一種管棚施工裝置及方法與流程
2023-09-21 02:03:30
本發明涉及管棚施工技術領域，具體涉及一種管棚施工裝置及方法。
背景技術：
管棚主要用於對於圍巖變形及地表下沉有較嚴格限制要求的軟弱破碎圍巖隧道工程中，如軟弱、沙礫地層和軟巖、巖堆、破碎帶地段；而管棚施工是地下結構工程淺埋暗挖時的超前支護結構，其實質是在擬開挖的地下隧道或結構工程的隱埋線上，預先鑽孔並安設慣性力矩較大的厚壁鋼管，起超前支護作用，防止土層坍塌和地表下沉，以保證掘進與後續支護工藝安全運作。
目前的管棚施工主要採用螺旋鑽機或泥水平衡鑽機施工，以上兩種施工方法不僅施工周期長、工序多，而且易塌孔引起地表沉降且因針對重載鐵路沉降控制要求高，因此施工難度大。
因此，如何設計一種可靠且高效的管棚施工方式，是亟待解決的問題。
技術實現要素：
針對現有技術中的缺陷，本發明提供一種管棚施工裝置及方法，該裝置及方法可靠性高且應用廣泛，能夠可靠且高效的建設管棚，其施工周期短且工序少，有效避免了塌孔可能引起的地表沉降，解決了平頂密排互鎖管棚施工及因鑽孔引起的坍塌問題，控制了路基的沉降，提高了施工效益。
為解決上述技術問題，本發明提供以下技術方案：
本發明提供了一種管棚施工裝置，所述裝置包括：作業平臺、空氣壓縮機和夯管錘；
所述作業平臺固定設置在施工區域前的地面上；
所述空氣壓縮機的底部設有與所述作業平臺的端面配合滑動的滑動件；
所述夯管錘的進氣端用軟管與所述空氣壓縮機連接，所述夯管錘的作業端設有用於同軸固定鋼管的鋼管固定件。
進一步的，所述作業平臺包括：水平設置在地面上的枕木組，以及，同軸設置在所述枕木組上的滑軌；
所述枕木組包括依次排設的方木，且所述枕木組與地面之間鋪設有碎石墊層；
所述滑軌與所述枕木組之間、所述枕木組與所述碎石墊層之間均固定連接。
進一步的，所述作業平臺包括主作業平臺和子作業平臺；
所述主作業平臺設置在所述施工區域正前方的地面上；
所述子作業平臺至少有兩個，且各所述子作業平臺分別平行設置在所述主作業平臺的兩側的地面上。
進一步的，所述裝置還包括：用軟管連接的潤滑油罐和開關閥；
所述潤滑油罐與所述空氣壓縮機、所述開關閥與所述夯管錘之間均用軟管連接。
進一步的，所述夯管錘內部同軸設有可調節拉緊帶，且所述可調節拉緊帶的一端固定在所述夯管錘的進氣端，所述可調節拉緊帶的另一端自所述夯管錘的作業端伸出。
進一步的，所述夯管錘的底部設有升降件，且所述升降件的底端設有與所述作業平臺的端面配合滑動的滑動件。
另一方面，本發明還提供一種應用所述的管棚施工裝置進行管棚施工的方法，所述方法包括：
步驟100：將用軟管連接的所述空氣壓縮機和夯管錘設置在當前的作業平臺上，並將鋼管固定設置在所述夯管錘的作業端；
步驟200：控制所述夯管錘依次將焊接連接的所述鋼管夯進施工區域的預設位置處，直到夯進施工區域的所述鋼管的連接數量滿足預設連接距離後，將所述夯管錘與當前的鋼管斷開連接；
步驟300：將所述空氣壓縮機和夯管錘更換設置在另一作業平臺上，並將鋼管固定設置在所述夯管錘的作業端，返回步驟200，直到施工區域的全部預設位置處均填充有所述鋼管。
進一步的，所述步驟200包括：
步驟201：開啟所述空氣壓縮機，使得所述夯管錘將所述鋼管夯進施工區域的預設位置處，並在所述鋼管夯進施工區域內的長度達到預設檢測距離時，進行所述夯管錘和鋼管的軸線偏差檢測及校正，以及進行出土操作；
