专利名称：更新既有混凝土管道用的气压掘进机及其更新方法
技术领域：
本发明涉及一种更新既有混凝土管道用的气压掘进机，以及使用这种气压掘进机更新既有混凝土管道的方法，具体涉及一种用于一边破碎埋设在地下的雨水排水管或下水道等既有混凝土管道，一边同时铺设新管道用的气压掘进机及其方法。
背景技术：
现有的更新既有混凝土管道用的掘进机跟全断面掘进机一样，在整个挖掘断面上装有旋转挖掘齿，采用非开挖的方法破碎既有的混凝土管道，并在其后铺设新管道。现有的地下管道的更新方法是，保留埋设在地下的旧管道，围绕该旧管道原挖掘形成的环状空间，在该空间里埋设新的管道。但是，虽然上述的全断面挖掘机能够切断软钢(SS400)的钢筋，但不能切断强PC钢材或既有混凝土管道的接口钢材，它们会缠绕刀具，要取下它们就要中断作业。另外，破碎过去用开挖法铺设的旧既有混凝土管道时，由于旧既有混凝土管道的下面埋设了作为基础的枕木等，因此用全断面挖掘机的铣刀破碎的话，基础部分会晃动并产生泥土，既有混凝土管道会下沉并导致其难以用铣刀破碎。而且，从既有混凝土管道周围渗入的地下水会使全断面挖掘机的挖掘困难。此外旧管道有分岔或工作口时就不能挖掘。在N值低的地质条件下，旧管道经过长年的下沉或上升，因此会以旧管道为导向至错方向，用上述的地下管道的更新方法来铺设新管道时，也会发生作业困难的问题。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供这样一种更新既有混凝土管道用的气压掘进机，以及使用这种气压掘进机更新既有混凝土管道的方法能够在任何施工条件下施工，作业机械或作业员还能进出管道拆除用铣刀头难破碎的强PC钢材、接口钢材，并能防止地下水渗入。
本发明采用的技术方案是更新既有混凝土管道用的气压掘进机，在挖掘前端设有机头和刀盘，其特征在于，所述的机头和刀盘为中央开口的轮状机头和轮状刀盘，其内径大于既有混凝土管道的外径，刀盘上还设有可开口的防水壁；在该气压掘进机内设置有气压机房，所述气压机房与空气压缩机连接，并且该气压机房的前、后部分别装有气锁装置(气锁闸门)。
本发明中所述的“轮状机头和轮状刀盘”，为中空的环，也可称为轮状刀座头和轮状刀座，刀盘上安装有滚刀；其中间的开口，可供辅助作业机械或作业员进入；掘进机主体内部的气压机房的前、后部分别设有气锁闸门，可保持掘进机主体内部及既有混凝土管道内的高气压状态。作业人员、材料等通过气锁闸门时，前、后两个气锁闸门依次开闭，可以保持管内的高压状态，从而形成一个防止地下水侵入的、干燥的作业空间。
所述的“气压机房”设置在掘进机主体内，为筒形结构，也可称为“气压管”。
上述气压掘进机的技术方案进一步改进，有以下优化方案1、所述气压掘进机主体的后方与气压机房及半盾构机通过销栓(或称为拖钩)固定连接为一体，同时，半盾构千斤顶与后方的若干根新铺管道也固定连接(可以通过销栓或螺栓或通过拉杆等锚定装置固定连接)。
所述的“通过销栓固定连接”与现有技术中的用半盾构机及半盾构千斤顶顶推掘进机不同千斤顶除了顶推作用以外，该千斤顶缩回时，通过后方连接的几根新铺管道的重量可以把掘进机主体和气压机房等拉向后退。所以本发明的掘进机主体能够向后拉开撤离挖掘面，给作业人员开出清除缠绕在机头上的钢筋等杂物的工作空间。
2、所述气压掘进机中，设有排水管，该排水管在既有混凝土管道内延伸并贯穿所述掘进机主体、气压机房以及半盾构机。
3、所述气压掘进机主体、气压机房以及半盾构机全部为封闭防水型。
4、所述气压掘进机前端设有向前突出的防泥砂圆筒，该防泥砂圆筒的前端具有超硬合金制成的掘隙刀具。在充气状态下，从轮状机头的安装位置开始，所述掘进机主体前端的防泥砂圆筒的长度以能够防止崩塌的土砂进入掘进机主体内为准。
5、所述的掘进机的防泥砂圆筒后部设有伸缩装置，相对于上述轮状刀盘，可沿推进方向伸缩长度。
