一种顶管机头均压舱及其应用方法
【专利摘要】本发明公布了一种顶管机头均压舱及其应用方法，通过在物料舱与工作舱中先后通过压缩空气，使得在整个掘进工作面的高度范围内，作用的气体压力是相等的，由地下水的压力是有梯度的，因此在工具管的顶部就形成一个超过平衡压力的气体压力区，在这一压力作用下，地层空隙中的水被挤出，地层也从原来的饱和状态过度到半饱和状态，从而起到平衡挖掘面的作用。
【专利说明】-种顶管机头均压舱及其应用方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及建设工程领域，具体是指一种顶管机头均压舱及其应用方法。
【背景技术】
[0002] 顶管是一项用于市政施工的非开挖掘进式管道铺设施工技术，可W安全的穿越公 路、铁路、河流，甚至能在建筑物底下穿过，有效进行环境保护。顶管技术施工无需隔断施 工，避免开挖施工的影响交通、破坏路面、破坏地表植被、影响正常的活动和居民的日常生 活，W及存在大量的±方工程，极大的缩短了施工工期。而顶管过程中会遇到不同的±质， 而涉及石油、天然气管道敷设中的砂±、流砂地质情况下的顶管穿越施工，在该种地质条件 下施工，顶进阻力及纠偏难度大。
[0003] 顶管施工中，传统的防透水、防渗水措施是井点降水，即利用井点进行重力集水， 排除井内集水W达到降水或降低承压水压力的目的。但在施工过程中，特别是遇到高透水 地质，易出现地面水和地下水通过裂隙、断层、塌陷区等各种通道涌入降水井，当降水井涌 水超过正常排水能力时，就造成井内水灾，给顶管施工带来很大的安全隐患。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种顶管机头均压舱及其应用方法，利用空气压力疏干机 头前方一定范围内±壤空隙中的自由水，避免±体受地下水渗流作用造成的不稳定，同时 利用压缩空气的压力支撑开挖面±体，使之达到稳定平衡。
[0005] 本发明的目的通过下述技术方案实现： 一种顶管机头均压舱，包括均压舱本体，在所述均压舱本体内设置有工作舱和物料舱， 物料舱的侧面设有第一舱口，工作舱上侧面设有与第一舱口朝向相同的第二舱口，顶管机 头设置在工作舱内，在物料舱的顶部连接有通气管道，且该通气管道分别将物料舱和工作 舱与外界的空压机连通。本发明采用气压平衡地下水，利用外部的空压机通过通气管道分 别向工作舱和物料舱内充入一定压力的压缩空气，利用空气压力疏干顶管机头前方一定范 围内±壤空隙中的自由水，一方面避免了±体受地下水渗流作用造成的不稳定，同时利用 压缩空气的压力支撑开挖面±体，使之达到稳定平衡，同时工作人员通过第一舱口和第二 舱口进入工作舱内进行顶进工序；在整个掘进工作面的高度范围内，作用的气体压力是相 等的，但地下水的压力是有梯度的，因此在切削头的顶部就形成一个超过平衡压力的气体 压力区，在该一压力作用下，地层空隙中的水被挤出，地层也从原来的饱和状态过度到半饱 和状态，从而起到平衡挖掘面的作用。
[0006] 还包括设置在工作舱前端的切削头，在所述的切削头内壁圆周上较接连接有4组 双向工作液压油缸。纠偏装置为双向工作液压油缸，与切削头内壁较接连接，沿切削头内 壁圆周共设置4组液压油缸，通过外部液压系统可W控制该4组液压油缸的伸缩动作和伸 缩量，调整切削头沿轴线方向上的角度，从而达到控制顶管前进方向的目的。与现有技术相 比，纠偏动作更加准确、更加受控制，且更易实现。
[0007] -种顶管机头均压舱的应用方法，包括权利要求1或2所述的顶管机头均压舱，其 应用方法包括W下步骤： (a) 关闭第一舱口，使工作舱与大气隔绝，在工作舱完全密封的情况下，向工作舱输入 压缩空气，使得地下水不能涌出并流入物料舱内，形成无水安全的作业环境； (b) 作业人员进入物料舱，关闭第二舱n，同时向物料舱输入与工作舱同等压力的压缩 空气； (C)然后打开第一舱口，作业人员进入工作舱后，关闭第一舱口，即开始掘进作业； (d) 当物料舱装满后，关闭第一舱口，开始对物料舱进行减压，当物料舱内气压与外界 大气压平衡时打开第二舱口，工作人员将顶进挖掘处出的±方进行装车，将其运输出物料 舱，直至物料舱内±方被完全清空； (e) 重复上述步骤（a)~ (d)。
