一种适用于长距离作业的推进系统的制作方法

本发明涉及顶管掘进机施工技术领域，具体涉及一种适用于长距离作业的推进系统。

背景技术：

现有顶管掘进机顶进施工的主要方式是依靠放置于始发工作井中的主顶油缸提供顶进推力(简称“顶力”)。在一般情况下，主顶油缸的顶力作用于最后一节管道，并依次由后部管节传导顶力推动前部管节顶进，直至推动最前端的顶管掘进机顶进。随着管线的深入，管节与地层土体的摩擦力逐渐增大，使得主顶油缸提供的顶力被削弱，顶管掘进机无法对被切削土体形成一定持续稳定的压力，导致切削效率下降，施工进度进展缓慢。

对整个顶管掘进施工过程进行受力分析，如图1所示，维持顶管掘进机掘进工作的力f1与主顶油缸提供的顶力f及摩擦力f之间存在以下关系：

f1＝f-f(式1)

有相关研究表明，顶管掘进机在工作时，需要与掌子面(即土层被切削断面)保持一定贯入度，以便高效率的切削作业。保持贯入度的一个重要条件是要使顶管掘进机受到持续稳定的顶力，即f1。由式1可知，理论上在f不断增大的时候，要想f1保持不变，就需要使f同步增大，或者想办法减小f。

在实际工程应用中，增大f即增大主顶油缸的推力，受制于油缸产品性能和工作井井壁承压能力，增大主顶油缸推力的效果比较有限。尽管在中长距离的工程中可以考虑使用中继间，但是会使施工成本成倍增长。另外，在长距离顶管施工作业时，顶管掘进机后部的管节组成的长距离管线则视为柔性线体，较大的顶力极其容易引起管节的弯曲、脱节、变形等。所以现有实现长距离顶管的施工工法基本是以减小摩擦力f作为出发点的，例如注浆减阻法。

注浆减阻法是在施工过程中，将一定配比的泥浆液注入管节与土体的缝隙中，以起到润滑的作用，减小管节与土体的摩擦力f。该方法在中短距离的施工作业中效果显著，但是单单依靠注浆减阻法期望实现长距离顶管作业的想法并不现实。泥浆液的配制比例、泥浆液的长距离输送等都是实际施工中的难题。

此外，还有一种长距离顶管施工工法，中继接力法。通过每隔一定距离在管节中加上一个中继间装置，将管线分为若干份，待到顶力超过一定预定值后，启动中继间装置，让管线交替顶进。理论上，因为长距离管线所受的摩擦力f实为一个摩擦力系，所以将管线分为若干份后，随着每份管线的长度减短，每份管线所受的摩擦力f′也随之减小。该方法在长距离施工中的实际应用效果良好，但是仍存在操作复杂，施工效率低，中继间装置前后的管道同轴度无法保证等现实难题。

如专利号：cn107339504a的内拼式顶管施工工艺，该方法是在顶管掘进机后部加上连接管和中继环，中继环内设有双向千斤顶，双向千斤顶的顶压杆反向伸出作用于第一根管节，获得的支撑力推动中继环、连接管和顶管掘进机向前顶进。随后，双向千斤顶的顶压杆缩回，在双向千斤顶与后方管节之间形成拼装空间。再将预制的管片从工作井运输至中继环处，并进行拼接，完成管节铺设。

从原理上看，该方法与盾构法极为相似，刨去初始阶段将顶管掘进机、连接管、中继环、初始部分管节是由工作井内的固定千斤顶(即主顶油缸)采取顶管法顶入外，后续所谓内拼式顶管工法则应属于盾构拼管法，严格意义上不属于顶管施工范畴，这是概念性的混淆。再者，该方法存在一个严重的缺陷。首先，其所诉中继环内的多个双向千斤顶的顶压杆在将中继环、连接管、顶管掘进机向前顶进后，如果顶压杆同时缩回，则前方的顶管掘进机完全失去后部顶力的支承，从而无法对掌子面保持压力平衡。轻则顶管掘进机回退，侵入拼装空间；重则会使顶管掘进机的挖掘断面失去平衡，导致掌子面崩塌，引发事故。

