一种防涌沙顶管作业方法及系统

技术领域

本发明涉及到工程施工领域，具体涉及到一种防涌沙顶管作业方法及系统。

背景技术

图1示出现有顶管施工的工程结构示意图。顶管法施工是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术。顶管法施工就是在出发井中借助于顶管机产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中，并将土方运走。一节管道管节完成顶入作业后，再下第二节管道管节管子继续顶进，持续进行作业直至机头穿过土层到达接收井内被吊起，若干节管道管节组合形成所需的管道。

一般的，机头的最大线径会略大于管道的外径，从而使通过机头顶出的通道的线径略大于管道的外径，降低管道的顶入阻力；在机头后方所顶出的通道的土质由于受力失去平衡产生运动；在地下水较为丰富的南方，由于地下水的原因，管道穿越在沙层下方，由于沙透水性比较强，在这种情况下，随着土质的运动，沙与水会在压力作用下一起大量涌出，并沿着管道壁反灌至出发井，淹没顶管机等相关设备。

一方面，由于涌沙涌水(沙浆)对土质受力平衡的影响较大，需要长时间才能恢复，同时顶管设备淹水后需要修理才能再次工作，工期耽误时间较大；另一方面，顶管作业在意外终止后，再次启动的顶管压力要求较大，原有顶管设备可能无法支持作业，需要重新架设设备，成本花费较大。

因此，在顶管作业中，应尽可能的避免涌沙等情况的发生。

发明内容

为了克服现有顶管作业的缺陷，本发明提供了一种防涌沙顶管作业方法及系统，通过护壁与管道的同步顶进或交替顶进的方式对顶管机头开挖的通道进行及时的结构加固和保持，以减少涌沙等事故的发生，具有良好的实践意义。

相应的，本发明提供了一种防涌沙顶管作业方法，管道由若干个节管道管节组成，在顶管机头的尾部逐节接驳所述管道管节并逐节顶进所述管道管节，直至所有管道管节接驳并顶进完毕，管道敷设完成；

其特征在于，在所述管道的预设方向上设置有一护壁；

在逐节顶进所述管道管节的同时，同步顶进所述护壁，所述护壁的头部与所述机头的头部的距离小于所述机头的长度；

或在每一节所述管道管节顶进后，将所述护壁顶进第一预设距离，所述护壁在顶进第一预设距离后，所述护壁的头部与所述机头的头部的距离小于所述机头的长度；

所述护壁与所述管道之间设置有注浆间隙，在所述管道通过预设区域时，在所述注浆间隙中进行注浆作业。

可选的实施方式，所述护壁由若干节护壁管节逐节接驳形成；

在所述护壁的顶进作业前，当所述护壁的当前剩余顶进长度小于所述护壁的顶进作业的顶进距离时，在当前的护壁的末端接驳一节所述护壁管节。

可选的实施方式，所述管道管节的轴向长度为所述护壁管节的轴向长度的整数倍。

可选的实施方式，所述护壁为圆筒状，所述护壁包围在所述主管道外。

可选的实施方式，所述注浆作业的位置为所述机头的尾部和所述护壁的头部。

可选的实施方式，所述注浆作业中的浆液的组分重量比为，水泥：砂：触变剂：水＝180:1000:5:400。

可选的实施方式，所述注浆作业包括：

在对应位置的管道管节上设置注浆孔，在所述管道通过预设区域时，基于所述注浆孔持续往所述注浆间隙注入浆液；

预设时间后停止注入浆液并封闭所述注浆孔。

可选的实施方式，在每一节所述管道管节顶进后，在预设时间限制内，将所述护壁顶进第一预设距离。

相应的，本发明还提供了一种防涌沙顶管作业系统，用于实现上任一项所述的防涌沙顶管作业方法。

本发明提供了一种防涌沙顶管作业方法及系统，通过护壁与管道的同步顶进或交替顶进的方式对顶管机头开挖的通道进行及时的结构加固和保持，以减少涌沙等事故的发生，具有良好的实践意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示出现有顶管施工的工程结构示意图；

