專利名稱:水平螺旋鉆機(jī)與水平定向鉆機(jī)協(xié)同工作頂管施工方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種地下管道的施工方法,具體涉及一種利用水平螺旋鉆機(jī)與水平定向鉆機(jī)(又名水平導(dǎo)向鉆機(jī))協(xié)同工作頂管的施工方法。
背景技術(shù):
管道施工中經(jīng)常會(huì)遇到公路、鐵路及河流等障礙物或無法采用明挖方式施工的情況,需采用非開挖的方法穿越這些障礙物。水平螺旋鉆機(jī)頂管施工作為一種重要的穿越方式,越來越受到人們的關(guān)注,它不影響鐵路、公路、河流的正常交通和通航;采用土壓平衡原理掘進(jìn)不破壞地層,無泥漿排放不會(huì)污染環(huán)境;施工效率高周期短,費(fèi)用較低;勞動(dòng)強(qiáng)度低。缺點(diǎn)是雖然有些具備一定的方向控制能力,但一般不可控制鋪管方向,因而施工精度有限。水平定向鉆進(jìn)鋪設(shè)管線是在傳統(tǒng)頂管法和不能定向的水平鉆進(jìn)鋪管法的基礎(chǔ)上,引進(jìn)現(xiàn)代的導(dǎo)向技術(shù)而發(fā)展起來的鋪管技術(shù)。它利用地面放置的鋪管鉆機(jī),沿待鋪管線的設(shè)計(jì)軌跡先鉆成一個(gè)先導(dǎo)孔,然后將導(dǎo)孔擴(kuò)大,并將工作管拉入孔內(nèi),實(shí)現(xiàn)不開挖鋪管的一種先進(jìn)技術(shù)。與頂管法相比具有如下突出優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)向孔施工時(shí),方向、深度和其他參數(shù)可以由導(dǎo)向儀測(cè)量,并根據(jù)設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行校正調(diào)整,因此鋪管精度高,成功率高。缺點(diǎn)是成孔孔徑大于鋪管管徑,會(huì)造成地面沉降、影響重力排水管線標(biāo)高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種水平螺旋鉆機(jī)與水平定向鉆機(jī)協(xié)同工作頂管施工方法,該施工方法工藝科學(xué)合理,操作方便,頂管方向準(zhǔn)確,工作效率高。
本發(fā)明提供的一種水平螺旋鉆機(jī)與水平定向鉆機(jī)協(xié)同工作頂管施工方法是首先利用水平定向鉆機(jī)在接收井一側(cè)沿待鋪管線的設(shè)計(jì)軌跡鉆成一個(gè)先導(dǎo)孔至頂管工作井內(nèi),然后在工作井內(nèi)將水平定向鉆機(jī)的鉆桿與水平螺旋鉆機(jī)的鉆頭、螺旋鉆桿連接,水平螺旋鉆機(jī)在掘進(jìn)頂管過程中水平定向鉆機(jī)同步牽引,使管線始終按照水平定向鉆機(jī)先導(dǎo)孔的待鋪管線的設(shè)計(jì)軌跡前進(jìn),最終完成要求精確標(biāo)高控制的管線鋪設(shè)。
本發(fā)明施工方法具有如下的技術(shù)特點(diǎn)(1)可應(yīng)用地下管線探測(cè)儀對(duì)現(xiàn)有地下管線分布和地下障礙物進(jìn)行探測(cè),事先確認(rèn)地下情況,避免盲目施工造成損失。
(2)在水平定向鉆機(jī)鉆進(jìn)先導(dǎo)孔的過程中,可探測(cè)到管線設(shè)計(jì)軌跡路徑上地質(zhì)及障礙物狀況,為管線的實(shí)際掘土頂進(jìn)制定切實(shí)可行的施工方案。
(3)水平定向鉆機(jī)與水平螺旋鉆機(jī)同步行進(jìn),由水平定向鉆機(jī)鉆桿為水平螺旋鉆機(jī)鉆頭、螺旋鉆桿提供按設(shè)計(jì)軌跡方向的拉力,確保頂管方向的準(zhǔn)確性。
(4)在水平螺旋鉆機(jī)在掘進(jìn)頂管過程中,水平定向鉆機(jī)向土體注入膨潤土減阻潤滑觸變泥漿,可以減少管線外壁土體摩擦力及平衡地下水壓力和土壓力。
