基于钢套头工具管的粉砂土地层顶管施工结构的制作方法

本实用新型属于地下管道施工技术领域，尤其是涉及一种基于钢套头工具管的粉砂土地层顶管施工结构。

背景技术：

顶管法是指隧道或地下管道穿越铁路、道路、河流或建筑物等各种障碍物时采用的一种暗挖式施工方法。在施工时，通过传力顶铁和导向轨道，用支承于基坑后座上的液压千斤顶将管压入土层中，同时挖除并运走管正面的泥土。当第一节管全部顶入土层后，接着将第二节管接在后面继续顶进，这样将一节节管子顶入，作好接口，建成涵管。工作井一般用于市政工程中的隧道或地铁的施工，也可以用于给水排水工程、油井、矿井工程的施工。市政顶管施工中工作井是顶进操作室，从工作井开始顶进，到接收井出来。接收井是接收顶管机或工具管的场所，与工作井相比，接收井布置比较简单，工作井是顶管施工的顶进工作场所。

粉砂土是岩石经过风化作用后的产物，颗粒介于细砂土和粉土之间，其颗粒组成中以砂粒和粉粒为主，粘性颗粒含量相对较少。粉砂土地层是指土体为粉砂土的地层，该地层中顶管施工难度较大。如对处于沣河老河床川道的西咸国际文化教育园区内科技路污水管道工程进行施工时，所施工管道全长2026m，设计管径D1000mm，管道平均埋深12m，该工程地勘报告显示为耕土(Qpd)、第四系全新系统冲积(Q4a l)黄土状土、冲积(Q4a l)中砂和中粗砂、第四季上更新统冲积(Q3al)粉质粘土和粗砂、第四系中更新统冲积(Q2a l)粉质粘土和粗砂。由于上述工程中顶管管位深度所在砂层为全断面粉砂土地层，含水量较大，成拱性差，因此必须考虑顶进时管顶砂层全部压在管顶上而导致正压力、侧压力引起的摩阻力加大；同时，饱和砂层顶进时极易出现“栽头”和顶线偏移。采用传统的顶管施工模式(即人工手掘式法顶管施工)过程中，遇到大量粉砂层时，易塌方，无法施工，因而需对传统的顶管施工方法进行改进。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于钢套头工具管的粉砂土地层顶管施工结构，其结构简单、设计合理且施工简便、使用效果好，能简便、快速完成粉砂土地层顶管施工过程，并且施工过程安全、可靠。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种基于钢套头工具管的粉砂土地层顶管施工结构，其特征在于：包括位于所施工地下管道前端的钢套头工具管和安装在工作井内侧底部的顶进设备，所施工地下管道与钢套头工具管呈同轴布设且二者组成待顶进管道；所施工地下管道为由多个管道拼装节从前至后拼接而成且埋设于粉砂土地层内的拼接式管道，多个所述管道拼装节中位于最前侧的管道拼装节为前端拼装节，多个所述管道拼装节中位于最后侧的管道拼装节为后端拼装节；所施工地下管道为给排水管道或污水管道，所述管道拼装节为预制混凝土管节；

所述钢套头工具管安装在所述前端拼装节前端；所述钢套头工具管包括钢套管、安装在钢套管后端内侧的支撑环和固定在支撑环上且供所述前端拼装节前部同轴套装的插口，所述钢套管、支撑环和插口呈同轴布设，所施工地下管道和钢套管均为圆管，所述钢套管的外径与所施工地下管道的外径相同，所述插口为圆筒状且其外径不大于所施工地下管道的内径，所述支撑环与钢套管呈垂直布设，所述支撑环的后侧壁与钢套管的后侧壁相平齐，所述前端拼装节的前侧壁支顶在支撑环上；所述钢套管的壁厚为0.8cm～1.2cm且长度为80cm～120cm，所述管道拼装节不长度大于钢套管的长度；

