置进行组装，并实施作业，在顶管装置后方布置转向节，后序每间隔160m放置一个，转向节之间设置中继间；步骤c:顶管装置采用触变泥浆减阻的方式进行顶进，采用螺杆压浆泵，在顶管装置的顶进过程中进行同步注浆；步骤d:操作人员通过机外操纵台来操纵和控制顶管装置的所有动作。。
18.作为本发明的一种优选方案，采用自动化测量结合人工测量来对顶管装置的路线进行共同复核，确保顶管装置的线型方位偏差不大于2cm，发生偏差时，顺应趋势钢管缓慢纠偏。
19.作为本发明的一种优选方案，当需要对原线型管道处理时，采用拔管回退处理，拔管的同时，采用强度不低于c25mpa的商品砼进行填充。
20.作为本发明的一种优选方案，当顶管装置进入砂层或淤泥层之前，在顶管装置后端放置铅块配重。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：对先前顶管有充足认知，后期施工有经验借鉴，顶管设备、管道上后期考虑上措施有针对性、方向性，可以重新调整设计曲线线性，可以减小顶管风险，成功率提高，保浆、清渣问题得以解决。
附图说明
22.图1是顶管装置的内部示意图；图2是盾尾刷的安装示意图；图3是顶管装置的结构示意图；图4是图3中a处的局部放大图；图5是破碎刀盘的结构示意图；图6是二次破碎装置的结构示意图；图7是图6中b处的局部放大图；图8是纠偏千斤顶的结构示意图；图9是机身与机尾的连接示意图；图10是图9中c处的局部放大图；图11是滑雪板和外圈环的安装示意图；图12是纠偏千斤顶的纠偏示意图；附图标记：机头1，破碎仓1-1，泥水仓1-2，进料管1-3，排泥管1-4，滑雪板1-6，外圈环1-7，机身2，机尾3，盾尾刷4，破碎刀盘5，二次破碎装置6，纠偏千斤顶7，驱动电机8，减速器9，电气柜10，纠偏油缸11，铰接千斤顶12，第一气压舱门13，第二气压舱门14，应急气囊15，止转油缸16，气囊状止水圈17，人孔通道18，外供水通道19。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明实施例作详细说明。
24.如图1-12所示，一种曲线穿越富水破碎地层的长距离顶管装置，包括相连接的机头1、机身2和机尾3，所述机头1包括分隔设置的泥水混合舱和动力舱，且泥水混合舱端部设有与动力舱相连接的破碎系统；所述泥水混合舱和动力舱之间形成有人孔通道18；所述动力舱内设有若干纠偏千斤顶7，机身2内设有驱动电机8和与纠偏千斤顶7相适配的纠偏油缸11；所述机身2内设有电气柜10和第一气压舱门13，电气柜10与纠偏油缸11和驱动电机8电性连接；所述机身2和机尾3外壁上形成有盾尾刷4，且机尾3内还设有止转油缸16和第二气压舱门14；所述机身2和机尾3内均设有铰接千斤顶12；所述机头1、机身2和机尾3两两连接处焊接有插销和密封圈，插销有效地防止前、中、尾壳体的相对偏转。
25.电气柜10和纠偏油缸11安装在机身2内，机身2的左边是电气柜10，右边的机身2内设有纠偏油缸11，操作人员通过机外操纵台来操纵和控制顶管装置的所有动作，在操纵台的立面板上有一只机内状态显示器和一只数字显示的倾斜仪表，能够清楚地反映出顶管装置的工作情况，以及顶管装置在顶进过程中所处的水平方向的姿态，以便于判断高程纠偏的效果和顶管装置的趋势。
26.纠偏油缸11行程的按最大纠偏角度2度算，纠偏油缸11的行程约为120mm。考虑到顶管装置全断面的土压力测量，需先将纠偏油缸11伸出一小段，形成油垫，这时，顶管机在推进时，油垫受压，从而测量出顶管机全断面的土压力。即，纠偏油缸11的总行程为90mm+30mm=120mm。另外，在更换刀具时，可将30mm的油垫回缩到底，这样可方便换刀。
