格栅式非开挖顶管掘进设备及非开挖顶冲法隧洞掘进工艺 【技术领域】
本发明涉及一种非露天挖掘隧洞的掘进设备及方法，特别是一种格栅式非开挖顶管掘进设备及非开挖顶冲法隧洞掘进工艺。
背景技术
随着我国铁路建设的飞速发展，下行横穿铁路线的非露天开挖的隧洞工程越来越多，对于这些分散的小型(直径0.8-3.0米涵洞)工程长期以来都是采用轨束梁、工字钢、军便梁加固线路后进行顶进施工，按正常情况每个工点施工至少需要分别五次封锁线路，施工期间列车须限速25-45公里/小时运行，尤其是线路上进行人工挖便梁支墩孔桩，直接破坏路基的稳定，影响铁路运输秩序和安全生产。
对于长度较大的隧洞工程也有采用旋转刀盘掘进机的施工方法，但施工期间更换刀盘复杂、困难，特别是顶推与刀盘旋转经常不同步会导致刀盘旋转时间超长，易形成空洞，导致冒顶塌方；如遇突来障碍或土体变化，刀盘不能旋转切割，甚至损坏刀盘；掘进过程中易产生偏差需经常进行纠偏，纠偏后管子会与土体产生缝隙，导致土体易下沉；刀盘直径比管体大，会产生缝隙，长时间顶推管子会导致土体沉降。
【发明内容】
本发明的目的是提供了一种非露天挖掘隧洞并可防止隧洞地表变形、施工安全可靠的格栅式非开挖顶管掘进设备及非开挖顶冲法隧洞掘进工艺；适用于非露天开挖掘进穿越铁路、公路、古建筑物、植被保护层或小河流的隧洞。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种格栅式非开挖顶管掘进设备，包括顶管油缸及其液压站、砼管、吊车、外顶铁、护套、顶管加力装置、导向砼管、格栅顶冲工作头或前冲式顶冲工作头以及安置在格栅顶冲工作头或前冲式顶冲工作头下面的导轨。
所述格栅顶冲工作头由焊接为一体的顶冲头外圈、顶冲头内圈和格栅组成，顶冲头外圈的外径与所述导向砼管外径相等，顶冲头内圈的内径与导向砼管内径相等；顶冲头外圈垂直于轴线的一个端面设有刀口，格栅与顶冲头外圈带刀口端的内侧及顶冲头内圈的端头焊接为一体；顶冲头外圈垂直于轴线的另一个端面设有企口接头，格栅顶冲工作头的底部设有能通过所述导轨的长方形通透窗口。
所述前冲式顶冲工作头由焊接为一体的前冲式顶冲头外圈、顶冲头内圈和格栅组成，前冲式顶冲头外圈与轴线夹角为α＝40°-70°的一个端面设有刀口，格栅与前冲式顶冲头外圈带刀口端的内侧及顶冲头内圈的端头焊接为一体；前冲式顶冲头外圈垂直于轴线的另一个端面设有企口接头。
所述砼管和导向砼管为中空圆柱形，砼管和导向砼管的端面设有企口接头或平口接头；在两根砼管的接头处设有护套。
所述顶管加力装置由油缸顶铁、安装在油缸顶铁外圈内侧周边的加力油缸和活塞杆顶铁组成；活塞杆顶铁的一端紧固装有套入油缸顶铁外圈的套管，套管的内圈与油缸顶铁的外圈滑动配合，加力油缸的活塞杆端头顶住活塞杆顶铁；活塞杆顶铁和油缸顶铁的外径与所述砼管外径相等，活塞杆顶铁和油缸顶铁的端面设有与砼管端面相配合的企口接头或平口接头。
所述外顶铁的外径与砼管外径相等，外顶铁端面的企口接头或平口接头与砼管端面相配合，外顶铁包括圆环形外顶铁或半圆形外顶铁；圆环形外顶铁或半圆形外顶铁的宽度相等并小于顶管油缸及加力油缸的行程。
