一种方涵顶进施工装置、系统及方法与流程

1.本发明涉及岩土工程领域，具体涉及一种方涵顶进施工装置、系统及方法。


背景技术：

2.在综合管廊、电力隧道、雨水箱涵等地下方涵工程的建设中，经常会遇到下穿道路的情景。如果进行开挖施工，不仅影响到人们的出行，而且破坏、恢复道路及相关地下管线的过程，也会造成不小的经济浪费。在施工后的沉降等次生病害也对相关结构存在隐患。
3.目前多采用非开挖技术进行顶进施工，目前非开挖技术的顶管机机头多为圆形，机头前端面与顶进方向垂直，其截面形状难以适应方涵的顶进；对于适应方涵的工艺改进中，采用多个圆形顶管机进行工作区域整合，获取能够适应容纳方涵的涵洞，但是由于截面形状的差异，圆形顶管机形成的涵洞难以适应贴合方涵。另外，在顶进过程中，由于顶部、底部侧向土压力存在差别，尤其对于高度较大的方涵顶进过程中，无法进行区别控制，而导致对应顶推前端顶部或底部的土体容易发生破坏，而使作用里延伸到地面，引起地面的沉降或隆起，损伤地面设施。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种方涵顶进施工装置、系统及方法，通过设置带有斜切面的矩形管状顶推体进行涵洞顶进施工，形成满足方涵需求的矩形涵洞，斜切面能够使得顶推体前端上部和下部所受土压力平衡，保证顶推过程土体的稳定性，减少地面的沉降或隆起。
5.本发明的第一目的是提供一种方涵顶进施工装置，采用以下技术方案：
6.包括呈矩形管状的顶推体，顶推体一端面为相对顶推体轴线呈锐角的斜切面，以作用开挖处形成倾斜掌子面，顶推体另一端面设有开孔挡板，开孔挡板与斜切面之间形成土仓；土仓靠近斜切面的一端安装有多个依次间隔布置的开挖辊。
7.进一步地，所述斜切面所在平面与顶推体工作时的顶部管壁呈锐角。
8.进一步地，所述顶推体垂直于轴线方向的截面呈矩形环状，该截面的外轮廓与待拼装的方涵外轮廓一致。
9.进一步地，所有开挖辊轴线共面布置，且与斜切面共面或平行。
10.进一步地，所述开挖辊外圆周面与斜切面所在平面相交，开挖辊局部外圆周面延伸至土仓外。
11.进一步地，所述开挖辊外圆周面上设置有切削凸起，开挖辊在驱动件作用下绕轴线自转。
12.进一步地，所述开挖辊分别配合有驱动件，以通过调节开挖辊自转状态控制顶推体顶进姿态。
13.通过调整开挖辊在驱动件作用下绕轴线自转的方向，控制箱涵顶进的姿态，即控制顶推体斜切面一端向上或者向下，对顶进可以进行及时的纠偏。
14.进一步地，所述开孔挡板上设有动力轴孔、注浆孔和出土孔，动力轴孔配合有动力轴，动力轴连接位于土仓内的扰动叶片。
15.进一步地，所述土仓内安装有土压力计，注浆孔、出土孔分别连通土仓。
16.本发明的第二目的是提供一种顶进系统，利用如上所述的方涵顶进施工装置。
17.本发明的第三目的是提供一种方涵顶进施工方法，利用如上所述的方涵顶进施工装置，包括以下步骤：
18.顶推体轴向推进，开挖辊对前方掌子面切削并使开挖土体进入土仓内；
19.土仓内的土体经过开孔挡板排出到顶推体后方，使顶推体沿轴向前移在前方形成倾斜掌子面，在后方形成矩形涵洞；
20.在矩形涵洞内安装方涵。
21.与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
22.(1)针对目前方涵顶进施工容易对地面设施产生影响的问题，通过设置带有斜切面的矩形管状顶推体进行涵洞顶进施工，形成满足方涵需求的矩形涵洞，斜切面能够使得顶推体前端上部和下部所受土压力平衡，保证顶推过程土体的稳定性，减少地面的沉降或隆起。
23.(2)对顶推体前端与掌子面的接触位置设置斜切面，使得斜切面上端位于斜切面下端的前方，使斜切面上端先接触开挖掌子面，考虑顶进前方土体沿深度的稳定，提高其顶进稳定性，保护掌子面及其周围土体稳定，减少对顶进对上方地面土体变形的影响。
