一种小口径管道顶进装置及施工方法与流程

1.本技术涉及管道施工的技术领域，尤其是涉及一种小口径管道顶进装置及施工方法。


背景技术：

2.顶管施工就是非开挖施工方法，是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术。顶管法施工就是在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中，并将土方运走。一节管子完成顶入土层之后，再下第二节管子继续顶进。其原理是借助于主顶油缸及管道间、中继间等推力，把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推进到接收坑内吊起。管道紧随工具管或掘进机后，埋设在两坑之间。
3.相关技术中，顶管机主要由旋转挖掘系统（也称挖掘机头）、主顶液压推进系统、泥土输送系统、注浆系统、测量设备、地面吊装设备和电气系统等组成，沿水平衡式顶管机还设有泥水处理装置。其中旋转挖掘系统对泥土进行挖掘，泥土由泥土输送系统朝顶管机运动方向的反方向输送。其钢壳承受外部土压和水压，保护内部设备和操作人员的安全，便于在开挖面进行连续切削、衬砌和推进等作业。另外，主顶液压推进系统由主顶液压泵、主顶液压缸、油管和操作台等部分组成，是旋转挖掘系统和所施工管道的顶推动力装置。
4.针对上述中的相关技术，发明人发现旋转挖掘系统功率与土层的接触为面接触，小口径管道的顶管机旋转挖掘系统功率较小，当旋转挖掘系统的前进方向上存在岩石时，旋转挖掘系统对岩石的开挖不易。且旋转挖掘系统功率与土层的接触为面接触使得旋转挖掘系统的端面所受阻力较大，会导致主顶液压推进系统难以驱动旋转挖掘系统前进的情况。


技术实现要素：

5.为了改善岩石不易开挖且顶管机在土层中前进不易的问题，本技术提供一种小口径管道顶进装置及施工方法。
6.第一方面，本技术提供的一种小口径管道顶进装置采用如下的技术方案：一种小口径管道顶进装置，包括挖掘机头及液压推进机，液压推进机驱动挖掘机头在土层内前进，还包括固定筒和滑动筒，所述固定筒与所述滑动筒均套设在所述挖掘机头上，所述滑动筒与所述挖掘机头固定连接，所述固定筒滑动设置在所述挖掘机头上，所述固定筒置于所述滑动筒朝向所述液压推进机的一侧；所述滑动筒与所述固定筒之间通过驱动机构相连接，所述驱动机构驱动所述滑动筒朝向远离所述液压推进机的方向移动，所述滑动筒背向所述固定筒的一侧设有破岩机构。
7.通过采用上述技术方案，挖掘机头外设有固定筒和滑动筒，可对挖掘机头形成防护。当液压推进机驱动挖掘机头进入土层后，固定筒抵贴在液压推进机上，驱动机构驱动滑动筒朝向远离液压推进机的方向移动，且破岩机构可破开土层中的岩石，使得挖掘机头仅
需对滑动筒内的泥土进行开挖，可有效降低岩石阻碍该小口径管道顶进装置前进的可能性。滑动筒与挖掘机头在土层中挖掘并形成供固定筒前进的通路，可降低液压推进机驱动固定筒在土层内前进所受的阻力，可减少挖掘机头背向液压推进机一侧的土层对该小口径管道顶进装置阻力较大，而导致挖掘机头难以前进的情况。
8.可选的，所述驱动机构包括若干液压推杆，所述固定筒的外壁上沿所述固定筒的轴线方向开设有若干安装槽，所述安装槽与所述液压推杆一一对应，且所述液压推杆与所述固定筒的轴线相平行，所述液压推杆朝向背向所述液压推进机的一侧固定有抵推杆，所述抵推杆同轴固定在所述液压推杆上，所述抵推杆背向所述液压推杆的一端固定在所述滑动筒的端面上。
