一种上软下硬地层顶管管节补强顶进施工装置及方法与流程

1.本发明涉及土木工程的技术领域，具体涉及一种上软下硬地层顶管管节补强顶进施工装置及方法。


背景技术：

2.随着人民生活水平提高、环保要求越来越严，城市对地下管道建设的需求愈高，其中顶管法作为一种经济实用的地下管道暗挖工艺，在工程项目的覆盖面极为广泛。但随着建设项目的增多，顶管工程项目的地质背景愈趋复杂，受构造地质、地层变化等因素的影响，顶管常常处于土层与岩层组合的上软下硬地层环境，施工由于不均匀应力、偏压荷载等因素极易发生顶进偏位、管节破损等工程事故，是顶管工程建设一直以来关注的重点技术难题。
3.为解决上软下硬地层条件下，顶管工程施工中顶进偏位、管道破损的问题，工程上提出了采用管道减阻、精准定位、过程纠偏、管道补强等一些列措施。目前常用的施工工艺中，采用调节注浆膨润土泥浆的措施减小顶进时的管壁阻力；通过加密监测、地表注浆加固土层的措施，提高顶管顶进方向精准度；利用顶进千斤顶对顶管上下各区不同的推力，纠正已偏位顶管；使用环氧树脂混凝土修补破损管道，架设槽钢支撑加固管壁。虽然目前工程采用的施工工艺已在上软下硬地层取得了较好效果，但在管道破损的预防措施方面，还没有提出针对性相关专利研发成果。
4.顶管管壁内侧素混凝土，是设计顶管在使用时阻止污水、流水侵蚀钢砼的重要部位，直接影响顶管的服务年限，是重要的质量控制指标；而管节之间的预留间隙是顶进施工中转向、纠偏控制的关键部位，是顶管施工工程质量控制的关键手段。目前，顶管现场施工过程中，为控制顶管管节之间10~30mm的管节间隙、平衡受力及保护管壁内侧素混凝土层，顶进时常在间隙处安设木材、橡胶等材质的临时衬垫板，并在顶进后取出以便于管节内施工。结合过往的研究与现场常规施工情况，管道破损的出现一方面是由于受不均衡应力的影响，管节端部管壁内侧素混凝土层受力破坏；另一方面是安取临时衬垫板操作不便，导致临时衬垫板安取质量难以保证无法达到实践效果。现场施工时，采用安装全断面衬垫板的方式施工，衬垫板材质常用木材、橡胶等具有一定弹性的材料，以克服局部细微不均条件，但是在顶进后空隙衬垫板极易由于微小变形增大的摩擦力，需要强力拉出，极易损坏衬垫板材料，部分情况还会破坏原本已经受应力后劣化的管壁混凝土。
5.综上所述，针对目前上软下硬地层大口径顶管顶进时管节端部内侧混凝土易破坏、临时衬垫板安取困难的问题，亟需设计一种施工便捷、经济实用的管节补强顶进施工工艺，以高效、高质与安全的解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的在于提供一种上软下硬地层顶管管节补强顶进施工装置及方法，解决上述背景技术中的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：包括预制的管节，管节两端预埋有插口钢环与承口钢环，相邻的两个管节首尾相连，插口钢环密封抵靠在承口钢环内，插口钢环端部内侧固设有承压钢环；相邻的两个管节之间形成内接头间隙，内接头间隙内设有变形环，变形环由多个圆弧环拼接形成整环；圆弧环中的插口板与承口板相对滑动，承口板一侧设有多个承口槽，承口槽内设有滑动的滑动块，滑动块固定在插口板上，承口槽一侧设有螺纹连接的螺纹轴，螺纹轴端部抵靠在滑动块上。