24.(3)通过开挖辊对前方掌子面土体进行切削开挖，开挖辊的作用面覆盖倾斜掌子面，掌子面形状与顶推体截面形状一致，在顶推开挖后形成适应方涵的矩形涵洞，使后续安装的方涵与方形涵洞相吻合，保证其贴合稳定性。
25.(4)多根开挖辊依次布置覆盖开挖面，并使开挖辊的作用区域凸出于斜切面位置，能够绕轴线自转的开挖辊带动切削凸块先接触土体进行开挖，减少顶进阻力并提高顶进速度，从而提高施工效率。
26.(5)顶推体内部形成土压平衡仓，土体经开挖辊切削进入土仓内经过注浆后形成便于输出的土质，经由出土孔排出到顶推体外部，从而完成前方开挖区域土体的排出。
27.(6)顶推体与待拼装的方涵外轮廓一致，顶推体在顶进过程中从后方形成方形涵洞，同时，在方涵随之顶进的过程中，顶推体在断面方向上完全覆盖方涵，减少方涵顶进时的阻力，提高施工效率，并减少对上方土体的影响。
附图说明
28.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
29.图1为本发明实施例1或2或3中方涵顶进施工装置的示意图；
30.图2为本发明实施例1或2或3中斜切面与开挖辊的示意图；
31.图3为本发明实施例1或2或3中方涵顶进施工装置工作时的示意图；
32.图4为本发明实施例1或2或3中顶进施工过程中的力学分析示意图；
33.图5为本发明实施例1或2或3中矩形涵洞受力的示意图。
34.图中，1.顶推体，2.开孔挡板，3.驱动件，4.开挖辊，5.土压力计，6.扰动叶片，7.注
浆孔，8.出土孔，9.方涵。
具体实施方式
35.实施例1
36.本发明的一个典型实施例中，如图1-图5所示，给出一种方涵顶进施工装置。
37.如图1-图2所示，本发明实施例提供的方涵顶进施工装置，适用于地下方涵工程的建设中，配置带有斜切面的矩形管状顶推体1，并利用此顶推体1进行涵洞顶进施工，在顶进后能够形成满足方涵9需求的矩形涵洞，斜切面能够使得顶推体1前端上部和下部所受土压力平衡，保证顶推过程土体的稳定性，减少地面的沉降或隆起。
38.如图1所示，方涵顶进施工装置主要包括顶推体1、开孔挡板2和开挖辊4。其中，顶推体1优选为上述提到的、如图1和图2中所示的矩形管状结构；开孔挡板2安装于顶推体1的一端并将顶推体1一端进行封堵，依据顶推体1的工作状态，开孔挡板2位于顶推体1轴向后端，该开孔挡板2上设置的孔能够配合功能元件实现相应的功能，比如实现注浆、排出土体、安装动力轴等。开挖辊4安装于顶推体1远离开孔挡板2的一端，依据顶推体1的工作状态，开挖辊4位于顶推体1轴向的前端，优先接触掌子面，并对掌子面进行切削开挖，将切削后的土体输入到顶推体1内，达到开挖土体使顶推体1向前顶进的目的。
39.为了解决传统顶推过程中存在的阻力较大和产生隆起或下陷破坏地面上设施的问题，通过平衡顶推过程中顶推作业结构上部对应土体和下部对应土体的土压力来实现。
40.对此平衡过程，如图3所示，根据莫尔库伦强度理论，当土单元体发生剪切破坏时，即破坏面上的剪应力达到其最大抗剪强度时，该土体达到了极限平衡状态。在顶管工程中，取顶进方向一个土体单元进行分析。在初始状态时，其上方土体的重力方向为主应力方向，可以定义为σ1，其周围侧向土压力是由σ1产生的侧向土压力，乘以侧向土压力系数为σ2，随着方涵9顶进，在进入某一区间后，沿顶进方向的侧向土压力开始减小，变为σ3，随着进一步顶进，σ3进一步减小，当存在σ3小到一定程度时，即达到了土的极限平衡状态，即此时该土体的莫尔应力圆正切与土的抗剪强度包线，此时：
[0041][0042]
结合图4所示，此时，土的破坏面与水平面的夹角为
[0043]