使用上述的更新既有混凝土管道气压掘进机更新既有混凝土管道的方法，步骤是将本发明的气压掘进机设置在既有混凝土管道的同一轴线上；将气压机房前、后分别与掘进机主体及半盾构机密闭的连接为一体，并封闭气锁装置；开动空气压缩机，使掘进机主体及既有混凝土管道内保持充气的正压状态，从而形成一个防止地下水侵入的、干燥的作业空间；通过轮状机头的旋转来破碎既有混凝土管道，同时，在破碎既有混凝土管道后的空间内铺设新管道；需要时，作业人员、材料、作业机器及破碎物通过所述轮状机头的中央开口，进出既有的混凝土管道；遇到既有混凝土管道的接口时，由上述作业空间内的作业机器及作业人员对使用轮状机头难以破碎的、既有混凝土管道内的强PC钢材、接口钢材等进行切断、拆除。
优化方案中还可以分别增加有以下步骤1、需要时，将气压掘进机后方的半盾构千斤顶缩回，利用后方连接的几根新铺管道的重量把掘进机主体和气压机房等向后拉开撤离挖掘面，给作业人员开出清除缠绕在机头上的钢筋等杂物工作的空间。
2、需要时，可调整掘进机的防泥砂圆筒后部的伸缩装置，控制防泥砂圆筒沿推进方向伸展长度。
本发明的有益效果在于，由于所述气压掘进机主体的内径大于既有混凝土管道外径，并安装了中央有开口的轮状机头与防水壁，而且连接了使掘进机主体内部及既有混凝土管道内保持充气状态的气压机房，因此，可形成充气状态的、防止地下水侵入的、干燥的作业空间；作业人员、材料、作业机器及破碎物通过所述轮状机头的中央开口，进出既有的混凝土管道，上述作业空间内的作业机器及作业人员对使用轮状机头难以破碎的既有混凝土管道的强PC钢材、接口钢材等进行切断、拆除。
所述掘进机主体与气压机房之间，或气压机房的后部与半盾构机相连接而成为一体，进而通过锚定装置将半盾构千斤顶与后方几根新铺的管道连接，从而形成掘进机主体能够挤压、撤离挖掘面的结构，因此，在使用掘进机主体的轮状机头破碎既有混凝土管道的过程中，当强PC钢材等发生缠绕时，可以将掘进机撤离挖掘面，由作业人员进行拆除作业，同时，因为能够相对于外径而增加所述气压掘进机的整体长度，所以即使在土层软薄的情况下，也可保证掘进方向的精确度。
在既有混凝土管道内延伸的排水管贯穿所述掘进机主体、气压机房以及半盾构机而安装，因此，不必将排水管安装在地表部分，从而不会影响地面行人和车辆的通行。
气压机房的前后部安装了气锁闸门，因此，通过所提供的压缩空气，将掘进机主体及既有混凝土管道内保持为充气状态，从而能够进行作业机器、材料、破碎物的搬运，并能使作业人员进出。
掘进机主体、气压机房以及半盾构机分别都为密闭的防水型，由此，即使在地下水喷涌量较大的地层，也能够保持作业空间的干燥，同时，可以在大雨时暂停作业，打开气压机房前后部的气锁闸门，将掘进机主体、气压机房以及半盾构机作为一根大排水管，排出流入的大量雨水。
在充气状态下，从机头的安装位置开始，所述掘进机主体的前端装有向前突出，长度以能够防止崩塌的土砂进入掘进机主体内为准的圆筒，且所述的圆筒前端具有超硬合金制成的掘隙刀具，因此，能够防止崩塌的土砂进入掘进机主体内。此外，通过半盾构千斤顶的推进，所述掘进机主体可以顺利向土层推进作业，即使中途存在分支管道，也可以使用超硬合金制成的掘隙刀具将其切断。
使用所述的更新既有混凝土管道用的气压掘进机，在既有混凝土管道内安装封闭压缩空气的气锁装置，使掘进机主体及既有混凝土管道内保持充气状态，从而形成一个充气状态的、防止地下水侵入的、干燥的作业空间；通过轮状机头的旋转来破碎既有混凝土管道，作业人员、材料、作业机器及破碎物通过所述轮状机头的中央开口，进出既有的混凝土管道，然后，由在上述作业空间内的作业机器及作业人员对使用轮状机头难以破碎的、既有混凝土管道的强PC钢材、接口钢材等进行切断、拆除，并在破碎既有混凝土管道后的空间内铺设新管。与上述气压掘进机一样，本发明中的更新方法也能够让作业机器及作业人员进入既有混凝土管道内进行作业，拆除难以破碎的既有混凝土管道内的强PC钢材、接口钢材，并可使作业空间形成充气状态的、防止地下水侵入的、干燥的作业空间，此外，所述更新方法还能够适应施工条件的变化，成为使用广泛、效率高的既有混凝土管道的更新方法。