又根据其所诉预制拼装管片截面呈圆弧状且该圆弧的圆心角为120度或180度，可以判断出拼装管节至多由3片拼装管片组成。如果顶压杆是交替缩回，以每节管道3片拼装管片来看，受力面积仅有原来的，在较大顶力的作用下会出现结构性的受力不稳定现象。虽然，这一点可以通过增加构成每节管道拼装管片的数量来降低风险，但是双向千斤顶的尺寸是有限的，所以其能增加的数量也是有限的。

另外，构成每节管道拼装管片数量的增加带来的必然是施工效率的下降，拼装管节的结构强度、各管片之间的密封也是不可忽视的风险点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适用于长距离作业的推进系统，解决以上技术问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种适用于长距离作业的推进系统，包括顶管掘进机和主顶油缸，所述顶管掘进机和主顶油缸之间作用有若干个管节，所述顶管掘进机的后端耦合有用于管节推进的推进机构。

作为本发明进一步的方案：所述推进机构包括推进器和设置在推进器前后两端的定位装置；

所述推进器包括前筒和后筒，所述前筒耦合在后筒的内部，所述前筒的前端与后筒的后端均向内翻转有环形板，所述推进器的内部还设置有若干个推进油缸，所述推进油缸设置在前筒和后筒之间并与前筒和后筒的环形板固定连接，所述前筒与前端的定位装置固定连接，所述后筒与后端的定位装置固定连接。

作为本发明进一步的方案：所述定位装置的内部设置有若干个用于自身定位的定位机构，所述定位机构包括伸缩机构和固定机构，所述伸缩机构用于驱动固定机构在顶管掘进机壳体上的伸缩，所述固定机构用于插入泥土或者压紧外部隧道壁面实现顶管掘进机的固定。

作为本发明进一步的方案：所述推进机构后端的定位装置上设置有用于连接管节的铰接装置。

作为本发明进一步的方案：所述顶管掘进机包括刀盘和机壳，所述刀盘设置在顶管掘进机前端用于切削土体，所述机壳用于保护刀盘的驱动机构，所述顶管掘进机的后端设置有用于连接有推进机构的承接口。

作为本发明进一步的方案：所述推进机构的前端设有与顶管掘进机后端相适配的承接口，用于推进机构与顶管掘进机的固定。

作为本发明进一步的方案：一种适用于长距离作业的推进系统的工作方法,具体步骤为：

步骤一：初步施工时，始发工作井的主顶油缸工作，将顶管掘进机、推进机构和若干节的管节依次顶入地层；

步骤二：主顶油缸在顶进一段距离后，当始发工作井主顶油缸推进工作阻力增大到一定程度后，推进机构启动工作，推进机构工作包括三个步骤：

s1：推进机构后端的定位装置实现定位，即推进机构的内部定位机构伸出，插入地层中实现定位，然后，推进机构的推进器内部推进油缸伸出，推动推进机构前端的定位装置和顶管掘进机一起向前行走和掘进，实现推进机构后部固定，推动顶管掘进机行进；

s2：推进机构前端的定位装置实现定位，即推进机构中前端的定位装置的定位机构伸出，然后推进机构后端的定位装置中的定位机构缩回，推进机构后端定位解除，实现推进机构后定位改变为前定位；

s3：推进机构前端的推进油缸缩回，同时，始发工作井主顶油缸推进工作，顶推管节前进，实现推进机构的前拉和工作井主顶油缸后推同时工作，共同驱动管节的前移。

作为本发明进一步的方案：所述推进机构的推进器内部的推进油缸收缩时，推进器的后筒由铰接装置将管节连接在一起，产生牵引效果。

本发明的有益效果：

(1)本发明中的推进机构由两个定位装置和一个推进器组成，推进器内部设置有若干推进油缸，推进油缸两端分别连接推进器的前筒和后筒，推进器的前筒和后筒分别与前后两端的定位装置连接，在定位装置内部设置有若干定位机构，定位机构伸出后可以实现定位装置在地层中的定位，即推进机构的定位机构缩回后，可以取消定位，灵活性高；