所述顶进设备包括沿所施工地下管道的管道设计中心轴线对所述待顶进管道进行顶推的顶推设备、供所述待顶进管道向前移动的导轨、供顶推设备后部支顶的后支顶机构和安装于顶推设备前侧的顶铁，所述导轨位于顶推设备的正下方，所述后支顶机构固定在工作井的后侧井壁上，所述后支顶机构位于顶推设备后侧，所述顶铁位于顶推设备与所述待顶进管道之间。

上述基于钢套头工具管的粉砂土地层顶管施工结构，其特征是：所述顶推设备和导轨均沿所施工地下管道的管道设计中心轴线布设。

上述基于钢套头工具管的粉砂土地层顶管施工结构，其特征是：所述插口的长度为15cm～25cm。

上述基于钢套头工具管的粉砂土地层顶管施工结构，其特征是：所述支撑环的外径与钢套管的内径一致，所述支撑环与钢套管焊接固定为一体或加工制作为一体；所述插口与支撑环焊接固定为一体或加工制作为一体。

上述基于钢套头工具管的粉砂土地层顶管施工结构，其特征是：所述支撑环为钢环或由多个圆弧形支撑钢板组成的圆形支撑环。

上述基于钢套头工具管的粉砂土地层顶管施工结构，其特征是：所述支撑环为厚度为15cm～25cm的厚支撑环或厚度为0.8cm～1.2cm的薄支撑环，所述薄支撑环的前侧沿圆周方向设置有多道三角形加劲肋，所述三角形加劲肋外侧固定在钢套管的内侧壁上。

上述基于钢套头工具管的粉砂土地层顶管施工结构，其特征是：所述工作井位于所施工地下管道的后侧，所施工地下管道位于工作井与接收井之间；

所述工作井和所述接收井均为由上至下开挖形成的竖井；所述竖井为立方体结构，所述竖井的四个井壁均呈竖直向布设且其四个所述井壁均为现浇钢筋混凝土结构，所述竖井的内侧底部为水平封底层，所述水平封底层为钢筋混凝土层，所述竖井的四个所述井壁与水平封底层紧固连接为一体；所述竖井的四个所述井壁分别为前侧井壁、位于前侧井壁正后方的后侧井壁以及分别连接于前侧井壁与后侧井壁左右两侧之间的左侧井壁与右侧井壁；

所述工作井的前侧井壁上预留有进洞洞口，所述接收井的后侧井壁上预留有出洞洞口，所述进洞洞口和所述出洞洞口均为圆形且二者均沿所施工地下管道的管道设计中心轴线布设，所述进洞洞口的直径比钢套头工具管的外径大0.05m～0.1m，所述出洞洞口的直径比所述进洞洞口的直径大0.8m～1.2m。

上述基于钢套头工具管的粉砂土地层顶管施工结构，其特征是：所述竖井的四个井壁外侧均设置有一个高压旋喷桩支护结构，每个所述高压旋喷桩支护结构均包括多个沿所支护井壁由前至后布设在同一竖直面上的高压旋喷桩，所述高压旋喷桩呈竖直向布设且其直径为Φ450mm～Φ550mm，所述高压旋喷桩的底部高度低于所述竖井的底部高度，所述高压旋喷桩支护结构中相邻两个所述高压旋喷桩之间的间距为350mm～450mm，四个所述井壁外侧的所述高压旋喷桩支护结构组成一个立方体状止水帷幕；所述竖井的四个井壁组成一个立方体状井壁结构，所述立方体状井壁结构由上至下分别为多个井壁节段，所述立方体状井壁结构与其外侧的立方体状止水帷幕紧固连接为一体；

位于工作井的前侧井壁外侧的所述高压旋喷桩支护结构上设置有进洞口，所述进洞口位于所述进洞洞口的正前方且二者的直径相同。

上述基于钢套头工具管的粉砂土地层顶管施工结构，其特征是：多个所述管道拼装节的长度均相同；所述导轨包括左右两个呈平行布设的轨道，两个所述轨道均沿所施工地下管道的管道设计中心轴线进行布设且二者呈对称布设；所述轨道的长度为管道拼装节长度的1.5倍～2倍，两个所述轨道之间的间距为管道拼装节外径的0.45倍～0.6倍。