(5)適合在軟土、粘土、砂土、流砂、粉細(xì)砂、中砂、粗砂等地層中進(jìn)行頂管施工,只需更換不同直徑的螺旋鉆桿鉸龍和鞍形座及鞍形適配器即可進(jìn)行305~2000mm直徑的鋼管、鑄鐵管、鋼筋混凝土管、玻璃鋼夾砂管等頂管施工。
(6)水平螺旋鉆機(jī)采用可拆卸設(shè)計(jì),便于吊裝及運(yùn)輸,安裝方便;管內(nèi)泥土由鉸龍運(yùn)送隨出隨運(yùn),施工場(chǎng)地占用少,工作效率高;施工周期短,人員少,成功率高,安全可靠。
(7)頂管施工過程中,可通過導(dǎo)向探測(cè)儀時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管線頂進(jìn)狀況,超出誤差范圍及時(shí)進(jìn)行糾偏。
圖1為本發(fā)明水平定向鉆機(jī)在接收井一側(cè)沿待鋪管線的設(shè)計(jì)軌跡鉆先導(dǎo)孔至頂管工作井內(nèi)的工作示意圖;圖2為本發(fā)明水平螺旋鉆機(jī)與水平定向鉆機(jī)在掘進(jìn)頂管過程中按照待鋪管線的設(shè)計(jì)軌跡前進(jìn)的工作示意圖;圖3為本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面以廣州市海珠區(qū)康樂涌截污工程頂管段施工為例具體說明本發(fā)明,需要說明的是,給出實(shí)施例是為了闡明本發(fā)明,而不是為了限制本發(fā)明的范圍。
第一節(jié) 概述一.工程概況及方案選擇長度及深度本施工段的頂管工程為DN1000mm鋼筋砼污水管,全長約120米,頂管覆土深度3~6m。
工作井、接收井根據(jù)設(shè)計(jì)圖及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,工作井及接收井采用掛壁井結(jié)構(gòu),水下C20砼封底施工。
管材頂管專用III級(jí)鋼筋砼管內(nèi)徑D=1000mm,管壁厚度t=100mm。每節(jié)管長2000mm,砼強(qiáng)度C50,采用“F”型接口,管端采用3mm膠合板作襯墊,管接口采用優(yōu)質(zhì)止水橡膠圈止水。
施工工藝選擇根據(jù)該段土質(zhì)情況,該頂管段采用本發(fā)明方法進(jìn)行非開挖頂管施工。
二.工程地質(zhì)情況1.場(chǎng)地條件本工程位于海珠區(qū)康樂涌西側(cè),地下水位較為豐富,主要是穿越珠江中學(xué)運(yùn)動(dòng)場(chǎng),施工不得對(duì)學(xué)校的正常教學(xué)造成影響,施工困難。
2.地層巖性根據(jù)地質(zhì)資料反映,頂管段工作井一側(cè)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)下多為淤泥質(zhì)粗砂,砂粒較大淤泥含量不多,接收井一側(cè)約50米范圍內(nèi)頂管深度含有大量的建筑垃圾,含大量混凝土塊石、磚渣。
三.周邊環(huán)境、地下管線情況本工程位于海珠區(qū)康樂涌西側(cè),主要是穿越珠江中學(xué)運(yùn)動(dòng)場(chǎng),施工范圍已探明無地下管線。
四.工程特點(diǎn)難點(diǎn)及對(duì)應(yīng)措施1.技術(shù)含量高非開挖施工不可預(yù)計(jì)因素多,施工難度較大,技術(shù)含量高。
