一种采用顶拉结合在软土中铺设大直径管道的方法

摘要

本发明涉及大直径管道的铺设工具管，主要有关一种采用顶拉结合在软土中铺设大直径管道的方法，其特征在于具体方法步骤如下：a.制作工具管，b.工作坑千斤顶和水平定向钻机选型，c.水平定向钻机钻孔，d.工具管进洞，e.顶拉铺管，f.工具管出洞。本发明的优点在于其巧妙地运用了力的相互作用来使管道向前延伸，从而为施工提供了方便，应用范围广，对交通的影响小，技术发展完善，使用率高，结构及原理简单可行，节约成本，发展前景大，安全可靠。

说明书

[技术领域]

本发明主要涉及大直径管道的铺设工具管，尤其是一种采用顶拉结合在软土中铺设大直径管道的方法。

[背景技术]

现有技术中在软土中铺设大直径管道的主要方法有开挖法和顶管法，而在软土中采用开挖法和顶管法施工大直径管道均有一定难度，主要表现在以下几方面：

1、放坡开槽铺管，由于软土的内摩擦角通常很小，放坡时坡脚角度小，开挖土方量较大，尤其是排水管道，内径超过1.2m的通常在下游，埋深大。因开挖出的土质通常不符合回填土要求，回填土需要外借，施工成本高。

2、支护开槽铺管，由于土质软，支护桩需要打入沟槽底的长度大，通常基底以下长度大于沟槽深度，支护材料需要量大，施工机械费用高。

3、敞开式、部分敞开式顶管，软土方向不容易控制，尤其是混凝土排水管，自重大，在软土中方向一旦出现较大偏差，很难纠偏。软土中降低地下水位时间长、费用高，在地下水位以下顶管很容易产生冒顶，地面出现坍塌，同时施工人员风险大。

4、全封闭式自动顶管，设备一次购置费用高，每一套设备只对应某一管径管道，设备使用率不高。

由于上述问题，从而为施工造成了许多不便，使用率小，同时也存在着许多安全隐患，不够安全可靠。

[发明内容]

本发明为克服现有技术缺陷，弥补现有技术的不足，提供一种应用范围广、对交通的影响小的采用顶拉结合在软土中铺设大直径管道的方法。

为实现上述目的，现提供一种采用顶拉结合在软土中铺设大直径管道的方法，其特征在于具体方法步骤如下：

a.制作工具管，

工具管A段：安装水平钻机拖拽装置，提供管道正确的前进方向；

工具管B段：与工具管A段共同组成一个伸缩节，克服工具管A、B段在钻机、千斤顶分别作用下前进不同步造成脱节问题，同时伸缩节的存在，可以使工具管A、B段轴线不在同一条直线上，可以对工程管前进方向进行修正；

工具管C段：尾端连接工程管，工程管为钢管时，直接焊接在工具管C段尾部；工程管为钢筋混凝土管节时，工具管C段尾部制作成承口，以连接混凝土管的插口，与工具管B段共同组成一个伸缩节，同样使工具管B、C段轴线不在同一条直线上，与工具管A、B之间的伸缩节同时作用可以对工程管前进方向进行修正；

拖拽装置：由4根杆件构成，通过挂钩与工具管A段有四个接触点，拖拽工具管A段前进，对工具管A段前进方向进行调整；

b.工作坑千斤顶和水平定向钻机选型，

工作坑千斤顶的选型根据管道长度、管径、土质条件按照《给排水工程顶管及时规程》进行计算、选择；

水平定向钻机用于拖拽工具管的回拖力远大于给进力，故进行水平定向钻机选型时只计算回拖力，回拖力的由两部分组成，一是钻杆所受到土的摩擦力，二是工具管前进是所受到的阻力，