上述基于钢套头工具管的粉砂土地层顶管施工结构，其特征是：所述后支顶机构为布设在工作井的后侧井壁前侧的装配式后背墙，所述装配式后背墙与顶推设备呈垂直布设；所述装配式后背墙包括支顶钢板和固定于所述支顶钢板与工作井的后侧井壁之间的支撑骨架，所述支撑骨架由方木和/或型钢拼接而成；所述装配式后背墙底部低于工作井底部400mm～600mm，所述顶推设备后部在所述装配式后背墙的着力中心高度不小于所述装配式后背墙高度的1/3。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、结构简单且施工简便，投入施工成本较低。

2、所采用的钢套头工具管结构简单、加工简便且投入成本低，加工质量易于保证。

3、所采用的钢套头工具管与管道拼装节之间拼接简单且拆卸方便，使用操作简便。

4、通过所施工地下管道的前端安装钢套头工具管，并对钢套头工具管的长度、直径以及各部分的结构和尺寸等进行限定，顶进施工过程中将钢套头工具管超前顶入粉砂土地层中，人工在超前钢套头工具管内进行挖土，能有效防止开挖过程中粉砂土地层坍塌，保证施工人员的安全，并能保证顶进过程简便、快速且安全进行。

5、所采用的工作井结构简单且施工简便、使用效果好，并且设置有高压旋喷桩支护结构，能有效保证施工成型工作井的结构稳定性，确保施工安全。

6、所采用的顶进设备结构简单、设计合理且安装布设简便、使用操作方便、使用效果好，该顶进设备包括沿所施工地下管道的管道设计中心轴线对所述待顶进管道进行顶推的顶推设备、供待顶进管道向前移动的导轨、供顶推设备后部支顶的后支顶机构和安装于顶推设备前侧的顶铁，能简便、快速且可靠地完成向前顶推过程，并且顶推过程易于控制。

7、使用效果好且实用价值高，所施工地下管道前端安装有超前顶入的钢套头工具管，不仅能保证施工人员的安全，确保顶进施工效率，并且管道高程与方向容易控制，纠偏校正灵活，钢套头工具管能有效减少管道端头的阻力，安全可靠，施工过程中速度快、成本低。

综上所述，本实用新型结构简单、设计合理且施工简便、使用效果好，能简便、快速完成粉砂土地层顶管施工过程，并且施工过程安全、可靠。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的施工状态示意图。

图2为本实用新型实施例1中钢套头工具管的结构示意图。

图3为本实用新型实施例1中钢套头工具管的前部结构示意图。

图4为本实用新型导轨的布设位置示意图。

图5为本实用新型实施例2中钢套头工具管的结构示意图。

附图标记说明:

1—工作井； 2—钢套头工具管； 2-1—钢套管；

2-2—支撑环； 2-3—插口； 2-4—三角形加劲肋；

3—顶推设备； 4—导轨； 5—顶铁；

6—管道拼装节； 7—后侧井壁； 8—前侧井壁；

9—水平封底层； 10—工作平台； 11—龙门吊；

12—运输车。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实用新型包括位于所施工地下管道前端的钢套头工具管2和安装在工作井1内侧底部的顶进设备，所施工地下管道与钢套头工具管2呈同轴布设且二者组成待顶进管道；所施工地下管道为由多个管道拼装节6从前至后拼接而成且埋设于粉砂土地层内的拼接式管道，多个所述管道拼装节6中位于最前侧的管道拼装节6为前端拼装节，多个所述管道拼装节6中位于最后侧的管道拼装节6为后端拼装节；所施工地下管道为给排水管道或污水管道，所述管道拼装节6为预制混凝土管节；