(2)中推进机构的后端设有铰接装置，通过铰接装置可以实现推进机构与后面管节的铰接，实现管节的连续性推进，实用性强；

(3)本发明中通过推进机构的设置，将顶管掘进机在长距离顶管作业时的顶力来源由传统工法中的始发工作井主顶油缸加上推进机构的推进，这样，不仅大幅缩短了顶管机掘进时顶力传导距离、规避了摩擦力对掘进顶力输出的影响，同时还为后续实现顶管施工精准自动化控制提供了一个可靠的研发平台；

(4)本发明中针对长距离管节单向受力时易错位的问题，通过设置铰接装置，实现推进机构与始发工作井主顶油缸对管节的同步施力，形成“前拉后推”的效果，一方面可以解决长距离管节受力过大问题，一方面又可以降低始发工作井主顶系统的工作压力，该施工方法在实施过程中步骤简单，且设备停机间隔短，施工效率高。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为现有技术结构示意图；

图2是本发明中工作过程的结构示意图；

图3是本发明中顶管掘进机的结构示意图；

图4是本发明中推进机构的结构示意图；

图5是本发明中定位机构的结构示意图；

图6是本发明中固定腔体的结构示意图；

图7是本发明中支撑板一的结构示意图；

图8是本发明中螺母座的结构示意图。

图中：1、顶管掘进机；11、刀盘；12、机壳；13、承接口；2、推进机构；21、定位装置；211、定位机构；212、铰接装置；22、推进器；221、推进油缸；222、前筒；223、后筒；3、管节；4、主顶油缸；101、伸缩油缸；102、扇形切削板；103、四边形支撑架；5、固定腔体；501、支撑板一；5011、滑槽；502、支撑板二；503、电机；5031、锥齿轮一；504、螺杆一；5041、锥齿轮二；5042、螺母座；5043、滑块；505、螺杆二；5051、锥齿轮三；506、支撑块一；507、支撑块二；508、连杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图2-图4，本发明为一种适用于长距离作业的推进系统，包括顶管掘进机1和主顶油缸4，所述顶管掘进机1和主顶油缸4之间作用有若干个管节3，所述顶管掘进机1的后端耦合有用于管节3推进的推进机构2。

使用时，始发工作井的主顶油缸4工作，将顶管掘进机1、推进机构2和若干节的管节3依次顶入地层，主顶油缸4在顶进一段距离后，当始发工作井主顶油缸4推进工作阻力增大到一定程度后，推进机构2启动工作，配合主顶油缸4的持续性推进。

参阅图4，所述推进机构2包括推进器22和设置在推进器22前后两端的定位装置21；

所述推进器22包括前筒222和后筒223，所述前筒222耦合在后筒223的内部，所述前筒222的前端与后筒223的后端均向内翻转有环形板，所述推进器22的内部还设置有若干个推进油缸221，所述推进油缸221设置在前筒222和后筒223之间并与前筒222和后筒223的环形板固定连接，所述前筒222与前端的定位装置21固定连接，所述后筒223与后端的定位装置21固定连接。

使用时，推进器22通过推进油缸221的伸缩实现推进机构2的运动，当推进油缸221伸出时，推进器22的前筒222与后筒223相对移开；当推进油缸221缩回，推进器22的前筒222与后筒223相对收拢。

参阅图4-图5，所述定位装置21的内部设置有若干个用于自身定位的定位机构211，所述定位机构211包括伸缩机构和固定机构，所述伸缩机构为伸缩油缸101，所述固定机构为扇形切削板102，所述定位装置21还包括设置在顶管掘进机1内部的四边形支撑架103，所述四边形支撑架103的四个边角处均固定连接有伸缩油缸101，所述伸缩油缸101的输出端部同扇形切削板102固定连接，所述扇形切削板102在使用过程中贯穿顶管掘进机1壳体进行移动；

其中，四个伸缩油缸101在定位装置21内的动作是同步伸缩，所述四边形支撑架103为正方形结构。

使用时，所述伸缩油缸101用于驱动扇形切削板102在顶管掘进机1壳体上的伸缩，所述扇形切削板102在伸缩油缸101的驱动作用下，用于插入泥土或者压紧外部隧道壁面，从而实现顶管掘进机1的固定。