图1是本发明实施例的结构示意图；图2是图1的A-A线剖面图；图3是图1的B-B线剖面图；图4是图1的局部放大图。
具体实施例方式
实施例1，参见图1，更新既有混凝土管道用的气压掘进机1具有掘进机主体3，所述掘进机主体3的内径大于埋设在地下的既有混凝土管道2的外径，掘进机主体3的外径大致等同于新铺管道的外径。新铺管道的内径要能够覆盖既有混凝土管道2的最大中心误差。掘进机主体3的前面是轮状机头4，并由驱动源使其旋转。所述轮状机头4仅在破碎既有混凝土管道2时必须的环状位置上安装了刀具。轮环状机头4具有刀盘6，所述刀盘6的中央形成一个能够进出作业人员、材料、作业机器及破碎物的开口5，并且刀盘6上每间隔特定距离便安装一个可自由旋转的滚刀7。通过轮状机头4的旋转，滚刀7可以破碎既有混凝土管道2的端部。
从掘进机主体3的轮状机头4的安装位置到前方的特定距离，延伸有圆筒支撑件8。圆筒支撑件8的突出长度是，以在充气状态下，土层崩塌的土砂不会进入掘进机主体3内为准。圆筒支撑件8的前端具有超硬合金制成的掘隙刀具9，因此通过推进千斤顶，掘进机主体3可以顺利向土层推进，即使中途存在分支管道，也可以使用超硬合金制成的掘隙刀具9将其切断。
掘进机主体3的轮状机头4的后部安装了中央具有开口的防水壁10。防水壁10上安装了驱动装置11，所述驱动装置11具有驱动轮状机头4旋转的减速装置。同时，轮状机头4与防水壁10之间安装了储料器12，所述储料器12承接由轮状机头4进行了破碎处理后的既有混凝土管道2，以及一部分挖掘土层所掉落的土砂。储料器12的下部安装了循环传送带等破碎物搬运装置13。
掘进机主体3的后部，通过密封材料连接了气压机房14，构成一个具备水密性的整体。气压机房14前部安装了前阻隔壁16，后部安装了后阻隔壁18，所述前后阻隔壁16、18可分别使前后闸门15、17可开关自如。通过气压机房14前后的气锁闸门15、17分隔出一个空间，用作作业人员、作业机器、材料、破碎物进出起始坑22时的物资进出闸及人员进出闸。通过交互开关气压机房14前后的气锁闸门15、17，在实现作业机器、材料、破碎物的搬运，以及作业人员的进出时，可以保持掘进机主体3及既有混凝土管道2内的充气状态。
如图4所示，气压机房14的后部，通过密封材料连接了半盾构机19，构成一个具备水密性的整体。所述半盾构机19中安装了多个半盾构千斤顶20。所述半盾构千斤顶20的前端与气压机房14后部通过拖钩50来连接固定，后端与后续的新铺管道21前部通过连接螺钉51等固定。半盾构千斤顶20与后续的几根新铺管道21通过拉杆等锚定装置52而连接。半盾构千斤顶20承受新铺管道21端部的反作用力，所述新铺管道21连接在半盾构机19后部，此连接具备水密性。同时，半盾构千斤顶20通过压力来推进气压机房14与掘进机主体3。调节多个半盾构千斤顶20的伸长长度，可以控制掘进机主体3的推进方向、以及轮状机头4对既有混凝土管道2端面的压力。在轮状机头4破碎既有混凝土管道2端面的过程中，当轮环状机头4无法切断、破碎的强PC钢材发生缠绕时，通过被后续的新铺管道21锚定住的半盾构千斤顶20，能够将掘进机主体3撤离既有混凝土管道2的端面，然后由作业人员来清除缠绕在轮状机头4上的强PC钢材等。半盾构机19可以连接在掘进机主体3的后部，也可以在半盾构机19的后部连接气压机房14。
从埋设了既有混凝土管道2的地表开始，以特定间隔挖掘起始坑22与接收坑23。起始坑22与接收坑23的间距将根据地表状态、用以推进铺设新铺管道21的压力等条件而确定。