2.地質(zhì)惡劣頂進(jìn)斷面為砂質(zhì)淤泥和建筑垃圾,已制定嚴(yán)密的技術(shù)措施防止頂進(jìn)過程管節(jié)之間漏水流砂,避免引起周邊地層壓力損失引起周邊土體沉降過大,并造成對(duì)珠江中學(xué)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)破壞。應(yīng)對(duì)措施為一方面需要有施工經(jīng)驗(yàn)豐富的施工隊(duì)伍和技術(shù)力量負(fù)責(zé)施工,嚴(yán)格控制頂進(jìn)的工藝,真正實(shí)現(xiàn)泥水土壓聯(lián)合平衡的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊環(huán)境的影響程度降到最低;另一方面,嚴(yán)格控制“F”型接口鋼筋混凝土管的檢驗(yàn)環(huán)節(jié),杜絕使用不符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求的管材,避免管節(jié)在承受頂力方面和防水方面出現(xiàn)施工事故。
3.頂程長該工程的最長一次頂進(jìn)距離約120m,屬于頂管頂進(jìn)距離較長的工程,阻力大,需要采用觸變泥漿減阻技術(shù),技術(shù)含量高。
第二節(jié) 頂管施工方案鑒于現(xiàn)有的水平螺旋鉆頂管及水平定向鉆進(jìn)鋪設(shè)管線兩種工藝存在的優(yōu)缺點(diǎn),本工程采用水平螺旋鉆機(jī)與水平定向鉆機(jī)協(xié)同工作頂管的施工方法,該方法首先利用水平定向鉆機(jī)在接收井一側(cè)沿待鋪管線的設(shè)計(jì)軌跡鉆成一個(gè)先導(dǎo)孔至頂管工作井內(nèi)(如圖1所示),然后在工作井內(nèi)將水平定向鉆機(jī)的鉆桿與水平螺旋鉆機(jī)的鉆頭、螺旋鉆桿連接,水平螺旋鉆機(jī)在掘進(jìn)頂管過程中水平定向鉆機(jī)同步牽引,使管線始終按照水平定向鉆機(jī)先導(dǎo)孔的待鋪管線的設(shè)計(jì)軌跡前進(jìn)(如圖2所示),最終完成要求精確標(biāo)高控制的管線鋪設(shè)。圖1、2中,1.水平定向鉆機(jī);2.接收井;3.設(shè)計(jì)軌跡;4.工作井;5.水平螺旋鉆機(jī)。
一.頂管設(shè)備選擇(一)選擇頂管掘進(jìn)機(jī)美國奧格60-1200水平螺旋鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)、施工原理及結(jié)構(gòu)1.美國奧格60-1200水平螺旋鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)動(dòng)力部分發(fā)動(dòng)機(jī)道依茨BF6M1013渦輪增壓水冷電啟動(dòng)柴油機(jī)額定功率119KW(160馬力)/2300轉(zhuǎn)速,連續(xù)載荷扭力703牛米/1400轉(zhuǎn)速最大扭力175,139牛米/8轉(zhuǎn)速燃油容量118升螺旋驅(qū)動(dòng)頭4英寸六方液壓系統(tǒng)液壓泵形式軸流活塞泵,帶載荷感應(yīng),可調(diào)峰值流量壓力6000psi(41370KPa)最大推力1200000磅(5338KN)排量144升/分鐘液壓缸4個(gè),8寸缸徑×35寸行程重量主機(jī)底座5.448噸主機(jī)動(dòng)力部分3.132噸主軌道2.785噸延長軌道(單根)2.077噸2.水平螺旋鉆的施工原理在施工一側(cè)的工作井坑內(nèi)安裝水平螺旋鉆機(jī),鉆機(jī)的后部有堅(jiān)固結(jié)實(shí)的擋板墻,調(diào)整好方向開始鉆進(jìn),邊旋轉(zhuǎn)鉆頭邊頂進(jìn)套管,鉆頭切削下來的泥土通過套管內(nèi)鉸龍的旋轉(zhuǎn)送至出泥口處,用設(shè)備排出坑外,隨著泥土不斷被排出坑外,套管也不斷的被頂入土中,頂進(jìn)第一根套管后,退回鉆機(jī),對(duì)接鉸龍,組裝(焊接)第二根套管,繼續(xù)鉆進(jìn),如此反復(fù)操作,頂進(jìn)第三根管子、第四根管子,直至鉆進(jìn)到規(guī)定長度,管線穿越完畢。