9.通过采用上述技术方案，相较于直接将液压推杆固定在固定筒上，液压推杆通过安装槽安装在固定筒上，可降低液压推杆增大固定筒与土层间摩擦力的可能性。且固定筒抵紧在液压推进机与滑动筒之间，液压推杆通过抵推杆对滑动筒施加推力，仅需克服滑动筒与土层间的摩擦力即可使得滑动筒与挖掘机头朝背向液压推进机的方向移动，而后固定筒与可由滑动筒与挖掘机头挖掘出的通路前进，以减少液压推进机难以推动挖掘机头的情况。
10.可选的，所述固定筒上套设有挡泥环，所述挡泥环朝向远离所述液压推进机的方向延伸，当所述驱动机构驱动所述滑动筒朝向远离所述液压推进机的方向移动时，所述挡泥环置于所述固定筒与所述滑动筒之间。
11.通过采用上述技术方案，当液压推杆驱动滑动筒朝背向液压推进机的方向移动时，滑动筒与固定筒之间产生间距，而挡泥环始终置于固定筒与滑动筒之间，可对泥土进行拦截，以减少泥土渗入滑动筒与固定筒之间导致固定筒无法前进的情况。
12.可选的，所述固定筒内设有固定机构，所述固定机构包括控制组件及若干伸缩件，所述控制组件设置在所述固定筒内，所述伸缩件环绕连接在所述控制组件上，所述伸缩件与所述固定筒的中轴线相垂直，所述固定筒上环绕开设有若干与所述伸缩件一一对应的通槽，所述控制组件驱动所述伸缩件由所述通槽伸出所述固定筒。
13.通过采用上述技术方案，一方面，在液压推杆顶推滑动筒之前，控制组件驱动伸缩件穿过通槽并插设在土层中，这可提升固定筒在土层内的固定稳定性，有助于减少固定筒在土层内产生偏转导致滑动筒与挖掘机头的前进方向产生误差的情况；另一方面，当滑动筒受阻力较大时，滑动筒通过液压推杆对固定筒产生的反作用力可由伸缩件传达至土层，以减少固定筒受反作用力而产生位移的情况。
14.可选的，所述控制组件包括转动盘及旋转电机，所述转动盘转动连接在所述固定筒远离所述滑动筒的一侧，所述转动盘的圆心位于所述固定筒的中轴线上，所述旋转电机通过支架固定在所述固定筒内，所述旋转电机的输出轴垂直固定在所述转动盘的圆心处，所述旋转电机驱动所述转动盘旋转，所述伸缩件远离所述固定筒的一端滑动设置在转动盘上；所述固定筒远离所述滑动筒的底壁上开设有若干滑动槽，所述滑动槽由所述固定筒的中轴线处朝向所述固定筒的圆周面延伸，所述伸缩件滑动设置在所述滑动槽内，当所述旋转电机驱动所述转动盘逆时针转动时，所述伸缩件朝向远离所述转动盘圆心的方向滑动。
15.通过采用上述技术方案，滑动槽对伸缩件进行限位，使得伸缩件仅可沿滑动槽朝向靠近或远离转动盘圆心的方向移动。旋转电机驱动转动盘进行旋转，转动盘将旋转电机输出轴的旋转运动转化为伸缩件沿滑动槽朝向靠近或远离转动盘圆心的方向的直线运动，伸缩件移动并伸出通槽插设在土层中以提升固定筒的固定稳定性。
16.可选的，所述伸缩件包括固定杆与导向柱，所述固定杆滑动设置在所述滑动槽内，所述导向柱垂直固定在所述固定杆上，所述转动盘上开设有若干导向槽，若干所述导向槽以所述转动盘的圆心为中心呈放射状布设在所述转动盘上，且所述导向槽具有弧度，所述导向柱滑动设置在所述导向槽内。
17.通过采用上述技术方案，当转动盘逆时针转动时，导向柱在导向槽内朝远离转动盘圆心的方向滑动，从而使得旋转电机通过转动盘驱动固定杆沿滑动槽朝远离转动盘圆心的方向滑动。若干固定杆共同由旋转电机及转动盘驱动，这使得若干固定杆可均匀插设在土层中，有助于提升固定筒的固定稳定性，可选的，所述导向柱上固定有限位块，所述限位块置于转动盘背向所述固定杆的一侧。
18.通过采用上述技术方案，限位块贴合转动盘上对导向柱进行限位，可减少导向柱脱离导向槽而失效的情况。
19.可选的，所述挖掘机构包括切割环和若干连接架，所述切割环转动连接在所述滑动筒背向所述固定筒的一侧，所述切割环与所述滑动筒同轴设置，所述连接架的一端固定在所述切割环上，所述连接架的另一端连接在所述挖掘机头的旋转端上。