图2示出了本发明实施例的防涌沙顶管作业方法流程示意图；

图3示出了本发明实施例的防涌沙顶管作业方法的施工结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图2示出了本发明实施例的防涌沙顶管作业方法流程示意图，图3示出了本发明实施例的防涌沙顶管作业方法的施工结构示意图。

本发明实施例提供了一种防涌沙顶管作业方法，包括以下步骤：

S101：出发井按预设图纸进行施工并在所述出发井的井底架设顶管设备；

具体的，出发井基于逆作法(或参照其他的现有技术)进行施工，在施工完成后在井底布置顶管设备(一般为顶管机)及相应的配套设备，该步骤可参照现有的施工方式进行，本发明实施例不额外进行说明。

S102:在顶管机头的尾部逐节接驳所述管道管节并逐节顶进所述管道管节；

具体的，所要敷设的管道由若干个节管道管节组成，顶管机头通过顶管设备产生并通过管道管节所传递的压力在土壤中沿预设方向顶进，从而在顶管机头通过的轨迹上形成用于容纳管道的空间，由于组成管道的管道管节在作为力传递件被同时顶进，因此，当顶管机头到达接收井时被取出后，留在通道内的若干节管道管节组合形成所需要敷设的管道。

S103:在所述管道的预设方向上设置有一护壁；

具体的，本发明实施例所提供的顶管方法为了防止发生涌沙等情况，通过在顶管作业中管道的外围增设护壁的方式，对顶管机头开挖的通道进行加固，降低通道周围的土质的可活动范围，降低涌沙涌水等事故发生的可能性。

具体的，所要敷设的管道在设计管道布置位置时，通过现场勘测等手段以避免直接穿越沙层，一般的，沙层一般距离地表较近，因此，在管道设计时通常会选择在沙层的下方穿过，一方面避开沙层，另一方面可避免遇到未勘测到的沙层土质。

传统施工条件下，由于顶管机头的最大外径略大于管道的外径，在顶管机头开挖出通道后，位于顶管上方的土质若未夯实会发生局部坍塌以填补管道与通道壁之间的空间，土质结构的变化会导致沙层流动、地下水渗漏等情况，当变动(压力)至一定规模时，泥浆会沿着管道外壁的缝隙倒灌至出发井中，淹没设备。

在本发明实施例中，在顶管作业中管道的外围增设护壁，具体的，由于施工井的尺寸限制，可选的，护壁的构成与管道的构成相类似，所述护壁由若干节护壁管节逐节接驳形成。此外，具体的，一般护壁只需要遮挡布置管道的沙层相对于管道的一侧上。具体实施中，为了更好的施工，防止护壁跑偏以及便于顶管机作业(压力的均衡性以及方向调节的便利性)，可选的，护壁可同样采用圆筒状结构，以完全对开挖出的通道进行支撑。

需要说明的是，在尺寸限定方面，顶管机头的最大线径大于管道外径，基本的，护壁的外径需要大于管道外径；可选的，护壁的外径等于顶管机头的最大线径，已完全契合顶管机头开挖出的通道的内壁，具体实施中，由于顶管机头的开挖对所形成的管道的内壁起到的一定的夯实作用，最理想的状态下护壁的外径与顶管机头的最大线径类似于机械配合中的过盈配合关系；实际施工中，护壁的外径也可以略大于顶管机头的最大线径，由于通过顶管机头的扩张，且管道与护壁之间的空间可用于容纳土壤，护壁的顶进压力会大大减小。

具体的，护壁的施工方式有两种方式：

第一种方式：在逐节顶进所述管道管节的同时，同步顶进所述护壁，所述护壁的头部与所述机头的头部的距离小于所述机头的长度。

在该方式下，护壁与管道管节是通过顶管机同时顶进的，参照附图图2所示，在顶进作业过程中，所述护壁的头部与所述机头的头部的距离小于所述机头的长度。具体的，由于管道和护壁都采用管节的方式构成，相应的，为了保证顶进作业的同步性，在顶管机头、首节顶管管节和首节护壁管节顶进后，后续在接驳管道管节和护壁管节并进行顶进时，管道和护壁的尾部距离最好持平(或可以使用连接件抵消管道和护壁的尾部距离差距)，以保证管道和护壁受力的均衡性。管道和护壁同时顶进的作业方式可保证顶管机头所开挖的通道马上由护壁进行加固支撑，可很好的防止涌沙，但是由于顶管机要同时对护壁和管道进行顶进，所需的顶进压力较大，对顶管的设备要求高，具体施工中，若出发井的尺寸要求高，很难容纳压力较大的顶管机。

