轴对称应力条件下顶管泥浆减阻装置的制作方法

1.本发明属于地下管道施工技术领域，具体涉及一种轴对称应力条件下顶管泥浆减阻装置。


背景技术：

2.顶管施工是借助于主顶油泵等顶进设备的推力，将工具管或掘进机从工作井穿过沿线土层进入接收井；与此同时，将紧随其后的管道依次连接并埋设到这两个井的管线土层中的敷设地下管道的施工方法。
3.在顶管顶进中，沿线管道所受的阻力将会随顶进长度的增加而增大(主要是摩擦力增大)，在正压力不变的情况下，摩擦系数是其主要影响因素，因此，要降低阻力就要减小摩擦系数的值。故施工过程中，会通过管道上预留的注浆孔向管道的外表面注入触变泥浆，触变泥浆的基本成分是膨润土和水，利用触变泥浆来降低摩擦系数。当管道与围岩间的泥浆数量足够且失水量较小时，能在土壁上形成一层薄而致密的泥皮，可保护土壁和防止泥浆流失，完整的泥皮包裹在管道外表面，即为泥浆套。
4.要保证顶进不出现偏离，必须保证管道外侧所受的应力为轴对称应力(摩擦力)，即泥浆套需要保持完整。但是在顶进的过程中，管道所处的地质环境并不是均匀的，例如管道的一侧为沙土另一侧可能含有碎石，这些不均匀的地质会导致管道某一侧的泥浆套的局部被损坏，从而破坏了管道所受的轴对称摩擦力，使得管道顶进容易慢慢地跑偏。


