更新既有混凝土管道用的氣壓掘進機及其更新方法
2023-11-07 19:11:17 2
專利名稱：更新既有混凝土管道用的氣壓掘進機及其更新方法
技術領域：
本發明涉及一種更新既有混凝土管道用的氣壓掘進機，以及使用這種氣壓掘進機更新既有混凝土管道的方法，具體涉及一種用於一邊破碎埋設在地下的雨水排水管或下水道等既有混凝土管道，一邊同時鋪設新管道用的氣壓掘進機及其方法。
背景技術：
現有的更新既有混凝土管道用的掘進機跟全斷面掘進機一樣，在整個挖掘斷面上裝有旋轉挖掘齒，採用非開挖的方法破碎既有的混凝土管道，並在其後鋪設新管道。現有的地下管道的更新方法是，保留埋設在地下的舊管道，圍繞該舊管道原挖掘形成的環狀空間，在該空間裡埋設新的管道。但是，雖然上述的全斷面挖掘機能夠切斷軟鋼(SS400)的鋼筋，但不能切斷強PC鋼材或既有混凝土管道的接口鋼材，它們會纏繞刀具，要取下它們就要中斷作業。另外，破碎過去用開挖法鋪設的舊既有混凝土管道時，由於舊既有混凝土管道的下面埋設了作為基礎的枕木等，因此用全斷面挖掘機的銑刀破碎的話，基礎部分會晃動並產生泥土，既有混凝土管道會下沉並導致其難以用銑刀破碎。而且，從既有混凝土管道周圍滲入的地下水會使全斷面挖掘機的挖掘困難。此外舊管道有分岔或工作口時就不能挖掘。在N值低的地質條件下，舊管道經過長年的下沉或上升，因此會以舊管道為導向至錯方向，用上述的地下管道的更新方法來鋪設新管道時，也會發生作業困難的問題。
發明內容
本發明的目的是解決上述問題，提供這樣一種更新既有混凝土管道用的氣壓掘進機，以及使用這種氣壓掘進機更新既有混凝土管道的方法能夠在任何施工條件下施工，作業機械或作業員還能進出管道拆除用銑刀頭難破碎的強PC鋼材、接口鋼材，並能防止地下水滲入。
本發明採用的技術方案是更新既有混凝土管道用的氣壓掘進機，在挖掘前端設有機頭和刀盤，其特徵在於，所述的機頭和刀盤為中央開口的輪狀機頭和輪狀刀盤，其內徑大於既有混凝土管道的外徑，刀盤上還設有可開口的防水壁；在該氣壓掘進機內設置有氣壓機房，所述氣壓機房與空氣壓縮機連接，並且該氣壓機房的前、後部分別裝有氣鎖裝置(氣鎖閘門)。
本發明中所述的「輪狀機頭和輪狀刀盤」，為中空的環，也可稱為輪狀刀座頭和輪狀刀座，刀盤上安裝有滾刀；其中間的開口，可供輔助作業機械或作業員進入；掘進機主體內部的氣壓機房的前、後部分別設有氣鎖閘門，可保持掘進機主體內部及既有混凝土管道內的高氣壓狀態。作業人員、材料等通過氣鎖閘門時，前、後兩個氣鎖閘門依次開閉，可以保持管內的高壓狀態，從而形成一個防止地下水侵入的、乾燥的作業空間。
所述的「氣壓機房」設置在掘進機主體內，為筒形結構，也可稱為「氣壓管」。
上述氣壓掘進機的技術方案進一步改進，有以下優化方案1、所述氣壓掘進機主體的後方與氣壓機房及半盾構機通過銷栓(或稱為拖鉤)固定連接為一體，同時，半盾構千斤頂與後方的若干根新鋪管道也固定連接(可以通過銷栓或螺栓或通過拉杆等錨定裝置固定連接)。
所述的「通過銷栓固定連接」與現有技術中的用半盾構機及半盾構千斤頂頂推掘進機不同千斤頂除了頂推作用以外，該千斤頂縮回時，通過後方連接的幾根新鋪管道的重量可以把掘進機主體和氣壓機房等拉向後退。所以本發明的掘進機主體能夠向後拉開撤離挖掘面，給作業人員開出清除纏繞在機頭上的鋼筋等雜物的工作空間。