参阅图2，所述推进机构2后端的定位装置21上设置有用于连接管节3的铰接装置212，实现推进机构2对管节3的牵引作用。

参阅图3，所述顶管掘进机1包括刀盘11和机壳12，所述刀盘11设置在顶管掘进机1前端用于切削土体，所述机壳12用于保护刀盘11的驱动机构，所述顶管掘进机1的后端设置有用于连接有推进机构2的承接口13，所述推进机构2的前端设有与顶管掘进机1后端相适配的承接口13，用于推进机构2与顶管掘进机1的固定，使顶管掘进机1与推进机构2的连接更加稳固。

一种适用于长距离作业的推进系统的工作方法,具体步骤为：

步骤一：初步施工时，始发工作井的主顶油缸4工作，将顶管掘进机1、推进机构2和若干节的管节3依次顶入地层；

步骤二：主顶油缸4在顶进一段距离后，当始发工作井主顶油缸4推进工作阻力增大到一定程度后，推进机构2启动工作，推进机构2工作包括三个步骤：

s1：推进机构2后端的定位装置21实现定位，即伸缩油缸101驱动活塞杆推动扇形切削板102贯穿顶管掘进机1壳体插入地层中实现定位，然后，推进机构2中的推进器22内部的推进油缸221伸出，推动推进机构2的前端的定位装置21和顶管掘进机1一起向前行走和掘进，实现推进机构2后端固定，推动顶管掘进机1前进；

s2：推进机构2前端的定位装置21实现定位，即伸缩油缸101驱动活塞杆推动扇形切削板102贯穿顶管掘进机1壳体插入地层中实现定位，然后推进机构2后端的定位装置21的定位机构211缩回，推进机构2后端定位解除，实现推进机构2后定位改变为前定位；

s3：推进机构2前端的推进油缸221缩回，同时，始发工作井主顶油缸4推进工作，顶推管节3前进，实现推进机构2的前拉和工作井主顶油缸4后推同时工作，共同驱动管节3的前移。

其中，所述推进机构2的推进器22内部的推进油缸221收缩时，推进器22的后筒223由铰接装置212将管节3连接在一起，产生牵引效果。

其中，管节3在施工过程中包括若干个，由地基沿顶进方向依次施工，且在地基上设置有管节3的导向装置。

实施例2

请参阅图2-图4所示，本发明为一种适用于长距离作业的推进系统，包括顶管掘进机1和主顶油缸4，所述顶管掘进机1和主顶油缸4之间作用有若干个管节3，所述顶管掘进机1的后端耦合有用于管节3推进的推进机构2。

使用时，始发工作井的主顶油缸4工作，将顶管掘进机1、推进机构2和若干节的管节3依次顶入地层，主顶油缸4在顶进一段距离后，当始发工作井主顶油缸4推进工作阻力增大到一定程度后，推进机构2启动工作，配合主顶油缸4的持续性推进。

参阅图4，所述推进机构2包括推进器22和设置在推进器22前后两端的定位装置21；

所述推进器22包括前筒222和后筒223，所述前筒222耦合在后筒223的内部，所述前筒222的前端与后筒223的后端均向内翻转有环形板，所述推进器22的内部还设置有若干个推进油缸221，所述推进油缸221设置在前筒222和后筒223之间并与前筒222和后筒223的环形板固定连接，所述前筒222与前端的定位装置21固定连接，所述后筒223与后端的定位装置21固定连接。

使用时，推进器22通过推进油缸221的伸缩实现推进机构2的运动，当推进油缸221伸出时，推进器22的前筒222与后筒223相对移开；当推进油缸221缩回，推进器22的前筒222与后筒223相对收拢。