20.通过采用上述技术方案，切割环转动连接在滑动筒上，且切割环通过连接架与挖掘机头相连接，当挖掘机头的旋转端进行旋转挖掘时，切割环通过连接架随挖掘机头的旋转端一并进行旋转。当挖掘机头的前进路线上存在岩石时，切割环对岩石进行切割。一方面，切割环与岩石进行线接触以取代挖掘机头与岩石的面接触，可降低破开岩石的难度，从而减少挖掘机头受岩石阻碍而难以前进的情况；另一方面，挖掘机头仅需对切割环内的土层进行旋转挖掘，而岩石受切割环的切割后，可减少岩石与挖掘机头的旋转端产生碰撞而导致土层松动的情况。
21.可选的，所述滑动筒上环绕安装有若干振动机，所述振动机的输出端固定在所述切割环上，所述挖掘机头上设有若干与所述连接架相对应的套管，所述连接架远离所述切割环的一端滑动设置在套管内。
22.通过采用上述技术方案，当切割环难以破开岩石时，振动机驱动切割环进行振动，使得切割环在岩石上进行振动，从而对岩石进行冲击，有助于减少切割环受岩石阻拦导致挖掘机头难以前进的情况。连接架滑动设置在套管内，当切割环受振动机驱动而振动时，连接管在套管内滑动以适应切割环与滑动筒之间的距离变化。
23.第二方面，本技术提供一种小口径管道顶进装置的施工方法，采用如下的技术方案：步骤s1：开挖安装坑，将液压推进机安装在安装坑内，将套设有固定筒与滑动筒的挖掘机头吊装至液压推进机上，校正挖掘机头的方向，并使固定筒抵贴在液压推进机的输出端上；步骤s2：液压推进机驱动挖掘机头前进并进入土层中，旋转电机驱动转动盘逆时
针转动，导向柱在导向槽内朝向远离转动盘圆心的方向移动，驱动固定杆沿滑动槽穿过通槽伸出固定筒并插设在土层中；步骤s3：启动液压推杆，液压推杆对滑动筒施加朝向远离液压推进机方向的推力，滑动筒与挖掘机头朝向远离液压推进机的方向在土层内前进，启动挖掘机头，挖掘机头通过连接架驱动切割环旋转破开土层内的岩石；步骤s4：旋转电机驱动转动盘顺时针转动，导向柱在导向槽内朝向转动盘圆心的方向移动，驱动固定杆沿滑动槽收缩至固定筒内，液压推杆收缩后液压推进机驱动固定筒沿滑动筒挖掘的通道进入土层内，将管道吊装在固定筒与液压推进机之间，重复步骤s2-s4直至管道铺设完毕。
24.通过采用上述技术方案，挖掘机头由液压推进机推入土层后，旋转电机通过转动盘及导向柱驱动固定杆伸出固定筒并插设在土层中，使得固定筒固定在土层中，随后液压推杆对滑动筒施加推力，使得滑动筒对挖掘机头朝背向液压推进机的方向移动，且切割环可破开前进路线上的岩石，这可减少土层或岩石对挖掘机头产生的阻力较大导致挖掘机头难以前进的情况。随后液压推动机顶推固定筒沿滑动筒与挖掘机头挖掘的通道移动，有助于减少土层对挖掘机头端面的阻力较大导致固定筒难以移动的情况，而后将管道吊装在固定筒与液压推进机之间并重复步骤s2-s4即可将管道铺设在土层中，直至管道铺设完毕。
25.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：1、挖掘机头外设有固定筒和滑动筒，可对挖掘机头形成防护。当液压推进机驱动挖掘机头进入土层后，固定筒抵贴在液压推进机上，驱动机构驱动滑动筒朝向远离液压推进机的方向移动，且破岩机构可破开土层中的岩石，使得挖掘机头仅需对滑动筒内的泥土进行开挖，可有效降低岩石阻碍该小口径管道顶进装置前进的可能性。