顶管设备的制作方法

本申请涉及既有线过轨顶管施工技术领域，尤其涉及一种顶管设备。

背景技术：

我国高速铁路通车运营已达10年，在较长时间的运营过程中，受自然环境变化、温度变化和高速列车振动等作用的长期影响，无砟轨道路基线间封闭层的材料容易受到损坏而形成缝隙，同时，轨道板接缝、轨道板与支承层之间也容易产生裂纹，缝隙和裂纹的产生会导致雨水渗入封闭层。由于封闭层的排水效果不好，因此，雨水的入侵导致部分铁路线路路基出现了较严重的路基病害问题，其中典型的问题是铁路路基出现翻浆冒泥、砂浆析出，并导致轨道板出现一系列问题如轨道板离缝、宽接缝离缝、基础不均匀沉降、轨道板上拱，从而既影响轨面的平顺性，也对行车安全造成影响。

针对上述所述的无砟轨道路基线间封闭层排水不畅的问题，常见的解决办法是在线间设置集水井和横向排水管。但是，对于设置横向的排水管来说，普通钻机施工需要用水辅助，而流水会破坏铁路路基结构，不能满足现场施工要求，而顶管施工虽然对路基的影响较小，但是，由于无砟轨道线间的空间比较狭窄(约1.5m净距)，现有的顶管设备及顶管施工方法也不能满足施工要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请实施例期望提供一种能够在相对狭窄的空间进行顶管施工的顶管设备。

为达到上述目的，本申请实施例提供一种顶管设备，包括：

顶升组件，所述顶升组件包括固定架、具有输出轴的驱动机构、导向部、套管固定接头和推进机构；所述导向部包括设置在所述固定架上的第一导向件和设置在所述驱动机构上的第二导向件，所述第一导向件和所述第二导向件相互配合，以使所述驱动机构能够沿所述输出轴的轴向运动；所述套管固定接头设置在所述驱动机构上，沿所述输出轴的轴向，所述套管固定接头的投影位于所述输出轴的投影的周向；所述推进机构的一端与所述固定架连接，所述推进机构的另一端与所述驱动机构连接；所述推进机构通过伸缩运动能够带动所述驱动机构沿所述输出轴的轴向运动；

钻具，所述钻具包括钻杆和钻头；所述钻杆的一端与所述输出轴可拆卸地连接，所述钻杆远离所述输出轴的一端与所述钻头可拆卸地连接；所述钻杆包括多个能够沿所述输出轴的轴向可拆卸地连接的子钻杆，每个所述子钻杆靠近所述输出轴的一端均能够与所述输出轴可拆卸地连接。

进一步地，相邻的两个所述子钻杆螺纹连接。

进一步地，所述套管固定接头与所述输出轴连接。

进一步地，所述驱动机构包括液压马达和变速齿轮箱，所述液压马达与所述变速齿轮箱驱动连接，所述输出轴为所述变速齿轮箱的一部分结构。

进一步地，所述钻杆为螺旋叶片钻杆。

进一步地，所述钻头为刮刀式合金钻头。

进一步地，所述顶升组件包括纠偏机构，所述纠偏机构包括垂直调节机构和水平调节机构，所述垂直调节机构设置在所述固定架的底部，所述水平调节机构设置在所述固定架的周向。

进一步地，所述推进机构包括至少两个依次连接的单级千斤顶；或，

所述推进机构为多级千斤顶。

进一步地，所述钻杆具有内腔，所述钻杆远离所述输出轴的一端设置有与所述内腔连通的出水口，所述顶升组件包括供水接头，所述供水接头与所述内腔连通。

进一步地，所述第一导向件为导轨，所述第二导向件为导向座。

进一步地，所述顶管设备包括为所述顶升组件提供动力的控制组件，所述控制组件与所述顶升组件为分体式结构。

本申请实施例的顶管设备，通过将钻杆分成多个子钻杆，且在顶管施工过程中将钻孔和顶管交替进行，可以适合用于在无砟轨道等空间相对狭窄的既有线线间进行施工，还可以在钻出预成孔之后，依靠及时顶进的套管对预成孔进行保护，以防止塌孔等情况发生。