技术实现要素：

5.本发明意在提供一种轴对称应力条件下顶管泥浆减阻装置，以解决顶管顶进施工过程中因管道外侧泥浆套被损坏而导致摩擦力不对称的问题。
6.为了达到上述目的，本发明的方案为：轴对称应力条件下顶管泥浆减阻装置，包括对称应力检测装置和补浆装置：
7.对称应力检测装置包括平衡筒和若干对测压头，平衡筒内滑动连接有柱塞，平衡筒两端封闭，柱塞两端与平衡筒端面之间形成有空腔；每个测压头包括测压管和柱头，柱头的一端滑动连接在测压管的一端内，每对测压头的两根测压管上远离柱头的一端分别通过导管分别连通至空腔；
8.补浆装置包括储浆室、触发结构、成对设置的阀门结构和注浆管，每对触发结构分别设置在柱塞的两侧，每对注浆管一端与储浆室连通，另一端分别与测压管的柱头端连接，阀门结构设置在注浆管上，触发结构与阀门结构连接。
9.本方案的工作原理及有益效果在于：管道上对称地设置测压孔或者利用现有的注浆孔，测压管和注浆管穿过测压孔或者注浆孔安装到管道的外壁上，每对测压头和注浆管分别位于管道相对的两侧。柱头的一端朝向顶进的方向。测压头随着管道一起运动，当管道外侧的泥浆套完整时，两侧柱头所受的阻力相同，柱塞位于平衡筒中部的平衡位置。当某侧的泥浆套损坏，柱头所受的阻力即摩擦应力显著增大，该侧的柱头受压缩入该侧的测压管
中，测压管中的空气被压缩并将压力传递到柱塞上，柱塞滑动，直至触碰到触发结构，触发结构控制对应的阀门结构打开，让储存在储浆室内的触变泥浆通过注浆管对该侧在原有的触变泥浆注浆的基础上进行补浆，从而恢复摩擦应力至轴对称。当两侧的应力对称后，两侧柱头的阻力相等，柱塞恢复到平衡位置，触发结构解除触发，补浆装置停止补浆。
10.本发明能够实时监测管道外侧壁的摩擦应力的情况，并且自动地通过补充注浆的方式调节管道相对的两侧的摩擦应力至轴对称，从而防止管道顶进跑偏。
11.可选地，柱头的直径不大于泥浆套的厚度。
12.可选地，注浆管远离储浆室的一端的内径大于测压管的外径，测压管同轴地固定在注浆管远离储浆室的一端内。
13.可选地，触发结构包括接近开关，阀门结构包括电磁阀，还包括plc控制器，接近开关和电磁阀均与plc控制器电连接，接近开关安装在空腔内。接近开关检测到柱塞端面靠近的距离小于某一设定值时，plc控制器控制相应的阀门打开，从而让泥浆能够流经注浆管进行补浆。当接近开关检测到与柱塞端面远离到某一设定值时，plc控制器控制相应的阀门关闭。
14.可选地，阀门结构包括阀套和阀芯，阀芯滑动连接在阀套内，触发结构包括开设在阀芯两端的对接孔和开设在阀套两侧、与对接孔相对应的接管孔，每根注浆管分为两段且分别连接在同侧的接管孔上，平衡筒上开有通槽，柱塞上连接有连杆，连杆穿过通槽后与阀芯连接；轴对称应力状态下阀芯上的对接孔与接管孔错开。在轴对称应力的状态下对接孔与接管孔错开，同一注浆管的两段之间被阀芯阻隔开，阻止补浆；当阀芯随柱塞移动时，当阀芯移动到对接孔与某侧接管孔对齐时，该侧注浆管两段被对接孔连通，从而使得储浆室内的泥浆能够通过注浆管流出。
15.可选地，测压管呈l形。
16.可选地，还包括开设在管道外壁上的用于容纳测压管竖向端的容纳槽，容纳槽内设有弹簧结构，弹簧结构的一端与容纳槽连接，另一端与测压管竖向端的外壁连接。在顶管顶进过程中，当柱头遇到前方有石块阻挡时，测压管的竖向端能够受石块挤压而克服弹簧的弹力，自动收到容纳槽内。在没有石块阻挡在顶进方向上时，弹簧结构保持测压管的竖向端相对管道伸出，保证测压功能正常。
17.可选地，柱头上套有橡胶套，橡胶套远离柱头的一端的外径小于靠近柱头一端的外径。橡胶套的设置，一方面能够让柱头更好地检测摩擦应力，另一方面能够让柱头接触到前方的石块时能够变形成楔子，从而让测压管能够更顺畅地收回到容纳槽内。
附图说明
18.图1为本发明实施例一中轴对称应力条件下顶管泥浆减阻装置在使用过程中的结构示意图；
19.图2为本发明实施例一中轴对称应力条件下顶管泥浆减阻装置在顶管中的安装示意图；
20.图3为本发明实施例一中对测压头处的剖视图；
21.图4为本发明实施例二中轴对称应力条件下顶管泥浆减阻装置在顶管中的安装示意图。
具体实施方式
22.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
23.说明书附图中的标记包括：顶管1、泥浆套2、泥沙3、测压管4、注浆孔5、容纳槽6、平衡筒7、柱塞8、弹簧片9、柱头10、橡胶套11、接近开关12、电磁阀13、注浆管14、支架15、阀套16、阀芯17、对接孔18、接管孔19、连杆20、储浆室21、导管22。