2、所述氣壓掘進機中，設有排水管，該排水管在既有混凝土管道內延伸並貫穿所述掘進機主體、氣壓機房以及半盾構機。
3、所述氣壓掘進機主體、氣壓機房以及半盾構機全部為封閉防水型。
4、所述氣壓掘進機前端設有向前突出的防泥砂圓筒，該防泥砂圓筒的前端具有超硬合金製成的掘隙刀具。在充氣狀態下，從輪狀機頭的安裝位置開始，所述掘進機主體前端的防泥砂圓筒的長度以能夠防止崩塌的土砂進入掘進機主體內為準。
5、所述的掘進機的防泥砂圓筒後部設有伸縮裝置，相對於上述輪狀刀盤，可沿推進方向伸縮長度。
使用上述的更新既有混凝土管道氣壓掘進機更新既有混凝土管道的方法，步驟是將本發明的氣壓掘進機設置在既有混凝土管道的同一軸線上；將氣壓機房前、後分別與掘進機主體及半盾構機密閉的連接為一體，並封閉氣鎖裝置；開動空氣壓縮機，使掘進機主體及既有混凝土管道內保持充氣的正壓狀態，從而形成一個防止地下水侵入的、乾燥的作業空間；通過輪狀機頭的旋轉來破碎既有混凝土管道，同時，在破碎既有混凝土管道後的空間內鋪設新管道；需要時，作業人員、材料、作業機器及破碎物通過所述輪狀機頭的中央開口，進出既有的混凝土管道；遇到既有混凝土管道的接口時，由上述作業空間內的作業機器及作業人員對使用輪狀機頭難以破碎的、既有混凝土管道內的強PC鋼材、接口鋼材等進行切斷、拆除。
優化方案中還可以分別增加有以下步驟1、需要時，將氣壓掘進機後方的半盾構千斤頂縮回，利用後方連接的幾根新鋪管道的重量把掘進機主體和氣壓機房等向後拉開撤離挖掘面，給作業人員開出清除纏繞在機頭上的鋼筋等雜物工作的空間。
2、需要時，可調整掘進機的防泥砂圓筒後部的伸縮裝置，控制防泥砂圓筒沿推進方向伸展長度。
本發明的有益效果在於，由於所述氣壓掘進機主體的內徑大於既有混凝土管道外徑，並安裝了中央有開口的輪狀機頭與防水壁，而且連接了使掘進機主體內部及既有混凝土管道內保持充氣狀態的氣壓機房，因此，可形成充氣狀態的、防止地下水侵入的、乾燥的作業空間；作業人員、材料、作業機器及破碎物通過所述輪狀機頭的中央開口，進出既有的混凝土管道，上述作業空間內的作業機器及作業人員對使用輪狀機頭難以破碎的既有混凝土管道的強PC鋼材、接口鋼材等進行切斷、拆除。
所述掘進機主體與氣壓機房之間，或氣壓機房的後部與半盾構機相連接而成為一體，進而通過錨定裝置將半盾構千斤頂與後方幾根新鋪的管道連接，從而形成掘進機主體能夠擠壓、撤離挖掘面的結構，因此，在使用掘進機主體的輪狀機頭破碎既有混凝土管道的過程中，當強PC鋼材等發生纏繞時，可以將掘進機撤離挖掘面，由作業人員進行拆除作業，同時，因為能夠相對於外徑而增加所述氣壓掘進機的整體長度，所以即使在土層軟薄的情況下，也可保證掘進方向的精確度。
在既有混凝土管道內延伸的排水管貫穿所述掘進機主體、氣壓機房以及半盾構機而安裝，因此，不必將排水管安裝在地表部分，從而不會影響地面行人和車輛的通行。
氣壓機房的前後部安裝了氣鎖閘門，因此，通過所提供的壓縮空氣，將掘進機主體及既有混凝土管道內保持為充氣狀態，從而能夠進行作業機器、材料、破碎物的搬運，並能使作業人員進出。