参阅图6-图8，所述定位装置21的内部设置有若干个用于自身定位的定位机构211，所述定位机构211包括伸缩机构和固定机构，所述伸缩机构为固定腔体5，所述固定机构为扇形切削板102，所述固定腔体5包括支撑板一501和支撑板二502，所述支撑板一501与支撑板二502并排架设在顶管掘进机1壳体内部，且在支撑板一501与支撑板二502的顶部通过封板进行连接，所述支撑板一501中部位置固定设置有电机503，所述电机503的输出轴贯穿支撑板一501设置在固定腔体5的内部，且在电机503的输出轴上设置有锥齿轮一5031，所述锥齿轮一5031位于固定腔体5的中间位置，且在锥齿轮一5031的两侧分别设置有螺杆一504和螺杆二505，所述螺杆一504和螺杆二505通过两端的支撑块一506和支撑块二507设置在固定腔体5的内部，所述螺杆一504与螺杆二505的旋向相反，且在螺杆一504与螺杆二505靠近锥齿轮一5031的一端分别设置有锥齿轮二5041和锥齿轮三5051，所述锥齿轮二5041和锥齿轮三5051分别设置在锥齿轮一5031的两侧并与锥齿轮一5031啮合连接，所述螺杆一504与螺杆二505均设置有螺母座5042，所述螺母座5042外侧面四个边角处分别水平设置有连杆508，所述连杆508的另一端连接有扇形切削板102；

其中，螺母座5042通过两侧的滑块5043滑动连接在支撑板一501与支撑板二502的滑槽5011内。

使用时，通过电机503驱动锥齿轮一5031与锥齿轮二5041和锥齿轮三5051啮合传动，从而使螺杆一504与螺杆二505驱动螺母座5042向两侧推动，从而带动连杆508推动扇形切削板102在顶管掘进机1壳体上的伸缩，所述扇形切削板102在连杆508的驱动作用下，用于插入泥土或者压紧外部隧道壁面，从而实现顶管掘进机1的固定。

参阅图2，所述推进机构2后端的定位装置21上设置有用于连接管节3的铰接装置212，实现推进机构2对管节3的牵引作用。

参阅图3，所述顶管掘进机1包括刀盘11和机壳12，所述刀盘11设置在顶管掘进机1前端用于切削土体，所述机壳12用于保护刀盘11的驱动机构，所述顶管掘进机1的后端设置有用于连接有推进机构2的承接口13，所述推进机构2的前端设有与顶管掘进机1后端相适配的承接口13，用于推进机构2与顶管掘进机1的固定，使顶管掘进机1与推进机构2的连接更加稳固。

一种适用于长距离作业的推进系统的工作方法,具体步骤为：

步骤一：初步施工时，始发工作井的主顶油缸4工作，将顶管掘进机1、推进机构2和若干节的管节3依次顶入地层；

步骤二：主顶油缸4在顶进一段距离后，当始发工作井主顶油缸4推进工作阻力增大到一定程度后，推进机构2启动工作，推进机构2工作包括三个步骤：

s1：推进机构2后端的定位装置21实现定位，即通过电机503驱动锥齿轮一5031与锥齿轮二5041和锥齿轮三5051啮合传动，从而使螺杆一504与螺杆二505驱动螺母座5042向两侧推动，从而带动连杆508推动扇形切削板102在顶管掘进机1壳体上的伸缩，所述扇形切削板102在连杆508的驱动作用下，用于插入地层中实现定位，然后，推进机构2中的推进器22内部的推进油缸221伸出，推动推进机构2的前端的定位装置21和顶管掘进机1一起向前行走和掘进，实现推进机构2后端固定，推动顶管掘进机1前进；

s2：推进机构2前端的定位装置21实现定位，即通过电机503驱动锥齿轮一5031与锥齿轮二5041和锥齿轮三5051啮合传动，从而使螺杆一504与螺杆二505驱动螺母座5042向两侧推动，从而带动连杆508推动扇形切削板102在顶管掘进机1壳体上的伸缩，所述扇形切削板102在连杆508的驱动作用下，用于插入地层中实现定位，然后推进机构2后端的定位装置21的定位机构211缩回，推进机构2后端定位解除，实现推进机构2后定位改变为前定位；

s3：推进机构2前端的推进油缸221缩回，同时，始发工作井主顶油缸4推进工作，顶推管节3前进，实现推进机构2的前拉和工作井主顶油缸4后推同时工作，共同驱动管节3的前移。

其中，所述推进机构2的推进器22内部的推进油缸221收缩时，推进器22的后筒223由铰接装置212将管节3连接在一起，产生牵引效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”仅由于描述目的，且不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。