如图2、图3所示，所述钢套头工具管2安装在所述前端拼装节前端；所述钢套头工具管2包括钢套管2-1、安装在钢套管2-1后端内侧的支撑环2-2和固定在支撑环2-2上且供所述前端拼装节前部同轴套装的插口2-3，所述钢套管2-1、支撑环2-2和插口2-3呈同轴布设，所施工地下管道和钢套管2-1均为圆管，所述钢套管2-1的外径与所施工地下管道的外径相同，所述插口2-3为圆筒状且其外径不大于所施工地下管道的内径，所述支撑环2-2与钢套管2-1呈垂直布设，所述支撑环2-2的后侧壁与钢套管2-1的后侧壁相平齐，所述前端拼装节的前侧壁支顶在支撑环2-2上；所述钢套管2-1的壁厚为0.8cm～1.2cm且长度为80cm～120cm，所述管道拼装节不长度大于钢套管2-1的长度；

所述顶进设备包括沿所施工地下管道的管道设计中心轴线对所述待顶进管道进行顶推的顶推设备3、供所述待顶进管道向前移动的导轨4、供顶推设备3后部支顶的后支顶机构和安装于顶推设备3前侧的顶铁5，所述导轨4位于顶推设备3的正下方，所述后支顶机构固定在工作井1的后侧井壁7上，所述后支顶机构位于顶推设备3后侧，所述顶铁5位于顶推设备3与所述待顶进管道之间。

其中，所施工地下管道的管道设计中心轴线为预先设计的所施工地下管道的管道中心轴线。

本实施例中，为顶推简便，所述钢套管2-1的前端经倒角处理，

本实施例中，所述顶推设备3和导轨4均沿所施工地下管道的管道设计中心轴线布设。

所述插口2-3的长度为15cm～25cm。并且，所述插口2-3为壁厚为0.8cm～1.2cm的钢管。

本实施例中，所述钢套管2-1的壁厚为1cm且长度为100cm，所述管道拼装节不长度大于钢套管2-1的长度；所述插口2-3的长度为20cm。并且，所述插口2-3的壁厚为1cm。

实际加工时，可根据具体需要，对钢套管2-1的壁厚和长度以及插口2-3的长度和壁厚分别进行相应调整。

本实施例中，所述插口2-3的内径与支撑环2-2的内径一致。

本实施例中，所述支撑环2-2的外径与钢套管2-1的内径一致，所述支撑环2-2与钢套管2-1焊接固定为一体或加工制作为一体；所述插口2-3与支撑环2-2焊接固定为一体或加工制作为一体。

本实施例中，所述支撑环2-2为由多个圆弧形支撑钢板组成的圆形支撑环。

实际使用时，所述支撑环2-2也可以为其它结构的支撑环。

本实施例中，所述支撑环2-2为厚度为15cm～25cm的厚支撑环。因而，所述圆弧形支撑钢板的板厚均为15cm～25cm。

本实施例中，所述工作井1位于所施工地下管道的后侧，所施工地下管道位于工作井1与接收井之间。

所述工作井1和所述接收井均为由上至下开挖形成的竖井；所述竖井为立方体结构，所述竖井的四个井壁均呈竖直向布设且其四个所述井壁均为现浇钢筋混凝土结构，所述竖井的内侧底部为水平封底层9，所述水平封底层9为钢筋混凝土层，所述竖井的四个所述井壁与水平封底层9紧固连接为一体；所述竖井的四个所述井壁分别为前侧井壁8、位于前侧井壁8正后方的后侧井壁7以及分别连接于前侧井壁8与后侧井壁7左右两侧之间的左侧井壁与右侧井壁；

所述工作井1的前侧井壁8上预留有进洞洞口，所述接收井的后侧井壁7上预留有出洞洞口，所述进洞洞口和所述出洞洞口均为圆形且二者均沿所施工地下管道的管道设计中心轴线布设，所述进洞洞口的直径比钢套头工具管2的外径大0.05m～0.1m，所述出洞洞口的直径比所述进洞洞口的直径大0.8m～1.2m。