掘進機主體、氣壓機房以及半盾構機分別都為密閉的防水型，由此，即使在地下水噴湧量較大的地層，也能夠保持作業空間的乾燥，同時，可以在大雨時暫停作業，打開氣壓機房前後部的氣鎖閘門，將掘進機主體、氣壓機房以及半盾構機作為一根大排水管，排出流入的大量雨水。
在充氣狀態下，從機頭的安裝位置開始，所述掘進機主體的前端裝有向前突出，長度以能夠防止崩塌的土砂進入掘進機主體內為準的圓筒，且所述的圓筒前端具有超硬合金製成的掘隙刀具，因此，能夠防止崩塌的土砂進入掘進機主體內。此外，通過半盾構千斤頂的推進，所述掘進機主體可以順利向土層推進作業，即使中途存在分支管道，也可以使用超硬合金製成的掘隙刀具將其切斷。
使用所述的更新既有混凝土管道用的氣壓掘進機，在既有混凝土管道內安裝封閉壓縮空氣的氣鎖裝置，使掘進機主體及既有混凝土管道內保持充氣狀態，從而形成一個充氣狀態的、防止地下水侵入的、乾燥的作業空間；通過輪狀機頭的旋轉來破碎既有混凝土管道，作業人員、材料、作業機器及破碎物通過所述輪狀機頭的中央開口，進出既有的混凝土管道，然後，由在上述作業空間內的作業機器及作業人員對使用輪狀機頭難以破碎的、既有混凝土管道的強PC鋼材、接口鋼材等進行切斷、拆除，並在破碎既有混凝土管道後的空間內鋪設新管。與上述氣壓掘進機一樣，本發明中的更新方法也能夠讓作業機器及作業人員進入既有混凝土管道內進行作業，拆除難以破碎的既有混凝土管道內的強PC鋼材、接口鋼材，並可使作業空間形成充氣狀態的、防止地下水侵入的、乾燥的作業空間，此外，所述更新方法還能夠適應施工條件的變化，成為使用廣泛、效率高的既有混凝土管道的更新方法。
圖1是本發明實施例的結構示意圖；圖2是圖1的A-A線剖面圖；圖3是圖1的B-B線剖面圖；圖4是圖1的局部放大圖。
具體實施例方式
實施例1，參見圖1，更新既有混凝土管道用的氣壓掘進機1具有掘進機主體3，所述掘進機主體3的內徑大於埋設在地下的既有混凝土管道2的外徑，掘進機主體3的外徑大致等同於新鋪管道的外徑。新鋪管道的內徑要能夠覆蓋既有混凝土管道2的最大中心誤差。掘進機主體3的前面是輪狀機頭4，並由驅動源使其旋轉。所述輪狀機頭4僅在破碎既有混凝土管道2時必須的環狀位置上安裝了刀具。輪環狀機頭4具有刀盤6，所述刀盤6的中央形成一個能夠進出作業人員、材料、作業機器及破碎物的開口5，並且刀盤6上每間隔特定距離便安裝一個可自由旋轉的滾刀7。通過輪狀機頭4的旋轉，滾刀7可以破碎既有混凝土管道2的端部。
從掘進機主體3的輪狀機頭4的安裝位置到前方的特定距離，延伸有圓筒支撐件8。圓筒支撐件8的突出長度是，以在充氣狀態下，土層崩塌的土砂不會進入掘進機主體3內為準。圓筒支撐件8的前端具有超硬合金製成的掘隙刀具9，因此通過推進千斤頂，掘進機主體3可以順利向土層推進，即使中途存在分支管道，也可以使用超硬合金製成的掘隙刀具9將其切斷。
掘進機主體3的輪狀機頭4的後部安裝了中央具有開口的防水壁10。防水壁10上安裝了驅動裝置11，所述驅動裝置11具有驅動輪狀機頭4旋轉的減速裝置。同時，輪狀機頭4與防水壁10之間安裝了儲料器12，所述儲料器12承接由輪狀機頭4進行了破碎處理後的既有混凝土管道2，以及一部分挖掘土層所掉落的土砂。儲料器12的下部安裝了循環傳送帶等破碎物搬運裝置13。