滑动筒与挖掘机头在土层中挖掘并形成供固定筒前进的通路，可降低液压推进机驱动固定筒在土层内前进所受的阻力，可减少挖掘机头背向液压推进机一侧的土层对该小口径管道顶进装置阻力较大，而导致挖掘机头难以前进的情况；2、一方面，在液压推杆顶推滑动筒之前，控制组件驱动伸缩件穿过通槽并插设在土层中，这可提升固定筒在土层内的固定稳定性，有助于减少固定筒在土层内产生偏转导致滑动筒与挖掘机头的前进方向产生误差的情况；另一方面，当滑动筒受阻力较大时，滑动筒通过液压推杆对固定筒产生的反作用力可由伸缩件传达至土层，以减少固定筒受反作用力而产生位移的情况；3、切割环转动连接在滑动筒上，且切割环通过连接架与挖掘机头相连接，当挖掘机头的旋转端进行旋转挖掘时，切割环通过连接架随挖掘机头的旋转端一并进行旋转。当挖掘机头的前进路线上存在岩石时，切割环对岩石进行切割。一方面，切割环与岩石进行线接触以取代挖掘机头与岩石的面接触，可降低破开岩石的难度，从而减少挖掘机头受岩石阻碍而难以前进的情况；另一方面，挖掘机头仅需对切割环内的土层进行旋转挖掘，而岩石受切割环的切割后，可减少岩石与挖掘机头的旋转端产生碰撞而导致土层松动的情况。
附图说明
26.图1是本技术实施例中小口径管道顶进装置的示意图。
27.图2是本技术实施例中小口径管道顶进装置的爆炸图。
28.图3是本技术实施例中固定筒的剖视图。
29.图4是本技术实施例中伸缩件的结构示意图。
30.图5是本技术实施例中a部分的放大图。
31.附图标记：1、管道；2、液压推进机；3、挖掘机头；4、固定筒；41、安装槽；42、通槽；43、滑动槽；5、滑动筒；6、驱动机构；61、液压推杆；62、抵推杆；7、破岩机构；71、切割环；72、连接架；8、挡泥环；9、固定机构；91、控制组件；911、转动盘；9111、导向槽；912、旋转电机；92、伸缩件；921、固定杆；922、导向柱；10、限位块；11、振动机；12、套管。
具体实施方式
32.以下结合附图1-5对本技术作进一步详细说明。
33.本技术实施例公开一种小口径管道顶进装置。参照图1，包括液压推进机2和挖掘机头3，先开挖安装坑，而后在安装坑的坑底安装液压推进机2，随后将挖掘机头3吊装至液压推进机2的输出端，液压推进机2对挖掘机头3施加推力，同时挖掘机头3的旋转端对土层进行挖掘，使得挖掘机头3沿管道1的铺设路线进入土层中。挖掘机头3上套设有滑动筒5和固定筒4，滑动筒5、固定筒4及挖掘机头3同轴设置。其中滑动筒5固定在挖掘机头3远离液压推进机2的一端，固定筒4则滑动设置在挖掘机头3靠近液压推进机2的一端。固定筒4与滑动筒5之间连接有驱动机构6，驱动机构6驱动滑动筒5朝向远离液压推进机2的方向移动，即驱动滑动筒5与挖掘机头3沿管道1的铺设路线朝土层内移动，使得挖掘机头3先行挖掘一定长度的通道，随后固定筒4及管道1受液压推进机2顶推沿挖掘好的通道前进，这可减少挖掘机头3的端面受土层的阻力较大导致管道1难以铺设的情况。
34.参照图2，驱动机构6包括若干液压推杆61和抵推杆62，液压推杆61与抵推杆62一一对应，固定筒4的外壁上均匀开设有若干安装槽41，安装槽41沿固定筒4的轴线方向开设，液压推杆61固定在安装槽41远离滑动筒5的槽壁上，且液压推杆61与固定筒4的中轴线相平行。抵推杆62固定在液压推杆61的输出轴上，且抵推杆62与液压推杆61的输出轴同轴设置，抵推杆62远离液压推杆61的一端则朝远离液压推进机2的方向延伸并固定在滑动筒5的端面上。
35.当挖掘机头3受液压推进机2顶推进入土层后，固定筒4与滑动筒5均位于土层内，固定筒4抵贴在滑动筒5与液压推进机2之间，此时启动液压推杆61，液压推杆61通过抵推杆62对滑动筒5进行顶推，使滑动筒5与挖掘机头3朝远离液压推进机2的方向前进，即先将滑动筒5与挖掘机头3沿管道1铺设路线向前推进，使得挖掘机头3先行挖掘一定长度的通道，随后液压推进机2仅需使得固定筒4与管道1克服与土层间的摩擦力即可前进，可降低管道1铺设的难度。