步驟202：在所述鋼管露在所述施工區域外的長度達到預設接管距離時，停止夯進操作；
步驟203：將所述夯管錘與當前的鋼管斷開連接，並控制所述夯管錘後退至遠離所述施工區域的位置；
步驟204：在當前鋼管露在所述施工區域外的一端焊接另一鋼管的一端，並將該另一鋼管的另一端固定設置在所述夯管錘的作業端，返回步驟201，直到鋼管的連接數量滿足預設連接距離後，進入步驟300。
進一步的，所述步驟100之前還包括：
在待夯進的鋼管的兩側埠的外壁上設置坡口，並對所述坡口進行坡口打磨加工，以及，在所述鋼管的管壁上固定設置與所述鋼管同軸的咬合槽；
以及，將加工後的各鋼管依次進行編號標註。
進一步的，所述方法還包括：
對所述夯管錘進行在作業平臺上的滑動測試，以及，控制所述空氣壓縮機由小到大檔位順序向所述夯管錘輸送空氣，並在輸送空氣期間，測試所述空氣壓縮機與夯管錘之間的連接氣密性，以及所述夯管錘的運行情況，若檢測到異常，則關閉所述空氣壓縮機，並進行故障排除。
由上述技術方案可知，本發明所述的一種管棚施工裝置及方法，其中的裝置包括：作業平臺、空氣壓縮機和夯管錘；所述作業平臺固定設置在施工區域前的地面上；所述空氣壓縮機的底部設有與所述作業平臺的端面配合滑動的滑動件；所述夯管錘的進氣端用軟管與所述空氣壓縮機連接，所述夯管錘的作業端設有用於同軸固定鋼管的鋼管固定件。本發明可靠性高且應用廣泛，能夠可靠且高效的建設管棚，其施工周期短且工序少，有效避免了塌孔可能引起的地表沉降，解決了平頂密排互鎖管棚施工及因鑽孔引起的坍塌問題，控制了路基的沉降，提高了施工效益。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明的實施例一中的一種管棚施工裝置的一種具體實施方式的結構示意圖。
圖2是本發明的實施例一中的導向管93和管棚鋼管94的截面示意圖。
圖3是本發明的實施例二中的作業平臺10的結構俯視圖。
圖4是本發明的作業平臺10的一種具體實施方式的結構俯視圖。
圖5是本發明的實施例三中的管棚施工裝置的另一種具體實施方式的結構示意圖。
圖6是本發明的實施例四中的夯管錘30的結構示意圖。
圖7是本發明的實施例五中的管棚施工方法的流程示意圖。
圖8是本發明的實施例六中的管棚施工方法中步驟200的流程示意圖。
圖9是本發明的實施例七中的管棚施工方法中步驟100之前的步驟000的流程示意圖。
圖10是本發明的應用實例中的管棚施工方法的流程示意圖。
圖11是本發明的應用實例中在高處鐵道線路下建設管棚的俯視圖。
圖12是本發明的應用實例中鋼管90的焊接結構示意圖。
其中，10-作業平臺；11-主作業平臺；12-子作業平臺；13-枕木組；14-滑軌；15-碎石墊層；20-空氣壓縮機；30-夯管錘；31-鋼管固定件；32-可調節拉緊帶；40-滑動件；50-軟管；60-潤滑油罐；70-開關閥；80-升降件；90-鋼管；91-坡口；92-咬合槽；93-導向管；94-管棚鋼管；95-拉緊環。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
本發明的實施例一提供了一種管棚施工裝置的一種具體實施方式，參見圖1，該管棚施工裝置具體包括如下內容：
作業平臺10、空氣壓縮機20和夯管錘30。
