一種頂管機頭均壓艙及其應用方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種頂管機頭均壓艙及其應用方法，通過在物料艙與工作艙中先后通過壓縮空氣，使得在整個掘進工作面的高度范圍內(nèi)，作用的氣體壓力是相等的，由地下水的壓力是有梯度的，因此在工具管的頂部就形成一個超過平衡壓力的氣體壓力區(qū)，在這一壓力作用下，地層空隙中的水被擠出，地層也從原來的飽和狀態(tài)過度到半飽和狀態(tài)，從而起到平衡挖掘面的作用。
【專利說明】-種頂管機頭均壓艙及其應用方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及建設(shè)工程領(lǐng)域，具體是指一種頂管機頭均壓艙及其應用方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 頂管是一項用于市政施工的非開挖掘進式管道鋪設(shè)施工技術(shù)，可W安全的穿越公 路、鐵路、河流，甚至能在建筑物底下穿過，有效進行環(huán)境保護。頂管技術(shù)施工無需隔斷施 工，避免開挖施工的影響交通、破壞路面、破壞地表植被、影響正常的活動和居民的日常生 活，W及存在大量的±方工程，極大的縮短了施工工期。而頂管過程中會遇到不同的±質(zhì)， 而涉及石油、天然氣管道敷設(shè)中的砂±、流砂地質(zhì)情況下的頂管穿越施工，在該種地質(zhì)條件 下施工，頂進阻力及糾偏難度大。
[0003] 頂管施工中，傳統(tǒng)的防透水、防滲水措施是井點降水，即利用井點進行重力集水， 排除井內(nèi)集水W達到降水或降低承壓水壓力的目的。但在施工過程中，特別是遇到高透水 地質(zhì)，易出現(xiàn)地面水和地下水通過裂隙、斷層、塌陷區(qū)等各種通道涌入降水井，當降水井涌 水超過正常排水能力時，就造成井內(nèi)水災，給頂管施工帶來很大的安全隱患。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種頂管機頭均壓艙及其應用方法，利用空氣壓力疏干機 頭前方一定范圍內(nèi)±壤空隙中的自由水，避免±體受地下水滲流作用造成的不穩(wěn)定，同時 利用壓縮空氣的壓力支撐開挖面±體，使之達到穩(wěn)定平衡。
[0005] 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)： 一種頂管機頭均壓艙，包括均壓艙本體，在所述均壓艙本體內(nèi)設(shè)置有工作艙和物料艙， 物料艙的側(cè)面設(shè)有第一艙口，工作艙上側(cè)面設(shè)有與第一艙口朝向相同的第二艙口，頂管機 頭設(shè)置在工作艙內(nèi)，在物料艙的頂部連接有通氣管道，且該通氣管道分別將物料艙和工作 艙與外界的空壓機連通。本發(fā)明采用氣壓平衡地下水，利用外部的空壓機通過通氣管道分 別向工作艙和物料艙內(nèi)充入一定壓力的壓縮空氣，利用空氣壓力疏干頂管機頭前方一定范 圍內(nèi)±壤空隙中的自由水，一方面避免了±體受地下水滲流作用造成的不穩(wěn)定，同時利用 壓縮空氣的壓力支撐開挖面±體，使之達到穩(wěn)定平衡，同時工作人員通過第一艙口和第二 艙口進入工作艙內(nèi)進行頂進工序；在整個掘進工作面的高度范圍內(nèi)，作用的氣體壓力是相 等的，但地下水的壓力是有梯度的，因此在切削頭的頂部就形成一個超過平衡壓力的氣體 壓力區(qū)，在該一壓力作用下，地層空隙中的水被擠出，地層也從原來的飽和狀態(tài)過度到半飽 和狀態(tài)，從而起到平衡挖掘面的作用。
[0006] 還包括設(shè)置在工作艙前端的切削頭，在所述的切削頭內(nèi)壁圓周上較接連接有4組 雙向工作液壓油缸。糾偏裝置為雙向工作液壓油缸，與切削頭內(nèi)壁較接連接，沿切削頭內(nèi) 壁圓周共設(shè)置4組液壓油缸，通過外部液壓系統(tǒng)可W控制該4組液壓油缸的伸縮動作和伸 縮量，調(diào)整切削頭沿軸線方向上的角度，從而達到控制頂管前進方向的目的。與現(xiàn)有技術(shù)相 比，糾偏動作更加準確、更加受控制，且更易實現(xiàn)。
[0007] -種頂管機頭均壓艙的應用方法，包括權(quán)利要求1或2所述的頂管機頭均壓艙，其 應用方法包括W下步驟： (a) 關(guān)閉第一艙口，使工作艙與大氣隔絕，在工作艙完全密封的情況下，向工作艙輸入 壓縮空氣，使得地下水不能涌出并流入物料艙內(nèi)，形成無水安全的作業(yè)環(huán)境； (b) 作業(yè)人員進入物料艙，關(guān)閉第二艙n，同時向物料艙輸入與工作艙同等壓力的壓縮 空氣； (C)然后打開第一艙口，作業(yè)人員進入工作艙后，關(guān)閉第一艙口，即開始掘進作業(yè)； (d) 當物料艙裝滿后，關(guān)閉第一艙口，開始對物料艙進行減壓，當物料艙內(nèi)氣壓與外界 大氣壓平衡時打開第二艙口，工作人員將頂進挖掘處出的±方進行裝車，將其運輸出物料 艙，直至物料艙內(nèi)±方被完全清空； (e) 重復上述步驟（a)~ (d)。
