一种长距离穿越江河湖泊顶管施工方法

技术领域

本发明涉及一种长距离穿越江河湖泊顶管施工方法，适用于顶管隧道施工、盾构机隧道施工等地下工程长距离穿越江河湖泊建设，能够满足市政工程建设质量和环保各项要求，属于地下工程领域。

背景技术

城市水利管线建设中，常使用顶管掘进法开展地下管线工程建设；尤其是遇到穿越城市湖泊、江河等工程，泥水平衡顶管掘进机得到广泛应用。然而，泥水平衡掘进机在穿越江河湖泊施工工程中，往往需要一次性长距离穿越湖泊、江河，而中途无接受井可以更换刀具；同时，复杂地质特征对顶管机破岩顶进条件要求高、顶进阻力大、刀具磨损快；输水管道-围岩之间的摩阻力较大、长距离顶进姿态控制困难；湖泊水渗漏导致的顶管上方围岩塌陷、管道破损及特殊地质灾害等突发情况难发现易发生。这些工程建设难点严重影响着顶管隧道长距离穿越江河湖泊的安全和质量。

发明内容

为解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种长距离穿越江河湖泊顶管施工方法，以实现不更换刀具的条件下长距离穿越江河湖泊的顶管隧道安全掘进施工，降低刀具磨损，提高施工效率，技术方案如下：

包括搭载有钻孔注浆设备的船、控制系统和顶管掘进机，所述顶管掘进机一端设有刀头，顶管掘进机另一端依次连接有顶管管道和顶管顶推装置，所述顶管管道内设有注浆机构，顶管管道侧壁上设有与注浆机构连通的注浆孔，注浆机构上设有注浆压力传感器，所述刀头上设有液压磨损检测头，液压磨损检测头连接有液压管路，液压管路上设有液压压力传感器，所述控制系统分别与顶管顶推装置、注浆机构、刀头、注浆压力传感器以及液压压力传感连接，控制系统中预设有压力阈值，压力阈值为根据施工地质条件，按照规范计算获得的顶推压力值；

施工方法包括以下步骤：

S1、在长距离穿越江河湖泊遇到特殊地层时，将船行驶至具有特殊地层的水域，启动钻孔注浆设备，向特殊地层内注入加固用的注浆材料，加固特殊地层；

S2、特殊地层加固完成后，顶管顶推装置驱动顶管管道以及顶管掘进机向特殊地层内顶进，同时在顶进过程中启动注浆机构，注浆机构通过注浆孔向顶管管道外灌注减阻触变泥浆；

S3、顶管掘进机掘进时，液压压力传感器和注浆压力传感器实时采集注浆压力和液压压力，并将采集到的压力值传送至控制系统，控制系统对比采集到的压力值和预设的压力阈值；

S4、当采集的压力值大于压力阈值时，控制系统会控制注浆机构增加注浆量和注浆压力，并控制顶管顶推装置增大顶推力、控制刀头增大掘进参数，同时控制系统会继续比较采集的压力值和压力阈值，直至采集的压力值小于压力阈值；

当采集的压力值小于压力阈值时，控制系统控制注浆机构维持注浆量和注浆压力不变，并控制顶管顶推装置维持顶推力不变、控制刀头维持掘进参数不变。

优选的，所述注浆机构包括泥浆管道和设置在泥浆管道上的注浆泵，泥浆管道靠近注浆泵输出端的一端与注浆孔连接，注浆压力传感器设置在注浆泵上，所述注浆泵与控制系统连接。

优选的，所述刀头包括刀盘和安装在刀盘上的多个刀具，液压磨损检测头有多个，多个液压磨损检测头分别位于刀盘中心位置以及刀具中。

优选的，所述加固用的注浆材料包括普通硅酸盐水泥、细砂、粉煤灰、膨润土和水，普通硅酸盐水泥、细砂、粉煤灰、膨润土和水的配合比为1:6.5:1.5:0.2:2 。

优选的，所述细沙的细度模数为2.28，所述膨润土的造浆率大于9.5m

优选的，所述减阻触变泥浆包括膨润土、羧甲基纤维素、碱性无机处理剂、絮凝剂、防塌剂和水，膨润土、羧甲基纤维素、碱性无机处理剂、絮凝剂、防塌剂和水的占比分别为8%、0.1%、3%、0.04%、0.3%、88.56%。

优选的，所述顶管掘进机前仓内的上部布设有摄像头。

优选的，所述顶管掘进机的外径大于顶管管道的外径。

本发明具有的有益效果为：

1、本发明通过注浆材料加固水下软黏土、破碎断层等特殊地层，并向特殊地层中注入减阻触变泥浆进行润滑减阻，能够有效避免顶管掘进机在特殊地层中卡头或顶推不动，从而减少刀具的磨损，满足顶管掘进机长距离不换刀具施工。

2、本发明可通过传感器实时采集压力信息，并通过控制系统对顶管掘进机施工参数进行现场测试和调控，提高了施工的便捷性，简单实用。

3、本发明所涉及的减阻触变泥浆减阻效率高，适用性强、环保安全，现场加工便捷。

4、本发明所涉及的水下注浆材料浆液扩散半径大，抗压强度强，能够有效对软弱的特殊地层进行加固处理。

附图说明

图1为本发明施工时整体结构示意图；

图2为本发明注浆机构处结构示意图；

图3为本发明施工方法流程图。

图中标号：1、顶管掘进机；2、顶管管道；3、顶管顶推装置；4、船；5、钻探管；6、特殊地层；7、泥浆管道；8、注浆泵；9、注浆压力传感器；10、注浆孔；11、控制系统。