3.水平螺旋鉆機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)成鉆進(jìn)系統(tǒng)由鉆頭、鉸龍、離合變速器組成,離合變速器帶動(dòng)鉸龍、鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng),鉆頭切削地層,鉸龍將鉆屑傳送到孔外,使地層成孔。
鉆頭分為泥土鉆頭、泥巖鉆頭、巖石鉆頭等三種,泥土鉆頭和泥巖鉆頭一般安裝的有飛刀,采用鉸接式,當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí)飛刀打開,鉆頭旋轉(zhuǎn)使直徑大于套管外徑,以形成一定的超挖,減輕外壁和土的摩擦阻力,反轉(zhuǎn)飛刀收回,鉆頭的直徑小于套管內(nèi)徑,以便鉆機(jī)倒退安裝組對(duì)套管、鉸龍。
頂進(jìn)系統(tǒng)由液壓缸、液壓泵、液壓油箱組成,與傳統(tǒng)頂管法的千斤頂相同,用來將套管頂入挖掘的孔內(nèi)。
動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、燃料罐等,為挖掘系統(tǒng)及頂進(jìn)系統(tǒng)提供動(dòng)力。
套管適配器每種規(guī)格套管配不同的套管適配器,它的作用是卡住套管,保證套管與動(dòng)力驅(qū)動(dòng)軸同心。
鞍形座及鞍形適配器鞍形座位于鉆機(jī)軌道的前端,用來承載最大配置的套管,鞍形適配器固定在鞍形座上,用來承載比最大配置尺寸小的套管。
導(dǎo)軌分主導(dǎo)軌(長4米)和加長導(dǎo)軌(長3米),主導(dǎo)軌始終作為軌道的最后部分,加長導(dǎo)軌與主導(dǎo)軌用螺栓連接,穿越時(shí)如果套管較長就需要連接兩個(gè)或三個(gè)加長導(dǎo)軌。
(二)導(dǎo)向及泥漿系統(tǒng)采用美國威猛D75×100型水平定向鉆機(jī)為該頂管施工提供導(dǎo)向及泥漿減阻潤滑服務(wù)。
1.施工設(shè)備及主要技術(shù)參數(shù)美國威猛D75×100型水平定向鉆機(jī)是美國威猛工程有限公司專門為鋪設(shè)中等口徑和中長距離工程的管線而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。該機(jī)是電子控制全液壓驅(qū)動(dòng)的鉆機(jī),具有強(qiáng)勁的動(dòng)力、先進(jìn)的電子系統(tǒng)??射佋O(shè)直徑(800mm)以下的各種管材管道;一次性可鋪設(shè)管道六百多米,代表了全新一代水平定向鉆機(jī)的性能和效率。該設(shè)備最大推拉力為36t,最大扭矩為13.6KN.m,設(shè)備最大功率為138KW。水平定向鉆穿機(jī)主要由穿越主機(jī)、動(dòng)力系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、控向系統(tǒng)和鉆具五大部分組成,泥漿系統(tǒng)主要由泥漿加料系統(tǒng)、泥漿攪拌系統(tǒng)、泥漿回收系統(tǒng)及配套的動(dòng)力部分組成,控向采用美國DCI公司生產(chǎn)的新型Eclipse帶遙控顯示器的導(dǎo)向探測(cè)儀。
主要技術(shù)參數(shù)見下表。
二.頂管施工工藝的說明1.本發(fā)明工藝流程圖,見圖3。
2.主要工序a、管線探測(cè)應(yīng)用英國雷迪公司RD400地下管線探測(cè)儀對(duì)現(xiàn)有管線分布和地下障礙物進(jìn)行探測(cè),并繪制管線鋪設(shè)施工平面圖。
b、測(cè)量放線根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖紙及甲方要求確定鋪管線路。對(duì)地面標(biāo)高、地下管線進(jìn)行復(fù)核,并設(shè)置明顯標(biāo)志。
