本發(fā)明涉及管頂進(jìn)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

管頂進(jìn)通常被稱(chēng)為用于在障礙物下安裝管段的導(dǎo)向的、無(wú)溝槽的方法。使用鉆頭形成隧道，該鉆頭通過(guò)被串接地推入其后面的鋼筋混凝土頂管進(jìn)一步逐漸推入地下。推動(dòng)(或“頂進(jìn)”)是使用幾組液壓千斤頂進(jìn)行的。鉆頭通常裝有機(jī)械挖掘臂或旋轉(zhuǎn)頭，并使用液壓轉(zhuǎn)向千斤頂進(jìn)行轉(zhuǎn)向。鉆頭可以由人類(lèi)操作者和/或以自動(dòng)方式遠(yuǎn)程控制和導(dǎo)航。導(dǎo)航鉆頭的一種方法是通過(guò)將激光束發(fā)射到被頂進(jìn)的管中，從而創(chuàng)建用于鉆頭跟隨的虛擬直線路徑。然而，通過(guò)管頂進(jìn)形成的彎曲的隧道是很常見(jiàn)的，在這種情況下，導(dǎo)航可以有意地但準(zhǔn)確地偏離激光束的直線路徑。

隨著鉆頭從其正面區(qū)域挖掘土壤，可以使用具有一個(gè)或多個(gè)泵的一個(gè)或多個(gè)輸送機(jī)或管線向后疏散土壤。還裝備一些鉆頭用于研磨挖掘的土壤，以便更容易疏散。也習(xí)慣上使用一種或多種合適的試劑使土壤流化，使其疏散更容易。

管頂進(jìn)的隧道通常制造有范圍從120厘米到400厘米的直徑，但是較小和較大的隧道偶爾存在。在地面條件下，由于地面的可塑性，隧道可能會(huì)受到額外的壓力的影響，有時(shí)會(huì)引入中間頂進(jìn)站，以減小壓力。中間頂進(jìn)站提供管線的部分(即，由多個(gè)頂管形成的部分)獨(dú)立地移動(dòng)，這降低了在隧道入口處的液壓千斤頂必須施加的力。在高可塑性地面條件的情況下，也通常通過(guò)潤(rùn)滑管線的外環(huán)件來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力的降低。

頂管可以以允許多個(gè)頂管的串聯(lián)連接的方式制成，這些頂管最終形成所需的隧道。在隧道正在形成時(shí)，一組金屬管被引入到串聯(lián)連接的頂管中，以形成流體將流動(dòng)于其中的導(dǎo)管。然后在引入過(guò)程中將金屬管彼此焊接。焊接使得一組金屬管在頂管且沿著隧道內(nèi)形成細(xì)長(zhǎng)的密封導(dǎo)管。

相關(guān)技術(shù)的前述示例和與之相關(guān)的限制旨在是說(shuō)明性的而不是排他性的。在閱讀說(shuō)明書(shū)和研究附圖后，相關(guān)技術(shù)的其它限制對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得顯而易見(jiàn)。

發(fā)明概述

結(jié)合系統(tǒng)、工具和方法描述和示出了以下實(shí)施例和方面，這些系統(tǒng)、工具和方法旨在是示例性和說(shuō)明性的，而不是限制范圍。

一個(gè)實(shí)施例提供了一種集成頂管，其包括與金屬管一體形成和環(huán)繞金屬管的混凝土頂進(jìn)外殼，其中所述金屬管包括從所述混凝土頂進(jìn)外殼突出的插口和直徑大于所述插口的直徑的鐘形件。

進(jìn)一步的實(shí)施例提供了一種用于管頂進(jìn)的方法，包括：將鉆頭頂推入地面；將多個(gè)集成頂管串聯(lián)地頂推入地面，其中所述多個(gè)集成頂管中的每個(gè)包括與金屬管一體形成并環(huán)繞金屬管的混凝土頂進(jìn)外殼，其中所述金屬管包括從所述混凝土頂進(jìn)外殼突出的插口和其直徑大于所述插口的直徑的鐘形件；并且焊接所述多個(gè)集成頂管的所述金屬管，以形成密封導(dǎo)管。