8.优选方案中，管节内设有钢筒，钢筒外侧设有外层混凝土，内侧设有内层混凝土，插口钢环与承口钢环设在钢筒两端，外层混凝土两端设有预埋钢环，外层混凝土外侧设有多个预应力钢丝，插口钢环与内层混凝土上设有注浆孔。
9.优选方案中，插口钢环与承口钢环之间设有密封圈，外层混凝土端部设有预埋锚具。
10.优选方案中，插口板与承口板的外侧设有橡胶薄板。
11.优选方案中，插口板一侧设有多个螺纹轴，螺纹轴与承口板上的承口槽相对应，滑动块螺纹连接在螺纹轴上；承口槽的深度大于滑动块的长度。
12.优选方案中，承口槽一侧设有锁孔，螺纹轴与锁孔螺纹连接，螺纹轴端部固设有球头，球头抵靠在锁孔内滑动，球头抵靠在滑动块上。
13.优选方案中，螺纹轴端部的球头露出承口槽内侧，露出深度为球头直径的1/2~1/3。
14.优选方案中，滑动块外侧设有弧槽，球头抵靠在弧槽内，从而对滑动块进行固定。
15.优选方案中，承口板两端内侧固设有安取环，用于人工安装时把持。
16.其方法是： s1、技术准备，管节预制时采用点焊的方式在插口钢环沿圆周方向按一定间距布设承压钢环，然后浇筑混凝土成型后采用钢筋扫描仪检验圆环布距合格后运输至现场施工；s2、现场准备，通过前期常规计算得到上软下硬地层不同顶推力，配合数值模拟或数值计算得到全断面不同区间应力分布规律，按照规律确定各区间滑动块安设数量，并将滑动块与插口板连接后插入承口槽内，旋紧锁紧螺栓后完成变形环安设准备；s3、安设变形环，施工位于顶管管节内，由人工手持变形环塞入管节的内接头间隙内，填塞不足时可采用滚筒沿环形推进变形环至内接头间隙；s4、顶推完成后取出变形环，由人工手持电动螺丝刀按先顶部、再两侧、最后底部的顺序逐步松弛变形环的锁紧螺栓后取出，大口径顶管取出顶部变形环时应借助建筑爬梯等作业措施，放置顶部变形环松弛后掉落；s4、动态调整优化，在初次顶推后，收集测量数据、顶推力数据、管节外观资料，依据上软下硬地层应力特性，结合数值计算分析，对顶管顶进时全断面应力状态进行判断，再次顶推时依据判断调整断面不同方位滑动块与弧槽级别，按照上述s2、s3、s4完成顶推施工；s5、顶管纠偏，现场测量发现顶管出现偏位或存在偏位趋势时，依据测量数据在偏
位反方位安设滑动块预留微小变形两，配合千斤顶顶推力初始顶管向偏位反方向回偏，完成顶进纠偏。
17.本发明提供了一种上软下硬地层顶管管节补强顶进施工装置及方法，采用承压钢环设计针对性的对施工中管节顶进端出现内壁破损区域进行补强，既降低了管节整体补强的材料耗损，同时避免了管节内壁混凝土破坏。采用变形环设计作为顶进时管节间隙的衬垫板，在保留常规木材、橡胶等材料柔性接触能力的同时，利用锁紧螺栓的松、紧降低了衬垫板安取难度，避免了上软下硬地层时传统柔性接触受不均匀应力变形后，安取困难且易二次损伤管壁的质量问题；同时，通过设计插口板连接不同弧槽纵向位置的滑动块，可微调顶进时各管节的进程姿态，降低上软下硬地层顶进偏位风险，亦在偏位后调整纠正管节姿态以达纠顶管。
附图说明
