一种顶管施工系统

技术领域

本发明属于建筑施工技术领域，尤其涉及一种顶管施工系统。

背景技术

随着社会的发展及人口密度的迅速增长，人们对城市地下空间开发的步伐也在加快，而轨道交通、城市管廊以及地下电力管网等作为城市地下空间开发利用的主要形式，常常需要穿越建（构）筑密集区。由于传统明挖顺作法施工在这些区域受到严重限制，因此采用对地面和周围环境影响都相对较小的暗挖施工方法称为趋势和必然。其中，顶管法因其不阻碍交通、不破坏环境、噪音少、污染少，对周围居民影响较小，同时开挖量小、作业小、施工工期短、综合成本低等优点，成为了一种比较常见和重要的暗挖施工方法。

现有技术中，顶管法通常采用人工掘进顶管，人工掘进顶管施工技术是管前工作面的岩土采用人工挖掘出土并配合液压千斤顶顶进的施工工艺，该工艺原始粗犷，作业环境恶劣，经常遇到各种突发情况，作业人员的安全无法得到有效保障；对管道顶进路线无法做到实时监控，容易造成管道顶进偏移，影响工程施工质量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种顶管施工系统，以解决现有技术中采用人工掘进顶管施工作业人员的安全无法保障、对管道顶进路线无法做到实时监控的问题。

为实现上述目的，本发明的一种顶管施工系统所采用的技术方案是：

一种顶管施工系统，包括：

顶管机：用于安装在工作井中；

顶进装置：安装在顶管机的前端；

工具管：安装在顶进装置的前端，工具管包括圆筒状的管体和同轴固定在管体径向内侧的弧形板，弧形板固定在管体的顶部且与管体内侧壁之间形成腔体；

腔体内部从后向前依次设置有顶推机构、与顶推机构连接的连接件、与连接件连接的顶盖，顶盖整体呈圆弧形，顶盖同轴设置在腔体内，顶盖能够随顶推机构伸出或缩入腔体，顶盖的朝外的一侧为能够切入土层的刃口；

监控系统：用以监测施工。

有益效果：本发明的顶管施工系统在工具管中设置有弧形板，弧形板与该工具管管体内侧壁之间形成腔体，在腔体中从后向前依次设置有顶推机构、与顶推机构连接的连接件、与连接件连接的顶盖，顶盖能够随顶推机构伸出或缩入腔体，因此顶盖能够在开挖前切入土层，形成保护盖，使顶盖下方的土层挖凿后，顶盖上方的土层也不宜塌方，既可以保障施工人员的安全，又可以避免塌方引起的沉降，节省后期打孔灌砼和道路返修费用，降低施工成本，提高施工效率。

进一步的，所述连接件包括与顶推机构固定连接的第一连接件和与顶盖固定连接的第二连接件，第一连接件与第二连接件均为与腔体适配的弧形结构，第一连接件的前端具有第一钩体且在第一钩体的后侧具有第一凹槽，第二连接件的后端具有第二钩体且在第二钩体的前侧具有第二凹槽；第一连接件的第一钩体位于第二连接件的第二凹槽中，并且第二连接件的第二钩体位于第一连接件的第一凹槽中，以实现第一连接件与第二连接件在工具管的轴向上的钩挂配合。

有益效果：连接件的设置能够方便实现顶推机构与顶盖的之间的连接以及载荷的传递。

进一步的，所述第一凹槽开口朝下，第二凹槽开口朝上。

有益效果：第一凹槽开口朝下，第二凹槽开口朝上，当顶盖切入土层后并且顶盖下方的土层已经开挖，此时，顶盖上方的土层会对顶盖形成向下的压力，从而使顶盖后端以及与顶盖后端固定连接的第二连接件具有向上翘起的趋势，而第一连接件的第一凹槽开口朝下能够使第一连接件对第二连接件的向上翘起起到抑制作用，从而保证了顶盖对土层的支撑稳定性。

进一步的，所述第一钩体设置有第一接触面，在工具管的径向上，第一接触面的前端面为以工具管的中心轴为圆心的弧形面，第一接触面的后端面为以工具管的中心轴为圆心的弧形面，且第一接触面的前端面半径大于第一接触面的后端面的半径；第一凹槽设置有第一槽底面，在工具管的径向上，第一槽底面的前端面为以工具管的中心轴为圆心的弧形面，第一槽底面的后端面为以工具管的中心轴为圆心的弧形面，且第一槽底面的前端面半径大于第一槽底面的后端面的半径；