起始坑22上的地表部分安装了移动式起重机27，所述移动式起重机27能够自如地移动新铺管道用吊车24及吊桶用吊车26，所述新铺管道用吊车24用于吊下新铺管道21；所述吊桶用吊车26用于吊上吊下搬运破碎物用的吊桶25。移动式起重机27下部安装了用于将吊桶25搬运的破碎物堆放到自动倾卸卡车车厢内的倾倒板28与储料器29。
同时，起始坑22上的地表部分安装了压缩机等充气鼓风单元30，所述充气鼓风单元30用于提供压缩空气，将掘进机主体3与既有混凝土管道2内保持为充气状态。来自充气鼓风单元30的压缩空气通过地表送气管31、坑底歧管32、软管33、坑内送气管34被送至掘进机主体3及既有混凝土管道2内，使掘进机主体3及既有混凝土管道2内成为充气状态。坑内送气管34是将气压机房14的前后阻隔壁16、18密闭贯通而安装形成的。
起始坑22中安装了承压壁35，此承压壁35承受主顶油缸(图中未标示)的反作用力，所述主顶油缸用于推进新铺管道21，及更新既有混凝土管道用的气压掘进机1。起始坑22与接收坑23间的既有混凝土管道2被更新为新铺管道21后，将接收坑23作为新的起始坑，将下一区间的既有混凝土管道2更新为新铺管道21。
新铺管道21、半盾构机19、气压机房14、掘进机主体3的底部铺设了运行吊桶25的轨道36，同时还铺设了小口径排水管37。所述小口径排水管37是将气压机房14的前后阻隔壁16、18密闭贯通而安装形成的。在既有混凝土管道2内，小口径排水管37将滞留在流入的地下水排向起始坑22的一侧。
既有混凝土管道2内安装了主气锁闸门38。所述主气锁闸门38中，具有密封环的阻隔壁上形成第一气锁闸门39，所述密封环密闭抵接于既有混凝土管道2内壁；在阻隔壁后部的密闭框体的后部形成第二气锁闸门40。也可以将通过第一气锁闸门39及第二气锁闸门40分隔成的密闭框体内部作为人员进出闸41，所述人员进出闸41用于让作业人员从接收坑23进出既有混凝土管道2。主气锁闸门38中安装了用以对作业空间内部进行换气的空气泄放阀42、和对作业空间内的压力进行调节的压力调节阀43。主气锁闸门38可以固定在既有混凝土管道2内的特定位置，也可以通过安装在接收坑23中的绞盘等牵引装置(图中未标示)，对应于既有混凝土管道2的更新而移动到接收坑23的一侧。
既有混凝土管道2通过气压机房14的物资进出闸，及主气锁闸门38的人员进出闸41保持为充气状态，其内部安装了从起始坑22一侧搬运来的移动自如的作业车44。作业车44中安装了轧碎机等粉碎工具45。在作业空间内，轮状机头4难以破碎的既有混凝土管道2的接口钢材46及强PC钢材，将通过作业车44的粉碎工具45，以及作业人员的作业而被切断、拆除。
在接收坑23中，因为会有下一更新区间的既有混凝土管道2的水流入，所以安装了水泵47。如果水泵47抽取的水经过接收坑23，由安装在地表的排水管传送到起始坑22一侧，则会影响地面的行人、车辆通行。因此，由水泵47抽取的水将通过大口径排水管48传送到起始坑22一侧，并排入已更新过的新铺管道内，所述大口径排水管48密闭贯穿了主气锁闸门38与气压机房14的前后阻隔壁16、18。此时，掘进机主体3的轮状机头4在继续对既有混凝土管道2进行破碎和推进，因此，将伸缩管49与一部分大口径排水管48连接，顶进1根大口径排水管48的长度后，即撤去1根大口径排水管48，并延伸伸缩管49进行连接，如此反复。
当既有混凝土管道2为雨水排水管道时，如果降大雨排水量将会增加，水泵47与大口径排水管48的排水作业将无法快速完成。此时，可以暂停作业，打开气压机房14前后的气锁闸门15、17，以及主气锁闸门38的第1、第2气锁闸门39、40，将既有混凝土管道2、掘进机主体3、气压机房14、半盾构机19、新铺管道21作为一根连通的大排水管，将雨水排向起始坑22一侧，并排入已更新过的新铺管道21内。因为将作为一条大排水管使用，所以掘进机主体3、气压机房14以及半盾构机19都需要为密闭防水型，进而，坑内使用的机器也全部分别为防水型。