18.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：图1是常规顶管管节侧面示意图；图2是常规顶管管节立面示意图；图3是常规管节衔接端口示意图；图4是本发明承压钢环布设局部示意图；图5是本发明承压钢环布设整体示意图；图6是本发明变形环轴侧视图；图7是本发明变形环爆炸视图；图8是本发明变形环局部正剖视图；图9是本发明变形环圆弧环爆炸视图；图10是本发明变形环锁紧状态示意图；图11是本发明变形环松弛状态示意图；图中：管节1；插口钢环2；预埋钢环3；预应力钢丝4；内层混凝土5；外层混凝土6；承口钢环7；钢筒8；注浆孔9；预埋锚具10；内接头间隙11；密封圈12；接头试压孔13；破损区14；承压钢环15；承口板16；插口板17；锁紧螺栓18；橡胶薄板19；承口槽20；螺纹轴21；滑动块22；弧槽23；锁孔24。
具体实施方式
19.实施例1如图1~3所示为施工常用的顶管管节1，常规工艺在顶进施工过程中，常采用木材、橡胶等材料衬垫板设于内接头间隙11，用以传递管节1之间的顶推推力，在上软下硬地层施工时管节1受不均匀应力、施工因素影响，极易在破损区14出现破裂掉块现象。
20.如图4~5所示为设计承压钢环布15布设示意，承压钢环15为外直径略小于内层混凝土5厚度的钢材料圆环。承压钢环15在管节1制作期间，采用点焊的方式沿管节1环向按一定间距固定至插口钢环2内侧，然后浇筑混凝土成型。
21.针对上软下硬地层顶进过程中，插口钢环15与内层混凝土5受不均匀应力影响，不同材料不均匀变形导致的管节1破损问题，在内接头间隙11与接头试压孔13之间加设钢材
构件，补强内侧混凝土5以减少受力变形，而采用的圆环结构相比于常用的加筋补强既节省材料、利于施工，也提高了整体受力面积。
22.如图6~9所示为变形环的结构，主要包括承口板16、插口板17、锁紧螺栓18、橡胶薄板19与滑动块22。承口板16与插口板17外壁的橡胶薄板19，用以顶进时消除变形环与接触面微小不均匀变形；滑动块22螺纹连接在插口板17的螺纹轴21上，滑动块22插入到承口板16的承口槽20成位移限制；承口槽20一侧的锁紧螺栓18与锁孔24螺纹连接，承口槽20的深度大于滑动块22的长度，通过松、紧锁紧螺栓18可限制滑动块22径向滑移，做到锁紧与解锁变形环径向位移。
23.利用橡胶薄板19保留传统设计中木材、橡胶衬垫板与混凝土面的接触特性，通过锁紧螺栓18、滑动块22与承口板16组成的锁扣体系，使顶管1在顶进时变形环限制径向位移，保有承压、传递应力的功能；在顶进后变形环解除径向位移限制松弛后，由安取环轻松拉出不会对顶管造成二次损伤，具有安取方便明显优点。为便于施工，变形环按一定角度划分为四个分部圆弧环，在安装至管节1后为闭合圆环。
24.承口板16结构顶部设有锁孔24，孔内安设顶部为球头的锁紧螺栓18，孔壁纵向分划有光滑孔壁的滑动区与设螺纹的，滑壁区用于锁紧螺栓18球头纵向滑动，螺纹区用于锁紧螺栓18扭紧、松弛，通过锁孔24与锁紧螺栓18可便于作业人员由螺栓松紧控制锁紧螺栓18底部球头推出、缩回承口槽20。
25.锁紧螺栓18为底部设计为球状的螺栓结构，锁紧螺栓18底部球头作为嵌扣滑动块22与承口板16的关键部位，通过设计控制球头露出承口槽20厚度，使球头球心位于承口板16内部，将球头受力后应力沿球心方向分解、转移，避免应力集中时剪切破坏球头。本发明设计锁紧螺栓18底部球头露出承口槽20厚度为球头直径的1/2~1/3。
26.滑动块22与插口板17可利用螺栓结构连接形成整体，插口板17可配置多个滑动块22对应插入承口槽20内，采用组合式设计使变形环在使用时，可依据不同工况、地层背景调整断面各部位滑动块22数量，优化结构整体承压能力，并空置一部分承口槽20降低变形环重量利于施工。本发明所述的滑动块22外壁设有弧槽23，且弧槽23可与锁紧螺栓18钢珠严密贴合，是变形环结构的关键锁紧结构。