本实施例中，所述竖井的四个井壁外侧均设置有一个高压旋喷桩支护结构，每个所述高压旋喷桩支护结构均包括多个沿所支护井壁由前至后布设在同一竖直面上的高压旋喷桩，所述高压旋喷桩呈竖直向布设且其直径为Φ450mm～Φ550mm，所述高压旋喷桩的底部高度低于所述竖井的底部高度，所述高压旋喷桩支护结构中相邻两个所述高压旋喷桩之间的间距为350mm～450mm，四个所述井壁外侧的所述高压旋喷桩支护结构组成一个立方体状止水帷幕；所述竖井的四个井壁组成一个立方体状井壁结构，所述立方体状井壁结构由上至下分别为多个井壁节段，所述立方体状井壁结构与其外侧的立方体状止水帷幕紧固连接为一体；

位于工作井1的前侧井壁8外侧的所述高压旋喷桩支护结构上设置有进洞口，所述进洞口位于所述进洞洞口的正前方且二者的直径相同。

其中，所述高压旋喷桩支护结构中相邻两个所述高压旋喷桩之间的间距指的是相邻两个所述高压旋喷桩的中心轴线之间的间距。

本实施例中，多个所述管道拼装节6的长度均相同；如图4所示，所述导轨4包括左右两个呈平行布设的轨道，两个所述轨道均沿所施工地下管道的管道设计中心轴线进行布设且二者呈对称布设；所述轨道的长度为管道拼装节6长度的1.5倍～2倍，两个所述轨道之间的间距为管道拼装节6外径的0.45倍～0.6倍。

实际使用时，所述轨道为钢轨或槽钢等型钢。所述轨道铺装在水平封底层9上，所述水平封底层9设置有供所述轨道固定的预埋钢板。

本实施例中，所述后支顶机构为布设在工作井1的后侧井壁7前侧的装配式后背墙，所述装配式后背墙与顶推设备3呈垂直布设；所述装配式后背墙包括支顶钢板和固定于所述支顶钢板与工作井1的后侧井壁7之间的支撑骨架，所述支撑骨架由方木和/或型钢拼接而成；所述装配式后背墙底部低于工作井1底部400mm～600mm，所述顶推设备3后部在所述装配式后背墙的着力中心高度不小于所述装配式后背墙高度的1/3。

并且，所述装配式后背墙与工作井1的后侧井壁7之间的间隙采用砂石料填塞密实。

本实施例中，所述顶铁5为U形顶铁，所述顶推设备3为液压千斤顶。

本实施例中，所述工作井1的上部外侧设置有工作平台10，所述工作井1上方安装有龙门架11，所述工作平台10为供管道拼装节6水平放置和供龙门架11安装的平台。

实际使用时，采用龙门架11将钢套头工具管2或管道拼装节6吊装至工作井1内。

实际施工过程中，对所施工地下管道进行顶管施工时，包括以下步骤：

步骤一、工作井施工：对用于顶进所施工地下管道的工作井1进行施工，所述工作井1位于所施工地下管道的后侧，所施工地下管道位于工作井1与接收井之间；

步骤二、顶进设备安装：在步骤一中施工完成的工作井1的内侧底部安装顶进设备；

步骤三、钢套头工具管顶进，过程如下：

步骤301、钢套头工具管吊装就位：将钢套头工具管2吊装入工作井1内的导轨4上，并使钢套头工具管2沿所施工地下管道的管道设计中心轴线布设；

步骤302、钢套头工具管顶进：采用顶推设备3且沿所施工地下管道的管道设计中心轴线，对步骤301中所述钢套头工具管2向前顶推，顶推长度不大于钢套管2-1的长度；

步骤303、人工管内挖土：人工对钢套头工具管2内土体进行开挖，并将所开挖土体运送至工作井1外侧；

步骤四、管道顶进：由前至后分别对所施工地下管道中的多个所述管道拼装节6进行顶进，过程如下：

步骤401、前端拼装节顶进，包括以下步骤：

步骤4011、前端拼装节吊装就位：将所述前端拼装节吊装入工作井1内的导轨4上后，再将所述前端拼装节前部同轴套装在步骤303中所述钢套头工具管2的插口2-3上，并使所述前端拼装节沿所施工地下管道的管道设计中心轴线布设；

