一种长距离岩石顶管用工具节的制作方法

1.本实用新型涉及顶管工程技术领域，尤其涉及一种长距离岩石顶管用工具节。

背景技术：

2.近年来，随着我国地下管网的飞速发展，非开挖技术在供水、排水、燃气、电信电缆等公用管线的建设中应用越来越多。其中，顶管技术最具有代表性。
3.现有长距离顶管法施工时，存在如下问题：
4.1)随着工程日益发展的需求越高，单次顶进长度有达到500米、800米甚至1000米的时候，由于顶管管节之间采用的承插式柔性连接方式，随着顶距越长，顶管的轨迹就会像蛇游一样容易弯曲、起拱，姿态不可控；
5.2)顶管机顶进时机头受力不是受竖向的单一方向力，还存在侧向分力，原本顶管机应该是要沿着设计轴线往前顶进的，但是受侧向分力的影响，且在岩石地层中顶进产生岩屑较多，岩石硬度高，岩屑不易被挤压到周边地层中，随着顶距越长岩屑堆积越多，当顶管机液压纠偏后，顶管机容易被憋着向前顶进或者发生扭转，造成顶管机发生偏向顶进轨迹呈波浪形。侧向力和岩屑的影响使得顶管纠偏失效。譬如，顶管机超挖范围的空隙常规保留25mm，在砂卵石地层一般会做到35～45mm。顶进过程中注浆后间隙只有5mm，另外一边可能就会变成40mm甚至45mm或50mm，这样顶进姿态难以控制。
6.3)长距离顶管顶进时可以用泥浆填充空隙，但是传统的触变泥浆浓度较低、易水化离析、稳定性较差，容易出现渗漏、流失或水化等情况，注浆填充后不能在顶管机和管节与土体之间的间隙内形成完整的有效的泥浆套，对管节偏向和摆动起不到约束作用，也无法对管节起到支撑作用和减阻效果不理想，在岩层顶进时也无法包裹并带走岩屑，而使大量岩屑堆积在顶管机头底部，引起顶进姿态上漂，鞭鞘效应明显。
7.4)受多重因素影响，随着顶距越长，顶管机顶力也不易控制，顶力过小会导致刀盘对开挖面岩土体的贯入力不足，导致掘进困难和顶进姿态难以控制。
8.5)长距离顶管顶进时，随着顶距越长，当后方主顶站提供的顶力无法满足长距离顶进要求时会设置中继间做为接力储备，顶进完成后中继间便留在隧道中无法取出。顶距越长，所需中继间数量越多，单个项目则会造成多个中继间的浪费，成本投入高。
9.综上，当遇到砂卵石地层、湿陷性黄土、岩层及断裂带等地质条件时，上述问题的存在，会影响长距离顶管施工安全和质量以及施工效率，投入成本也高，特别在长距离岩石顶管中更为突出。

技术实现要素：

10.本实用新型的目的在于提出一种长距离岩石顶管用工具节，压泥管道间断性地向工具节的外侧压复合泥浆，使得顶管机和工具节的壳体四周被复合泥浆包围，可以解决传统的触变泥浆难以形成完整的泥浆套，无法提供一定的浮力将管节托住和不能有效支撑顶管机及管节外岩土体的作用，也不能消除岩屑和减小摩阻力，更不能有效保证管节姿态和
减小鞭鞘效应的问题。
11.为实现上述目的，本实用新型提供如下的技术方案：
12.一种长距离岩石顶管用工具节，安装在顶管机后方，包括前壳体和后壳体，所述前壳体安装有中继油缸，所述中继油缸的活塞杆与所述前壳体固定连接，所述中继油缸的缸体与所述后壳体的前端固定连接；
13.所述后壳体安装有液压控制系统、压泥管道、检测组件和阻岩屑件，所述液压控制系统与所述中继油缸通过液压管路连接，所述压泥管道的输入端与压泥系统相连通，所述压泥系统用于向所述压泥管道输送复合泥浆，所述压泥管道的输出端穿出所述后壳体，所述阻岩屑件环设于所述后壳体的外侧，所述阻岩屑件与所述压泥管道的输出端相对设置，所述阻岩屑件用于避免岩屑沉积，所述检测组件用于检测所述压泥管道的压力和流速。