27.壳体铰接的3道密封圈之间需设计有注润滑脂的油孔，以确保密封的可靠，应急时可压注止漏密封油脂，密封条处设置有润滑脂加注嘴，每道密封条环向设有6只。每班加注一次硅离子油，保证橡胶圈的润滑，减小磨损。万一橡胶圈磨损导致止水失效，可以在加注嘴加注聚氨酯应急止水。
28.顶管装置设置为4段3铰接，纠偏角度不大于3度，纠偏角不能过大，因为纠偏角过大，会造成线型过于急转，后续钢管无法平顺通过，其中机身2包括相连接的两段。
29.止转油缸16行程100mm，顶力4
×
1000kn。硬岩顶进中伸展止转油缸16支撑至岩石面，可以防止机头1偏转，防止开挖直径加大后在开挖过程中机头1抖动，有利于顶进过程中的姿态控制。
30.人孔通道18直径为600mm，便于进仓换刀。
31.机身2和机尾3外壁上形成有两道盾尾刷4，盾尾刷4其一作用是防止掌子面的岩渣大量倒灌进入钢管外壁，造成钢管外壁集渣，形成岩渣卡管、抱管现象；其二双道盾尾刷4之间注入盾尾油脂可以起到管外触变泥浆液保浆作用，到达更有效减阻效果，顶管装置上安装盾尾刷4较为成熟的方法只能焊接在机身2和机尾3外侧，作为一次性使用，盾尾刷4中间增加4个1寸冲水阀门，2个2寸泄水阀门。
32.其中岩层段采用天然钠基膨润土减阻泥浆，通过盾尾刷4有效保护泥浆流失，每次换刀前机头1后方注入盾尾油脂形成封闭止水环；进入砂层后，调配泥浆浓度。
33.机身2内还设有减速器9，减速器9位于驱动电机8与破碎系统之间，且机身2与机尾3连接处设有气囊状止水圈17，机头1外壁上设有滑雪板1-6和外圈环1-7，破碎系统由6台行星减速器9带动，驱动电机8为22kw-4级6台。
34.当顶管装置还处于岩层中换刀时，我方考虑不加气压进行换刀作业。在尾部壳体前端位置布设厚度70mm，宽度40mm外撑式气囊状橡胶止水圈17两道，止住机头后方管壁外地下水，从而使作业人员顺利进入刀盘后方进行换刀作业。
35.顶管装置前壳体的端部设计一道外圈环1-7、下方120度方向设有滑雪板1-6，其作用有2点：一是可防止碎渣倒灌，因为碎渣会填满空隙将顶管机卡死，从而使顶管无法推进；二是由于岩石刀盘的切削外径比壳体外径大的多，此外圈环可有利于顶管机的姿态的控制。
36.顶管装置在硬岩段顶进过程中，采用外循环，即进水是由机头外壳体（机头前壳体段设置3个外插脚的进水口）与岩体间的建筑空隙进入破碎仓1-1再到泥水仓1-2。在软土层中顶进改成常规内循环。
37.管壁外侧集渣处理主要通过机头1的特殊设计来消除管外壁集渣，具体设计措施为盾尾刷4、改变滑雪板1-6厚度、采用机头1外供水、增大刀盘开口率等系列措施，防止管壁集渣现象。
38.动力舱内设有4个纠偏千斤顶7，4个纠偏千斤顶7阵列排布。
39.第一气压舱门13内为工作舱，第二气压舱门14内为应急舱，应急舱内放置有应急
气囊15，应急气囊15包括2道充气气囊，1道为常用气囊用于更换刀具，1道为备用气囊，用于更换常用气囊。
40.工作舱与机头1内腔相连通，可通过第一气压舱门13进入工作腔，并进入机头1处进行换刀操作，当前方遇到砂层时，最后一次换刀计划在距离砂层约25m处，后序具体换刀位置根据岩层后段顶进每次换刀长度确定。
41.工作人员带好准备检修的工具和设备进入应急加压舱，关闭第一道气压舱门13，打开第二道舱门14将工作舱与应急舱相通；打开应急气囊15缓慢加入经过净化的压缩空气，按照每分钟加压0.05公斤的进气速加压至4公斤气压停止供气。然后打开顶管装置破碎仓1-1与工作舱之间的平衡气阀，待顶管装置破碎仓1-1内的气压与工作舱的气压一致后，工作人员就可打开破碎仓1-1进行换刀作业每个加压班组4人，2人在破碎仓1-1进行换刀作业，留一人在工作舱内应急接应。同时在常压管道人孔舱门外边留一个工作人员，通过玻璃观察孔观察工作舱内作业情况，并且每间隔10分钟保持通话一次。舱内加压工作人员加压时间控制在三小时以内，采用轮班作业制度。