另一實(shí)施例提供了一種隧道，其包括一系列集成頂管，每個(gè)頂管包括：與金屬管一體形成并環(huán)繞金屬管的混凝土頂進(jìn)外殼，其中所述金屬管包括從所述混凝土頂進(jìn)外殼突出的插口和直徑比所述插口的直徑大的鐘形件，其中所述一系列集成頂管中的每對(duì)相鄰的集成頂管包括焊接到另一金屬管的鐘形件的一個(gè)金屬管的插口，并且其中所述金屬管一起形成密封的耐壓的細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)管。

在一些實(shí)施例中，所述鐘形件的直徑比所述插口的直徑大所述金屬管壁厚的兩倍以上。

在一些實(shí)施例中，所述鐘形件平行于所述插口。

在一些實(shí)施例中，所述鐘形件是錐形的。

在一些實(shí)施例中，所述混凝土頂進(jìn)外殼由鋼筋混凝土制成。

在一些實(shí)施例中，所述金屬管由鋼制成。

在一些實(shí)施例中，所述混凝土頂進(jìn)外殼包括具有周向密封件的第一端部和具有周向金屬套環(huán)的第二端部。

在一些實(shí)施例中，所述混凝土頂進(jìn)外殼包括提升錨定件。

在一些實(shí)施例中，集成頂管進(jìn)一步包括形成在所述混凝土頂進(jìn)外殼和所述金屬管兩者中的潤(rùn)滑噴嘴。

在一些實(shí)施例中，集成頂管進(jìn)一步包括設(shè)置在所述混凝土頂進(jìn)外殼的側(cè)緣上的負(fù)載分配器。

在一些實(shí)施例中，所述負(fù)載分配器包括膠合板墊。

在一些實(shí)施例中，該方法還包括在所述多個(gè)集成頂管中的兩個(gè)相鄰的頂管之間頂推進(jìn)中間頂進(jìn)站，并操作所述中間頂進(jìn)站以反復(fù)收縮和擴(kuò)展。

在一些實(shí)施例中，所述焊接是在所述金屬管之間的直接焊接。

除了上述示例性方面和實(shí)施例之外，通過(guò)參考附圖和通過(guò)研究以下詳細(xì)描述，其他方面和實(shí)施例將變得顯而易見(jiàn)。

附圖說(shuō)明

示例性實(shí)施例在附圖中示出。通常選擇附圖中所示的部件和特征的尺寸以便呈現(xiàn)的方便和清楚，并且不一定按比例顯示。附圖列出如下。

圖1示出了示例性的集成頂管的前等距視圖；

圖2示出了示例性的集成頂管的后等距視圖；

圖3示出了示例性的集成頂管的前視圖；

圖4示出了示例性的集成頂管的側(cè)視圖；

圖5示出了示例性的集成頂管的后視圖；

圖6示出了示例性的集成頂管的側(cè)剖視圖；

圖7示出了示例性的集成頂管的前等距剖視圖；以及

圖8示出了示例性的集成頂管的后等距剖視圖。

發(fā)明詳述

這里公開(kāi)了一種集成頂管，其包括圍繞金屬管的混凝土頂進(jìn)外殼。混凝土頂進(jìn)外殼和金屬管可以一體形成，例如通過(guò)將混凝土澆注到金屬管和環(huán)繞金屬管的模具之間的空間中，并允許混凝土固化。

有利地，集成頂管可以以一種方式構(gòu)造，一方面允許金屬管在高內(nèi)部流體壓力下的耐久性，另一方面，利用混凝土頂進(jìn)外殼來(lái)保護(hù)金屬管免受上面的土壤施加的力，并且用于承受在頂進(jìn)過(guò)程中施加的載荷。

進(jìn)一步有利的是，多個(gè)集成頂管可以以“鐘形件和插口”構(gòu)造串聯(lián)連接，形成隧道；與使用金屬環(huán)作為兩個(gè)相鄰管之間的焊接界面的常用方法不同，本發(fā)明的鐘形件和插口構(gòu)造對(duì)金屬管的勞動(dòng)密集型焊接的需求要小得多。