在上述描述中，作業平臺10用於為空氣壓縮機20和夯管錘30提供一個穩定且水平的平臺，空氣壓縮機20用於為夯管錘30提供動力，使得夯管錘30產生動態衝擊能；夯管錘30用於固定鋼管90的一端，通過夯管錘30與鋼管90之間的連接，使得夯管錘30將鋼管90的另一端夯進施工區域內。
所述作業平臺10固定設置在施工區域前的地面上。
在上述描述中，所述作業平臺10的總寬度大於設計管棚的總寬度，作業平臺的長度大於最長的鋼管90與夯管錘30的長度，且所述作業平臺10固定設置在施工區域前的地面上，且與施工區域的最前端之間滿足預設安裝距離。
所述空氣壓縮機20的底部設有與所述作業平臺10的端面配合滑動的滑動件40。
在上述描述中，滑動件40的設置，使得空氣壓縮機20能夠在所述作業平臺10上自由滑動。
所述夯管錘30的進氣端用軟管50與所述空氣壓縮機20連接，所述夯管錘30的作業端設有用於同軸固定鋼管90的鋼管固定件31。
在上述描述中，夯管錘30的進氣端用軟管50與所述空氣壓縮機20連接，使得所述空氣壓縮機20中的壓縮空氣經軟管50進入夯管錘30內部，使得夯管錘30將鋼管90夯進施工區域內的土層中；另外，如圖2所示，本發明所適用的鋼管90包括導向管93和管棚鋼管94，管棚鋼管94的外徑小於導向管93的外徑；在管棚施工過程中，先將導向管93夯進施工區域內的土層中的中心處，再在導向管93的兩側依次夯入管棚鋼管94，同時，所述導向管93和管棚鋼管94的放置均通過h型鋼等支撐件將其支撐至施工要求高度，便於將所述導向管93和管棚鋼管94接在夯管錘30的鋼管固定件31上，相對應的，所述鋼管固定件31的規則根據所述導向管93和管棚鋼管94的外徑設置為多種型號，在夯進導向管93之後，更換適用於管棚鋼管94的另一型號的鋼管固定件31。
從上述描述可知，本發明的實施例提供了一種能夠建設大型管棚的施工裝置，該裝置的結構可靠且應用廣泛，能夠可靠且高效的建設管棚。
本發明的實施例二提供了上述管棚施工裝置中作業平臺10的一種具體實施方式，參見圖3，該作業平臺10具體包括如下內容：
水平設置在地面上的枕木組13，以及，同軸設置在所述枕木組13上的滑軌14；所述枕木組13包括依次排設的方木，且所述枕木組13與地面之間鋪設有碎石墊層15；所述滑軌14與所述枕木組13之間、所述枕木組13與所述碎石墊層15之間均固定連接。
從上述描述可知，本發明的實施例提供了作業平臺的具體結構，該結構使得作業平臺為管棚施工提供了穩定的操作平臺。
在一種具體實施方式中，參見圖4，管棚施工裝置中作業平臺10具體包括如下內容：
所述作業平臺10包括主作業平臺11和子作業平臺12；所述主作業平臺11設置在所述施工區域正前方的地面上；所述子作業平臺12至少有兩個，且各所述子作業平臺12分別平行設置在所述主作業平臺11的兩側的地面上。
從上述描述可知，本發明的具體實施方式能夠提高管棚施工的整體施工進度，在一側進行接管的同時，另一側進行鋼管夯進操作。
本發明的實施例三提供了上述管棚施工裝置的另一種具體實施方式，參見圖5，該管棚施工裝置還具體包括如下內容：
用軟管50連接的潤滑油罐60和開關閥70；所述潤滑油罐60與所述空氣壓縮機20、所述開關閥70與所述夯管錘30之間均用軟管50連接。
從上述描述可知，本發明的具體實施方式保證了裝置的完整性及適用性，提高了管棚施工的可靠性。