掘進機主體3的後部，通過密封材料連接了氣壓機房14，構成一個具備水密性的整體。氣壓機房14前部安裝了前阻隔壁16，後部安裝了後阻隔壁18，所述前後阻隔壁16、18可分別使前後閘門15、17可開關自如。通過氣壓機房14前後的氣鎖閘門15、17分隔出一個空間，用作作業人員、作業機器、材料、破碎物進出起始坑22時的物資進出閘及人員進出閘。通過交互開關氣壓機房14前後的氣鎖閘門15、17，在實現作業機器、材料、破碎物的搬運，以及作業人員的進出時，可以保持掘進機主體3及既有混凝土管道2內的充氣狀態。
如圖4所示，氣壓機房14的後部，通過密封材料連接了半盾構機19，構成一個具備水密性的整體。所述半盾構機19中安裝了多個半盾構千斤頂20。所述半盾構千斤頂20的前端與氣壓機房14後部通過拖鉤50來連接固定，後端與後續的新鋪管道21前部通過連接螺釘51等固定。半盾構千斤頂20與後續的幾根新鋪管道21通過拉杆等錨定裝置52而連接。半盾構千斤頂20承受新鋪管道21端部的反作用力，所述新鋪管道21連接在半盾構機19後部，此連接具備水密性。同時，半盾構千斤頂20通過壓力來推進氣壓機房14與掘進機主體3。調節多個半盾構千斤頂20的伸長長度，可以控制掘進機主體3的推進方向、以及輪狀機頭4對既有混凝土管道2端面的壓力。在輪狀機頭4破碎既有混凝土管道2端面的過程中，當輪環狀機頭4無法切斷、破碎的強PC鋼材發生纏繞時，通過被後續的新鋪管道21錨定住的半盾構千斤頂20，能夠將掘進機主體3撤離既有混凝土管道2的端面，然後由作業人員來清除纏繞在輪狀機頭4上的強PC鋼材等。半盾構機19可以連接在掘進機主體3的後部，也可以在半盾構機19的後部連接氣壓機房14。
從埋設了既有混凝土管道2的地表開始，以特定間隔挖掘起始坑22與接收坑23。起始坑22與接收坑23的間距將根據地表狀態、用以推進鋪設新鋪管道21的壓力等條件而確定。
起始坑22上的地表部分安裝了移動式起重機27，所述移動式起重機27能夠自如地移動新鋪管道用吊車24及吊桶用吊車26，所述新鋪管道用吊車24用於吊下新鋪管道21；所述吊桶用吊車26用於吊上吊下搬運破碎物用的吊桶25。移動式起重機27下部安裝了用於將吊桶25搬運的破碎物堆放到自動傾卸卡車車廂內的傾倒板28與儲料器29。
同時，起始坑22上的地表部分安裝了壓縮機等充氣鼓風單元30，所述充氣鼓風單元30用於提供壓縮空氣，將掘進機主體3與既有混凝土管道2內保持為充氣狀態。來自充氣鼓風單元30的壓縮空氣通過地表送氣管31、坑底歧管32、軟管33、坑內送氣管34被送至掘進機主體3及既有混凝土管道2內，使掘進機主體3及既有混凝土管道2內成為充氣狀態。坑內送氣管34是將氣壓機房14的前後阻隔壁16、18密閉貫通而安裝形成的。
起始坑22中安裝了承壓壁35，此承壓壁35承受主頂油缸(圖中未標示)的反作用力，所述主頂油缸用於推進新鋪管道21，及更新既有混凝土管道用的氣壓掘進機1。起始坑22與接收坑23間的既有混凝土管道2被更新為新鋪管道21後，將接收坑23作為新的起始坑，將下一區間的既有混凝土管道2更新為新鋪管道21。