[000引所述步驟（a)的供氣量Q持續(xù)供應，使得工作艙中的壓力保持恒定，且供氣量Q滿 足谷= ￡1^X0；; 其中Q為常壓下所需的空氣量（mVmin)，D為工具管直徑m;a為經(jīng)驗值，粉質(zhì)粘±的 a 為 0. 5。
[0009] 所述步驟（a)中地下水壓力滿足Pw -= !w ;、v ; 其中hw為地下水位距工具管底部高度，為水的容重。
[0010] 所述步驟（b)通入的壓縮空氣的壓力值P = /V + ofil，且0 < P《0. 36Mpa。
[0011] 所述步驟（d)中工作艙內(nèi)的機頭頂進工序與物料艙內(nèi)的取±工序同時進行。
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果： 本發(fā)明可在地下水比較豐富、含砂量比較大的±質(zhì)情況下仍能保證施工的安全性，同 時，在管道頂進過程中對±層擾動較小，出±數(shù)量控制準確，擠入機艙的±層經(jīng)切削便于外 運；并且本發(fā)明利用空氣壓力疏干機頭前方一定范圍內(nèi)±壤空隙中的自由水，一方面避免 了±體受地下水滲流作用造成的不穩(wěn)定，同時利用壓縮空氣的壓力支撐開挖面±體，使地 下水位與挖掘面之間達到穩(wěn)定平衡。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實施例的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部 分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定。在附圖中： 圖1為均壓艙的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的工藝原理圖； 附圖中標記及相應的零部件名稱： 1-工作艙、2-切削頭、3-第一艙口、4-物料艙、5-第二艙口、6-通氣管道。

【具體實施方式】
[0014] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例和附圖，對本 發(fā)明作進一步的詳細說明，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作 為對本發(fā)明的限定。
[001引 實施例1 如圖1和圖2所示，A為地表面，B為地下水位，C為均壓艙本體，本實施例中的均壓艙， 包括均壓艙本體，在所述均壓艙本體內(nèi)設(shè)置有工作艙1和物料艙4,物料艙4的側(cè)面設(shè)有第 一艙口 3,工作艙1上側(cè)面設(shè)有與第一艙口 3朝向相同的第二艙口 5,頂管機頭設(shè)置在工作 艙1內(nèi)，在物料艙4的頂部連接有通氣管道6,且該通氣管道6分別將物料艙4和工作艙1 與外界的空壓機連通。本發(fā)明采用氣壓平衡地下水，利用外部的空壓機通過通氣管道6分 別向工作艙1和物料艙4內(nèi)充入一定壓力的壓縮空氣，利用空氣壓力疏干頂管機頭前方一 定范圍內(nèi)±壤空隙中的自由水，一方面避免了±體受地下水滲流作用造成的不穩(wěn)定，同時 利用壓縮空氣的壓力支撐開挖面±體，使之達到穩(wěn)定平衡，同時工作人員通過第一艙口 3 和第二艙口 5進入工作艙1內(nèi)進行頂進工序；在整個掘進工作面的高度范圍內(nèi)，作用的氣體 壓力是相等的，但地下水的壓力是有梯度的，因此在工具管2的頂部就形成一個超過平衡 壓力的氣體壓力區(qū)，在該一壓力作用下，地層空隙中的水被擠出，地層也從原來的飽和狀態(tài) 過度到半飽和狀態(tài)，從而起到平衡挖掘面的作用。
[0016] 所述步驟（a)的 fi二 ； 其中Q為常壓下所需的空氣量（mVmin)，D為工具管直徑m;a為經(jīng)驗值，粉質(zhì)粘±的 a為0.5。供氣量Q持續(xù)供應，進而保證工作艙1內(nèi)的壓力不下降，即達到工作艙1內(nèi)空氣 在±壤中的流失量與通氣管道6中的送氣量相等，進而使得地下水位面的高度不會下降， 方便頂管機頭的頂進作用。
[0017] 所述步驟（a)中地下水壓力滿足/?w = Iw' ；w ;其中hw為地下水位距工具管底部 高度，;W為水的容重。