[000引所述步骤（a)的供气量Q持续供应，使得工作舱中的压力保持恒定，且供气量Q满 足谷= ￡1^X0；; 其中Q为常压下所需的空气量（mVmin)，D为工具管直径m;a为经验值，粉质粘±的 a 为 0. 5。
[0009] 所述步骤（a)中地下水压力满足Pw -= !w ;、v ; 其中hw为地下水位距工具管底部高度，为水的容重。
[0010] 所述步骤（b)通入的压缩空气的压力值P = /V + ofil，且0 < P《0. 36Mpa。
[0011] 所述步骤（d)中工作舱内的机头顶进工序与物料舱内的取±工序同时进行。
[0012] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果： 本发明可在地下水比较丰富、含砂量比较大的±质情况下仍能保证施工的安全性，同 时，在管道顶进过程中对±层扰动较小，出±数量控制准确，挤入机舱的±层经切削便于外 运；并且本发明利用空气压力疏干机头前方一定范围内±壤空隙中的自由水，一方面避免 了±体受地下水渗流作用造成的不稳定，同时利用压缩空气的压力支撑开挖面±体，使地 下水位与挖掘面之间达到稳定平衡。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部 分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中： 图1为均压舱的结构示意图； 图2为本发明的工艺原理图； 附图中标记及相应的零部件名称： 1-工作舱、2-切削头、3-第一舱口、4-物料舱、5-第二舱口、6-通气管道。
【具体实施方式】
[0014] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本 发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作 为对本发明的限定。
[001引 实施例1 如图1和图2所示，A为地表面，B为地下水位，C为均压舱本体，本实施例中的均压舱， 包括均压舱本体，在所述均压舱本体内设置有工作舱1和物料舱4,物料舱4的侧面设有第 一舱口 3,工作舱1上侧面设有与第一舱口 3朝向相同的第二舱口 5,顶管机头设置在工作 舱1内，在物料舱4的顶部连接有通气管道6,且该通气管道6分别将物料舱4和工作舱1 与外界的空压机连通。本发明采用气压平衡地下水，利用外部的空压机通过通气管道6分 别向工作舱1和物料舱4内充入一定压力的压缩空气，利用空气压力疏干顶管机头前方一 定范围内±壤空隙中的自由水，一方面避免了±体受地下水渗流作用造成的不稳定，同时 利用压缩空气的压力支撑开挖面±体，使之达到稳定平衡，同时工作人员通过第一舱口 3 和第二舱口 5进入工作舱1内进行顶进工序；在整个掘进工作面的高度范围内，作用的气体 压力是相等的，但地下水的压力是有梯度的，因此在工具管2的顶部就形成一个超过平衡 压力的气体压力区，在该一压力作用下，地层空隙中的水被挤出，地层也从原来的饱和状态 过度到半饱和状态，从而起到平衡挖掘面的作用。
[0016] 所述步骤（a)的 fi二 ； 其中Q为常压下所需的空气量（mVmin)，D为工具管直径m;a为经验值，粉质粘±的 a为0.5。供气量Q持续供应，进而保证工作舱1内的压力不下降，即达到工作舱1内空气 在±壤中的流失量与通气管道6中的送气量相等，进而使得地下水位面的高度不会下降， 方便顶管机头的顶进作用。
[0017] 所述步骤（a)中地下水压力满足/?w = Iw' ；w ;其中hw为地下水位距工具管底部 高度，;W为水的容重。