36.参照图2，固定筒4上套设有挡泥环8，挡泥环8固定在固定筒4上，且安装槽41位于挡泥环8与固定筒4之间，挡泥环8套设在安装槽41外，可减少泥土进入安装槽41导致液压推杆61产生损坏的情况。挡泥环8朝远离液压推进机2的方向延伸并套设在滑动筒5上，滑动筒5滑动设置在挡泥环8内，且挡泥环8的轴线长度大于液压推杆61的伸出长度，当液压推杆61驱动滑动筒5朝背向液压推进机2的方向移动时，滑动筒5与固定筒4之间产生间距，而挡泥环8始终置于固定筒4与滑动筒5之间，可对泥土进行拦截，以减少泥土渗入滑动筒5与固定筒4之间的空隙而阻碍固定筒4前进的情况。
37.参照图3，为减少液压推杆61驱动滑动筒5前进时对固定筒4产生反作用力而导致固定筒4产生偏位的情况，在固定筒4内设有固定机构9以提升固定筒4在土层内的固定稳定性。固定机构9包括控制组件91和若干伸缩件92，控制组件91安装在固定筒4内，若干伸缩件92则以固定筒4的中轴线为中心呈放射状均匀的环绕连接在控制组件91上。固定筒4的外壁上开设有若干与伸缩件92一一对应的通槽42，控制组件91驱动伸缩件92由通槽42伸出固定筒4。
38.当固定筒4受液压推进机2顶推进入土层后，控住组件驱动伸缩件92由通槽42伸出固定筒4并插设在土层中，一方面，这可提升固定筒4在土层内的固定稳定性，有助于减少固定筒4在土层内产生偏转导致滑动筒5与挖掘机头3的前进方向产生误差的情况；另一方面，当滑动筒5受阻力较大时，滑动筒5通过液压推杆61对固定筒4产生的反作用力可由伸缩件92传达至土层，以减少固定筒4受反作用力而产生位移的情况。
39.参照图3，具体的，控制组件91包括转动盘911及旋转电机912，转动盘911转动连接在固定筒4远离滑动筒5的一侧，转动盘911的圆心位于固定筒4的中轴线上，旋转电机912通过支架固定在固定筒4内，旋转电机912的输出轴垂直固定在转动盘911的圆心处，旋转电机912可驱动转动盘911以固定筒4的中轴线为轴进行旋转，伸缩件92远离固定筒4的一端滑动设置在转动盘911上。参照图4，伸缩件92包括固定杆921与导向柱922，固定杆921滑动设置在滑动槽43内，导向柱922垂直固定在固定杆921上，转动盘911上开设有若干导向槽9111，若干导向槽9111以转动盘911的圆心为中心呈放射状布设在转动盘911上，且导向槽9111具有弧度，导向柱922滑动设置在导向槽9111内。
40.参照图3，当液压推进机2驱动固定筒4朝滑动筒5的方向移动至液压推杆61完全收缩时，旋转电机912驱动转动盘911进行逆时针转动，而转动盘911驱动导向柱922在导向槽9111内朝远离转动盘911圆心的方向滑动，从而使得旋转电机912通过转动盘911驱动固定杆921沿滑动槽43朝远离转动盘911圆心的方向滑动，即转动盘911将旋转电机912输出轴的旋转运动转化为固定杆921在滑动槽43内的直线运动。若干固定杆921共同由旋转电机912及转动盘911驱动，这使得若干固定杆921可均匀插设在土层中，有助于提升固定筒4的固定稳定性。此时固定筒4可为液压推杆61提供支承，使得液压推杆61可驱动滑动筒5朝远离液压推进机2的方向移动。