附图说明

图1为本申请一实施例的顶管设备的部分结构示意图，图中主要示出了顶升组件和钻具；

图2为图1所示的顶管设备的部分结构的一视角的示意图；

图3为图1所示的顶管设备的部分结构的另一视角的示意图；

图4为图1中所示的顶升组件与套管的装配示意图；

图5为本申请一实施例的顶管设备的另一部分结构示意图，图中主要示出了控制组件和推车；

图6为本申请一实施例的顶管施工方法的流程图。

附图标记说明

顶升组件10；固定架11；架体111；定位座112；驱动机构12；液压马达121；变速齿轮箱122；输出轴1221；导向部13；第一导向件131；第二导向件132；套管固定接头14；推进机构15；纠偏机构16；垂直调节机构161；安装座1611；支撑柱1612；调节螺母1613；水平调节机构162；钻具20；钻杆21；子钻杆211；钻头22；控制组件30；油泵电机31；油泵油箱32；控制器33；推车40；套管100。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，具体实施方式中的详细描述应理解为本申请宗旨的解释说明，不应视为对本申请的不当限制。

本申请第一方面提供了一种顶管设备，请参阅图1至图3，该顶管设备包括顶升组件10和钻具20。顶升组件10包括固定架11、具有输出轴1221的驱动机构12、导向部13、套管固定接头14和推进机构15。导向部13包括设置在固定架11上的第一导向件131和设置在驱动机构12上的第二导向件132，第一导向件131和第二导向件132相互配合，以使驱动机构12能够沿输出轴1221的轴向运动；套管固定接头14设置在驱动机构12上，沿输出轴1221的轴向，套管固定接头14的投影位于输出轴1221的投影的周向；推进机构15的一端与固定架11连接，推进机构15的另一端与驱动机构12连接；推进机构15通过伸缩运动能够带动驱动机构12沿输出轴1221的轴向运动。钻具20包括钻杆21和钻头22；钻杆21的一端与输出轴1221可拆卸地连接，钻杆21远离输出轴1221的一端与钻头22可拆卸地连接；钻杆21包括多个能够沿输出轴1221的轴向可拆卸地连接的子钻杆211，每个子钻杆211靠近输出轴1221的一端均能够与输出轴1221可拆卸地连接。

具体地，驱动机构12主要用于驱动钻杆21旋转，以使钻头22能够钻出顶管所需的预成孔或成孔中。本实施例的驱动机构12包括液压马达121和变速齿轮箱122，液压马达121与变速齿轮箱122驱动连接，输出轴1221为变速齿轮箱122的一部分结构，也就是说，钻杆21实际上是与变速齿轮箱122连接的，设置变速齿轮箱122的目的在于可以便于调节钻孔时的进给速度。在其它实施方式中，也可以不设置变速齿轮箱122，而将钻杆21直接与液压马达121连接。

本实施例的第一导向件131为导轨，第二导向件132为导向座。导轨的设置方向与输出轴1221的轴向平行，导向座穿设在导轨上，并能沿导轨滑动，由此使得驱动机构12能够沿输出轴1221的轴向运动。在其它实施方式中，第一导向件131也可以是滑槽，第二导向件132可以是与滑槽配合的滑块，或者，第一导向件131还可以是滑轨，第二导向件132可以是与滑轨配合的滑轮，只要通过第一导向件131和第二导向件132的相互配合，能使驱动机构12能够沿输出轴1221的轴向运动即可。

请参阅图4，套管固定接头14主要用于连接套管100，也就是说，在顶管时，套管100需要与套管固定接头14可拆卸地连接。在本实施例中，套管固定接头14与输出轴1221连接，且位于输出轴1221的周向，由此，可以在顶管过程中，通过输出轴1221带动套管100旋转，以便于将套管100顶入钻出的预成孔或成孔中。在其它实施方式中，套管固定接头14也可以不与输出轴1221连接，比如，驱动机构12的外壳体上可以设置一个与输出轴1221对应的安装孔，套管固定接头14设置在驱动机构12的外壳体上并位于安装孔的周向，输出轴1221的一端可以通过安装孔伸出到驱动机构12的外部，也可以不伸出到驱动机构12的外部，只要便于钻杆21能够与输出轴1221连接即可，也就是说，输出轴1221的一端可以穿过套管固定接头14，也可以不穿过套管固定接头14，套管固定接头14与输出轴1221的位置关系只需要满足沿输出轴1221的轴向，套管固定接头14的投影能够位于输出轴1221的投影的周向即可，由此，可以保证套管100能够与输出轴1221同轴，进而可以保证套管100能够顺利顶入钻出的预成孔或成孔中。

