一种循环调节顶管机钻头前端压力平衡的系统及方法

技术领域

本发明及一种循环调节顶管机钻头前端压力平衡的系统和方法，特别涉及用于中小直径顶管机的循环调节顶管机钻头前端压力平衡的系统和方法。

背景技术

杭州天然气利用工程富阳支线（之江段）（S12迁）项目，11段顶管的长度不一样，最长的达到了353米，最短的198米，工具管直径较小结构简单，遇到透水或其它紧急情况时，只能通过调节泥浆供应量实现压力控制，通过调节钻头角度克服偏向，相比于大型循构机调节的手段相对较少同时能调节的幅度也相对较少，在透水量过大或顶管机前端压力过大或过小时只能靠运气，运气不好侧偏向，偏向后再来慢慢调整，工期会大幅增加，严重的会影响俊工时间。

发明内容

本发明及一种循环调节顶管机钻头前端压力平衡的系统和方法，特别适用中小直径顶管机的施工，结构简单通过循环的通路能有效控制钻头前端压力减少钻头偏向、减少前方土层变形，提高施工效率。

实现本发明目地的技术方案是，顶管机钻头设在工具管前端，一种循环调节顶管机钻头前端压力平衡的系统包括在所述的钻头上设的泥浆供口及泥浆排渣口，在所述的工具管体上设有泥浆循环口；

所述的泥浆循环口通过设在工具管内的管道与加压设备和负压设备连通，所述的加压设备工作使泥浆循环口产生正向压力，所述的负压设备工作使泥浆循环口产生负向压力。

进一步讲，所述的加压设备与供泥浆设备和/或注浆机连通。

进一步讲，在所述工具管前端设有压力感应器，所述的压力感应器通过控制器与所述的加压设备和负压设备连接；

控制器根据压力感应器数据控制加压设备或负压设备开启或关闭。

一种循环调节顶管机钻头前端压力平衡的方法包括顶管机前端压力数据采集步骤、顶管机前端压力调节步骤；

所述的顶管机前端压力数据采集，设置在顶管机前端的压力数据感应器实时采集顶管机前端压力数据值；

所述的顶管机前端压力调节，顶管机前端压力升高,启动负压设备，使工具管周边形成负压，将泥水通过泥浆循环口吸入工具管内；顶管机前端压力下降,启动加压设备，使工具管周边形成正压，泥水通过泥浆排渣口进入工具管中。

进一步讲，所述的顶管机压力升高是指5至80秒内，压力升高值大于等于3%。

进一步讲，所述的顶管机压力下降是指5至80秒内，压力下降值大于等于3%。

进一步讲，所述的方法还包括注浆控压步骤；

所述的注浆控压步骤，如果工具管前端透水，则通过泥浆循环口向工具管周边注水泥浆。

进一步讲，所述的注浆控压步骤中还包括增加工具管扭力及抬升工具管钻头。

进一步讲，所述的压力下降值和所述压力升高值计算方式为：

第一步，取前每秒或几秒为一个单元，每一个单元取一个实时压力值，假设从第1秒取值，将前5秒或6秒或7秒或8秒或9秒或10秒内所有压力值求平均值为前平均值，过20秒至50秒任意一个时间段后，开始计5秒或6秒或7秒或8秒或9秒或10秒内所有压力值求平均值为后平均值；

第二步，前平均值减后平均值除于前平均值，正数为压力下降，负数为压力上升。

进一步讲，工具管前端透水时顶管顶前端压力10秒内下降5%。

本发明的优点是：1）钻头上设的泥浆供口及泥浆排渣口，通过泥浆供口及泥浆排渣口形成内循环，这是目前所有顶管机采用的方法，通过控制泥浆供应量来调节顶管机前端的压力，在此基础上设置泥浆循环口，相当于在顶管机机身上设置有另一个循环口，具体循环方式是，当顶管压力下降过快时，通过泥浆循环口向顶管机周边注泥浆提高顶管机前端的压力值，当顶管压力提高过快时，通过泥浆循环口抽取顶管机周边的泥浆进入顶管机内从而降低顶管机前面的压力值，相对于现有技术，使顶管机压力值可调节范围大幅提高。

2）通过泥浆循环口向工具管周边注水泥浆，可以有效提高工具管周边土体强度，防止工具管前端整体向下，有效克服因透水而使工具管偏向过大，还可以通过调节注水泥浆压力控制注水泥浆的范围。

