复合式气压平衡工具管 【技术领域】
本发明涉及一种建筑施工中的顶管，尤其是一种用于过海水管续建工程的工具管。
背景技术
汕头市第二条过海水管续建工程，位于汕头港海口海湾大桥上游，管段总长度2080m，采用顶管法施工，采用DN2000钢管，钢管壁厚22mm，管道中心标高为-23.25m(珠基)。
海湾主航道以南1200m顶管位于淤泥及淤泥质粘土层，该层土饱和、流塑，以淤泥为主，混少量粉砂及贝壳，淤泥及淤泥质土层为高压缩性，低强度欠固结，高灵敏性软土，承压力很低，地基土层稳定性差。
在距离工作井110m～140m处，顶管需穿越华能电厂灰池块石海堤。块石海堤主要成份为坚硬中风化花岗岩块、碎石，孔隙充填物为中粗砂和碎石，岩块块径一般为50cm，最大达1.80m。
在距离工作井647m～696m处(位于海湾)，顶管需穿越中风化花岗岩层，岩石：灰白-黄白色，不等粒结构，块状构造，以长石为主，次为石英，含少量暗色矿物，中等风化，节理发育，饱和单轴抗压20～35Mpa，f系数2.5～3.5。同时发现顶管沿线有体积较大的孤石。
海湾主航道以北800m顶管位于淤泥质粉砂层，该层土饱和、松散，以粉砂为主，含约10％淤泥及少量贝壳。在距离工作井1500m前后遇到含承压水的中粗砂层。
综上所述，本工程顶管施工主要存在三大难题：
1、顶管需穿越海堤松散块石层
2、顶管需穿越中风化花岗岩层
3、顶管遇中粗砂层
其中顶管穿越块石海堤及顶管穿越岩层，在国内还没有类似的施工工具管和经验可以参考。本工程顶管主要在较软淤泥层及淤泥质粉砂层中顶进，但碰到了松散块石障碍物，并遇到了坚硬的中风化花岗岩，还需穿越含承压水的中粗砂层，工程地质呈现突变，十分复杂。因而必须选择适应以上各种土层施工的工具管。
若选用土压平衡工具管或泥水平衡工具管，顶管无法穿越块石海堤及中风化岩层。若选用全断面滚刀切削工具管，该类型工具管不适合软土层、局部岩层段及遇孤石施工，且造价较高。若选用敞口式工具管，顶管穿越2000m海底及中粗砂层时，无法维持正面土体稳定，易出现塌方现象，特别是在含承压水的中粗砂层，无法保证作业人员的安全。
【发明内容】
本发明是要提供一种复合式气压平衡工具管，该工具管具有全气压、局部气压、纠偏、压浆、封堵、爆破岩层功能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种复合式气压平衡工具管，包括钢管，油缸，每两段钢管之间通过四组共八只油缸连接，整个工具管内部依次分隔为开挖舱、操作舱、减压舱、物料舱四部分，每个舱之间用钢板密封隔离，隔离钢板中央设一道水密闸门，开挖舱、操作舱、减压舱、物料舱与全气压施工生命呼吸空气保障系统相连接。
开挖舱前端安装刃脚和格栅；操作舱的胸板上安装有观察窗、照明灯及球水枪的辅助设备；格栅由横向四块筋板、纵向五块筋板分成二十个小格，中间为三排十二个矩形格组成，其中一排为四个350×350的方形格；另两排每排四个共八个350×400的矩形孔；工具管周边设置八根超前注浆管；工具管开挖仓内设置八块挡土板；工具管顶部密布布置十八根小导管孔；工具管上下左右布置三个泄压纠偏阀门及高压冲泥管。
本发明的有益效果是：
①该工具管适合软土层、砂土层、岩层等复杂地质条件土层施工；
②该工具管能处理正面处理直径400mm～500mm大的硬物；
③该工具管能对正面土层进行注浆改良土体；
④开挖面土体状况可通过观察窗直接观察其土质变化，便于施工参数的适应性调整，在顶面覆土变化较大的情况下易于平衡控制；
⑤开挖面与操作仓内相互隔离，出土也是通过密封管道输送，施工人员不受地下沼气等可燃气体地影响；
⑥该类形工具管具有价格低廉、结构简单实用、自重较轻、施工速度快。
【附图说明】
图1是本发明的结构剖视图。
【具体实施方式】
下面结合附图与实施例进一步说明本发明。
如图1所示，复合式气压平衡工具管，包括钢管，油缸，每两段钢管之间通过四组共八只800KN油缸连接，整个工具管内部依次分隔为开挖舱1、操作舱2、减压舱3、物料舱4四部分，每个舱之间用钢板密封隔离，隔离钢板中央设一道水密闸门5，开挖舱1、操作舱2、减压舱3、物料舱4与全气压施工生命呼吸空气保障系统相连接。