新鋪管道21、半盾構機19、氣壓機房14、掘進機主體3的底部鋪設了運行吊桶25的軌道36，同時還鋪設了小口徑排水管37。所述小口徑排水管37是將氣壓機房14的前後阻隔壁16、18密閉貫通而安裝形成的。在既有混凝土管道2內，小口徑排水管37將滯留在流入的地下水排向起始坑22的一側。
既有混凝土管道2內安裝了主氣鎖閘門38。所述主氣鎖閘門38中，具有密封環的阻隔壁上形成第一氣鎖閘門39，所述密封環密閉抵接於既有混凝土管道2內壁；在阻隔壁後部的密閉框體的後部形成第二氣鎖閘門40。也可以將通過第一氣鎖閘門39及第二氣鎖閘門40分隔成的密閉框體內部作為人員進出閘41，所述人員進出閘41用於讓作業人員從接收坑23進出既有混凝土管道2。主氣鎖閘門38中安裝了用以對作業空間內部進行換氣的空氣洩放閥42、和對作業空間內的壓力進行調節的壓力調節閥43。主氣鎖閘門38可以固定在既有混凝土管道2內的特定位置，也可以通過安裝在接收坑23中的絞盤等牽引裝置(圖中未標示)，對應於既有混凝土管道2的更新而移動到接收坑23的一側。
既有混凝土管道2通過氣壓機房14的物資進出閘，及主氣鎖閘門38的人員進出閘41保持為充氣狀態，其內部安裝了從起始坑22一側搬運來的移動自如的作業車44。作業車44中安裝了軋碎機等粉碎工具45。在作業空間內，輪狀機頭4難以破碎的既有混凝土管道2的接口鋼材46及強PC鋼材，將通過作業車44的粉碎工具45，以及作業人員的作業而被切斷、拆除。
在接收坑23中，因為會有下一更新區間的既有混凝土管道2的水流入，所以安裝了水泵47。如果水泵47抽取的水經過接收坑23，由安裝在地表的排水管傳送到起始坑22一側，則會影響地面的行人、車輛通行。因此，由水泵47抽取的水將通過大口徑排水管48傳送到起始坑22一側，並排入已更新過的新鋪管道內，所述大口徑排水管48密閉貫穿了主氣鎖閘門38與氣壓機房14的前後阻隔壁16、18。此時，掘進機主體3的輪狀機頭4在繼續對既有混凝土管道2進行破碎和推進，因此，將伸縮管49與一部分大口徑排水管48連接，頂進1根大口徑排水管48的長度後，即撤去1根大口徑排水管48，並延伸伸縮管49進行連接，如此反覆。
當既有混凝土管道2為雨水排水管道時，如果降大雨排水量將會增加，水泵47與大口徑排水管48的排水作業將無法快速完成。此時，可以暫停作業，打開氣壓機房14前後的氣鎖閘門15、17，以及主氣鎖閘門38的第1、第2氣鎖閘門39、40，將既有混凝土管道2、掘進機主體3、氣壓機房14、半盾構機19、新鋪管道21作為一根連通的大排水管，將雨水排向起始坑22一側，並排入已更新過的新鋪管道21內。因為將作為一條大排水管使用，所以掘進機主體3、氣壓機房14以及半盾構機19都需要為密閉防水型，進而，坑內使用的機器也全部分別為防水型。
如上所述，使用本發明所述的更新既有混凝土管道用的氣壓掘進機及其更新方法後，即使在各種困難的施工條件下，也能夠更新既有混凝土管道。
權利要求
1.一種更新既有混凝土管道用的氣壓掘進機，在挖掘前端設有機頭和刀盤，其特徵在於，所述的機頭和刀盤為中央開口的輪狀機頭和輪狀刀盤，刀盤上還設有可開口的防水壁，其內徑大於既有混凝土管道的外徑；在該氣壓掘進機內設置有氣壓機房，所述氣壓機房與空氣壓縮機連接，並且該氣壓機房的前、後部分別裝有氣鎖裝置。