本实施例提供的顶升组件10的尺寸较小，其最大长度可以控制在1.2米以内，适合用于在无砟轨道等空间相对狭窄的既有线线间进行施工。

请继续参阅图1至图3，本实施例的钻杆21包括多个子钻杆211，相邻的两个子钻杆211螺纹连接，也就是说，本实施例的钻杆21采用螺旋接口，子钻杆211与输出轴1221之间也为螺纹连接，由此，不仅拆装方便，且多个子钻杆211连接后的钻杆21的整体钢度大，方向控制性好。在其它实施方式中，多个子钻杆211之间以及每个子钻杆211与输出轴1221之间也可以是插接、卡接等，在此不做限制。将钻杆21分成多个子钻杆211的目的在于，在顶管施工过程中，通过逐步增加所使用的子钻杆211的数量，可以逐步加长钻杆21的长度，由此，可以适合用于在无砟轨道等空间相对狭窄的既有线线间进行施工。钻杆21的具体使用方法将在后面的顶管施工方法这一部分进行详述。需要说明的是，作为示例，图1至图3中的钻杆21只示出了两个子钻杆211，实际上，与输出轴1221连接的钻杆21可以只有一个子钻杆211，也可以有两个以上的子钻杆211。

本实施例的钻头22优选为刮刀式合金钻头，更优选地，可以选用三翼刮刀式合金钻头。采用刮刀式合金钻头的好处在于一般的钻孔方式需要注水施工，而流水会对路基结构的稳定性造成影响，而刮刀式合金钻头硬度较高，在钻进碎石土、改良土等路基填料时不需要使用水，对原地层的扰动也比较小，因此，在钻孔过程中不会影响路基的结构稳定性。另外，本实施例的钻杆21为螺旋叶片钻杆，螺旋叶片钻杆与刮刀式合金钻头配合，可以及时地将钻孔过程中所产生的钻碴排出，以保证刮刀式合金钻头的钻进方向可控。

进一步地，本实施例的钻杆21具有内腔(图未示出)，钻杆21远离输出轴1221的一端设置有与内腔连通的出水口(图未示出)，顶升组件10包括供水接头(图未示出)，供水接头与内腔连通。设置供水接头的目的在于，通过与供水接头连通的供水管(图未示出)，可以在钻孔时通过出水口向土壤或岩层喷水，以起到软化土壤或岩层，减小钻孔时的阻力、以及给钻杆21降温的目的。本实施例的子钻杆211为两端具有开口的中空结构，当输出轴1221上连接的钻杆21只有一个子钻杆211时，该中空结构即为钻杆21的内腔，当输出轴1221上连接的钻杆21由多个子钻杆211连接而成时，多个子钻杆211的中空结构共同形成钻杆21的内腔。需要说明的是，由于本实施例的钻头为刮刀式合金钻头，其能够钻进比较坚硬的地质，因此，在所钻进的地质的硬度与刮刀式合金钻头的硬度相当的情况下，可以不喷水或者喷少量的水，以减小流水对地质的影响。

请继续参阅图1至图3，本实施例的推进机构15为双级千斤顶。

具体地，本实施例设置了四个双级液压千斤顶，每个双级液压千斤顶的第二级活塞杆分别与固定架11连接，每个双级液压千斤顶的缸筒分别与驱动机构12连接，在钻孔或顶管过程中，四个双级液压千斤顶可以共同作用，分两节推动驱动机构12，以使钻孔或顶管的过程更加平稳。另外，与行程相同的单级液压千斤顶相比，双级液压千斤顶的缸筒所占用的空间更小，更加适合在相对狭窄的空间中使用。在其它实施方式中，推进机构15也可以是单级千斤顶或级数更多的多级千斤顶，或者，也可以将两个或两个以上的单级千斤顶依次连接，以替代多级千斤顶，推进机构15还可以是液压油缸、气缸等能够进行伸缩运动的机构。另外，推进机构15的数量也不限于四个，其数量可以根据需要进行调整，在此不做限制。

请继续参阅图1至图3，本实施例的顶升组件10包括纠偏机构16，纠偏机构16包括垂直调节机构161和水平调节机构162，垂直调节机构161设置在固定架11的底部，水平调节机构162设置在固定架11的周向。

具体地，纠偏机构16主要用于调整固定架11的角度，以防止钻孔的方向发生偏斜。本实施例的垂直调节机构161为伸缩支撑脚，伸缩支撑脚包括支撑柱1612、安装座1611和调节螺母1613，固定架11包括架体111和设置在架体111底部设置的定位座112，支撑柱1612上设置有外螺纹，支撑柱1612的一端伸入定位座112上的定位孔(图未示出)中，支撑柱1612的另一端与安装座1611连接，调节螺母1613与支撑柱1612螺纹连接，定位座112抵靠在调节螺母1613远离安装座1611的一侧的端面上。通过旋转调节螺母1613，可以调节固定架11的高度。本实施例的水平调节机构162为调节螺杆，第一导向件131的尾端设置有螺纹孔(图未示出)，调节螺杆的一端拧入螺纹孔中，调节螺杆的另一端抵靠在工作井的侧壁上。通过旋转调节螺杆可以调节调节螺杆旋出的长度，由此可以调节固定架11在水平方向上的角度。本实施例的水平调节机构162实际上是设置在固定架11的后侧，在其它实施方式中，水平调节机构162也可以设置在固定架11的两侧。在其它实施方式中，垂直调节机构161和水平调节机构162也可以是油缸或气缸。