所述格栅顶冲工作头的企口接头是由顶冲头外圈和顶冲头内圈组成的顶冲头内凹企口，顶冲头内凹企口与所述导向砼管的砼外凸企口配合套接；所述前冲式顶冲工作头的企口接头是由前冲式顶冲头外圈和顶冲头内圈组成的顶冲头内凹企口，顶冲头内凹企口与所述导向砼管的砼外凸企口配合套接。
所述活塞杆顶铁、油缸顶铁、圆环形外顶铁或砼管端面的企口接头包括一端的外凸企口和另一端的内凹企口，外凸企口与内凹企口配合套接。
所述活塞杆顶铁、油缸顶铁、圆环形外顶铁或砼管端面的平口接头包括一端带密封环的圆锥平口接头和另一端带钢圈的平口接头，钢圈的外径与砼管外径相等，钢圈的内径与带密封环的圆锥平口接头配合套接。
一种采用上述格栅式非开挖顶管掘进设备的非开挖顶冲法隧洞掘进工艺，其步骤如下：
[1]在待掘进的隧洞两端分别开挖工作井和接受井，工作井和接受井的长度为砼管长度的2-3倍，工作井和接受井的宽度为砼管宽度的1.5-2倍；
[2]在工作井的端部，对着砼管端面地周边，安装2-4个顶管油缸；在工作井的底部，铺设导轨；
[3]吊车将第一圆环形外顶铁和格栅顶冲工作头安放在顶管油缸与掘进工作面之间的导轨上，调节和校准格栅顶冲工作头的轴线在水平面及垂直面的坐标及方位；
[4]启动顶管油缸将第一圆环形外顶铁和格栅顶冲工作头向掘进工作面顶进一个油缸行程，大于一个圆环形外顶铁的宽度；随后，油缸活塞杆收缩回原位，吊车将另一个圆环形外顶铁安放在顶管油缸和第一圆环形外顶铁之间；清除和运出格栅顶冲工作头切割下的碎土，通过格栅顶冲工作头底部的窗口延续铺设导轨，同时调节和校准顶冲工作头轴线在水平面及垂直面的坐标及方位；
[5]重复步骤[4]，直至安放的全部圆环形外顶铁的累积宽度大于砼管的长度；吊出全部圆环形外顶铁，把导向砼管放入留下的第一圆环形外顶铁和格栅顶冲工作头之间，导向砼管的外凸企口与格栅顶冲工作头后端的内凹企口配合套接，格栅顶冲工作头的顶冲头外圈后端与导向砼管前端的预埋铁件焊接；
[6]启动顶管油缸将第一圆环形外顶铁、导向砼管和格栅顶冲工作头向掘进工作面顶进一个油缸行程，大于一个圆环形外顶铁的宽度；随后，油缸活塞杆收缩回原位，吊车将另一个圆环形外顶铁安放在顶管油缸和第一圆环形外顶铁之间；清除和运出格栅顶冲工作头切割下的碎土，通过格栅顶冲工作头底部的窗口延续铺设导轨，同时调节和校准顶冲工作头轴线在水平面及垂直面的坐标及方位；
[7]重复步骤[6]，直至安放的全部圆环形外顶铁的累积宽度大于顶管加力装置的长度；吊出全部圆环形外顶铁，将顶管加力装置放入留下的第一圆环形外顶铁和导向砼管之间；
[8]启动顶管油缸将第一圆环形外顶铁、顶管加力装置、导向砼管和格栅顶冲工作头向掘进工作面顶进，重复步骤[6]，直至全部圆环形外顶铁的累积宽度大于砼管的长度；吊出全部圆环形外顶铁，将第一组护套及砼管放入留下的第一圆环形外顶铁和顶管加力装置之间；
[9]启动顶管加力装置内的加力油缸，将导向砼管和格栅顶冲工作头向掘进工作面顶进加力油缸的一个行程，大于一个圆环形外顶铁的宽度；随后，加力油缸活塞杆收缩回原位；启动顶管油缸将第一圆环形外顶铁、第一组护套及砼管、顶管加力装置、导向砼管和格栅顶冲工作头向掘进工作面顶进，直至顶管加力装置收缩到最短；