41.为减少导向柱922脱离导向槽9111而失效的情况，参照图4，导向柱922上固定有限位块10，限位块10位于导向柱922背向固定杆921的一端，且限位块10的尺寸大于导向槽9111的尺寸，即限位块10无法穿过导向槽9111，这使得限位块10对导向柱922进行限位，使得导向柱922仅可在导向槽9111内滑动。
42.参照图2和5，滑动筒5背向固定筒4的一侧还设有破岩机构7，具体的，破岩机构7包括切割环71和若干连接架72，切割环71转动连接在滑动筒5背向固定筒4的一侧，切割环71与滑动筒5同轴设置，连接架72的一端固定在切割环71上，连接架72的另一端连接在挖掘机头3的旋转端上。
43.切割环71转动连接在滑动筒5上，且切割环71通过连接架72与挖掘机头3相连接，当挖掘机头3的旋转端进行旋转挖掘时，切割环71通过连接架72随挖掘机头3的旋转端一并进行旋转。当挖掘机头3的前进路线上存在岩石时，切割环71对岩石进行切割。一方面，切割环71与岩石进行线接触以取代挖掘机头3与岩石的面接触，可降低破开岩石的难度，从而减
少挖掘机头3受岩石阻碍而难以前进的情况；另一方面，挖掘机头3仅需对切割环71内的土层进行旋转挖掘，而岩石受切割环71的切割后，可减少岩石与挖掘机头3的旋转端产生碰撞而导致土层松动的情况。
44.参照图2和图5，为减少岩石硬度较大导致切割环71难以进行切割的情况，滑动筒5上环绕安装有若干振动机11，振动机11的输出端固定在切割环71上，挖掘机头3上设有若干与连接架72相对应的套管12，连接架72远离切割环71的一端滑动设置在套管12内。振动机11驱动切割环71进行振动，使得切割环71在岩石上进行振动，从而对岩石进行冲击，有助于减少切割环71受岩石阻拦导致挖掘机头3难以前进的情况。连接架72滑动设置在套管12内，当切割环71受振动机11驱动而振动时，连接管在套管12内滑动以适应切割环71与滑动筒5之间的距离变化。
45.本技术实施例一种小口径管道顶进装置的实施原理为：挖掘机头3由液压推进机2推入土层后，旋转电机912通过转动盘911及导向柱922驱动固定杆921伸出固定筒4并插设在土层中，使得固定筒4固定在土层中，随后液压推杆61对滑动筒5施加推力，使得滑动筒5对挖掘机头3朝背向液压推进机2的方向移动，切割环71进行旋转以破开前进路线上的岩石。随后液压推动机顶推固定筒4及管道1沿滑动筒5与挖掘机头3挖掘的通道移动进行铺设。
46.本技术实施例还公开一种小口径管道顶进装置的施工方法，包括以下步骤：步骤s1：开挖安装坑，将液压推进机2安装在安装坑内，将套设有固定筒4与滑动筒5的挖掘机头3吊装至液压推进机2上，校正挖掘机头3的方向，并使固定筒4抵贴在液压推进机2的输出端上，液压推进机2驱动挖掘机头3前进并进入土层中；步骤s2：旋转电机912驱动转动盘911逆时针转动，滑动柱在导向槽9111内朝向远离转动盘911圆心的方向移动，驱动固定杆921沿滑动槽43穿过通槽42伸出固定筒4并插设在土层中；步骤s3：启动液压推杆61，液压推杆61对滑动筒5施加朝向远离液压推进机2方向的推力，滑动筒5与挖掘机头3朝向远离液压推进机2的方向在土层内前进，启动挖掘机头3，挖掘机头3通过连接架72驱动切割环71旋转破开土层内的岩石；步骤s4：旋转电机912驱动转动盘911顺时针转动，滑动柱在导向槽9111内朝向转动盘911圆心的方向移动，驱动固定杆921沿滑动槽43收缩至固定筒4内，液压推杆61收缩后液压推进机2驱动固定筒4沿滑动筒5通过的通道进入土层内，将管道1吊装在固定筒4与液压推进机2之间并重复步骤s1-s4。
47.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。