步骤4012、前端拼装节与钢套头工具管同步顶进：采用顶推设备3 且沿所施工地下管道的管道设计中心轴线，对步骤4011中所述前端拼装节与钢套头工具管2同步进行向前顶推，直至所述前端拼装节后端位于工作井1内的长度为20cm～50cm为止；

对步骤4011中所述前端拼装节与钢套头工具管2同步进行向前顶推时，一次向前顶推完成或分多次进行向前顶推，每次向前顶推的顶推长度均不大于钢套管2-1的长度；每次向前顶推完成后，均采用人工对钢套头工具管2内土体进行开挖，并将所开挖土体运送至工作井1外侧；

步骤402、下一个管道拼装节顶进，包括以下步骤：

步骤4021、下一个管道拼装节吊装就位：将当前所顶进管道拼装节吊装入工作井1内的导轨4上，并对当前所顶进管道拼装节与上一个已顶进完成的所述管道拼装节进行拼接，使当前所顶进管道拼装节沿所施工地下管道的管道设计中心轴线布设；

所述钢套头工具管2、当前所顶进管道拼装节和位于钢套头工具管2与当前所顶进管道拼装节之间的所有管道拼装节组成当前顶推管道；

步骤4022、当前顶推管道顶进：采用顶推设备3且沿所施工地下管道的管道设计中心轴线，对步骤4021中所述当前顶推管道进行向前顶推，直至当前所顶进管道拼装节后端位于工作井1内的长度为20cm～50cm为止；

对步骤4021中所述当前顶推管道进行向前顶推时，一次向前顶推完成或分多次进行向前顶推，每次向前顶推的顶推长度均不大于钢套管2-1的长度；每次向前顶推完成后，均采用人工对钢套头工具管2内土体进行开挖，并将所开挖土体运送至工作井1外侧；

步骤403、一次或多次重复步骤402，直至完成所施工地下管道中除所述后端拼接节之外的所有管道拼装节6的顶进过程；

步骤404、后端拼接节顶进，包括以下步骤：

步骤4041、后端拼接节吊装就位：按照步骤4021中所述的方法，对所述后端拼接节进行吊装就位，获得所述待顶推管道；

步骤4042、待顶推管道顶进：采用顶推设备3沿所施工地下管道的管道设计中心轴线，且根据所施工地下管道后端的设计位置，对步骤4041中所述待顶推管道进行向前顶推，直至将所施工地下管道顶推到位；

对步骤4041中所述待顶推管道进行向前顶推时，一次向前顶推完成或分多次进行向前顶推，每次向前顶推的顶推长度均不大于钢套管2-1的长度；每次向前顶推完成后，均采用人工对钢套头工具管2内土体进行开挖，并将所开挖土体运送至工作井1外侧；

步骤五、管道接口处理：对步骤4042中顶推到位的所施工地下管道中前后相邻两个所述管道拼装节6之间的连接处进行密封处理；

步骤六、管道闭水试验：对步骤五中管道接口处理后的所施工地下管道进行闭水试验。

本实施例中，步骤303中、步骤4012中、步骤4022中和步骤4042中对钢套头工具管2内土体进行开挖时，先采用运输车12将所开挖土体向后运至工作井1内侧底部，再采用龙门吊11将运输车12吊装至工作井1外侧，从而实现对所开挖土体进行外运的目的。因而，所述龙门吊11为对运输车12进行吊装的吊装设备。

本实施例中，所述运输车12为手推车。

实施例2

本实施例中，如图5所示，与实施例1不同的是：所述支撑环2-2为钢环，所述支撑环2-2为厚度为0.8cm～1.2cm的薄支撑环，所述薄支撑环的前侧沿圆周方向设置有多道三角形加劲肋2-4，所述三角形加劲肋2-4外侧固定在钢套管2-1的内侧壁上。

本实施例中，所述支撑环2-2的厚度为1cm。

实际使用时，可根据具体需要，对支撑环2-2的厚度进行相应调整。

并且，所述支撑环2-2和插口2-3均与钢套管2-1加工制作为一体。

本实施例中，其余部分的结构和连接关系均与实施例1相同。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。