本发明的复合式气压平衡工具管：二段无铰，前后段之间，具有全气压、局部气压、纠偏、压浆、封堵、爆破岩层功能。
其主要技术性能如下：
最大正面阻力 1200KN 被接进钢管 DN2000
上下纠偏角 ±2° 左右纠偏角 ±2°
纠偏力矩 一组246t·m，二组346t·m
承受最大气压 0.3MPa 外形尺寸 Φ2044
本发明的复合式气压平衡工具管的工作原理是：正面的土体经网格分割挤压后进入泥水舱，由泥水舱内的高压水枪破碎冲成泥水，然后经出水管排至地面泥浆池后外排，顶进时可采用局部气压用来稳定正面的土体。
开挖舱1的土体经高压水冲成泥浆后，由水力机械及排污管道泵通过6寸管道接力输送到工作井外泥浆沉淀池内。
为满足顶管穿越块石海堤、中风化花岗岩及中粗砂层施工需求，特别设计了减压舱1、物料舱5、全气压施工生命呼吸空气保障系统、活动格栅6、超前注浆管及挡土板7、帽檐小导管、泄压纠偏阀门。
(1)设置4个工作舱
本发明的工具管共分开挖舱1、操作舱2、减压舱3、物料舱4四部分，每个舱之间有钢板密封隔离，隔离钢板中央设一道水密闸门5可供人员进入。
工具管前部为开挖舱1，其前端安装刃脚和格栅6，它们的作用是稳定正面土体、切土和挤土。
开挖舱1后面是操作舱2，由胸板将它们分开，胸板上安装观察窗、照明灯8及球水枪9的辅助设备，工人在操作舱内操纵水枪冲泥和排泥，并根据开挖面土体是否稳定的情况决定是否加局部气压，特殊情况下可通过胸板上的气闸门进入开挖舱处理。
操作舱2后面是减压舱3，正常情况下，工人在减压舱3内操纵机头姿态偏差纠正、出泥、顶力和压浆、关门封堵，可对顶进、停止、发出指令；在全气施工特殊情况下，起过渡减压作用。
为满足气压条件下爆破清渣要求，在工具管后部10m附设一个物料舱4，用于气压条件爆破清障，物料舱内有出泥控制阀，水利机械等。
(2)全气压施工生命呼吸空气保障系统
考虑到全气压施工需要，本发明配备全气压施工生命呼吸空气保障系统，该系统由固定式螺杆式空压机、三级过滤器、储气罐、集装箱以及辅助设施组成，空气压缩机产生0.75MPa压缩空气，通过管道进入初级过滤器，进行初步过滤，去除压缩空气中的部分油水混合物以及1微米的粉尘，使压缩空气中的含油量由3～5ppm降至0.5mg/m3@21℃。然后进入二、三级精过滤器进行过滤，去除油、油雾、微小颗料，使压缩空气降至最低无油标准；通过DN80钢管送至工具管各个舱内，确保全气压条件下作业人员呼吸及岩层钻孔施工供气要求。
(3)活动格栅
气压平衡工具管格栅6可以确保工具管泥水舱强度及起到稳定、分格破碎正面土体的作用。完全按照淤泥层顶管施工需要，本实用新型的工具管格栅6由横向四块筋板、纵向五块筋板分成二十个小格，中间为三排十二个矩形格，一排为四个350×350的方形格；另两排每排四个共八个350×400的矩形孔。
为满足过海堤机械破碎块石及过岩层爆破施工需求，在满足淤泥土顶管施工要求，不降低工具管开挖舱强度条件下，格栅6中间两排每排四个共八个350×400的矩形孔，为可拆卸格栅。
可拆卸格栅便于作业人员在工具管内进行钻孔、破岩、清渣施工；在确保安全的条件下，作业人员可从拆卸孔进入工具管格栅外进行作业。
(4)超前注浆管及挡土板
在工具管周边设置入根超前注浆管，正常情况下注浆管收缩在工具管内，注浆时注浆管采用液压装置控制伸出(可伸出2m左右)，注浆后再收缩到工具管内。工具管开挖仓内设置了8块挡土板，正常情况下挡土板打开，需要时挡土板由液压千斤顶自动控制开关。
施工过程中，若出现压缩空气“冒顶”现象或具管正面土体将会失稳坍塌，此时可关闭挡土板，并伸出超前注浆管对前部土进行注浆改良土体，维持气压稳定，然后继续顶进。
(5)帽檐小导管
在工具管顶部(120°)密布布置18根小导管孔，岩层破碎时清渣时，可以在孔内插入小导管，并在小导管前端设置斜撑，用作前部帽檐，可起支撑上部土体作用，确保作业人员临时出格栅外的作业安全。
(6)泄压纠偏阀门及高压冲泥管
顶管在穿越上下或左右地质不均的地层时，此时顶管四周容易遇到不均的压力作用，引起顶管出现较大的偏差，往往纠偏失效，为满足特殊情况下纠偏需要，在工具管上下左右布置了3个泄压纠偏阀门及高压冲泥管，必要时可以打开泄压纠偏阀门泄压，并可利用高压冲泥管对外侧土体进行处理，进行强制纠偏。