第二种方式：在每一节所述管道管节顶进后，将所述护壁顶进第一预设距离，所述护壁在顶进第一预设距离后，所述护壁的头部与所述机头的头部的距离小于所述机头的长度。

在第二种方式中，管道(管道管节)和护壁(护壁管节)采用依次顶进的方式进行顶进，即在一次循环中，先顶入一节管道管节，然后再顶入一截(或多截)护壁管节，以使护壁的头部与顶管机头的头部之间的距离满足限定条件。

具体的，交替顶进管道和护壁的运作机理在于，涌沙过程中的前段过程发生是较为缓慢的，随着沙土的流失以及地下水的冲击混合，涌沙过程会加剧进行；因此，假如顶管机头的通道开挖后，开挖的通道发生涌沙，由于涌沙还处于初期阶段，在涌沙情况加剧前，对护壁管节进行顶进，从而使涌沙区域封闭，可达到阻碍涌沙发明的目的。因此，该作业方式主要需要考虑到交替作业之间的间隔时间，一般的，交替顶进的管道管节和护壁管节之间的时间间隔小于120秒。

在本发明实施例中，通过设置护壁，在开挖的通道触发涌沙事故的发生时，通过护壁及时对通道进行加固和保护，可以有效避免涌沙事故的发生。

S104:在所述管道通过预设区域时，在所述注浆间隙中进行注浆作业。

具体的，通过图2所示结构可知，由于顶管机头与护壁并非是一体结构，因此，顶管机头和护壁之间还存在一小截空隙，该空隙同样容易发生涌沙等事故风险，具体的，由于在每一次顶进作业(每一次交替顶进作业)后，管壁和管道尾部需要再接入新的管壁管节和管道管节，中间的作业间隔时间太长，在顶管机头与护壁之间的间隙发生涌沙危险，因此，在涌沙高风险区域，可选的，所述护壁与所述管道之间设置有注浆间隙，在所述管道通过预设区域时(涌沙高风险区域)，可通过在所述注浆间隙中进行注浆作业。

具体的，一般的，注浆作业是指特定组分的浆液在压力作用下和土层接触并渗入土层中，慢慢扩散并与周围土体形成一个整体。随着浆液渗入量的增加，土体与浆液将会形成一层致密的渗透块。在浆液压力的作用下，块与块之间紧密结合，这样就在管道周围形成了一个稳定的浆液和土体组合而成的润滑套。这个润滑套的形成阻止了浆液继续向外面土层渗透，当四周都形成润滑套时，浆液就能对管道起到浮力的作用，管道与周围土层中间就隔着一层流动的浆液，且保持为湿润摩擦，这是摩擦系数很小的摩擦阻力状态。在管道推进过程中需要对后面顶进的管道不断均匀的进行补充浆液，使后面推进的管道周围与前面的管周围一样形成连续的润滑套，并保持与土压力一致。与此同时，注浆作业还可以固结顶管施工中管子周围土体，加强土体的承载力、改善土体性质，使土体有一定程度的胶结，同时改造土体的滲透性，减小渗透系数，也阻隔水流水平方向的相互滲透，避免细颗粒随水流失产生流土、流砂、突涌。因此，综合而言，注浆作业主要有四个作用，一是起到润滑作用，将管与土之间的干摩擦变为湿润摩擦，减小摩擦阻力；二是起支撑作用，在注浆压力下使管道周围土体变得稳定；三是改良土质，通过浆液向管道周围土体的渗透作用来改良不好的上质；四是封堵裂缝，通过注浆处理地下水发育的围岩涌水。