c、導(dǎo)向鉆進(jìn)導(dǎo)向鉆進(jìn)是鋪管施工的最重要階段,它決定了鋪設(shè)管線的最終位置。水平定向鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng),開挖工作坑,然后根據(jù)設(shè)計(jì)方案,利用美國DCI公司生產(chǎn)的新型Eclipse帶遙控顯示器的導(dǎo)向探測(cè)儀進(jìn)行導(dǎo)向孔施工,鉆進(jìn)中做到多測(cè)多量,確保導(dǎo)向孔各點(diǎn)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。如果鉆孔的一部分超出誤差范圍,應(yīng)抽回鉆桿重新進(jìn)行偏斜部分的鉆進(jìn)。當(dāng)出口位置滿足要求時(shí),取下鉆頭進(jìn)行下道工序的施工。
d、水平定向鉆機(jī)與水平螺旋鉆機(jī)同步行進(jìn)在完成導(dǎo)孔鉆進(jìn)后,換上專用分動(dòng)連接器、探棒室與水平螺旋鉆機(jī)鉆頭、螺旋鉆桿連接,在水平螺旋鉆機(jī)掘土頂進(jìn)的過程中,由水平定向鉆機(jī)鉆桿為水平螺旋鉆機(jī)鉆頭、螺旋鉆桿提供按設(shè)計(jì)軌跡方向的拉力,以確保頂管方向的準(zhǔn)確性。為達(dá)到平衡地下水壓力和土壓力、潤滑頂管外壁、冷卻鉆頭的目的,需使用觸變減阻膨潤土泥漿。施工過程中應(yīng)監(jiān)控和維持泥漿粘度、比重、固相含量等技術(shù)參數(shù)。
3.成品管的選擇本工程頂管采用F型鋼承口式鋼筋砼管,接口采用楔形橡膠圈,該接口形式是非??煽康摹_x材尺寸精度和密封都符合設(shè)計(jì)要求。
4.頂管工作坑設(shè)施基坑導(dǎo)軌應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。本工程基坑導(dǎo)軌是設(shè)備原裝進(jìn)口可保證滿足剛度和強(qiáng)度要求。在底板基礎(chǔ)上應(yīng)事先預(yù)埋鋼板,預(yù)埋鋼板的位置與基坑導(dǎo)軌相吻合,以便導(dǎo)軌與之焊接。預(yù)埋鋼板上的錨固鋼筋要焊牢并有足夠的錨固強(qiáng)度,導(dǎo)軌安放后,還應(yīng)在二側(cè)用型鋼支撐好,必要時(shí)再澆筑混凝土,確保導(dǎo)軌在受撞擊的條件下,不走動(dòng),不變形。
承壓壁是承受和傳遞全部頂力的后座墻,更應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度,并有足夠安全度。本工程的承壓壁設(shè)計(jì)先用混凝土澆平,后靠鋼板用δ=70鋼板,在鋼板和混凝土平面之間襯滿堂50mm松木板,承壓壁的面積H×B=3.4×3.4m。
洞口止水裝置在洞口外側(cè),要設(shè)置鋼封門,鋼封門采用16#槽鋼,密排布置,在洞內(nèi)側(cè),根據(jù)設(shè)計(jì)要求,先制作鋼筋混凝土墻,再砌磚墻,頂進(jìn)開門時(shí),用風(fēng)鎬破除鋼筋混凝土墻和磚墻,不留隱患。
5.平面布置本工程采用16T汽車吊,在實(shí)行全封閉隔離,并建必要的生產(chǎn)臨時(shí)設(shè)施。要保持施工現(xiàn)場(chǎng)的文明、安全和衛(wèi)生整潔。
6.最大頂推力及其限制措施本工程主頂液壓系統(tǒng)最大頂推力根據(jù)頂管允許頂力設(shè)置;對(duì)DN1000最大頂推力F=3000KN;限制措施為控制液壓系統(tǒng)的壓力;由于限制的系統(tǒng)壓力較小,所以液壓系統(tǒng)的故障將大大減小,頂管的可靠性也相應(yīng)提高。當(dāng)液壓系統(tǒng)的壓力達(dá)到F時(shí),主頂液壓控制臺(tái)將報(bào)警,以滿足限制最大頂力的措施。