钻杆收到土的摩擦力：F₁＝L×f_k×3.14×d；

工具管前进是所受到的阻力：F₂＝L₂×f_k×3.14×D+3.14×D²÷4×(1-e)×R；

需要水平定向钻机回拖力：F＝(F₁+F₂)×1.3；

根据计算出F的大小选择钻机；

c.水平定向钻机钻孔，

钻机安放于顶管接收坑，钻杆沿着管道轴线钻进，钻杆偏离轴线尺寸按照《给排水工程顶管及时规程》中顶管水平、高程偏差进行控制，钻机在工作坑中安置要稳定，使钻杆入口处偏差不超过1cm。

d.工具管进洞，

顶管工作坑施工、导轨安装、千斤顶安装按照通常敞开式顶管方式布置；

e.顶拉铺管，

水平钻机的拖拽使工具管A段可以连续前进，千斤顶的顶进使工程管B段按照千斤顶的行程间断前进，

f.工具管出洞，

当工具管顶端到达接收孔时，停止拖拽工具管，拆除钻机，安装承接工具管的导轨，按照敞开式顶管接收工具管的方式接收工具管，完成管线施工。

所述的工具管进洞具体步骤如下：

(1)在导轨上对工具管的拖拽装置和钻机钻杆进行连接；

(2)拖拽装置退进工具管内；

(3)按敞开式顶管方式工具管进洞方式使工具管进洞；

(4)待工具管A段进入土层后，启动钻机，进行拖拽，当安装在工具管A段和B段之间的标尺读数达到5cm时(此时拖拽装置已经伸出工具管，开始拖拽工具管沿管道轴线前进)，启动顶管千斤顶开始顶进工具管尾部，拖拽与顶进交替进行确保工具管A、B段之间标尺读数在5cm～10cm之间，直至工具管A、B段全部进洞，封堵工具管内喇叭口的4个开口，工具管进洞工序完成。

所述的顶拉铺管具体步骤如下：

(1)千斤顶安装完成、顶管之前标定千斤顶一次顶进的行程、千斤顶伸展的速度，千斤顶操作控制台安放在水平钻机操作台旁；

(2)调整水平钻机拖拽钻杆速率，使拖拽速率接近千斤顶伸展速度，水平钻机控制人员处于接收井工作坑地面，同时确保能目视到钻机。在钻机操作台上增加一个额外的紧急停机开关，确保能随时停机；

(3)因工具管A、B段之间可伸缩50cm，故每次顶拉行程按照不超过35cm进行控制，千斤顶操作员发出开机信号，钻机和千斤顶同时启动。在千斤顶操作员发出停机信号时，钻机需立即停机，当钻机操作员未接到停机信号，但拖拽行程已经达到35cm，需立即停机；

(4)按照每次35cm的铺管速度铺管，直到工具管到达接收孔；

所述的L为顶管管段长度，f_k为钻杆与土的摩擦系数，d为钻杆直径，L₂为顶管工具管A段长度，f_k为工具管与土的摩擦系数，D为工具管直径，R为挤压阻力，e表示工具管的开口率，等于工具管中出土口的面积与工具管截面积的比值。

所述的拖拽装置呈锥形，拖拽装置中部设有钻杆，工具管A段内设有喇叭口，喇叭口左侧设有出土口，工具管A段左侧连接工具管B段，所述的工具管B段和工具管A段共同组成一个伸缩节，工具管B段左侧连接工具管C段，工具管C段和工具管B段共同组成一个伸缩节。

所述的拖拽装置由4根杆件构成，每根杆件通过挂钩连接工具管A段，挂钩连接处左侧设有拖拽装置缩进轨道，拖拽装置内设有加强杆件。

所述的钻杆左侧连接钻杆固定装置。

所述的工具管A段和工具管B段连接处设有四块限位装置B，限位装置B左侧设有止水装置，止水装置上设有标尺和指针。

所述的工具管B段和工具管C段连接处设有四块限位装置A。

所述的工具管C段左侧尾部设有承口，连接混凝土管的插口。

本发明巧妙地运用了力的相互作用来使管道向前延伸，从而为施工提供了方便，应用范围广，对交通的影响小。其次，由于敞开式、部分敞开式顶管在土质良好地层中已经大量应用，技术也已发展完善，使用率高。另外，本发明使用的结构及原理简单可行，因此可以大大地减少投入的资金、设备等成本，发展前景大，安全可靠。

[附图说明]