金屬管可以具有較寬的端段(以下稱(chēng)為“鐘形件”)和較窄的端段(以下稱(chēng)為“插口”)，使得當(dāng)多個(gè)集成頂管串聯(lián)連接時(shí)，一個(gè)金屬管的插口穿入另一個(gè)金屬管的鐘形件。在頂進(jìn)過(guò)程之后，每對(duì)相鄰的鐘形件和插口可以被焊接，以形成密封。金屬管可以形成為使得在每對(duì)相鄰的鐘形件和插口之間保持一定的周向間隙。間隙可以防止或至少減輕在頂管過(guò)程期間由一個(gè)金屬管和另一金屬管之間的接觸導(dǎo)致的任何畸形，其中偶爾兩個(gè)相鄰的金屬管可能改變其相對(duì)姿勢(shì)。此外，由于集成頂管的制造過(guò)程所固有的精度限制，間隙在不同的集成頂管之間略有變化，仍然可以賦予上述目的所需的空間?？梢赃x擇間隙的水平，使得其在防止畸形和隨后的焊接之間平衡；而最接近零的間隙自然就能實(shí)現(xiàn)最佳的焊接，如果存在一些間隙，例如幾毫米到幾厘米的間隙，仍然可以實(shí)現(xiàn)足夠的焊接。

另外，混凝土頂進(jìn)外殼可以包括一個(gè)混凝土圓筒，該混凝土圓筒在一側(cè)具有較窄的端段(以下稱(chēng)為“公端段”)，可選地被橡膠密封件包圍，并且以及在另一側(cè)的周向金屬套環(huán)(以下稱(chēng)為“母端段”)。當(dāng)例如通過(guò)成型來(lái)形成集成頂管時(shí)，母端段可以錨固到混凝土圓筒上。當(dāng)多個(gè)集成頂管相互連接時(shí)，一個(gè)混凝土頂進(jìn)外殼的母端段可能在相鄰的混凝土頂進(jìn)外殼的公端段上滑動(dòng)，橡膠密封件在兩者之間接合。橡膠密封件可以防止諸如地下水或/和泥漿混合物的不需要的物質(zhì)穿透金屬管。

混凝土頂進(jìn)外殼還可以包括設(shè)置在混凝土頂進(jìn)外殼的側(cè)邊緣上的負(fù)載分配器，例如膠合板墊。如果在頂進(jìn)過(guò)程中兩個(gè)相鄰的集成頂管并不完全平行，則負(fù)載分配器可以在側(cè)邊緣的相對(duì)大的區(qū)域上吸收和分配負(fù)載，否則負(fù)載不會(huì)在側(cè)邊緣上均勻分布。這可能有助于防止損壞混凝土頂進(jìn)外殼。

多個(gè)集成頂管可用于頂進(jìn)過(guò)程中，例如如下：

如本領(lǐng)域已知的，鉆頭可以從頂進(jìn)的坑中千斤頂推壓到地面中。在鉆頭之后，集成頂管可以串聯(lián)地被千斤頂推壓入地面。如本領(lǐng)域已知的，一個(gè)或多個(gè)中間頂進(jìn)站可以偶爾在兩個(gè)相鄰的集成頂管之間進(jìn)行被千斤頂推壓，以釋放并分配由千斤頂推壓所施加的一些壓力。通過(guò)使一個(gè)或多個(gè)中間頂進(jìn)站根據(jù)需要重復(fù)地收縮和膨脹，一個(gè)或多個(gè)中間頂進(jìn)站可以如本領(lǐng)域已知的那樣被控制和操作。

當(dāng)足夠的集成頂管被千斤頂推壓并且系列中的第一個(gè)集成頂管從接收坑中出來(lái)時(shí)，可以開(kāi)始焊接過(guò)程。然而，如果使用一個(gè)或多個(gè)中間頂進(jìn)站，則這些可以在焊接之前被疏散。在焊接中，可以焊接一個(gè)金屬管的插口與相鄰金屬管的鐘形件之間的間隙，并且間隙填充有可消耗電極(“填料”)。這種焊接可以被稱(chēng)為一個(gè)金屬管的插頭到相鄰的金屬管的鐘形件的“直接的”“搭接焊接”，因?yàn)椴荒苁褂贸颂盍现獾钠渌雍显?。填料可以是兩個(gè)金屬管之間唯一的互連。

