一种顶管水下配重装置及施工方法与流程

本发明属于顶管施工，具体涉及一种顶管水下配重装置及施工方法。

背景技术：

1、顶管施工以其不需开挖、对周围环境影响较小等优点而在城市管线的建设和改造中得到推广和应用。然而当顶管临近乃至穿越江、河、湖、海等复杂情形时，如何抵抗较高水位的地下水带来的浮力影响是在顶管顶进施工时需要解决的技术难题之一。在管道内配重是解决顶管上浮问题的方法之一，通常会采用在管内设置配重物，根据实际施工中的抗浮需求，将配重物移动至合适的位置。但在上述中的管道抗浮方法中可能会存在一定的问题：一般情况下配重的重量较重，配重物在管道内移动至合适的配重点时较为困难，同时当配重物随顶管深入土层中后，顶管遇上浮风险时配重物较难稳定的保持在配重点处，容易发生滑动，威胁现场施工人员的安全，损坏管内设备。且配重物无法及时动态调控重量，导致抗浮效果不佳。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中顶管施工难以保证配重物的相对稳定，存在威胁人员安全和损害顶管内设备的技术缺陷，本发明提供了一种顶管水下配重装置及施工方法，在保证顶管施工抗浮要求的前提下，避免在配重抗浮时发生滑动，在顶管施工不同阶段时，可调整配重重量，满足不同重量的配重需求，操作安全，解决了上述技术问题。

2、一种顶管水下配重装置，包括气囊、气囊凸起和气囊凹槽，气囊沿圆周方向均匀交错分布有气囊凸起和气囊凹槽，气囊凸起上设置有防滑橡胶，气囊的上部分布有充排气孔和充排气管，通过充排气孔和充排气管可以向气囊内部填充、释放压缩气体，气囊下部分布有注排水孔和注排水管，通过注排水孔和注排水管可以向气囊内部充排水，气囊在充气状态下呈圆柱状结构，且前后两端鼓起，气囊在充气状态下能够与顶管内壁紧密贴合，并借助气囊凸起上的防滑橡胶保证气囊在顶管中的位置相对固定。

3、一种顶管水下配重装置的施工方法，包括以下施工步骤：

4、s1：根据顶管断面、尺寸、重量、水文地质情况、浸泡在水流中的长度、顶管机头重量，计算所需的气囊大小；

5、气囊的体积满足以下公式：

6、

7、s2：采用人工安装的方式，将气囊安放至顶管内顶管机头后侧的顶管内，连通充排气管至充排气孔，连通注排水管至注排水孔；

8、s3：

9、①测试充排气管充气功能正常，测试注排水管注水功能正常后，操作人员撤离顶管，避免气囊加压时发生危险；；

10、②通过充排气管将气囊充满气体，维持气压使气囊凸起顶紧顶管内壁，使防滑橡胶与顶管内壁紧密接触，气囊内部气压压力满足以下公式：

11、

12、此气压作为工作气压应维持至s6；

13、s4：

14、①顶管顶进至顶管机头从土体中露出；

15、②开始向气囊中注压载水置换气体，维持气压稳定，气囊开始平衡浮力；

16、s5：顶管持续顶进至设计位置，过程中根据顶管露出长度，控制气囊中注压载水置换气体速率，维持气压稳定，并平衡逐渐增大的浮力；

17、向气囊中的注水量满足以下公式：

18、

19、v水≥0；

20、s6：

21、①开始顶管机头回收，切割顶管机头后方顶管，环境水进入顶管内部；

22、②环境水通过气囊凹槽进入气囊后部顶管空间，顶管浮力降低；

23、③向气囊中充气置换气囊压载水，维持气压稳定，平衡逐渐降低的浮力；

24、气囊中的水量满足以下公式：

25、

26、s7：待顶管机头脱离后，释放气囊气压，使气囊脱离顶管内壁；

27、s8：气囊在水的浮力作用下自然浮出顶管，回收气囊。

28、上述的一种顶管水下配重装置及施工方法，所述步骤s1中，气囊上设置有气囊凸起、气囊凹槽、充排气孔、充排气管、注排水孔、注排水管和防滑橡胶；

29、上述的一种顶管水下配重装置及施工方法，所述步骤s1中气囊体积v应不小于计算体积，防滑橡胶的面积与气囊表面在顶管内壁接触面积之比u2≥0.8；

30、上述的一种顶管水下配重装置及施工方法，所述步骤s2中气囊应以非充气状态安放至顶管内顶管机头后侧的顶管内，气囊的轴线应与顶管轴线平行，气囊不得折叠、扭曲。

31、上述一种顶管水下配重的装置及施工方法，所述步骤s3中气囊防滑橡胶满布于气囊凸起上。为确保气囊与顶管不出现相对滑动，气囊气压p应使用气囊在抵抗环境水压强的情况下依然能顶紧顶管内壁，并产生足够的摩擦力抵抗来自气囊前方的环境水压力。