14.可选的，所述压泥管道包括压泥支管和压泥孔；
15.所述压泥支管环设于所述后壳体的内侧，所述压泥支管的输入端与所述压泥系统相连通，所述压泥支管的输出端与所述压泥孔的输入端相连通，所述压泥孔设有多个，多个压泥孔均匀环设于所述后壳体，所述压泥孔的输出端与外界相连通；
16.所述压泥孔设有单向阀。
17.可选的，所述检测组件包括压力表、流速表和电磁阀，所述压力表位于所述压泥支管与所述压泥孔之间，所述流速表位于所述压泥支管与所述压泥孔之间，所述电磁阀位于所述压泥支管和所述压泥孔之间。
18.可选的，所述压泥支管与所述压泥系统之间设有挤压泵和打泥泵。
19.可选的，所述检测组件还包括压力传感器，所述压力传感器位于所述后壳体的后端，所述压力传感器与所述液压控制系统电连接，所述压力传感器用于检测所述后壳体所受的顶力。
20.可选的，所述阻岩屑件为圆环状。
21.可选的，所述阻岩屑件的断面形状为楔形。
22.可选的，所述后壳体的内壁设有多个封板，多个所述封板分别设置于所述压泥孔的输入端，所述封板和所述压泥孔一一对应。
23.与现有技术相比，本实用新型的实施例具有以下有益效果：
24.1.压泥管道间断性向工具节的外侧灌注复合泥浆，复合泥浆可以填充工具节和顶管机外侧的间隙，使得顶管机和工具节的外侧被复合泥浆包围，形成完整的泥浆套，从而可以有效提高减阻的效果，解决了传统的触变泥浆难以形成完整的泥浆套，无法有效起到支护岩土体稳定的作用和达到润滑减阻的效果的问题；
25.2.由于顶管机的机头扩挖和泥浆循环导致岩屑和石块向工具节的方向活动，阻岩屑件可以将岩屑和石块阻挡在后壳体的外侧，不仅可以减少压泥管道出现堵塞的情况，还可以减少岩屑与后壳体相撞击并沉积在后壳体的外侧的情况出现；
26.3.压泥管道间断性地向工具节的外侧压复合泥浆，使得顶管机和工具节的壳体四周被复合泥浆包围，可以解决传统的触变泥浆难以形成完整的泥浆套，无法提供一定的浮力将管节托住和不能有效支撑顶管机及管节外岩土体的作用，也不能消除岩屑和减小摩阻力，更不能有效保证管节姿态和减小鞭鞘效应的问题。
附图说明
27.图1是本实用新型一实施例一种长距离岩石顶管用工具节的示意图；
28.图2是本实用新型一实施例一种长距离岩石顶管用工具节中压泥管道的示意图；
29.图3是图1中的a处的示意图；
30.图4是本实用新型一实施例一种长距离岩石顶管用工具节中阻岩屑件的横剖面图；
31.其中，1、前壳体；11、中继油缸；2、后壳体；20、封板；21、液压控制系统；22、压泥管道；221、压泥支管；222、压泥孔；23、检测组件；231、压力表；232、流速表；233、电磁阀；234、压力传感器；24、阻岩屑件；25、挤压泵；3、压泥系统。
具体实施方式
32.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
33.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，用于区别描述特征，无顺序之分，无轻重之分。
34.在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
35.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
36.下面结合图1至图4，描述本实用新型实施例的一种长距离岩石顶管用工具节。