图1是本发明的工具管结构示意图。

图2是本发明的止水装置局部放大图。

参见附图1，图中：1、限位装置A  2、工具管B段  3、标尺及指针  4、止水装置  5、出土口  6、限位装置B  7、喇叭口开口  8、喇叭口  9、拖拽装置缩进导轨  10、挂钩  11、钻杆固定装置  12、加强杆件  13、钻杆  14、拖拽装置  15、工具管C段  16、间隙A  17、间隙B  18、工具管A段

参见附图2，图中：21、耐磨橡胶圈  22、橡胶充气环  23、充气嘴

[具体实施方式]

下面结合附图，对本发明作进一步说明，该装置的结构及原理对本专业的人来说是十分清楚的。

本发明的主要特点是水平定向钻机的回拖力给敞开式、部分敞开式顶管的工具管提供牵引力，引导工具管沿设计轴线前进；顶管工作坑中的千斤顶为管道沿着工具管形成的轴线前进提供顶力，使管道往前延伸。具体施工过程如下：

1、制作工具管

本方法的关键点就是设计一种全新的适用于采用顶拉结合在软土中铺设大直径管道的工具管，以施工外径1.5m的管道为例，绘制工具管示意图。

工具管各部分的作用：

工具管A段：安装水平钻机拖拽装置，提供管道正确的前进方向。

工具管B段：与工具管A段共同组成一个伸缩节，克服工具管A、B段在钻机、千斤顶分别作用下前进不同步造成脱节问题，同时伸缩节的存在，可以使工具管A、B段轴线不在同一条直线上，可以对工程管前进方向进行修正。

工具管C段：尾端连接工程管。工程管为钢管时，可直接焊接在工具管C段尾部；工程管为钢筋混凝土管节时，工具管C段尾部制作成承口，以连接混凝土管的插口。与工具管B段共同组成一个伸缩节，同样可以使工具管B、C段轴线不在同一条直线上，与工具管A、B之间的伸缩节同时作用可以对工程管前进方向进行修正，不至于一次修正量过大，损伤工具管。

钻杆固定装置：采用两套的目的，是为防止前面一套失效，导致钻杆滑脱。

拖拽装置：由4根杆件构成，通过挂钩与工具管A段有四个接触点。作用是拖拽工具管A段前进，对工具管A段前进方向进行调整。以工具管A段头部朝下偏离管道轴线为例进行说明：此时，在工具管最上边的杆件沿拖拽装置缩进导轨向工具管内缩进，工具管最上端挂钩不再提供使工具管前进的牵引力，工具管最下端挂钩提供工具管前进牵引力，在偏心力的作用下工具管A段头部向上方偏离，达到纠偏目的。

拖拽装置缩进导轨：为拖拽装置缩进时提供导向。

挂钩：为工具管A段提供牵引力。

喇叭口：减小出土口面积，使工具管中的土体适当压缩，为顶管工作面提供足够的压力，防止管道周围土体进入管道，引起地面塌陷。可通过调整喇叭口面积的大小，改变顶管工作面的压力。

出土口：出土。通过接长出土管，可额外增加土的摩擦力，保证开挖工作面得安全。

止水装置：防止土层中的泥水进入工具管。在平时的使用中，只向右边的橡胶充气环内充气。右边的耐磨橡胶圈损坏需要更换时，向左侧边的充气环内充气，右边的充气环放气，更换耐磨橡胶圈后充气，左侧橡胶充气环放气，完成耐磨橡胶圈更换。

标尺及指针：测量工具管A、B段之间的伸缩量。

限位装置A：共四块，控制工具管B、C段之间的间距，防止工具管B、C段拉脱分离。

限位装置B：共四块。

注意：间隙A要大于间隙B。

2、工作坑千斤顶和水平定向钻机选型

工作坑千斤顶的选型根据管道长度、管径、土质条件按照《给排水工程顶管及时规程》(CECS246：2008)进行计算、选择即可。

水平定向钻机用于拖拽工具管的回拖力远大于给进力，故进行水平定向钻机选型时只计算回拖力即可。回拖力的由两部分组成，一是钻杆所受到土的摩擦力，二是工具管前进是所受到的阻力。