本發明的實施例四提供了上述管棚施工裝置中夯管錘30的一種具體實施方式，參見圖6，該夯管錘30具體包括如下內容：
所述夯管錘30內部同軸設有可調節拉緊帶32，且所述可調節拉緊帶32的一端固定在所述夯管錘30的進氣端，所述可調節拉緊帶32的另一端自所述夯管錘30的作業端伸出；且所述夯管錘30的底部設有升降件80，且所述升降件80的底端設有與所述作業平臺10的端面配合滑動的滑動件40；在與夯管錘30配合使用的鋼管90的一端設有拉緊環95，用於與拉緊帶32進行連接。
在上述描述中，本發明的實施例中的提供了夯管錘30的具體結構，實現了對管棚的準確施工。
本發明的實施例五提供了應用上述管棚施工裝置實現的一種管棚施工方法的一種具體實施方式，參見圖7，該管棚施工方法具體包括如下內容：
步驟100：將用軟管連接的所述空氣壓縮機和夯管錘設置在當前的作業平臺上，並將鋼管固定設置在所述夯管錘的作業端。
步驟200：控制所述夯管錘依次將焊接連接的所述鋼管夯進施工區域的預設位置處，直到夯進施工區域的所述鋼管的連接數量滿足預設連接距離後，將所述夯管錘與當前的鋼管斷開連接。
步驟300：將所述空氣壓縮機和夯管錘更換設置在另一作業平臺上，並將鋼管固定設置在所述夯管錘的作業端，返回步驟200，直到施工區域的全部預設位置處均填充有所述鋼管。
從上述描述可知，本發明的實施例提供了一種能夠建設大型管棚的施工方法，該方法應用廣泛，能夠可靠且高效的建設管棚。
本發明的實施例六提供了上述管棚施工方法中步驟200的一種具體實施方式，參見圖8，該步驟200具體包括如下內容：
步驟201：開啟所述空氣壓縮機，使得所述夯管錘將所述鋼管夯進施工區域的預設位置處，並在所述鋼管夯進施工區域內的長度達到預設檢測距離時，進行所述夯管錘和鋼管的軸線偏差檢測及校正，以及進行出土操作。
步驟202：在所述鋼管露在所述施工區域外的長度達到預設接管距離時，停止夯進操作。
步驟203：將所述夯管錘與當前的鋼管斷開連接，並控制所述夯管錘後退至遠離所述施工區域的位置。
步驟204：在當前鋼管露在所述施工區域外的一端焊接另一鋼管的一端，並將該另一鋼管的另一端固定設置在所述夯管錘的作業端，返回步驟201，直到鋼管的連接數量滿足預設連接距離後，進入步驟300。
從上述描述可知，本發明的實施例使得施工周期短且工序少，有效避免了塌孔可能引起的地表沉降，解決了平頂密排互鎖管棚施工及因鑽孔引起的坍塌問題。
本發明的實施例七提供了上述管棚施工方法中步驟100之前的步驟000的一種具體實施方式，參見圖9，該步驟000具體包括如下內容：
步驟001：在待夯進的鋼管的兩側埠的外壁上設置坡口，並對所述坡口進行坡口打磨加工，以及，在所述鋼管的管壁上固定設置與所述鋼管同軸的咬合槽。
步驟002：將加工後的各鋼管依次進行編號標註。
步驟003：對所述夯管錘進行在作業平臺上的滑動測試，以及，控制所述空氣壓縮機由小到大檔位順序向所述夯管錘輸送空氣，並在輸送空氣期間，測試所述空氣壓縮機與夯管錘之間的連接氣密性，以及所述夯管錘的運行情況，若檢測到異常，則關閉所述空氣壓縮機，並進行故障排除。
從上述描述可知，本發明的實施例保證了鋼管接管的牢固性和穩定性。
本發明還提供了應該上述管棚施工裝置實現管棚施工方法的一種應用實例，參見圖10，該應用實例具體包括如下內容：