而对于暗挖工程来说，如图5所示，顶进工程的顶部和底部由于σ1不同(理论计算值分别为σ
11
＝rh和σ
12
＝r(h+δh))，因此土体到达极限平衡状态时的σ3也是不同的(σ
31
≠σ
32
)，但是传统的土压平衡顶管机顶进时，其顶进力顶部和底部是一样的(σ
31
＝σ
32
)，无法对于这种区分做到差别调整，因此土压平衡顶管机顶存在一定的沉降或隆起风险。
[0044]
在本实施例中，正是针对上述问题对顶推体1接触掌子面的前端进行设置，顶推体1工作时处于轴向前端的端面为斜切面，斜切面与顶推体1的轴线呈锐角设置，斜切面结合开挖辊4对掌子面共同作用，形成倾斜掌子面，掌子面与所形成矩形涵洞的底面呈钝角。
[0045]
可以理解的是，上述的斜切面倾斜设置，并使斜切面所在的平面与顶推体1工作时的顶部管壁呈锐角，实现斜切面上端位于斜切面下端的前方，使斜切面上端先接触开挖掌子面，考虑顶进前方土体沿深度的稳定，提高其顶进稳定性，保护掌子面及其周围土体稳定，减少对顶进对上方地面土体变形的影响。
[0046]
如图1所示，在本实施例中，以顶推体1轴向水平进行顶进工作时的状态为例，此时顶推体1的顶面和底面均处于水平状态，斜切面位于顶推体1的顶面与底面之间，在此状态下：
[0047]
顶推体1的顶面与斜切面的夹角
[0048]
结合图3，此时密封压力设为σ3，对于土体单元a，其所受土体压力为σ3,对于土体单元b，其所受土压力为σ3+δσ(单元b左侧土体产生侧向土压力)，此时对于土体单元a、土体单元b均为安全状态。
[0049]
如图1和图2所示，顶推体1在垂直于轴线方向的截面呈矩形环状，形成矩形环状截面的区域不包括斜切面对应的顶推体1区域，斜切面对应区域在垂直与轴线方向的截面呈开口朝下的凹字形，以对应相对于顶推体1轴线倾斜设置的斜切面。
[0050]
顶推体1前端维持开挖区域上部和下部土压力平衡的同时，顶推体1接触掌子面的位置还通过安装开挖辊4进行土体切削开挖。
[0051]
具体的，开孔挡板2与斜切面之间的顶推体1内腔形成土仓，能够容纳由顶推体1前端进入的土体，土仓靠近斜切面的一端安装有多个依次间隔布置的开挖辊4；如图1和图2所示，开挖辊4轴线共面布置，为了适应斜切面走向以及满足形成倾斜掌子面的需求，所有开挖辊4的轴线与斜切面共面或平行分布。
[0052]
在开挖辊4轴线与斜切面共面分布时，开挖辊4一半位于土仓内，一半位于土仓外并朝向掌子面，通过转动开挖掌子面土体并在推动力作用下将土体推入土仓中，以便于后续将土仓内的土体排出到涵洞外部。
[0053]
可以理解的是，在开挖辊4轴线与斜切面平行布置时，为了满足开挖土体和使土体进入土仓的需求，开挖辊4外圆周面与斜切面所在平面相交，开挖辊4局部外圆周面延伸至土仓外。处于土仓外的开挖辊4外圆周面能够对掌子面土体进行切削作用，实现土体的开挖，土体随着开挖辊4的转动被送入土仓内。
[0054]
开挖辊4在工作过程中需要与顶进速度相适应，为了满足开挖辊4开挖土体的效率需求，在开挖辊4外圆周面上设置有切削凸起，开挖辊4在驱动件3作用下绕轴线自转，每个开挖辊4均可以单独运动，也可以所有开挖辊4同时运动，所有的开挖辊4转动时，在开挖辊4与掌子面土体的接触位置形成切削面，减小顶进阻力，保证顶进过程中土体的开挖效率。
[0055]
所述的驱动件3可以选用液压马达，也可以采用电动机配合减速器的结构，在其他实施例中，可以根据需求选择所需的转矩输出元件，并连接开挖辊4。
[0056]
需要指出的是，开挖辊4布置时可以将其与相邻开挖辊4轴线等间隔、平行布置，也可以将相邻开挖辊4的轴线设置为呈夹角布置。对于相邻开挖辊4成夹角布置时，在相邻开挖辊4之间形成两端宽度不等的梯形通道，相同状态的梯形通道依次间隔布置，相邻的梯形通道同一端对应的宽度不等，相异端对应的宽度相等。