所述第二钩体设置有第二接触面，在工具管的径向上，第二接触面的前端面为以工具管的中心轴为圆心的弧形面，第二接触面的后端面为以工具管的中心轴为圆心的弧形面，且第二接触面的前端面半径大于第二接触面的后端面的半径；第二凹槽设置有第二槽底面，在工具管的径向上，第二槽底面的前端面为以工具管的中心轴为圆心的弧形面，第二槽底面的后端面为以工具管的中心轴为圆心的弧形面，且第二槽底面前端面的半径大于第二槽底面的后端面的半径；

顶推机构向前顶推时，第一接触面与第二槽底面顶压接触，第一槽底面与第二接触面顶压接触。

有益效果：顶推机构向前顶推时，第一接触面与第二槽底面顶压接触，第一槽底面与第二接触面顶压接触，从而增加了第一连接件与第二连接件的接触面积，在顶推机构的顶推作用下保证了第一连接件对第二连接件的顶推稳定性。

进一步的，所述第一接触面后端与第一槽底面前端通过第一过渡面连接，第二接触面前端与第二槽底面后端通过第二过渡面连接。

有益效果：分别实现了第一接触面与第一槽底面之间的过渡连接以及第二接触面与第二槽底面之间的过渡连接。

所述顶推机构包括设置在腔体中的转轴，转轴设置有螺纹段，螺纹段螺纹适配有螺母，在工具管的内壁面和弧形板的外壁面对应开设有导向长槽，螺母上设置有与导向长槽导向适配的导向块；螺母上固定有顶推板，顶推板具有供转轴伸入的避让槽，顶推板与连接件固定连接。

有益效果：顶推机构能够为顶盖提供较稳定的顶推力。

所述顶盖包括呈圆弧形的横档和多个沿横档周向并排焊接在横档上的钎杆，钎杆的前端具有圆锥形钎头，多个钎头组成顶盖的刃口。

有益效果：顶盖结果设置简单，并且能够方便顶盖切入土层。

所述监控系统包括监控模组、通信子模块、服务器、手机APP，监控模组通过通信子模块与服务器通讯连接，手机APP与服务器进行通讯连接。

有益效果：监控系统的设置更加方便地面以上的工作人员监测地面以下的情况。

进一步的，所述监控模组固定在管体中，监控模组包括用于监测管体顶进方向的三轴倾角传感器，用于监测温湿度、噪声、光照、PM2.5和PM10的气象多要素百叶箱，用于采集检测数据的控制器，以及监控电源模块；所述三轴倾角传感器、气象多要素百叶箱、监控电源模块均与控制器相连，监控模组通过控制器、通信子模块与服务器通讯连接。

有益效果：监控模组的能够更加全面的监测到地面以下的情况。

进一步的，所述服务器包括数据接收模块、数据库模块、数据分析模块、报警推送模块；所述手机APP包括实时显示模块、查询模块、报警模块。

有益效果：服务器以及手机APP的设置更加简单合理。

附图说明

图1是本发明的一种顶管施工系统的示意图；

图2是图1中一种顶管施工系统的工具管的结构示意图；

图3是图2中的工具管的剖视图；

图4是图2中的工具管的右视图；

图5是本发明的一种顶管施工系统的监控系统的逻辑框图。

附图标记：1-管体；2-监控模组；3-顶盖；4-弧形板；5-腔体；6-轴承座；7-转轴；8-螺母；9-顶推板；10-避让槽；11-第一连接件；12-第二连接件；13-第一钩体；14-第一凹槽；15-第二钩体；16-第二凹槽。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明的一种顶管施工系统作进一步详细描述：

本发明的顶管施工系统包括安装在工作井中的顶管机、安装在顶管机前端的顶进装置、安装在顶进装置前端的工具管以及设置在工具管中的监控系统。如图1所示，通过设置在工具管中的监控系统对井下施工情况进行监测。本实施例中，顶管机以及安装在顶管机前端的顶进装置为现有技术，在此不再赘述。

具体的，工具管的结构如图2和图3和图4所述，工具管包括圆筒状的管体1和同轴固定在管体1径向内侧的弧形板4，弧形板4固定在管体1的顶部且与管体1内侧壁之间形成腔体5，腔体5内部从后向前依次设置有顶推机构、与顶推机构连接的连接件、与连接件连接的顶盖3，顶盖3整体呈圆弧形，顶盖3同轴设置在腔体5内，顶盖3能够随顶推机构伸出或缩入腔体5，顶盖3的朝外的一侧为能够切入土层的刃口。