在本发明实施例中，注浆的位置主要为距离顶管机头尾部后的一定距离的管道的外围、护壁的头部和护壁的外围；一般的，通过持续在护壁的头部和顶管机头的尾部进行注浆作业，在通道和护壁的顶进过程中，可形成连续的润滑套，尤其在顶管机头尾部与护壁头部之间的涌沙高风险发生区域中进行注浆，可进一步降低涌沙等事故发生的几率。

具体实施中，所述注浆作业包括：在对应位置的管道管节上设置注浆孔，在所述管道通过预设区域时，基于所述注浆孔持续往所述注浆间隙注入浆液；

预设时间后停止注入浆液并封闭所述注浆孔。

具体的，关于浆液的配比组成，在实践中进行了大规模的不同配比测试，表一列出几种试验过程中的典型配比：

表一

具体实施中，针对不同组成比例的浆液，实际实施中都会对某一种(某一类、某一组成范围内的)土质具有针对性的效果，但在具体施工中发现，其中，试验组4，浆液的组分重量比为，水泥：砂：触变剂：水＝180:1000:5:400的浆液在实际施工中，对大部分(大范围)的南方半干湿、湿性土壤都具有良好的兼容性，在多个工程的实际施工中都能获得良好的作业效果，因此，在实际操作中，在无特殊限定的条件下，浆液的组分重量比为，水泥：砂：触变剂：水＝180:1000:5:400。

S105：在所述顶管机头到达预设位置前，在所述预设位置进行接收井的施工并在所述顶管机头到达所述预设位置时同步完成所述接收井的施工；

为了尽可能的节省接收井的施工占用场地时间，本发明实施例的接收井和出发井采用不同步施工的方式进行施工，具体的，针对接收井的实际作用(接收顶管机头)，在所述顶管机头到达预设位置前，在所述预设位置进行接收井的施工并在所述顶管机头到达所述预设位置时同步完成所述接收井的施工。需要说明的是，这里所述的同步完成是指根据施工工期，接收井的最理想完工时间，一般的，接收井的施工完成时间可略早于顶管机头到达预设位置的时间，以保证不需要等待较长时间即可进行顶出作业，避免因停工时间较长导致管道顶进压力激增，造成顶管作业的困难。

S106：在所述顶管接头被接收后顶管设备停止作业，所述若干节管道管节形成所要敷设的管道。

具体的，本发明实施例假设所需要顶进的管道内部直径为800mm，壁厚为80mm，相应的，外径为960mm；具体的，管道管节的轴向长度为2500mm。

具体实施中，可选的，护壁选用钢筒，护壁内径1080mm，壁厚10mm，具体的，护壁可采用Q235钢板卷制，钢板采用卷筒单缝焊接；具体的，护壁管节的轴向长度为1500mm。

此外，机头的轴向长度为2800mm。

具体施工中，首先，机头与第一节管道管节组装并一并顶进，具体的，机头完全顶进，第一节管道管节顶入其轴向长度的2/3，具体的，顶进距离约为4.47米(2.8+2.5/3*2)，相继的，第一节和第二节护壁管节完全顶入(可首先接驳三节护壁管节并顶入3米距离，或首先接驳两节护壁管节后完全顶入)

然后，在第一节管道管节后接入第二节管道管节，并顶入一定的距离，直至第二节管节的顶入长度为其轴向长度的2/3，此时，管道一侧的轴线长度共顶入了约6.97米(2.8+2.5+2.5/3*2)，相继的，第三节和第四节护壁管节完全顶入。

后续作业按照所述方式依次递推，并在机头到达接收井时，在接收井中回收机头，结束作业。

需要额外说明的是，作业后的护壁管节一般与管道管节一并保留在土壤中，但在特定的施工条件下，也可以对护壁管节进行回收。

具体的，所述特定的施工条件为，任意两节相邻的护壁管节之间基于护壁连接件进行连接，护壁连接件具有传递拉力的作用，一般的，护壁连接件设置在护壁管节的内壁上。具体的，在接收井中回收机头后，先在出发井中拆卸顶管设备，以防止护壁管节取出后发生涌沙淹没顶管设备，然后在接收井或出发井中架设力转向支架。一般选择在接收井中进行力转向支架的架设，该侧取出护壁管节的施工拉力较小。