[0057]
通过形成特殊分布梯形通告供土体经过，提高开挖辊4之间的通过性，避免了等间隔平行布置开挖辊4时，大体积土块被卡在相邻开挖辊4之间无法通过的问题，每个梯形通道两端的宽度不等，使得大体积凸块能够在开挖辊4作用下逐渐移动到大宽度一端，从而从梯形通道的大宽度一端进入土仓内。
[0058]
需要指出的是，对每个开挖辊分别设置对应的驱动件，能够对每个开挖辊的工作状态进行调节；通过调节开挖辊不仅能够对开挖速度进行改变，还能够通过调控开挖辊的
方向、速度差和工作时间来实现斜切面不同的受力状态，从而控制顶推体的顶进姿态。
[0059]
通过调整开挖辊在驱动件作用下绕轴线自转的方向，控制箱涵顶进的姿态，即控制顶推体斜切面一端向上或者向下，既可以主动调节箱涵走向，又能够对顶进进行及时的纠偏。
[0060]
如图1所示，对于土仓内的配套元件，开孔挡板2上设有动力轴孔、注浆孔7和出土孔8，土仓内安装有土压力计5，注浆孔7、出土孔8分别连通土仓；动力轴孔配合有动力轴，动力轴连接位于土仓内的扰动叶片6，对进入土仓的土体进行扰动；注浆孔7能够配合外部浆液供应设备，从而将浆液输入到土仓内，提高土仓内土体的流动性，便于从出土孔8输出，并能够维持土仓内压力，实现土压平衡；出土孔8用于配合外部输送设备，比如螺旋输送机等，能够将土仓内的土体输出到土仓外，并排出涵洞。
[0061]
顶推体1内部形成土压平衡仓，土体经开挖辊4切削进入土仓内经过注浆后形成便于输出的土质，经由出土孔8排出到顶推体1外部，从而完成前方开挖区域土体的排出。
[0062]
实施例2
[0063]
本发明的另一个实施例中，如图1-图5所示，给出一种顶进系统。
[0064]
顶进系统利用如实施例1中所述的方涵顶进施工装置，顶进系统的顶进主体连接方涵顶进施工装置。
[0065]
可以理解的是，参照实施例1，顶进系统还包括顶推机构、浆液供应设备、输送设备，注浆孔7配合浆液供应设备，从而将浆液输入到土仓内；出土孔8用于配合输送设备，能够将土仓内的土体输出到土仓外，在本实施例中，所述输送设备可以选用螺旋输送机等。
[0066]
顶进系统还能够带动方涵9抵接顶推体1，并通过方涵9将顶推力施加于顶推体1，使得顶推体1沿工作方向前进。
[0067]
可以理解的是，对应开挖辊4的驱动件3，可以将驱动件3的动力源布置在顶进系统的顶进主体内。
[0068]
对于顶进系统的其他组成部分，可以采用现有的顶进设备组成部分，依据需求进行适应性调节满足施工需求即可。
[0069]
顶推体1与待拼装的方涵9外轮廓一致，顶推体1在顶进过程中从后方形成方形涵洞，同时，在方涵9随之顶进的过程中，顶推体1在断面方向上完全覆盖方涵9，减少方涵9顶进时的阻力，提高施工效率，并减少对上方土体的影响。
[0070]
实施例3
[0071]
本发明的另一个实施例中，如图1-图5所示，给出一种方涵顶进施工方法。
[0072]
方涵顶进施工方法利用如实施例1中所述的方涵顶进施工装置，并采用以下步骤：
[0073]
顶推体1轴向推进，开挖辊4对前方掌子面切削并使开挖土体进入土仓内；
[0074]
土仓内的土体经过开孔挡板2排出到顶推体1后方，使顶推体1沿轴向前移在前方形成倾斜掌子面，在后方形成矩形涵洞；
[0075]
在矩形涵洞内安装方涵9，多节方涵9沿轴向依次抵接形成所需的地下方涵工程。
[0076]
依据现场施工条件并结合实施例1对方涵9顶进施工方法进行适应性调整，减小施工过程中发生地面发生沉降或隆起的问题，提高施工安全性并保护地面设施。
[0077]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。