37.一种长距离岩石顶管用工具节，其特征在于，包括前壳体1和后壳体2，所述前壳体1安装有中继油缸11，所述中继油缸11的活塞杆与所述前壳体1固定连接，所述中继油缸11的缸体与所述后壳体2的前端固定连接；
38.所述后壳体2安装有液压控制系统21、压泥管道22、检测组件23和阻岩屑件24，所述液压控制系统21与所述中继油缸11电连接，所述压泥管道22的输入端与压泥系统3相连通，所述压泥系统3用于向所述压泥管道22输送复合泥浆，所述压泥管道22的输出端穿出所述后壳体2，所述阻岩屑件24环设于所述后壳体2的外侧，所述阻岩屑件24与所述压泥管道22的输出端相对设置，所述阻岩屑件24用于避免岩屑沉积在顶管隧道底部，所述检测组件23用于检测所述压泥管道22的压力和流速。
39.本方案提出的一种长距离岩石顶管用工具节，工具节的前壳体1的前端需要安装在顶管机的后方，工具节的后壳体2的后端与其他管节连接。当顶管机完成顶管动作时，技
术人员可以将本方案的长距离岩石顶管用工具节进行回收。当工具节所受到的总顶力不满足顶管机掘进切削要求时，启动中继油缸11，中继油缸11可以伸出活塞杆为顶管机掘进单独提供顶力，使得顶管机可以不断地向前掘进。
40.过去采用的减阻泥浆多为触变泥浆，触变泥浆浓度较低，容易离析和渗漏。开挖面切削原状的岩土体后会产生岩屑，在顶管机泥浆(泥浆压力很大，是触变泥浆压力的好几倍)循环的作用下，由于触变泥浆压力较小，岩屑会从顶管机的刀盘外侧的间隙被冲到顶管机外壁、管节外壁同周边岩土体的间隙中，由于触变泥浆浓度较小、稳定性差，岩屑在其中时容易沉积在顶管隧道的底部，由于岩屑为固体颗粒，越积越多以后，便会使顶管机和后续的管节产生向上移动的趋势，造成顶管通道姿态偏离设计轴线，造成顶管顶力增大。
41.因此，压泥管道22间断性向工具节的外侧压注复合泥浆，复合泥浆的压力不大，复合泥浆中的材料对岩屑产生一定的吸附作用，使得体积较小岩屑在复合泥浆中不易沉积。此外，复合泥浆本身浓度较大，在复杂地层(如卵砾石有较大空隙)中不易渗漏，稳定性好，才能保证岩屑的少沉积。根据上述复合泥浆的优点，复合泥浆可以填充工具节和顶管机外侧的间隙，使得顶管机和工具节的外侧被复合泥浆包围，形成完整的泥浆套，从而可以有效提高减阻的效果，解决了传统的触变泥浆难以形成完整的泥浆套，无法有效起到支护岩土体稳定的作用和达到润滑减阻的效果的问题。复合泥浆为非触变泥浆型的润滑泥浆，一般含有水、膨润土和添加剂，其中膨润土浓度约为50％以上，添加剂采用绿无污染的增稠剂、絮凝剂、稳定剂。
42.阻岩屑件24和复合泥浆套的存在可以将一部分岩屑阻挡在阻岩屑件24乃至顶管机刀盘的前方，并将少部分的岩屑从紧挨着顶管机或管节而排开，使其由复合泥浆的外侧包裹，而非内层。从而进一步减少岩屑沉积在在顶管机或管节底部的情况。具体的，所述压泥管道22包括压泥支管221和压泥孔222；所述压泥支管221环设于所述后壳体2的内侧，所述压泥支管221的输入端与所述压泥系统3相连通，所述压泥支管221的输出端与所述压泥孔222的输入端相连通，所述压泥孔222设有多个，多个压泥孔222均匀环设于所述后壳体2，所述压泥孔222的输出端与外界相连通；所述压泥孔222设有单向阀。
43.值得说明的是，压泥支管221环设于后壳体2的内侧，且多个压泥孔222的中心均与压泥支管221相连通，使得压泥系统3可以将大量的复合泥浆输送到后壳体2的外侧，并在工具节的外侧形成完整的泥浆套。泥浆套可以有效减少工具节与岩土体之间的摩擦力，从而达到减阻的效果。