2.按照權利要求1所述的更新既有混凝土管道用的氣壓掘進機，其特徵在於，所述氣壓掘進機主體的後方與氣壓機房及半盾構機通過銷栓固定連接為一體，同時，半盾構千斤頂與後方的若干根新鋪管道也固定連接。
3.按照權利要求1所述的更新既有混凝土管道用的氣壓掘進機，其特徵在於，所述氣壓掘進機中，設有排水管，該排水管在既有混凝土管道內延伸並貫穿所述掘進機主體、氣壓機房以及半盾構機。
4.按照權利要求1、2或3所述的更新既有混凝土管道用的氣壓掘進機，其特徵在於，所述掘進機主體、氣壓機房及半盾構機都為密閉的防水型。
5.按照權利要求4所述的更新既有混凝土管道用的氣壓掘進機，其特徵在於，所述氣壓掘進機主體的前端設有向前突出的防泥砂圓筒，該防泥砂圓筒的前端具有超硬合金製成的掘隙刀具。
6.按照權利要求1、2、3或5所述的更新既有混凝土管道用的氣壓掘進機，其特徵在於，所述的掘進機的防泥砂圓筒後部設有伸縮裝置，相對於上述輪狀刀盤，可沿推進方向調整伸展長度。
7.一種使用權利要求1所述的更新既有混凝土管道氣壓掘進機更新既有混凝土管道的方法，步驟是將本發明的氣壓掘進機設置在既有混凝土管道的同一軸線上；將氣壓機房前、後分別與掘進機主體及半盾構機密閉的連接為一體，並封閉氣鎖裝置；開動空氣壓縮機，使掘進機主體及既有混凝土管道內保持充氣的正壓狀態，從而形成一個防止地下水侵入的、乾燥的作業空間；通過輪狀機頭的旋轉來破碎既有混凝土管道，同時，在破碎既有混凝土管道後的空間內鋪設新管道；需要時，作業人員、材料、作業機器及破碎物通過所述輪狀機頭的中央開口，進出既有的混凝土管道；遇到既有混凝土管道的接口時，由上述作業空間內的作業機器及作業人員使用輪狀機頭對難以破碎的、既有混凝土管道的強PC鋼材、接口鋼材等進行切斷、拆除。
8.按照權利要求7所述的更新既有混凝土管道的方法，其特徵在於，增加有以下步驟需要時，將氣壓掘進機後方的半盾構千斤頂縮回，利用後方連接的幾根新鋪管道的重量把掘進機主體和氣壓機房等向後拉開撤離挖掘面，給作業人員開出清除纏繞在機頭上的鋼筋等雜物的工作空間。
9.按照權利要求7或8所述的更新既有混凝土管道的方法，其特徵在於，增加有以下步驟需要時，可調整掘進機的防泥砂圓筒後部的伸縮裝置，控制防泥砂圓筒沿推進方向伸展長度。
全文摘要
更新既有混凝土管道用的氣壓掘進機，在挖掘端設有機頭和刀盤，特徵是機頭和刀盤為中央開口的輪狀機頭和輪狀刀盤，其內徑大於既有混凝土管道的外徑；掘進機內設置有氣壓機房，氣壓機房與空氣壓縮機連接，並且該氣壓機房的前、後部分別裝有氣鎖裝置。優化方案有掘進機主體的後方與氣壓機房及半盾構機通過銷栓固定連接；同時，半盾構千斤頂與後方的幾根新鋪管道也通過銷栓固定連接；掘進機中設有排水管，該排水管在既有混凝土管道內延伸並貫穿掘進機主體、氣壓機房以及半盾構機。本申請還提供了使用該氣壓掘進機更新既有混凝土管道的方法。本發明可讓作業機械或作業員進出，並保持掘進機內乾燥的作業空間，可以有效而方便地更新既有混凝土管道。
文檔編號E21D9/11GK1865659SQ200610085430
公開日2006年11月22日 申請日期2006年6月15日 優先權日2006年6月15日
發明者柏素秦 申請人:柏素秦