本應用實例適用範圍：黏性土、粉土、砂土、碎石土、卵石土、礫石土、流沙等多種類型地質條件下的密排互鎖管棚施工。可廣泛應用於鐵路、公路、地鐵、河流、建築物等結構的穿越施工，特別是對於穿越重載或動載結構、對沉降要求較嚴格的管棚施工；還可通過採用不同管頭連接器，用於型鋼等多類型管棚帷幕的施工。
本應用例以在高處鐵道線路下建設管棚為例，如圖11所示：
1、原理：利用壓縮空氣為外動力源，使夯管錘產生動態衝擊能，通過夯管錘與鋼管之間拉緊帶的連接，衝擊空心鋼管夯入土中；通過導向管與管棚鋼管之間的互鎖使管棚形成一個整體。
2、施工準備
(1)測量放樣、接通水電、備好材料、場地準備、對鋼管90進行坡口91打磨加工及咬合槽92加工和焊接，、把加工好的鋼管90排成順序，編上號碼，以便夯入時吊裝。
咬合槽92選用6mm的標準鋼板，採取雙側對稱焊且焊點不連續(焊點相距10cm)。
為避免夯進過程中鋼管90接口開焊，鋼管90焊接處必須進行坡口91處理(坡口91長度為3cm)，參見圖12，焊接時先把兩鋼管90坡口91焊平，再進行兩次加焊，同時加兩側幫條焊。
鋼管90的壁厚要符合衝擊力的要求，一般為7mm以上。鋼管90之間的焊接，咬合槽92的焊接要符合規範gb50205—2001的要求。
鋼管90縱向同一斷面處的接頭數不大於50％，相鄰鋼管90接頭至少錯開1m。
(2)管幕施工平臺場地準備：夯管錘30作業施工場地必須平整密實；利用暗挖出入口土體開挖後直接形成作業平臺10，為保證夯管錘30滑軌14的穩定性要鋪設3，20cm厚碎石墊層15。
為滿足設備施工需要和便於焊接，作業平臺10總寬度b＝設計管棚總寬度+2m(左右各1m)，作業平臺10長度l＝l1(最長的鋼管90長度)+l2(夯管錘30長度)+3m。施工過程中通過16，可升降調整裝置作業豎向位置，使鋼管90及夯管錘30設備按設計管棚軸線準確就位。
(3)滑軌14的鋪設：滑軌14可用工字鋼進行鋪設,枕木用25cm×25cm方木製作，滑軌14前端距離鋼管90入口1m，枕木的鋪設與線路中心線平行，為保證滑軌14的穩定，滑軌14、枕木與作業場地或作業平臺10之間要用鋼管90或木橛連接牢固；
滑軌14與枕木組13之間使用道釘進行固定。
為避免因地質條件、鋼管90鋼度及夯管錘30棚長度等因素影響造成管棚下垂，導致夯入的鋼管90侵入限界，滑軌14要抬高3cm並設置一定的縱向坡度，一般為4‰。
3、設備調試
(1)根據操作規程將管棚施工裝置上的各設備連接就位並與空氣壓縮機20連接，開動空氣壓縮機20按由小到大檔位順序向夯管錘30輸送空氣，輸送過程中測試設備管路連接的氣密性及管錘運行情況，如出現異常情況下，立即關閉空氣壓縮機20，在排除故障後，再進行夯管錘30就位。
(2)管棚施工裝置安裝在滑軌14上後，夯管錘30沿滑軌14試夯2次，保證滑軌14平順，管錘行走順暢。試夯完成後用水準儀檢測滑軌14高程，使滑軌14保持在鋪設時狀態。
(3)將鋼管90吊裝到位，採用拉緊帶將預先焊在鋼管90末端的連接板與夯管錘30的錘身連接好，再利用設置在夯管錘30下部的可升降調整氣墊調整夯管錘30的水平位置，保證其與鋼管90處於同一軸線。
5、夯進施工