第三節(jié) 施工總結(jié)施工設(shè)備于2006年5月30日進(jìn)場(chǎng),6月7日前主要完成各項(xiàng)準(zhǔn)備工作,8日開始正式施工,14日完成頂進(jìn)120米,各項(xiàng)指標(biāo)滿足業(yè)主要求。120米長DN1000鋼筋混凝土管的頂進(jìn)壓力僅為1000psi(約92噸),正常情況下每日可頂進(jìn)30米。實(shí)踐證明該施工方法工藝科學(xué)合理,操作方便,頂管方向準(zhǔn)確,工作效率高。
權(quán)利要求
1.一種水平螺旋鉆機(jī)與水平定向鉆機(jī)協(xié)同工作頂管施工方法,其特征在于首先利用水平定向鉆機(jī)(1)在接收井(2)一側(cè)沿待鋪管線的設(shè)計(jì)軌跡(3)鉆成一個(gè)先導(dǎo)孔至頂管工作井(4)內(nèi),然后在工作井(4)內(nèi)將水平定向鉆機(jī)(1)的鉆桿與水平螺旋鉆機(jī)(5)的鉆頭、螺旋鉆桿連接,水平螺旋鉆機(jī)(5)在掘進(jìn)頂管過程中水平定向鉆機(jī)(1)同步牽引,使管線始終按照水平定向鉆機(jī)(1)先導(dǎo)孔的待鋪管線的設(shè)計(jì)軌跡(3)前進(jìn),最終完成要求精確標(biāo)高控制的管線鋪設(shè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的施工方法,其特征在于在水平定向鉆機(jī)鉆先導(dǎo)孔前,應(yīng)用地下管線探測(cè)儀對(duì)現(xiàn)有地下管線分布和地下障礙物進(jìn)行探測(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的施工方法,其特征在于水平定向鉆機(jī)的鉆桿通過分動(dòng)連接器、探棒室與水平螺旋鉆機(jī)的鉆頭、螺旋鉆桿連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的施工方法,其特征在于在水平螺旋鉆機(jī)在掘進(jìn)頂管過程中,應(yīng)用導(dǎo)向控測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管線頂進(jìn)狀況。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的施工方法,其特征在于在水平螺旋鉆機(jī)在掘進(jìn)頂管過程中,水平定向鉆機(jī)向土體注入膨潤土減阻潤滑觸變泥漿。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水平螺旋鉆機(jī)與水平定向鉆機(jī)協(xié)同工作頂管施工方法,該方法首先利用水平定向鉆機(jī)在接收井一側(cè)沿待鋪管線的設(shè)計(jì)軌跡鉆成一個(gè)先導(dǎo)孔至頂管工作井內(nèi),然后在工作井內(nèi)將水平定向鉆機(jī)的鉆桿與水平螺旋鉆機(jī)的鉆頭、螺旋鉆桿連接,水平螺旋鉆機(jī)在掘進(jìn)頂管過程中水平定向鉆機(jī)同步牽引,使管線始終按照水平定向鉆機(jī)先導(dǎo)孔的待鋪管線的設(shè)計(jì)軌跡前進(jìn),最終完成要求精確標(biāo)高控制的管線鋪設(shè)。本發(fā)明具有工藝科學(xué)合理,操作方便,頂管方向準(zhǔn)確,工作效率高等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)F16L1/00GK1865650SQ20061003604
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2006年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月22日
發(fā)明者劉明明 申請(qǐng)人:劉明明