[0018] 所述步骤（b)通入的压缩空气的压力值/'，巧=1仍-;w，且0 < P《0. 36Mpa。挖掘 面处的地下水压力可依据hw与该位置的水的容量之乘积来确定，而由通气管道中注入的 压缩空气压力值为P UI。切削头2底部距地下水位的高差最大，此处渗水水压也最 大；理论上空气压力与切削头底部渗水水压相等时，整个掘进面上±壤中的水便不会渗出， 但为了增加平衡效果，作用于工作面上的气体压力一般略大于最大渗水压力。
[0019] 所述步骤（d)中工作舱内的机头顶进工序与物料舱4内的取±工序同时进行，而 且机头切入的±量与挖出的±量应大致相等，机头内切入的±量过多，必然会增加顶力，顶 力的增加可能扰动±体引起地面隆起或沉降；机头内挖±过多，甚至挖到机头前沿W外，尽 管有气压，但仍可能造成挖掘面巧塌，使地面沉降，顶管只有在界面压力和顶进与出±保持 在该种动态平衡状态下，才能保证对地面影响最小，顶管质量最好，工作效率最高。
[0020] W上所述的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步 详细说明，所应理解的是，W上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不用于限定本发明 的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种顶管机头均压舱，包括均压舱本体，其特征在于：在所述均压舱本体内设置有 工作舱（1)和物料舱（4)，物料舱（4)的侧面设有第一舱门（3)，工作舱（1)上侧面设有与第 一舱门（3)朝向相同的第二舱门（5);顶管机头设置在工作舱（1)内，在物料舱（4)的顶部 连接有气体连通管道（6)，且该气体连通管道（6)分别将物料舱（4)和工作舱（1)与外界的 空压机连通。
2. 根据权利要求1所述的一种顶管机头均压舱，其特征在于：还包括设置在工作舱（1) 前端的切削头（2 )，在所述的切削头（2 )内壁圆周上铰接连接有4组双向工作液压油缸。
3. -种顶管机头均压舱的应用方法，其特征在于：包括权利要求1或2所述的顶管机 头均压舱，其应用方法包括以下步骤： (a) 关闭第一舱门（3)，使工作舱（1)与大气隔绝，在工作舱（1)完全密封的情况下，向 工作舱（1)输入压缩空气，使得地下水不能涌出并流入物料舱（4)内，形成无水安全的作业 环境； (b) 作业人员进入物料舱（4)，关闭第二舱门（5)，同时向物料舱（4)输入与工作舱（1) 同等压力的压缩空气； (c) 然后打开第一舱门（3)，作业人员进入工作舱（1)后，关闭第一舱门（3)，即开始顶 进作业； (d) 当物料舱装满后，关闭第一舱门（3)，开始对物料舱（4)进行减压，当物料舱（4)内 气压与外界大气压平衡时打开第二舱门（5)，工作人员将顶进挖掘处出的土方进行装车，将 其运输出物料舱（4)，直至物料舱（4)内土方被完全清空； (e) 重复上述步骤（a)~ (d)。
4. 根据权利要求3所述的一种顶管机头均压舱的应用方法，其特征在于：所述 步骤（a)的供气量Q持续供应，使得工作舱（1)中的压力保持恒定，且供气量Q满足
其中Q为常压下所需的空气量（m3/min)，D为工具管直径m;a为经验值。
5. 根据权利要求3所述的一种顶管机头均压舱的应用方法，其特征在于：所述步骤（a) 中地下水压力满足f+Hv=I+tw:w; 其中hw为地下水位距工具管底部高度，；w为水的容重。
6. 根据权利要求3所述的一种顶管机头均压舱的应用方法，其特征在于，所述步骤（b) 通入的压缩空气的压力值P-Pw+(KH,且0 <P彡0? 36Mpa。
7. 根据权利要求3所述的一种顶管机头均压舱及其应用方法，其特征在于，所述步骤 (d)中工作舱（1)内的机头顶进工序与物料舱（4)内的取土工序同时进行。
【文档编号】F16L1/00GK104482295SQ201410666746
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】胡云洁, 高志惠 申请人:中国五冶集团有限公司