(1)為施工中出土及測量方便，便於糾偏，保證導向管93的精度，應選擇鋼度大且直徑不小於630mm、壁厚不小於6mm的無縫鋼管90為導向管93，夯進時通過風壓嚴格控制夯擊頻率，使鋼管90平穩進入土體，避免鋼管90振動劇烈影響導向管93的精度。每夯進3m後，進行人工或螺旋鑽機出土，對導向管93及夯管錘30用經緯儀和水準儀進行軸線偏差檢測，以確保軸線方向準確；如出現偏差則應對管口位置進行校正。導向管93夯進末端為50cm時，停止夯進，退回夯管錘30進行接管，管節間連接採用電弧焊接，焊接需嚴格保證焊縫質量。焊縫冷卻，經檢驗達到要求後，即可進行夯管錘30就位，進行下一節管夯進，直至按照工藝流程全部夯進。
(2)橫向和豎向控制精度。每3米間距布置沉降觀測點進行出土後觀測，每3m利用經緯儀測量水平偏差，收集數據後進行分析研判，橫向、豎向偏差不超過5mm，若出現偏差大於5mm時要立即進行糾偏工作。
(3)如果在導向管93的夯進過程中，出現豎向或橫向的偏差大於5mm時要立即進行糾偏工作。當出現管頭偏移時，應採用在導向管93的偏移側管頭與土體之間埋設楔型鋼板，楔型鋼板露出部分小於鋼板長度的五分之一，以調整管棚前端行進方向。設置完成後，隨夯進隨監控其偏差調整情況，以確保其偏差控制在允許範圍內。
(4)管棚施工，導向管93與管棚鋼管94鋼管90處於同一水平面，由於鋼管90間有咬合槽92連接，鋼管90夯進速度應控制在0.15～0.2m/min。鋼管90接管前應根據鋼管90長度對鋼管90進行編號和配管，保證同一截面(同一截面距離大於1m)接頭數量不大於50％。焊接前應覆核接管軸線是否滿足軸線要求，如鋼管90端頭破損，應進行切割處理，保證鋼管90接頭處平整嚴密，焊接需嚴格保證焊縫質量。
(5)施工順序：以導向管93左右分別對稱施工。為加快工程進度，可設置多個滑軌14，在一側鋼管90進行接管焊接時，進行另一側鋼管90的夯進。
6、清理出土
(1)導向管93可採用人工出土或螺旋鑽機出土。
(2)管棚鋼管94鋼管90，如需進行出土，可採用螺旋鑽出土，如一次性完成夯進，實現管棚整體貫通，則可採用高壓氣、高壓水等方法出土。
採用本應用實例的技術方案進行管棚施工的施工效率高，每天完成約170～180米，而管棚鑽機每天完成約40～50米，這樣從施工周期上就比管棚鑽機快了2倍。整個工期提前了一個多月，綜合效益是顯著的。在20天的管棚施工中，共計3580米，施工精度達到水平角偏差小於0.1°，豎直角偏差小於0.3°，滿足設計要求。
本發明的應用實例適用範圍：黏性土、粉土、砂土、碎石土、卵石土、礫石土、流沙等多種類型地質條件下的密排互鎖管棚施工。可廣泛應用於鐵路、公路、地鐵、河流、建築物等結構的穿越施工，特別是對於穿越重載或動載結構、對沉降要求較嚴格的管棚施工；還可通過採用不同管頭連接器，用於型鋼等多類型管棚帷幕的施工，其具體實現的有益效果包括：
1)施工過程中鋼管之間連接緊密，通過鋼管之間的互鎖使管棚形成一個整體，從而使上部土體與暗挖洞室隔斷，起到棚架作用。
2)可以實現多種管徑管棚的施工，其他設備很難做到。
3)特殊的土質如鵝卵石、流沙、地下水等對夯管施工基本沒有影響，施工過程中不會出現象螺旋式鑽機鑽進經常出現的擱淺問題。
4)除打管以外還可以反推拔管。
5)導向管的準確施工，確保了其餘管棚的施工精度。
以上實施例僅用於說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。