24.实施例一
25.本实施例基本如图1、图2、图3所示：轴对称应力条件下顶管泥浆减阻装置，包括对称应力检测装置和补浆装置：
26.对称应力检测装置包括平衡筒7和两对测压头，平衡筒7内滑动连接有柱塞8，平衡筒7两端封闭，柱塞8两端与平衡筒7端面之间形成有空腔；每个测压头包括测压管4和柱头10，测压管4呈l形，管道侧壁上上下左右共开有四个测压孔，测压管4的横向端插入到测压孔中并与测压孔滑动连接，管道外壁上的用于容纳测压管4竖向端的容纳槽6，容纳槽6内设有弹簧片9，弹簧片9的一端固定在容纳槽6内，另一端与测压管4竖向端的外壁固接。柱头10的纵截面呈t字形，柱头10的直径最大处的直径为5cm且套有橡胶套11，柱头10只插入橡胶套11一部分，橡胶套11远离柱头10的一端的外径小于靠近柱头10一端的外径。柱头10的竖向端滑动连接在测压管4的竖向端内，柱头10的竖向端的直径为1cm，柱头10的竖向端上套设有密封胶圈，柱头10竖向端在测压管4内滑动的过程中与测压管4之间保持密封，每对测压头的两根测压管4上远离柱头10的一端分别通过导管22分别连通至空腔。
27.补浆装置包括储浆室21、触发结构、两对阀门结构和两对注浆管14，每对注浆管14一端与储浆室21连通，另一端分别与测压管4的柱头10端连接，阀门结构设置在注浆管14上。在本实施例中，触发结构为接近开关12，阀门结构为电磁阀13，还包括plc控制器，接近开关12和电磁阀13均与plc控制器电连接，接近开关12安装在空腔内。注浆管14远离储浆室21的一端的内径大于测压管4的外径3cm，测压管4同轴地固定在注浆管14远离储浆室21的一端内。
28.储浆室21则设置在管道内壁的正上方上，通过支架15与管道固定，触变泥浆在加入到储浆室21后，通过气泵往储浆室21里面加压。平衡筒7也固定在支架15上，平衡筒7位于储浆室21的正下方。
29.具体实施过程为：
30.顶管1顶进施工过程中，顶管1内的注浆装置通过注浆孔5向管道的外表面注入触变泥浆，形成厚度不低于5cm的泥浆套2。当管道外某一侧的泥浆套2的局部被损坏时，损坏处的泥浆套2在内压的作用下将重新被泥沙3填满，而柱头10在穿越泥沙3时所受的摩擦应力将远大于穿越泥浆套2时的摩擦应力，这就导致轴对称应力不平衡，反应到对称应力检测装置上就是，穿越泥沙3侧的柱头10受压缩入该侧的测压管4中，测压管4中的空气被压缩并将压力传递到柱塞8上，柱塞8滑动靠向对侧的设置在平衡筒7内的接近开关12，当接近到设定值后，plc控制器控制该接近开关12对侧的注浆管14上电磁阀13开启，储浆室21内的触变泥浆在重力和压力作用下涌入注浆管14中，直至从受压缩入柱头10侧的注浆管14端头喷出，对该侧的泥浆套2进行修补，直至该侧柱头10所受摩擦应力等于对侧的柱头10所有的摩擦应力，柱塞8恢复到平衡位置，接近开关12检测到柱塞8远离，plc控制打开的电磁阀13关闭，即可保持管道两侧的摩擦应力轴对称，从而避免顶管1顶进跑偏。
31.由于弹簧片9的设置，在顶进的过程中，测压管4始终保持相对于管道的外侧伸出。柱头10上的橡胶套11能够让柱头10更好地检测摩擦应力。但当柱头10遇到前方有石块阻挡时，测压管4的竖向端能够受石块挤压而克服弹簧的弹力，橡胶套11让柱头10接触到前方的石块时能够变形成楔子，从而让测压管4的竖向端自动收到容纳槽6内。
32.实施例二
33.本实施例与实施例一的区别之处在于：基本如附图4所示，阀门结构包括阀套16和阀芯17，阀芯17滑动连接在阀套16内，触发结构包括开设在阀芯17两端的对接孔18和开设在阀套16两侧、与对接孔18相对应的接管孔19，每根注浆管14分为两段且分别连接在同侧的接管孔19上，平衡筒7上开有通槽，柱塞8上连接有连杆20，连杆20穿过通槽后与阀芯17连接；轴对称应力状态下阀芯17上的对接孔18与接管孔19错开。
34.在轴对称应力的状态下对接孔18与接管孔19错开，同一注浆管14的两段之间被阀芯17阻隔开，阻止补浆；当阀芯17随柱塞8移动时，当阀芯17移动到对接孔18与某侧接管孔19对齐时，该侧注浆管14两段被对接孔18连通，从而使得储浆室21内的泥浆能够通过注浆管14流出。
35.以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。