最終的結(jié)果可以是由一系列集成的頂管組成的隧道，其金屬管道形成在頂進(jìn)坑和接收坑之間延伸的密封的耐壓的細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)管，允許流體(即液體和/或氣體)流動(dòng)，其任選地加壓顯著高于大氣壓力。常見(jiàn)的壓力可能是從幾巴到十個(gè)或更多巴。

現(xiàn)在參考圖1-8，其分別示出了示例性的集成頂管100的前等距視圖、后等距視圖、縱向剖視圖、后視圖、前視圖、側(cè)視圖、后等距剖視圖和前等距剖視圖。集成頂管100可以包括被混凝土外殼108圍繞的金屬管102。

除了其至少一個(gè)端段之外，金屬管102可以具有直圓柱體的總體形狀，如下所述。在其他實(shí)施例(未示出)中，金屬管可以具有不同的總體形狀，例如橢圓柱、中空的n邊棱鏡(其中n≥3)、非對(duì)稱(chēng)非晶形等。

金屬管102的壁厚可以基于例如預(yù)期在金屬管內(nèi)流動(dòng)的預(yù)期流體壓力、流體的粘度、流體的預(yù)期流速和/或類(lèi)似因素來(lái)確定。例如，壁厚可以在0.4-1厘米(cm)、1-2cm、2-3cm、3-5cm或大于5cm之間。

類(lèi)似地，金屬管102的直徑可以基于例如預(yù)期在金屬管內(nèi)流動(dòng)的預(yù)期流體壓力、流體的粘度、流體的預(yù)期流速和/或類(lèi)似因素來(lái)確定。例如，直徑可以在50-100cm、100-200cm、200-300cm、300-400cm或大于400cm之間。

金屬管102可以例如由astminternational，“a139/a139m-04(2010):standardspecificationforelectric-fusion(arc)-weldedsteelpipe(nps4andover)”中定義的b級(jí)鋼制成。如上所述，金屬管102可以包括具有直圓柱體形狀的主段102a。金屬管102還可以包括從混凝土外殼108突出的插口104。此外，金屬管102可以包括鐘形件106。可以將段102a，104和106整體地形成為單個(gè)金屬管。

插口104可以是主段102a的直接連續(xù)，即它可以具有與主段102a相同的直徑。鐘形件106的直徑可以大于主段102a的直徑。鐘形件106和主段102a的直徑之間的差可以超過(guò)金屬管102的壁厚的兩倍；例如，如果壁厚為x，則鐘形件106的直徑可以比主段102a的直徑大2x+a，其中a大于零。也就是說(shuō)，a表示一個(gè)金屬管的套管配合在另一個(gè)金屬管的鐘形件內(nèi)時(shí)的間隙量。在一些實(shí)施例中，a尺寸在2-15毫米之間。在其他實(shí)施例中，a尺寸在5-12毫米之間。在其他實(shí)施例中，a尺寸在8-10毫米之間。

主段102a和鐘形件106之間的過(guò)渡可以是金屬管102中的彎曲部，該彎曲部可以是任選的s形彎曲。

鐘形件106可以相對(duì)于主段102a以平行的方式延伸，即，鐘形件106可沿其長(zhǎng)度具有均勻的直徑。在其他實(shí)施例(未示出)中，鐘形件可以是錐形的，在與主段相反的方向上逐漸打開(kāi)。

在一些實(shí)施例中，金屬管102可以沿其大部分外表面直到其整個(gè)外表面涂覆有聚乙烯層(未示出)。任選地，聚乙烯層的厚度約為5毫米(+50％，-20％)。在另外的選擇中，聚乙烯層可以具有不同的厚度。聚乙烯層可以用于吸收金屬管102的膨脹，并且防止其膨脹到達(dá)并影響混凝土外殼108。即，聚乙烯層可以允許金屬管102和混凝土外殼108之間的一定程度的運(yùn)動(dòng)自由度。另外或替代地，如果濕氣到達(dá)金屬管的區(qū)域，聚乙烯層可用于防止或減輕對(duì)金屬管102的腐蝕。一個(gè)示例是當(dāng)混凝土外殼108破裂并允許水穿過(guò)其朝向金屬管102。在這些實(shí)施例中，混凝土外殼108直接接觸聚乙烯層而不是金屬管102。