44.其中，单向阀可以限定复合泥浆的流动方向，从而可以减少复合泥浆回流到压泥管道22中的情况出现。
45.具体的，所述检测组件23包括压力表231、流速表232和电磁阀233，所述压力表231位于所述压泥支管221与所述压泥孔222之间，所述流速表232位于所述压泥支管221与所述压泥孔222之间，所述电磁阀233位于所述压泥支管221和所述压泥孔222之间。
46.压力表231可以时刻检测压泥管道22内的压力值，通过压力值不仅可以判断出复合泥浆的浓度值，还可以决定复合泥浆能不能压注到工具节的外侧进行填充的情况。当复合泥浆的浓度较大，压力过小则无法正常压泥，压力过大则对外部土体的影响较大。流速表232和电磁阀233可以共同控制压泥总量。流速表232可以时刻检测压泥管道22的流速，从而可以计算出单位时间内压泥管道22排放了多少的复合泥浆。当流速表上显示的单位时间的
流量达到实际压泥量的要求时，则关闭电磁阀233。
47.具体的，所述压泥支管221与所述压泥系统3之间设有挤压泵25和打泥泵(图中未画出)。
48.挤压泵25可以将压泥系统3的复合泥浆输送到压泥支管221内，当压泥支管221内的流速较小，压力较小时，挤压泵25可以在单位时间内输送大量的复合泥浆到压泥支管221内，使得压泥支管221内复合泥浆的压力值和流速能达到规定的范围值内。
49.具体的，所述检测组件23还包括压力传感器234，所述压力传感器234位于所述后壳体2的后端，所述压力传感器234与所述液压控制系统21电连接，所述压力传感器234用于检测所述后壳体2所受的顶力。
50.值得说明的是，本方案一种长距离岩石顶管用工具节，还包括控制平台，控制平台安装于地表面。压力传感器234和控制平台电连接，液压控制系统21与控制平台电连接。
51.压力传感器234安装在后壳体2的后端，可以检测后壳体2的后端所受顶推力的大小。其中，压力传感器234时刻将数据返回到控制平台后，控制平台对数据进行处理，当控制平台确认压力传感器234所测定的后壳体2的所受总顶推力较小，不满足顶管机掘进切削要求时，控制平台将处理后的数据信号传递给液压控制系统21，然后由液压控制系统21对中继油缸11进行控制。液压控制系统21驱动中继油缸11，使得中继油缸11的活塞杆伸出，从而为顶管机掘进单独提供顶推力。
52.具体的，所述阻岩屑件24为圆环状，所述阻岩屑件24的断面形状为楔形。所述阻岩屑件24的前端面为竖向平面，用于阻挡部分岩屑，外端面为斜面，用于排开外侧的岩屑。阻岩屑件24的内侧与压泥孔222相对设置，用于复合泥浆的导流，端面交叉处进行倒角处理。阻岩屑件4的厚度小于工具节与土体的间隙。
53.随着顶管机的掘进，岩屑和石块的活动方向与顶管机的掘进方向相反，此时，岩屑和石块会积存在工具节的外壳，增加了工具节向前掘进的阻力。
54.其中，阻岩屑件24安装在后壳体2的前端，从而可以阻挡并排开岩屑和石块，使得岩屑和石块向后壳体2的外侧活动。此时，被排开的岩屑和石块被复合泥浆携带和隔开，从而避免岩屑和石块沉积在工具节的外侧，并与管节相摩擦的情况出现。
55.需要注意的是，通过阻岩屑件24和复合浓泥的共同作用，还可以有效防止岩屑在工具节与岩土体间隙中的大量沉积，减小顶管机顶进的摩阻力和姿态偏转风险。
56.具体的，所述后壳体2的内壁设有多个封板20，多个所述封板20分别设置于所述压泥孔222的输入端，所述封板20和所述压泥孔222一一对应。封板20安装在后壳体2的内壁，可以固定压泥孔222，减少漏浆的情况出现。