27.同时，设计距离底部不同距离弧槽23的滑动块22并标识分级，形成多级弧槽23卡锁体系，当顶管顶进发生偏位时，可通过在偏位反方向处安设不同级别的滑动块22，在偏位反方向预留一定的微小变形量，配合调节千斤顶推力帮助顶管回偏至设计进程。
28.如图10~11所示为变形环顶进时锁紧状态、取出时松弛状态示意，通过扭紧锁紧螺栓18使钢珠推进至承口槽20后嵌入滑动块22弧槽23内，此时变形环锁紧为稳定承压结构，安设至顶管管节1内接头间隙传递顶推应力；通过扭松锁紧螺栓18使拉出至锁孔24内，此处变形环解锁滑动块22沿承口槽20内部位移，变形环结构松弛后与脱离管节，可由外设的安取环手动取出。
29.本发明的工作原理如下：设计在管节1制作时在插口钢环2沿环形一定间距布设承压钢环15，利用承压钢环15对管节施工期易破损区14进行初步补强；施工时，设计由承口板16、橡胶薄板19、锁紧螺栓18、滑动块22、插口板17结构组成的变形环取代常用的衬垫板，利用橡胶薄板19保留过往工艺的优点，通过锁紧螺栓18、滑动块22形成的锁紧、松弛体系，解决了传统衬垫板在上软下硬地层受不均匀力变形后取出困难、二次损伤管壁的问题；同时
通过在全断面不同部位安设不同级别弧槽23的滑动块22，在局部区域预留一定的管节内接头间隙变形量，既可以降低不同地层条件顶进时产生的不均衡应力，亦可在顶进过程中配合调整的千斤顶顶推力实现纠偏。本发明首先通过安设承压钢环15对管节1进行针对性补强，然后设计采用变形环施工方法减小管节1顶进的不均匀应力、消除常规衬垫板的安取难题，最后配合顶推千斤顶完成纠偏调整，具有便捷经济、实用高效的明显优点。
30.实施例2如图1~3所示，结合实施例1进一步说明：其方法是：技术准备，管节1预制时采用点焊的方式在插口钢环2沿圆周方向按一定间距布设承压钢环15，然后浇筑混凝土成型后采用钢筋扫描仪检验圆环布距合格后运输至现场施工；现场准备，通过前期常规计算得到上软下硬地层不同顶推力，配合数值模拟或数值计算得到全断面不同区间应力分布规律，按照规律确定各区间滑动块22安设数量，并将滑动块22与插口板17连接后插入承口槽20内，旋紧锁紧螺栓18后完成变形环安设准备；安设变形环，施工位于顶管管节1内，由人工手持变形环塞入管节1的内接头间隙11内，填塞不足时可采用滚筒沿环形推进变形环至内接头间隙1111；顶推完成后取出变形环，由人工手持电动螺丝刀按先顶部、再两侧、最后底部的顺序逐步松弛变形环的锁紧螺栓18后取出，大口径顶管取出顶部变形环时应借助建筑爬梯等作业措施，放置顶部变形环松弛后掉落；动态调整优化，在初次顶推后，收集测量数据、顶推力数据、管节外观资料，依据上软下硬地层应力特性，结合数值计算分析，对顶管顶进时全断面应力状态进行判断，再次顶推时依据判断调整断面不同方位滑动块22与弧槽23级别，按照上述s2、s3、s4完成顶推施工；顶管纠偏，现场测量发现顶管出现偏位或存在偏位趋势时，依据测量数据在偏位反方位安设滑动块22预留微小变形两，配合千斤顶顶推力初始顶管向偏位反方向回偏，完成顶进纠偏。
31.上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。