如上所述，使用本发明所述的更新既有混凝土管道用的气压掘进机及其更新方法后，即使在各种困难的施工条件下，也能够更新既有混凝土管道。
权利要求
1.一种更新既有混凝土管道用的气压掘进机，在挖掘前端设有机头和刀盘，其特征在于，所述的机头和刀盘为中央开口的轮状机头和轮状刀盘，刀盘上还设有可开口的防水壁，其内径大于既有混凝土管道的外径；在该气压掘进机内设置有气压机房，所述气压机房与空气压缩机连接，并且该气压机房的前、后部分别装有气锁装置。
2.按照权利要求1所述的更新既有混凝土管道用的气压掘进机，其特征在于，所述气压掘进机主体的后方与气压机房及半盾构机通过销栓固定连接为一体，同时，半盾构千斤顶与后方的若干根新铺管道也固定连接。
3.按照权利要求1所述的更新既有混凝土管道用的气压掘进机，其特征在于，所述气压掘进机中，设有排水管，该排水管在既有混凝土管道内延伸并贯穿所述掘进机主体、气压机房以及半盾构机。
4.按照权利要求1、2或3所述的更新既有混凝土管道用的气压掘进机，其特征在于，所述掘进机主体、气压机房及半盾构机都为密闭的防水型。
5.按照权利要求4所述的更新既有混凝土管道用的气压掘进机，其特征在于，所述气压掘进机主体的前端设有向前突出的防泥砂圆筒，该防泥砂圆筒的前端具有超硬合金制成的掘隙刀具。
6.按照权利要求1、2、3或5所述的更新既有混凝土管道用的气压掘进机，其特征在于，所述的掘进机的防泥砂圆筒后部设有伸缩装置，相对于上述轮状刀盘，可沿推进方向调整伸展长度。
7.一种使用权利要求1所述的更新既有混凝土管道气压掘进机更新既有混凝土管道的方法，步骤是将本发明的气压掘进机设置在既有混凝土管道的同一轴线上；将气压机房前、后分别与掘进机主体及半盾构机密闭的连接为一体，并封闭气锁装置；开动空气压缩机，使掘进机主体及既有混凝土管道内保持充气的正压状态，从而形成一个防止地下水侵入的、干燥的作业空间；通过轮状机头的旋转来破碎既有混凝土管道，同时，在破碎既有混凝土管道后的空间内铺设新管道；需要时，作业人员、材料、作业机器及破碎物通过所述轮状机头的中央开口，进出既有的混凝土管道；遇到既有混凝土管道的接口时，由上述作业空间内的作业机器及作业人员使用轮状机头对难以破碎的、既有混凝土管道的强PC钢材、接口钢材等进行切断、拆除。
8.按照权利要求7所述的更新既有混凝土管道的方法，其特征在于，增加有以下步骤需要时，将气压掘进机后方的半盾构千斤顶缩回，利用后方连接的几根新铺管道的重量把掘进机主体和气压机房等向后拉开撤离挖掘面，给作业人员开出清除缠绕在机头上的钢筋等杂物的工作空间。
9.按照权利要求7或8所述的更新既有混凝土管道的方法，其特征在于，增加有以下步骤需要时，可调整掘进机的防泥砂圆筒后部的伸缩装置，控制防泥砂圆筒沿推进方向伸展长度。
全文摘要
更新既有混凝土管道用的气压掘进机，在挖掘端设有机头和刀盘，特征是机头和刀盘为中央开口的轮状机头和轮状刀盘，其内径大于既有混凝土管道的外径；掘进机内设置有气压机房，气压机房与空气压缩机连接，并且该气压机房的前、后部分别装有气锁装置。优化方案有掘进机主体的后方与气压机房及半盾构机通过销栓固定连接；同时，半盾构千斤顶与后方的几根新铺管道也通过销栓固定连接；掘进机中设有排水管，该排水管在既有混凝土管道内延伸并贯穿掘进机主体、气压机房以及半盾构机。本申请还提供了使用该气压掘进机更新既有混凝土管道的方法。本发明可让作业机械或作业员进出，并保持掘进机内干燥的作业空间，可以有效而方便地更新既有混凝土管道。
文档编号E21D9/11GK1865659SQ200610085430
公开日2006年11月22日 申请日期2006年6月15日 优先权日2006年6月15日
发明者柏素秦 申请人:柏素秦