请参阅图5，顶管设备包括为顶升组件10提供动力的控制组件30，控制组件30与顶升组件10为分体式结构。

具体地，本实施例的控制组件30包括油泵电机31、油泵油箱32、外接电源(图未示出)和控制器33，外接电源主要用于为顶管设备提供电力，控制器33用于控制油泵电机31和油泵油箱32，为顶升组件10提供液压动力。现有的顶管设备的控制组件和顶升组件一般是组合在一起的，两者无法分离，因此，现有的顶管设备体积较大且较为笨重，无法满足天窗点时间(凌晨1：00-4：00)的人工搬运要求，而本实施例的控制组件30与顶升组件10为分体式结构，也就是说，控制组件30与顶升组件10是两个相互分离的组件，施工人员可以单独搬运控制组件30和顶升组件10，使用时再将控制组件30与顶升组件10进行快速连接，由此可以方便施工人员搬运，适合天窗点或者其它特殊条件下施工。再进一步地，控制组件30比顶升组件10的重量更重，其占用的空间也比较大，因此，本实施例的顶管设备还包括推车40，控制组件30设置在推车40上，以方便施工人员搬运控制组件30。

本申请第二方面提供了一种顶管施工方法，该顶管施工方法主要用于上述所述的顶管设备，请参阅图6，该顶管施工方法主要包括以下几个步骤：

s1、控制顶升组件10钻出预成孔；预成孔为成孔的一部分；

具体地，本实施例的子钻杆211和套管100的长度均为50cm，可以理解的是，该长度只是示例，在实际使用中，可以根据需要调整子钻杆211和套管100的长度，子钻杆211和套管100的长度可以不相同，每个子钻杆211的长度也可以不相同。所谓的预成孔是指在钻出最终的成孔之前，钻头所钻出的成孔的一部分结构。在本实施例中，控制顶升组件10钻出预成孔的方式为，先将第1个子钻杆211的一端与输出轴1221连接，将钻头22设置在第1个子钻杆211远离输出轴1221的一端，也就是说，此时与输出轴1221连接的钻杆21上只有一个子钻杆211，然后，控制推进机构15推动驱动机构12沿输出轴1221的轴向向远离推进机构15的方向运动，驱动机构12在运动过程中驱动具有一个子钻杆211的钻杆21带动钻头钻出预成孔。另外，在钻出预成孔之前，可以通过调节垂直调节机构161和水平调节机构162来调整固定架11的角度，以保证钻杆21的钻进方向满足顶管要求。进一步地，第一次钻孔时，可以将钻孔的进给速度调小，使之小于后续钻孔时的进给速度，以起到钻孔纠偏的作用。

当钻头22钻到位之后，将输出轴1221与第1个子钻杆211分离，第1个子钻杆211留在钻出的预成孔中不取出，然后，控制推进机构15带动驱动机构12沿输出轴1221的轴向向靠近推进机构15的方向(即远离预成孔的方向)运动，将第2个子钻杆211的一端与输出轴1221连接，第2个子钻杆211远离输出轴1221的一端与第1个子钻杆211连接，接着再次控制推进机构15推动驱动机构12沿输出轴1221的轴向向远离推进机构15的方向(即靠近预成孔的方向)运动，驱动机构12在运动过程中驱动具有两个子钻杆211钻杆21的钻杆21带动钻头22继续钻进，以使预成孔的长度可以满足后续顶管的长度要求，也就是说，在顶入套管100之前，本实施例是先用一个子钻杆211与钻头22配合钻出预成孔，然后再用两个子钻杆211与钻头22配合来在钻出的预成孔的基础上进一步钻进，以增加预成孔的长度。