(1)钻杆收到土的摩擦力(虽然钻杆在钻进时，已经成洞，在回拖时阻力会减小，为偏于安全考虑，计算时不考虑阻力的折减)：F1＝L(顶管管段长度m)×fk(钻杆与土的摩擦系数kN/m2)×3.14×d(d钻杆直径m)

(2)工具管前进是所受到的阻力：F2＝L2(顶管工具管A段长度m)×fk(工具管与土的摩擦系数kN/m2)×3.14×D(D工具管直径m)+3.14×D2(D工具管直径m)÷4×(1-e)×R(R挤压阻力kN/m2可取300～500)(本式中的e表示工具管的开口率，等于工具管中出土口的面积与工具管截面积的比值)

(3)需要水平定向钻机回拖力：F＝(F1+F2)×1.3(1.3安全系数)

根据计算出F的大小选择钻机。(国内水平钻机生产厂家众多，回拖力从100到500kN均有)

3、水平定向钻机钻孔

采用顶拉结合在软土中铺设大直径管道，水平定向钻机钻孔和通常拉管施工有一定区别，钻机安放于顶管接收坑，而不是地面，钻杆沿着管道轴线钻进。钻杆偏离轴线尺寸按照《给排水工程顶管及时规程》中顶管水平、高程偏差进行控制。钻机在工作坑中安置要稳定，使钻杆入口处偏差不超过1cm。

4、工具管进洞

顶管工作坑施工、导轨安装、千斤顶安装按照通常敞开式顶管方式布置。按照本方法施工，工具管入洞有其特殊点，按照以下步骤进行：

(1)在导轨上对工具管的拖拽装置和钻机钻杆进行连接。

(2)拖拽装置退进工具管内。

(3)按敞开式顶管方式工具管进洞方式使工具管进洞。

(4)待工具管A段进入土层后，启动钻机，进行拖拽，当安装在工具管A段和B段之间的标尺读数达到5cm时(此时拖拽装置已经伸出工具管，开始拖拽工具管沿管道轴线前进)，启动顶管千斤顶开始顶进工具管尾部，拖拽与顶进交替进行确保工具管A、B段之间标尺读数在5cm～10cm之间，直至工具管A、B段全部进洞。封堵工具管内喇叭口的4个开口。工具管进洞工序完成。

5、顶拉铺管

在工作坑中的工序、管道内出土方式和部分敞开式顶管相同，差别点在于导向方式的不同。水平钻机的拖拽使工具管A段可以连续前进，千斤顶的顶进使工程管B段按照千斤顶的行程间断前进，千斤顶和水平钻机协调性控制失误会造成工具管A、B段脱节，工程管失去导向的工具管，顶管失败，造成工程事故。顶拉铺管流程：

(1)千斤顶安装完成、顶管之前标定千斤顶一次顶进的行程、千斤顶伸展的速度。千斤顶操作控制台安放在水平钻机操作台旁。

(2)调整水平钻机拖拽钻杆速率，使拖拽速率接近千斤顶伸展速度。水平钻机控制人员处于接收井工作坑地面，同时确保能目视到钻机。在钻机操作台上增加一个额外的紧急停机开关，确保能随时停机。

(3)因工具管A、B段之间可伸缩50cm，故每次顶拉行程按照不超过35cm进行控制。千斤顶操作员发出开机信号，钻机和千斤顶同时启动。在千斤顶操作员发出停机信号时，钻机需立即停机，当钻机操作员未接到停机信号，但拖拽行程已经达到35cm，需立即停机。

(4)按照每次35cm的铺管速度铺管，直到工具管到达接收孔。

6、工具管出洞

当工具管顶端到达接收孔时，停止拖拽工具管，拆除钻机，安装承接工具管的导轨，按照敞开式顶管接收工具管的方式接收工具管，完成管线施工。

7、注意事项

(1)施工过程要遵守现行的安全生产规章制度。

(2)软土中容易积聚有害气体，做好有害气体的检测报警工作。

(3)工具管B段和工程管之间设置可靠连接，避免工具管B段在摩擦力作用下跟随工具管A段前进。