32、上述一种顶管水下配重的装置及施工方法，所述步骤s6中，切割顶管机头后方顶管，环境水进入顶管机头与气囊之间的顶管内部空间；

33、上述一种顶管水下配重的装置及施工方法，所述步骤s6中，环境水自顶管机头与气囊、之间的顶管、内部空间，通过气囊凹槽进入气囊后部顶管空间。此过程中：

34、气囊四周受到环境水的压强为：

35、f水＝ρ水×g×顶管中心水下深度h；

36、气囊前方受到环境水的压力：

37、f水＝(ρ水×g×顶管中心水下深度h)×π×顶管半径r^2。

38、上述一种顶管水下配重的装置及施工方法，所述步骤s6中，气囊与顶管内壁最大静摩擦力为：

39、f＝(气囊气压p-环境水的压强p水)×π×顶管直径d×气囊长度l×μ1×μ2；

40、其中μ1为防滑橡胶与顶管摩擦系数≥0.8，μ2为防滑橡胶面积与气囊表面在顶管内壁接触面积之比≥0.8；

41、气囊与顶管内壁最大静摩擦力为：

42、f≥(气囊气压p-环境水的压强p水)×π×顶管直径d×气囊长度l×0.64＞(气囊气压p-环境水的压强p水)×π×顶管半r×气囊长度l。

43、上述的一种顶管水下配重装置及施工方法所述步骤s6中，气囊与顶管内壁应满足最大静摩擦力：

44、f＞(气囊气压p-环境水的压强p水)×π×顶管半r×气囊长度l＞气囊前方受到环境水的压力f水；

45、f水＝(气囊气压p-环境水的压强p水)×π×顶管半r×气囊长度l＞(ρ水×g×顶管中心水下深度h)×π×顶管半径r^2；

46、气囊气压p≥(ρ水×g×顶管中心水下深度h)×(气囊长度l+顶管半径r)/气囊长度l，气囊气压p应增加一个大气压作为安全储备，所以在气囊工作阶段，

47、

48、上述的一种顶管水下配重装置及施工方法，所述步骤s6中，环境水进入气囊后方的顶管内部空间，顶管浮力降低直至为0，气囊排出部分压载水以提供浮力平衡部分顶管重量，防止气囊浮力过大导致顶管上浮。

49、上述的一种顶管水下配重装置及施工方法，所述步骤s6中气囊浮力f1＝气囊气量v气×ρ水×g＝(气囊体积v-气囊水量v水)×ρ水×g；

50、上述的一种顶管水下配重装置及施工方法，所述步骤s6中气囊浮力f1≤顶管设计外露段重量g1-顶管管体浮力f2；

51、顶管管体浮力f2＝顶管设计外露段重量g1×(ρ钢-ρ水)/ρ钢＝顶管设计外露段重量g1×0.87；

52、上述一种顶管水下配重装置及施工方法，所述步骤s6中气囊浮力为：

53、f1＝(气囊体积v-气囊水量v水)×ρ水×g＜顶管设计外露段重量g1设×0.87；

54、气囊水量v水＞气囊体积v-顶管设计外露段重量g1设×0.87/(ρ水×g)；

55、作为安全储备；

56、上述的一种顶管水下配重的装置及施工方法，所述步骤s7中待顶管机头脱离后，释放气囊气压，排出部分气体，使气囊截面小于顶管，使气囊凸起、防滑橡胶脱离顶管内壁。

57、总体而言，通过本发明所构思的技术方案与现有技术相比，可以达到以下有益效果：

58、1、本发明一种顶管水下配重装置的施工方法简明、合理，无复杂多余工序，保证顶管施工抗浮要求，避免在配重抗浮时发生滑动，动态操作，在顶管施工不同阶段时，可调整配重重量，满足不同重量的配重需求，操作安全，在气囊安装完成后，无需人员进入顶管内作业，可全程远端操控；

59、2、本发明一种顶管水下配重装置，采用充排气管、注排水管，在维持气压稳定的前提下，动态调整气囊水量，满足配重需求。