[0018] 所述步驟（b)通入的壓縮空氣的壓力值/'，巧=1仍-;w，且0 < P《0. 36Mpa。挖掘 面處的地下水壓力可依據(jù)hw與該位置的水的容量之乘積來確定，而由通氣管道中注入的 壓縮空氣壓力值為P UI。切削頭2底部距地下水位的高差最大，此處滲水水壓也最 大；理論上空氣壓力與切削頭底部滲水水壓相等時，整個掘進面上±壤中的水便不會滲出， 但為了增加平衡效果，作用于工作面上的氣體壓力一般略大于最大滲水壓力。
[0019] 所述步驟（d)中工作艙內(nèi)的機頭頂進工序與物料艙4內(nèi)的取±工序同時進行，而 且機頭切入的±量與挖出的±量應大致相等，機頭內(nèi)切入的±量過多，必然會增加頂力，頂 力的增加可能擾動±體引起地面隆起或沉降；機頭內(nèi)挖±過多，甚至挖到機頭前沿W外，盡 管有氣壓，但仍可能造成挖掘面巧塌，使地面沉降，頂管只有在界面壓力和頂進與出±保持 在該種動態(tài)平衡狀態(tài)下，才能保證對地面影響最小，頂管質(zhì)量最好，工作效率最高。
[0020] W上所述的【具體實施方式】，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步 詳細說明，所應理解的是，W上所述僅為本發(fā)明的【具體實施方式】而已，并不用于限定本發(fā)明 的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含 在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種頂管機頭均壓艙，包括均壓艙本體，其特征在于：在所述均壓艙本體內(nèi)設(shè)置有 工作艙（1)和物料艙（4)，物料艙（4)的側(cè)面設(shè)有第一艙門（3)，工作艙（1)上側(cè)面設(shè)有與第 一艙門（3)朝向相同的第二艙門（5);頂管機頭設(shè)置在工作艙（1)內(nèi)，在物料艙（4)的頂部 連接有氣體連通管道（6)，且該氣體連通管道（6)分別將物料艙（4)和工作艙（1)與外界的 空壓機連通。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頂管機頭均壓艙，其特征在于：還包括設(shè)置在工作艙（1) 前端的切削頭（2 )，在所述的切削頭（2 )內(nèi)壁圓周上鉸接連接有4組雙向工作液壓油缸。
3. -種頂管機頭均壓艙的應用方法，其特征在于：包括權(quán)利要求1或2所述的頂管機 頭均壓艙，其應用方法包括以下步驟： (a) 關(guān)閉第一艙門（3)，使工作艙（1)與大氣隔絕，在工作艙（1)完全密封的情況下，向 工作艙（1)輸入壓縮空氣，使得地下水不能涌出并流入物料艙（4)內(nèi)，形成無水安全的作業(yè) 環(huán)境； (b) 作業(yè)人員進入物料艙（4)，關(guān)閉第二艙門（5)，同時向物料艙（4)輸入與工作艙（1) 同等壓力的壓縮空氣； (c) 然后打開第一艙門（3)，作業(yè)人員進入工作艙（1)后，關(guān)閉第一艙門（3)，即開始頂 進作業(yè)； (d) 當物料艙裝滿后，關(guān)閉第一艙門（3)，開始對物料艙（4)進行減壓，當物料艙（4)內(nèi) 氣壓與外界大氣壓平衡時打開第二艙門（5)，工作人員將頂進挖掘處出的土方進行裝車，將 其運輸出物料艙（4)，直至物料艙（4)內(nèi)土方被完全清空； (e) 重復上述步驟（a)~ (d)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種頂管機頭均壓艙的應用方法，其特征在于：所述 步驟（a)的供氣量Q持續(xù)供應，使得工作艙（1)中的壓力保持恒定，且供氣量Q滿足
其中Q為常壓下所需的空氣量（m3/min)，D為工具管直徑m;a為經(jīng)驗值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種頂管機頭均壓艙的應用方法，其特征在于：所述步驟（a) 中地下水壓力滿足f+Hv=I+tw:w; 其中hw為地下水位距工具管底部高度，；w為水的容重。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種頂管機頭均壓艙的應用方法，其特征在于，所述步驟（b) 通入的壓縮空氣的壓力值P-Pw+(KH,且0 <P彡0? 36Mpa。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種頂管機頭均壓艙及其應用方法，其特征在于，所述步驟 (d)中工作艙（1)內(nèi)的機頭頂進工序與物料艙（4)內(nèi)的取土工序同時進行。
【文檔編號】F16L1/00GK104482295SQ201410666746
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】胡云潔, 高志惠 申請人:中國五冶集團有限公司