顶推机构包括设置在腔体5中的转轴7，转轴7设置有螺纹段，螺纹段螺纹适配有螺母8，在工具管的内壁面和弧形板4的外壁面对应开设有导向长槽，螺母8上设置有与导向长槽导向适配的导向块；螺母8上固定有顶推板9，顶推板9具有供转轴7伸入的避让槽10，顶推板9与连接件固定连接。

具体的，在腔体5中且在弧形板4的上表面固定设置有轴承座6，轴承座6中安装有轴承，转轴7通过轴承设置在腔体5中。转轴7在轴承座6的前侧设置有第一锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合传动，第二锥齿轮中固定设置有操作杆，弧形板4在操作杆对应的位置开设有避让孔，操作杆穿过避免孔伸入工具管中。

通过转动操作杆能够实现第二锥齿轮的转动，第二锥齿轮与第一锥齿轮啮合，从而带动转轴7转动，并在导向长槽对螺母8上的导向块的导向作用下，使转轴7上的螺母8沿着转轴7水平移动，从而使螺母8带着顶推板9在腔体5中在管体1轴向移动。

连接件包括与顶推机构的顶推板9固定连接的第一连接件11和与顶盖3固定连接的第二连接件12，第一连接件11与第二连接件12均为与腔体5适配的弧形结构，第一连接件11的前端具有第一钩体13且在第一钩体13的后侧具有第一凹槽14，第二连接件12的后端具有第二钩体15且在第二钩体15的前侧具有第二凹槽16；第一连接件11的第一钩体13位于第二连接件12的第二凹槽16中，并且第二连接件12的第二钩体15位于第一连接件11的第一凹槽14中，以实现第一连接件11与第二连接件12在工具管的轴向上的钩挂配合。本实施例中，第一凹槽14开口朝下，第二凹槽16开口朝上。

第一钩体13设置有第一接触面，在工具管的径向上，第一接触面的前端面为以工具管的中心轴为圆心的弧形面，第一接触面的后端面为以工具管的中心轴为圆心的弧形面，且第一接触面的前端面半径大于第一接触面的后端面的半径；第一凹槽14设置有第一槽底面，在工具管的径向上，第一槽底面的前端面为以工具管的中心轴为圆心的弧形面，第一槽底面的后端面为以工具管的中心轴为圆心的弧形面，且第一槽底面的前端面半径大于第一槽底面的后端面的半径。

第二钩体15设置有第二接触面，在工具管的径向上，第二接触面的前端面为以工具管的中心轴为圆心的弧形面，第二接触面的后端面为以工具管的中心轴为圆心的弧形面，且第二接触面的前端面半径大于第二接触面的后端面的半径；第二凹槽16设置有第二槽底面，在工具管的径向上，第二槽底面的前端面为以工具管的中心轴为圆心的弧形面，第二槽底面的后端面为以工具管的中心轴为圆心的弧形面，且第二槽底面前端面的半径大于第二槽底面的后端面的半径。

顶推机构向前顶推时，第一接触面与第二槽底面顶压接触，第一槽底面与第二接触面顶压接触。

不仅如此，第一接触面后端位于第一槽底面前端的下方，且第一接触面后端与第一槽底面前端通过第一过渡面连接，第一过渡面为弧形面。第二接触面的前端位于第二槽底面后端的上方，且第二接触面前端与第二槽底面后端通过第二过渡面连接，第二过渡面为弧形面。

顶盖3包括呈圆弧形的横档和多个沿横档周向并排焊接在横档上的钎杆，钎杆的前端具有圆锥形钎头，多个钎头组成顶盖3的刃口。

本发明中，在顶推机构与顶盖3之间设置连接件，并且连接件包括第一连接件11和第二连接件12，第一连接件11与第二连接在工具管的轴向上钩挂配合，从而在顶推机构对顶盖3进行顶推时，连接件上述的设置形式不仅能够对顶推机构的顶推力进行缓冲，保证顶推机构能够缓慢且稳定的对顶盖3进行推进，避免顶推机构的载荷的突变使顶盖3突然向前顶推，从而损坏顶盖3前端的刃口，影响施工。