具体实施方式

为了使本发明更为清楚、明白，以下结合附图说明和实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，应当了解，所给出的实施例仅仅为实现方式的一种，并不代表所有实施例。

结合附图1-3，一种长距离穿越江河湖泊顶管施工方法，包括搭载有钻孔注浆设备的船4、控制系统11和顶管掘进机1，所述顶管掘进机1一端设有刀头，顶管掘进机1另一端依次连接有顶管管道2和顶管顶推装置3，所述顶管管道2内设有注浆机构，注浆机构包括泥浆管道7和设置在泥浆管道7上的注浆泵8，顶管管道2侧壁上设有与注浆机构连通的注浆孔10，泥浆管道7靠近注浆泵8输出端的一端与注浆孔10连接，注浆泵8上设有注浆压力传感器9，所述刀头包括刀盘和安装在刀盘上的多个刀具，刀头上设有多个用于检测刀头磨损程度的液压磨损检测头，多个液压磨损检测头分别位于刀盘中心位置以及刀具中，具体地，所述刀具为圆形刀具，液压检测头安装在圆形刀具内部的轴线位置，液压磨损检测头连接有液压管路，液压管路上设有液压压力传感器，所述控制系统11分别与顶管顶推装置3、注浆泵8、刀头、注浆压力传感器9以及液压压力传感连接，控制系统11中预设有压力阈值，压力阈值为根据施工地质条件，按照规范计算获得的顶推压力值；

施工方法包括以下步骤：

S1、在长距离穿越江河湖泊遇到特殊地层6时，将船4行驶至具有特殊地层6的水域，启动钻孔注浆设备，向特殊地层6内注入加固用的注浆材料，加固软黏土、破碎断层等软弱的特殊地层6，使特殊地层6的强度提升、稳定性增强，所述注浆材料为水泥基混合材料，包括普通硅酸盐水泥、细砂、粉煤灰、膨润土和水，普通硅酸盐水泥、细砂、粉煤灰、膨润土和水的配合比为1:6.5:1.5:0.2:2，注浆材料的浆液扩散半径大于5m，抗压强度大于2.0Mpa，具体地，所述细沙的细度模数为2.28，所述膨润土的造浆率大于9.5m3/t，所述粉煤灰为I级粉煤灰；

S2、特殊地层6加固完成后，顶管顶推装置3驱动顶管管道2以及顶管掘进机1向特殊地层6内顶进，同时在顶进过程中启动注浆机构，注浆机构通过注浆孔10向顶管管道2外灌注减阻触变泥浆，所述减阻触变泥浆是由膨润土、羧甲基纤维素、碱性无机处理剂、絮凝剂、防塌剂和水等材料混合成的浆液，膨润土、羧甲基纤维素、碱性无机处理剂、絮凝剂、防塌剂和水的占比分别为8%、0.1%、3%、0.04%、0.3%、88.56%；所述顶管掘进机1的外径大于顶管管道2的外径，可以保证减阻触变泥浆更好的从注浆孔10流出，在顶管掘进机1向前顶进时，减阻触变泥浆会呈流态，此时减阻触变泥浆会使特殊地层6的初始土体与顶管管道2之间由干摩擦变成湿摩擦，起到良好的润滑作用，一般润滑减阻效果能达到70%作用；在注浆机构提供的注浆压力的作用下，减阻触变泥浆源源不断地从注浆孔10流出，形成泥浆套，泥浆套的成型厚度一般在10mm～25mm，当顶管掘进施工完毕，泥浆套没有外界扰动时，减阻触变泥浆会恢复凝态，起到支撑和填充作用，防止浆液向外发生渗漏；灌注减阻触变泥浆包括两方面的作用，一是平衡顶管掘进机1所处土层中的土压力和地下水压力，另一是减小刀盘与隧道掌子面围岩的摩擦阻力以及管道与四周围岩的摩擦阻力；减阻触变泥浆能够使特殊地层6掘进部位具有较好的流动性及稳定性，可以适应复杂地层顶管掘进机1管涵顶进减阻作用。

S3、顶管掘进机1掘进时，液压压力传感器和注浆压力传感器9实时采集注浆压力和液压压力，并将采集到的压力值传送至控制系统11，控制系统11对比采集到的压力值和预设的压力阈值；

S4、当采集的压力值大于压力阈值时，控制系统11会控制注浆机构增加注浆量和注浆压力，并控制顶管顶推装置3增大顶推力、控制刀头增大掘进参数，所述刀头掘进参数主要包括刀头电机功率、额定扭矩和转速，同时控制系统11会继续比较采集的压力值和压力阈值，直至采集的压力值小于压力阈值；

当采集的压力值小于压力阈值时，控制系统11控制注浆机构维持注浆量和注浆压力不变，并控制顶管顶推装置3维持顶推力不变、控制刀头维持掘进参数不变。

具体地，所述顶管掘进机1前仓内的上部布设有摄像头，用于观看顶管掘进机1前仓内的情况。

具体地，所述搭载有钻孔注浆设备的船4包括水上钻井船4、钻井机、注浆机和注浆材料；所述水上钻井船4可采用两艘普通船4只，两艘普通船4只通过木板相连，两艘普通船4只之间预留钻孔通道和注浆通道，钻井机、注浆机和注浆材料放置在水上钻井船4上，钻井机通过钻孔通道对特殊地层6钻孔，然后利用注浆机将注浆材料通过注浆通道注入钻孔中，从而将注浆材料注入特殊地层6；所述钻井机为轻便型钻井机，注浆机为常规注浆设备，注浆机通过钻探管5向特殊地层6中注浆。

以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，但不受上述实施方式限制，应当明白，对于本领域的普通技术人员来说，可以在不脱离本发明精神和范围的前提下，对本发明进行各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。