由于安装第2个子钻杆211时，第1个子钻杆211是留在预成孔中的，第1个子钻杆211不会占用预成孔外的空间，所以，采用该方式可以节省钻杆21的安装空间，以适应相对狭窄的空间。可以理解的是，在其它实施方式中，在空间足够的情况下，也可以用一个长度大于50cm的子钻杆211一次性钻出足够长度的预成孔。

s2、控制顶升组件10将至少一个套管100顶入预成孔中；

具体地，在本实施例中，步骤s1完成之后，将钻杆21与输出轴1221分离，控制推进机构15带动驱动机构12沿输出轴1221的轴向向远离预成孔的方向的方向运动，然后将第1个套管100与套管固定接头14可拆卸地连接，接着再次控制推进机构15推动驱动机构12沿输出轴1221的轴向向靠近预成孔的方向运动，由此可以将套管100顶入预成孔中。可以理解的是，在此步骤中，并不限于只顶入一个套管100，在预成孔的长度足够的情况下，可以根据需要依次顶入多个套管100。

s3、增加与输出轴1221连接的钻杆21中的子钻杆211的数量，控制顶升组件10在钻出的预成孔的基础上继续钻进，以增加预成孔的长度；

具体地，在本实施例中，步骤s2完成之后，将第1个套管100与输出轴1221分离，再一次控制推进机构15带动驱动机构12沿输出轴1221的轴向向远离预成孔的方向运动，然后将第3个子钻杆211的一端与输出轴1221连接，第3个子钻杆211远离输出轴1221的一端与第2个子钻杆211连接，接着再次控制推进机构15推动驱动机构12沿输出轴1221的轴向向靠近预成孔的方向运动，驱动机构12在运动过程中驱动具有三个子钻杆211的钻杆21带动钻头22在步骤s1所钻出的预成孔的基础上继续钻进，以进一步增加预成孔的长度。本实施例在步骤s3中只增加了一个子钻杆211，可以理解的是，在其它实施方式中，根据需要，也可以在此步骤中增加多个子钻杆211。

s4、增加套管100的数量，将增加的套管100顶入预成孔中。

具体地，在本实施例中，步骤s3完成之后，将钻杆21与输出轴1221分离，控制推进机构15带动驱动机构12沿输出轴1221的轴向向远离预成孔的方向运动，然后将第2个套管100与套管固定接头14可拆卸地连接，接着再次控制推进机构15推动驱动机构12沿输出轴1221的轴向向靠近预成孔的方向运动，以将第2个套管100顶入预成孔中。进一步地，第1个套管100可以不用完全顶入预成孔中，而是可以在预成孔之外预留一定的长度，比如预留5cm的长度，由此，在将第2个套管100顶入预成孔中之前，可以将第2个套管100远离套管固定接头14的一端与第1个套管100通过焊接等方式固定连接，更进一步地，在两个套管100固定连接之前，还可以将第2个套管100远离套管固定接头14的一端与第1个套管100靠近套管固定接头14的一端螺纹连接，由此，既可以便于两个套管100之间进行定位，也可以提高两个套管100之间的密封性能。可以理解的是，在其它实施方式中，根据需要，也可以在此步骤中依次顶入多个套管100。另外，当需要依次顶入多个套管100，或者预成孔中已经有多个套管100时，每顶入一个套管100之前，都可以将该套管100与在其前面已顶入预成孔的最后一个套管100固定连接，也就是说，可以将当前需顶入的套管100与已顶入预成孔中的套管100中离顶管设备最近的一个套管100固定连接，更进一步地，将当前需顶入的套管100与已顶入预成孔中的套管100中离顶管设备最近的一个套管100固定连接之前，可以将当前需顶入的套管100与已顶入预成孔中的套管100中离顶管设备最近的一个套管100螺纹连接。

循环执行步骤s3-s4，直至预成孔的长度达到目标长度，以形成成孔，且成孔中的所有套管100的总长度满足预设要求。

具体地，在本实施例中，步骤s4完成之后，接下来重复执行步骤s3-s4，也就是说，将第2个套管100与输出轴1221分离，然后增加第4个子钻杆211，控制顶升组件10在钻出的预成孔的基础上继续钻进，进一步增加预成孔的长度，接着再将第4个子钻杆211与输出轴1221分离，将第3个套管100顶入预成孔中，如此循环，每执行一次步骤s3和步骤s4，都需要相应地增加子钻杆211和套管100的数量，直到预成孔的长度达到目标长度形成成孔，并且成孔中的所有套管100的总长度满足预设要求。

上述步骤全部完成之后，可以在成孔位于目标井的孔口处拆卸钻头22，通过控制推进机构15带动驱动机构12沿输出轴1221的轴向向靠近推进机构15的方向运动，将钻杆21拉回并逐个拆卸回收钻杆21中的子钻杆211。

总的来说，本实施例的顶管施工方法就是将钻孔和顶管交替进行，如此，不仅可以适合用于在无砟轨道等空间相对狭窄的既有线线间进行施工，还可以在钻出预成孔之后，依靠及时顶进的套管100对预成孔进行保护，以防止塌孔等情况发生。

上述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。