本发明的顶管施工系统在管体1中还设置有监控系统，以对地面以下施工情况进行监控。本实施例中，如图5所示，监控系统包括监控模组2、通信子模块、服务器、手机APP，监控模组2通过通信子模块与服务器通讯连接，手机APP与服务器进行通讯连接。

具体的，监控模组2固定在管体1中，监控模组2包括用于监测管体1顶进方向的三轴倾角传感器，用于监测温湿度、噪声、光照、PM2.5和PM10的气象多要素百叶箱，用于采集检测数据的控制器，以及监控电源模块；所述三轴倾角传感器、气象多要素百叶箱、监控电源模块均与控制器相连，监控模组2通过控制器、通信子模块与服务器通讯连接。不仅如此，监控系统还包括用于检测气体成分及含量的气体成分检测仪，气体成分检测仪与控制器连接，气体成分检测仪主要检测内容包括：氧气含量、一氧化碳含量、硫化氢含量以及甲烷含量等。

通信子模块的通信方式为串口通信、现场总线通信、局域网通信、3G通信、4G通信或5G通信之一。

服务器为WEB服务器或C/S服务器，包括数据接收模块、数据库模块、数据分析模块、报警推送模块。其中，数据接收模块用来接收控制器发送的监控模组2中的采集的相关数据；数据库模块用来存储各种数据；数据分析模块用来对监控模组2中的采集的各类数据进行分析；报警推送模块用来将各类数据与其对应设定的额定值进行比较，当超出设置的额定值时，报警推送模块将会向手机APP推送报警信息。

手机APP的通信方式为WIFI通信、GPRS通信、3G通信、4G通信或5G通信之一，包括实时显示模块、查询模块、报警模块。实时显示模块用来实时显示地面以下的各类数据；查询模块用来查询某一类数据在一定时间长度内的变化趋势；报警模块用声音、文字、图像、视频等方式发出报警信息。

上述实施例中，所述连接件包括与顶推机构固定连接的第一连接件和与顶盖固定连接的第二连接件，第一连接件与第二连接件均为与腔体适配的弧形结构，第一连接件的前端具有第一钩体且在第一钩体的后侧具有第一凹槽，第二连接件的后端具有第二钩体且在第二钩体的前侧具有第二凹槽；第一连接件的第一钩体位于第二连接件的第二凹槽中，并且第二连接件的第二钩体位于第一连接件的第一凹槽中，以实现第一连接件与第二连接件在工具管的轴向上的钩挂配合；其他实施例中，连接件还可以仅包括第一连接件，第一连接件的一端与顶推机构固定连接，第一连接件的另一端与顶盖固定连接。

上述实施例中，所述第一凹槽开口朝下，第二凹槽开口朝上；其他实施例中，第一凹槽开口朝上，第二凹槽开口朝下。

上述实施例中，所述顶推机构包括设置在腔体中的转轴，转轴设置有螺纹段，螺纹段螺纹适配有螺母，在工具管的内壁面和弧形板的外壁面对应开设有导向长槽，螺母上设置有与导向长槽导向适配的导向块；螺母上固定有顶推板，顶推板具有供转轴伸入的避让槽，顶推板与连接件固定连接；其他实施例中，顶推机构还可以为固定在腔体中的顶推液压缸。

上述实施例中，所述顶盖包括呈圆弧形的横档和多个沿横档周向并排焊接在横档上的钎杆，钎杆的前端具有圆锥形钎头，多个钎头组成顶盖的刃口；其他实施例中，顶盖还可以为与腔体适配的弧形板，弧形板的前端为刃口。

上述实施例中，所述监控模组固定在管体中，监控模组包括用于监测管体顶进方向的三轴倾角传感器，用于监测温湿度、噪声、光照、PM2.5和PM10的气象多要素百叶箱，用于采集检测数据的控制器，以及监控电源模块；所述三轴倾角传感器、气象多要素百叶箱、监控电源模块均与控制器相连，监控模组通过控制器、通信子模块与服务器通讯连接；其他实施例中，气象多要素百叶箱还可以不设置；或者监控电源模块还可以不设置。

上述实施例中，所述服务器包括数据接收模块、数据库模块、数据分析模块、报警推送模块；所述手机APP包括实时显示模块、查询模块、报警模块；其他实施例中，服务器还可以为其他的模块设置形式，手机APP也可以为其他的模块设置形式。