42.泥水混合舱包括相连接的破碎仓1-1和泥水仓1-2，破碎仓1-1和泥水仓1-2之间设有相连通的进料管1-3，且泥水仓1-2上设有排泥管1-4。
43.破碎系统包括破碎刀盘5和二次破碎装置6，破碎刀盘5上的刀具为十字结构，并选用14寸滚刀，节距70mm，提高周边刀具切削能力和耐磨性。
44.初次破碎是由破碎刀盘5正面的切削刀具完成，二次破碎是在二次破碎装置6内由刀盘牛腿与外壳锥体及破碎钢条完成，破碎后的碎渣通过进泥渣孔进入泥水仓后再由输送管道排出。
45.机头1外壁上形成有外供水通道19和排泥管，排泥管与泥水仓1-2相连通，通过外供水通道19将水注入机头1外壁，经过掌子面进入泥水仓1-2，将石渣通过排泥管携渣进入地面泥浆池，可以有效减少返渣，机头1设计1.5寸进水管12处，使破碎系统切削带下的沉渣大部分可以不流向后方而是回流至泥水仓1-2由排泥管带出。
46.一种曲线穿越富水破碎地层的长距离顶管装置的施工方法，包括以下步骤：步骤a:根据实际情况和设计图纸确定顶管路线，从而确定顶管装置的线型调整图。
47.步骤b：对顶管装置进行组装，并实施作业，在顶管装置后方布置转向节，后序每间隔160m放置一个，转向节之间设置中继间。
48.中继间设计时考虑限位装置和可维修性，在顶进时通过中继间油缸总体外伸5cm受力并经限位装置限位，已此保护中继间有效传力和不受损坏，中继间采用二段一铰可伸缩的套筒承插式钢结构件，由于是曲线顶管，中继间密封采用机壳形式的y型密封3条，此种结构即可以来回伸缩使用且可以达到曲线要求，在密封配合面应经过立车的精加工，并经过抛光处理，涂抹润滑脂。若在顶管过程中出现局部漏浆现象，也可以在端面设置一道盘根和法兰止水的应急措施。
49.步骤c:顶管装置采用触变泥浆减阻的方式进行顶进，采用螺杆压浆泵，在顶管装置的顶进过程中进行同步注浆。
50.长距离顶管施工中减阻措施尤为重要，要把管子表面的综合摩擦阻力必须控制在0.4 t/m2以下，除了选择好管子表面的防腐材料以外，提高注浆效果这也是重要的一环。
51.采用天然钠基膨润土，再经过严格的烘干、粉碎、干燥、球磨、过筛等加工艺，加工成半成品。然后，再根据不同的使用要求，添加各种辅助材料。
52.工具管尾部跟踪压浆速率控制在0.06～0.08 m
³
/s左右，注浆压力0.33mpa，在管道顶进过程中后续每节管节设置补浆孔进行补浆，除工具管头部压浆孔外另外每间隔7.2米设置一道补浆孔，每道6个孔成60
°
分部。补浆速率0.06m
³
/s每道补压浆时长20秒，补浆压力0.35mpa。每班补浆两次，严格按照配合比配制触变泥浆，以保证泥浆的触变性及稳定性，起到真正的减阻、护壁的作用，泥浆拌制好后应静止24小时方可使用，压浆时应随时观察出浆情况。在顶进过程中应遵守同步注浆原则，重新顶进前应先出浆后顶进的原则，以防止土体塌方，并破坏泥浆护套的整体连续性，并做好压浆记录。压浆压力应大于地下水土压力。
53.拌制减阻泥浆要严格按操作规程进行，催化剂、化学添加剂等要搅拌均匀，使之均匀地化开，膨润土加入后要充分搅拌，使其充分水化顶进施工中，减阻泥浆的用量主要取决于管道周围空隙的大小及周围土层的特性，由于泥浆的流失及地下水等的作用，泥浆的实际用量要比理论用量大得多，一般可达到理论值的4～5倍，但施工中还需根据土质情况、顶进状况及地面沉降的要求等做适当的调整。泥浆拌好后，应放置一定的时间才能使用。通过储浆池处的压浆泵将泥浆压至管道内的总管，然后经压浆孔压至管壁外。