3）本专利的另一大优点是，调整效率高，可以在10至20秒内有效调节工具管前端的压力值。

附图说明

图1为循环调节顶管机钻头前端压力平衡的系统逻辑框。

图2为循环调节顶管机钻头前端压力平衡的系统优选逻辑框。

如图所示，顶管机钻头1、工具管2、泥浆循环口3、加压设备4、负压设备5、供泥浆设备6、注浆机7、控制器8。

具体实施方案

如图1中，一种循环调节顶管机钻头前端压力平衡的系统，顶管机钻头1设在工具管2前端，所述的系统包括在所述的钻头上设的泥浆供口及泥浆排渣口，在所述的工具管体上设有泥浆循环口3；

所述的泥浆循环口3通过设在工具管2内的管道与加压设备4和负压设备5连通，泥浆循环口3可以是多个也或是一个，当是多个时，泥浆循环口3可以一部分与加压设备4连通，另一部分与负压设备5连接，也可以是同一个泥浆循环口3分别同时与加压设备4、负压设备5连通，上述设置方式是根据工具管直径决定的，如果工具管直径相对较大侧不同的泥浆循环口3分别连接加压设备4与负压设备5，如果工具管直径相对较小侧同一个泥浆循环口3同时连接加压设备4与负压设备5，也可以是一部分泥浆循环口3分别连接加压设备4与负压设备5，另一部分泥浆循环口3同时连接加压设备4与负压设备5，所述的加压设备4工作使泥浆循环口3产生正向压力，从而实现通过泥浆循环口3对工具管2周边进行加压，进一步使工具管前端加压，所述的负压设备5工作使泥浆循环口产生负向压力，从而实现通过泥浆循环口3对工具管2周边进行减压，进一步使工具管前端减压。

优选的，如图2中，所述的加压设备4与供泥浆设备6和/或注浆机7连通，加压设备4一般选择空压机，将供泥浆设备6中的水进行加压，然后通过管道输入至泥浆循环口3注入至，在特殊情况下空压机产生的高压风也可以直接通过管道输入至泥浆循环口3，加压设备4可以将注浆机7中配比的水泥浆输入至泥浆循环口3注入至工具管2周边。

在所述工具管1前端设有压力感应器7（一般利用现在工具管1前端的压力感应器，现有的工具管1上均设有压力感应器，并且可以通过可视屏幕实时观察工具管1上的各个压力变化），所述的压力感应器7通过控制器8与所述的加压设备4和负压设备5连接；

控制器8根据压力感应器7数据控制加压设备4或负压设备5开启或关闭。

一种循环调节顶管机钻头前端压力平衡的方法包括顶管机前端压力数据采集步骤、顶管机前端压力调节步骤；

所述的顶管机前端压力数据采集，设置在顶管机前端的压力数据感应器实时采集顶管机前端压力数据值；

所述的顶管机前端压力调节，顶管机前端压力升高，优选的，所述的顶管机压力升高是指5至80秒内，压力升高值大于等于3%,启动负压设备5，使工具管周边形成负压，将泥水吸入工具管内；顶管机前端压力下降，优选的，所述的顶管机压力下降是指5至80秒内，压力下降值大于等于3%,启动加压设备4，使工具管2周边形成正压，泥水通过泥浆排渣口排入工具管2中。

所述的方法还包括注浆控压步骤；

所述的注浆控压步骤，如果工具管1前端透水（可以通过施工经验来判决，也可以通过工具管前端压力值变化来判断，），则通过泥浆循环口向工具管周边注水泥浆。

所述的注浆控压步骤中还包括增加工具管扭力及抬升工具管钻头。

所述的压力下降值和所述压力升高值计算方式为：

第一步，取前每秒或几秒为一个单元，每一个单元取一个实时压力值，假设从第1秒取值，将前5秒或6秒或7秒或8秒或9秒或10秒内（大于等于五秒小于等十秒任意一个时间断即可）所有压力值求平均值为前平均值，过20秒至50秒任意一个时间段后（针对不同的地质采用不同的间隔时间断，例如针对泥沙层采用20秒间隔，泥石层采用30秒间隔），开始计5秒或6秒或7秒或8秒或9秒或10秒内（与前平均值采用的时间相同）所有压力值求平均值为后平均值；

第二步，前平均值减后平均值除于前平均值，正数为压力下降，负数为压力上升。

工具管前端透水时顶管顶前端压力10秒内下降5%，即第一秒对应的压力值与第十秒对应的压力值相差与第一秒对应的压力值相比超过正5%。