57.根据本实用新型实施例的一种长距离岩石顶管用工具节的其他构成等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
58.在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
59.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：
在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：

1.一种长距离岩石顶管用工具节，其特征在于，包括前壳体和后壳体，所述前壳体安装有中继油缸，所述中继油缸的活塞杆与所述前壳体固定连接，所述中继油缸的缸体与所述后壳体的前端固定连接；所述后壳体安装有液压控制系统、压泥管道、检测组件和阻岩屑件，所述液压控制系统与所述中继油缸通过液压管路连接，所述压泥管道的输入端与压泥系统相连通，所述压泥系统用于向所述压泥管道输送复合泥浆，所述压泥管道的输出端穿出所述后壳体，所述阻岩屑件环设于所述后壳体的外侧，所述阻岩屑件与所述压泥管道的输出端相对设置，所述阻岩屑件用于避免岩屑沉积，所述检测组件用于检测所述压泥管道的压力和流速。2.根据权利要求1所述的一种长距离岩石顶管用工具节，其特征在于，所述压泥管道包括压泥支管和压泥孔；所述压泥支管环设于所述后壳体的内侧，所述压泥支管的输入端与所述压泥系统相连通，所述压泥支管的输出端与所述压泥孔的输入端相连通，所述压泥孔设有多个，多个压泥孔均匀环设于所述后壳体，所述压泥孔的输出端与外界相连通；所述压泥孔设有单向阀。3.根据权利要求2所述的一种长距离岩石顶管用工具节，其特征在于，所述检测组件包括压力表、流速表和电磁阀，所述压力表位于所述压泥支管与所述压泥孔之间，所述流速表位于所述压泥支管与所述压泥孔之间，所述电磁阀位于所述压泥支管和所述压泥孔之间。4.根据权利要求2所述的一种长距离岩石顶管用工具节，其特征在于，所述压泥支管与所述压泥系统之间设有挤压泵和打泥泵。5.根据权利要求1所述的一种长距离岩石顶管用工具节，其特征在于，所述检测组件还包括压力传感器，所述压力传感器位于所述后壳体的后端，所述压力传感器与所述液压控制系统电连接，所述压力传感器用于检测所述后壳体所受的顶力。6.根据权利要求1所述的一种长距离岩石顶管用工具节，其特征在于，所述阻岩屑件沿工具节环向布置，所述阻岩屑件为圆环状。7.根据权利要求6所述的一种长距离岩石顶管用工具节，其特征在于，所述阻岩屑件的断面形状为楔形。8.根据权利要求2所述的一种长距离岩石顶管用工具节，其特征在于，所述后壳体的内壁设有多个封板，多个所述封板分别设置于所述压泥孔的输入端，所述封板和所述压泥孔一一对应。

技术总结

本实用新型涉及一种长距离岩石顶管用工具节，包括前壳体和后壳体，前壳体安装有中继油缸，中继油缸的活塞杆与前壳体固定连接，中继油缸的缸体与后壳体的前端固定连接；后壳体安装有液压控制系统、压泥管道、检测组件和阻岩屑件，液压控制系统与中继油缸通过液压管路连接，压泥管道的输入端与压泥系统相连通，压泥管道的输出端穿出后壳体，阻岩屑件环设于后壳体的外侧，阻岩屑件与压泥管道的输出端相对设置。本实用可减少顶进摩阻力，阻止岩屑堆积，保证管节姿态正确，减小鞭梢效应；同时，还可提供中继接力的作用。相比现有技术，可大幅降低减阻泥浆使用成本，减少管节内注浆管的布置，整体结构简单、易操作，实用性强，经济效益明显。显。显。