54.施工中，在压浆泵、工具管尾部等处均装有压力表，便于观察，从而控制和调整压浆的压力。顶进施工中，减阻泥浆的用量主要取决于管道周围空隙的大小及周围土层的特性，由于泥浆的流失及地下水等的作用，泥浆的实际用量要比理论用量大得多，一般可达到理论值的4～5倍，在施工中还需根据土质情况、顶进状况及地面沉降的要求等做适当的调整。
55.减阻泥浆的控制参数表减阻泥浆配合比表(kg/m3)名称膨润土水纯碱cmc备注数据1308704.54 步骤d:操作人员通过机外操纵台来操纵和控制顶管装置的所有动作。
56.采用自动化测量结合人工测量来对顶管装置的路线进行共同复核，确保顶管装置的线型方位偏差不大于2cm，发生偏差时，顺应趋势钢管缓慢纠偏。
57.人工测量精度靠每日顶进时人工测量次数4次，也能满足曲线顶管顶进线型控制精度要求；前提是对设定好的线型放大和表格化处理，打印放在操作室，每次测量数据情况直接画出与设定好的线型、数据对比，做到实时纠偏。
58.自动化测量系统由两大部分组成，其一是安装在前壳体上的测量靶，其二是安装
在前壳体内的倾斜仪、压力表。由全自动测量仪的激光束照在测量靶上，可用它来判断顶管掘进机的方向，高低偏差及纠偏的效果。倾斜仪也是用来判断前壳体的水平姿态、仰俯状态及偏转的。倾斜仪的显示在操纵台上，显示器上有两排数值，上面一排表示上仰 、下俯，下面一排表示左、右偏转，如果成正值，则表示前机壳处于上仰状态及向右偏转状态，如果是0，则表示前机壳处于水平状态。如果是负值，则表示前机壳处于俯冲状态及向左偏转状态。需要加以说明的是，有时因运输或其它原因会造成它的显示误差，所以，每当顶管掘进机放在基坑导轨上时，其倾斜仪的读数是个很重要的原始读数，必须把它记录在案，以便在今后顶进过程中进行分析、比较。
59.当需要对原线型管道处理时，采用拔管回退处理，拔管的同时，采用强度不低于c25mpa的商品砼进行填充。
60.拔管至全风化岩层和土层，此时拔管空腔无法自稳，采取水灰比1:0.6的水泥浆压浆填充，水泥材料采用p.o.425，拔出的管长度为7.2m一根，经返厂坡口处理和外防腐修复后，可以重复利用，剩余的管道和顶管装置留在地层中，可将顶管装置内部的电机、油缸、控制柜、管线等设备进行拆除回收。
61.当顶管装置进入砂层或淤泥层之前，为了防止顶管装置上浮，在顶管装置后端放置铅块配重，一旦发现顶管装置纠偏灵敏度不高，机头有上浮趋势，马上停止顶进，将预备好的铅块搬运至机头最前端对机头施加配重。配重块码放好以后，重新开始顶进，此时要降低顶进速度，配重配合纠偏措施确保顶进方向精准可控。
62.如果施加配重以后，顶管装置任然有上浮趋势，此时应该停止顶进，采取以下三项措施防止机头继续上浮：1、在江面精准定位顶管装置位置以后，利用水上钻机对顶管装置上方砂层进行打孔注浆加固，对砂层进行固结，增强砂层承载力。2、在顶管装置内安装打土泵，从机头上方的注浆孔往外压注浓泥，利用机头下方的注浆孔往外排砂，注意控制排砂量。3、利用冷冻技术将顶管装置前方砂层冻结，增强整个砂层的整体性和承载力。
63.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
64.尽管本文较多地使用了图中附图标记：机头1，破碎仓1-1，泥水仓1-2，进料管1-3，排泥管1-4，滑雪板1-6，外圈环1-7，机身2，机尾3，盾尾刷4，破碎刀盘5，二次破碎装置6，纠偏千斤顶7，驱动电机8，减速器9，电气柜10，纠偏油缸11，铰接千斤顶12，第一气压舱门13，第二气压舱门14，应急气囊15，止转油缸16，气囊状止水圈17，人孔通道18，外供水通道19等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。