在一些實(shí)施例中，鐘形件106的邊緣134以及可選地保持未焊接的鐘形件的內(nèi)表面的一些可以沿著該邊緣的整個(gè)圓周進(jìn)行防腐涂層涂覆。涂覆可能發(fā)生在一個(gè)集成頂管的鐘形件已被焊接到另一個(gè)頂管的插口上之后。為此，插口104可選地沿著其圓周設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)孔(未示出)，通過(guò)該孔可以將液體形式的涂覆劑從內(nèi)部金屬管102注入到限定在如下部件之間的空間中：邊緣134，鐘形件106的非焊接內(nèi)表面，(下面進(jìn)一步討論的)膠合板墊118，和混凝土外殼108的邊緣136。注射的涂覆劑可以沿著鐘形件106的周邊和任選的其非焊接的內(nèi)表面?zhèn)鞑ィ⑶彝耆畛渖鲜隹臻g。在固化或硬化之后(取決于所使用的涂覆劑的類(lèi)型)，涂層可以保護(hù)邊緣134和可選地保護(hù)鐘形件106的非焊接內(nèi)表面中的一些免受濕氣和水的破壞作用。任選地，涂覆劑包括一種或多種在通過(guò)插口104中的孔注入后固化的環(huán)氧樹(shù)脂。

除了混凝土外殼108的兩個(gè)相對(duì)的端部之外，混凝土外殼108可以具有直圓柱體的形狀，如下所述。在其他實(shí)施例(未示出)中，混凝土外殼108可以具有不同的形狀，例如橢圓柱體、中空的n邊棱鏡(其中n≥3)、非對(duì)稱(chēng)無(wú)定形形狀等。

混凝土外殼108可以由鋼筋混凝土制成。加強(qiáng)件可以使用在形成時(shí)被植入混凝土外殼108中的鋼條和/或類(lèi)似物。

由于通過(guò)在金屬管102上澆注混凝土而形成的混凝土外殼108可以具有模仿金屬管102的外形的內(nèi)部形狀?；炷镣鈿?08的壁厚可以由金屬管102的外形和使用的模具的形狀(未示出)來(lái)規(guī)定?；炷镣鈿?08的壁厚可以基于例如在頂進(jìn)過(guò)程中施加到混凝土外殼的預(yù)測(cè)負(fù)載、混凝土外殼108上的上部土壤的壓力、某些標(biāo)準(zhǔn)下的要求和/或類(lèi)似因素來(lái)確定。

混凝土外殼108可包括第一端部112、第二端部114和圍繞第二端部定位的母端段110。母端段110可以利用一個(gè)或多個(gè)剛性錨定件(例如錨定件110a)固定到混凝土外殼108，其在形成時(shí)被移植到混凝土外殼內(nèi)部。

母端段110可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相鄰的集成頂管100之間的精確的串聯(lián)連接。即，母端段110可以接收和引導(dǎo)相鄰的混凝土外殼108的第一端部，因?yàn)閮烧咴陧斶M(jìn)過(guò)程朝向彼此移動(dòng)。

另外或替代地，母端段110可以使得能夠在兩個(gè)相鄰的混凝土外殼108之間形成密封。為此，第一端部112可以具有設(shè)置在其上的周向(可選地橡膠)密封件116，例如第一端的小環(huán)境內(nèi)?？梢允褂弥芟蛎芊饧?16以密封兩個(gè)相鄰的集成頂管100之間的連接。即，一個(gè)混凝土外殼的母端部分可以環(huán)繞并接合另一個(gè)混凝土外殼的周向密封件，從而在二者之間形成密封。這種密封件可能是有用的，例如在頂進(jìn)過(guò)程發(fā)生在潮濕的土壤和/或在地下水中的情況下。