具体的，根据力传递件的不同，力转向支架的设置方式不同。具体的，本发明实施例的力传递件采用钢索，相应的，力转向支架可采用转向滑轮，钢索从地表伸入至接收井中，然后经转向滑轮连接至护壁管节上，通过该实施方式，可将拉力转向后并传导至护壁管节上，使护壁管节可朝转向滑轮(接收井)一侧运动。

具体的，钢索的另一端位于地表，若场地允许，可直接使用钩机、吊机等设备提供拉力，如场地不允许，可使用小型油压机械(或直接利用取出的顶管设备)提供拉力，可加载一定的滑轮组进行力的放大，以保证提供足够的拉力取出护壁管节。

具体的，在外部设备的拉动下，护壁管节朝接收井运动，当一个护壁管节运动至接收井后，解除连接件连接并在接收井中吊起，然后将钢索连接至下一护壁管节后再进行拉出，重复作业直至护壁管节完全拉出。

若在护壁管节的拉出过程中出现涌沙，因为接收井和出发井中只有少部分机械设备(非电器成分)，因此，涌沙不会对机械设备造成太大的破坏，可以按照一般的涌沙处理方式进行处理。

当管道通过涌沙段时，需要开始进行注浆作业，并在通过涌沙段后，停止注浆；需要说明的是，除了额外的注浆作业外，管道管节和护壁管节的交替顶进作业节拍保持不变。

具体的，为了降低护壁的顶进压力，同时综合考虑到护壁的承重问题，护壁在采用Q235钢制成时，护壁的厚度取值范围为8mm至20mm之间；此外，假设管道的外径为D，护壁的内径取值范围为1.12D至1.15D之间，通过该线径设定，一方面，绝大部分顶管机的顶进过程中的方向调整速度可避免管道与护壁产生碰撞，保证二者的顶进方向一致且互不干扰；另一方面，护壁的内径在取值范围内取小值时，可大幅度降低顶管机的顶进压力需求，同时，护壁可降低所影响的土壤区域面积，保证的对土壤环境的维持。

由于顶管机在顶进作业中需要交替对管道和护壁进行顶进，顶进的压力与管道和护壁的轴线方向一致；当管道顶进后，护壁与管道之间的土壤所产生的阻力相较于护壁与外壁一侧所产生的阻力要小得多，因此，在顶管机对护壁进行顶进作业时，护壁很容易因为顶进压力的偏移使护壁的其中一侧内壁撞向管道的外壁，同时，由于压力的不对等，顶管机很难将护壁的位置调整回原方向，导致护壁始终紧贴着管道，影响施工效果；因此，有必要在施工过程中考虑如何保持管道与护壁的同轴性，可选的实施方式，在管道和护壁的交替顶进过程中，可根据管道外径和护壁内径的差距，在管道和护壁之间置入圆球(一般为钢珠)，如在上述实施例中，管道外径为960mm，护壁内径为1080mm，二者的半径差值为60mm，因此，可在管道和护壁之间置入若干个直径为60mm的圆球，以始终保持管道和护壁之间的距离。具体的，圆球的直径可小于管道外径和护壁内径的半径差值，起到了防止管道和护壁碰撞的功能；另外，圆球的直径可大于管道外径和护壁内径的半径差值，相应的，在管道的外壁或护壁的内壁上，可设置适配于圆球的凹坑，圆球一侧卡在凹坑中，且圆球收到管道和护壁之间的相互限位，不会从凹坑中脱出，从而始终保持在相对固定的位置上，通过该实施方式，可始终保持管道和护壁之间的相对位置关系。具体实施中，可选的，根据多点定位的原理，圆球的数量需要在四个以上，且四个圆球不位于同一圆周上。

另外，本发明实施例还提供了一种多级顶管施工作业系统，用于实现上述任一项所述的防涌沙顶管作业方法。

综上，本发明实施例提供了一种防涌沙顶管作业方法及系统，通过护壁与管道的同步顶进或交替顶进的方式对顶管机头开挖的通道进行及时的结构加固和保持，以减少涌沙等事故的发生，具有良好的施工安全性和施工可靠性。

以上对本发明实施例所提供的一种多级顶管施工作业方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。