混凝土外殼108還可以包括設(shè)置在最接近混凝土外殼的第二端部114的側(cè)邊緣上的負(fù)載分配器，例如環(huán)形膠合板墊118。當(dāng)在頂進(jìn)過(guò)程中將兩個(gè)混凝土外殼彼此推壓時(shí)，膠合板墊118可以用于吸收和分布圍繞混凝土外殼108的邊緣表面的負(fù)載。膠合板墊118可以補(bǔ)償以下事實(shí)：一個(gè)混凝土外殼的最靠近的第二端部114的邊緣與另一個(gè)混凝土外殼的最靠近第一端部112的側(cè)面之間的界面可能不平坦。也就是說(shuō)，這些邊緣可能不會(huì)彼此完全接觸，導(dǎo)致過(guò)大的力施加到邊緣的一個(gè)或多個(gè)子區(qū)域。膠合板墊118可以更均勻地將這些力分布在邊緣的區(qū)域上。

混凝土外殼108還可以包括一個(gè)或多個(gè)提升錨定件，例如提升錨定件120、122、124、126。提升錨定件120、122、124和126可以使集成頂管100能夠固定在起重機(jī)等上，用于運(yùn)輸集成頂管，將其插入頂進(jìn)坑中，等等。提升錨定件120、122、124和126中的一個(gè)或多個(gè)可選地是嵌入混凝土外殼108內(nèi)的deha型錨定件；當(dāng)形成混凝土外殼時(shí)，這些錨定件可以被植入。提升錨定件120被放大地示出，使得其形狀更清晰可見(jiàn)——具有兩個(gè)相對(duì)的較寬的端段的細(xì)長(zhǎng)圓筒，一個(gè)嵌入在混凝土外殼108中，一個(gè)暴露。

一個(gè)或多個(gè)潤(rùn)滑噴嘴，例如噴嘴128、130、132，可以存在于混凝土外殼108和金屬管102中。每個(gè)這樣的噴嘴可以是從金屬管102的內(nèi)部空隙延伸出混凝土外殼108的外表面的開(kāi)口。如本領(lǐng)域已知的那樣，在粗糙土壤條件下，噴嘴128、130、132可用于注入潤(rùn)滑流體，從而減少混凝土外殼108的外表面與土壤之間的摩擦。任選地，當(dāng)注入潤(rùn)滑流體結(jié)束時(shí)，一個(gè)或多個(gè)噴嘴128、130、132可以例如通過(guò)沉積在噴嘴內(nèi)的密封劑(未示出)和從金屬管102內(nèi)擰入每個(gè)噴嘴的錐形鋼蓋(未示出)的組合進(jìn)行密封。一旦完全螺紋接合，每個(gè)錐形鋼蓋可以與金屬管102的內(nèi)表面的其余部分基本平齊。任選地，錐形鋼蓋的圓周可以被焊接到金屬管102，以形成能夠耐受金屬管中預(yù)期的流體壓力的耐用密封件。

關(guān)于噴嘴128、130、132和提升錨定件120、122、124、126，應(yīng)當(dāng)注意，這些元件中的一些元件的徑向位置已經(jīng)在圖1-2與圖6之間移動(dòng)，以便使這些元件中的一些在圖6提供的剖視圖中更方便地可見(jiàn)。此外，如各種附圖所示，這些元件在集成頂管100中的位置僅僅是這種定位的一個(gè)示例。在其他實(shí)施例(未示出)中，一個(gè)或多個(gè)這樣的元件的位置可以是不同的，并且例如分別通過(guò)與提升和潤(rùn)滑相關(guān)的考慮來(lái)確定。

在本申請(qǐng)的說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中，每個(gè)詞語(yǔ)“包括”“包含”和“具有”及其形式不一定限于詞語(yǔ)可以與之相關(guān)聯(lián)的列表中的成員。此外，如果本申請(qǐng)與通過(guò)引用并入的任何文獻(xiàn)之間存在不一致之處，則應(yīng)以本申請(qǐng)為準(zhǔn)。