[10]重复步骤[6]，直至安放的全部圆环形外顶铁的累积宽度大于砼管的长度；吊出全部圆环形外顶铁，将第二组护套及砼管放入留下的第一圆环形外顶铁与第一组护套及砼管之间；以上每顶进一个行程，都要清除和运出格栅顶冲工作头切割下的碎土，通过格栅顶冲工作头的窗口延续铺设导轨，同时调节和校准顶冲工作头轴线在水平面及垂直面的坐标及方位；
[11]重复步骤[9]和步骤[10]，直至将格栅顶冲工作头、导向砼管和顶管加力装置依次顶出隧洞，切割和分开顶冲头外圈后端与导向砼管前端的预埋铁件的焊接点，把格栅顶冲工作头、导向砼管和顶管加力装置依次吊出接受井；
[12]对护套与相邻的砼管连接处进行密封防渗处理；
[13]按施工规章进行验收。
本发明的有益效果是：
1.本发明适用于非露天开挖掘进穿越铁路、公路、古建筑物、植被保护层或小河流的隧洞，隧洞的直径为0.8-4.0米；掘进穿越铁路的隧洞时，不需要采用轨束梁、工字钢、军便梁加固铁路线路后进行顶进施工，避免因进行人工挖便梁支墩孔桩，直接破坏路基的稳定，影响铁路运输秩序和安全生产。
2.能够有效地控制作业面土层溜坍，消除了管道周围与土体之间的空隙，保持原状土体的基本状况，从而最大限度减少地表变形对周边建筑物的不利影响，最大程度降低安全风险，达到安全、高效、文明、环保施工目的。
3.由于在管底铺设了导轨，因此在顶进时不会产生偏差；顶冲工作头设有格栅板，避免了迎面土体的塌方；格栅板灵活多变如遇突来障碍可人工排除，不影响连续施工。
4.紧随导向砼管和格栅顶冲工作头，设有顶管加力装置，解决了位于隧洞外端工作井的顶管油缸推进阻力过大的难题。
【附图说明】
图1是非露天开挖掘进铁路涵洞的施工剖面示意图。
图2是格栅式非开挖顶管掘进设备施工示意图。
图3是格栅顶冲工作头的结构示意图。
图4是图3的右视图。
图5是前冲式顶冲工作头的结构示意图。
图6是顶管加力装置的结构示意图(A-A剖视)。
图7是图6的B-B剖视图(旋转90°)。
图8是圆环形外顶铁的结构示意图。
图9是半圆形外顶铁的示意图。
图10是圆环形外顶铁的平口接头示意图。
图11是砼管的企口接头示意图。
图12是砼管的平口接头示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1如图1-10所示：一种格栅式非开挖顶管掘进设备，包括顶管油缸1及其液压站、砼管3和吊车，还包括圆环形外顶铁2、护套5、顶管加力装置6、导向砼管7、格栅顶冲工作头8以及安置在格栅顶冲工作头8下面的导轨4。
格栅顶冲工作头8由焊接为一体的顶冲头外圈12、顶冲头内圈13和格栅14组成，顶冲头外圈12的外径与所述砼管3外径相等，顶冲头内圈13的内径与砼管3内径相等；顶冲头外圈12垂直于轴线的一个端面设有刀口15，格栅14与顶冲头外圈12带刀口端的内侧及顶冲头内圈13的端头焊接为一体；顶冲头外圈12垂直于轴线的另一个端面设有企口接头，格栅顶冲工作头8的底部设有能通过所述导轨4的长方形通透窗口16。
砼管3为中空圆柱形，砼管3的端面设有企口接头或平口接头；在两根砼管3的接头处设有护套5。
顶管加力装置6由油缸顶铁24、安装在油缸顶铁24外圈内侧周边的加力油缸23和活塞杆顶铁21组成；所述活塞杆顶铁21的一端紧固装有套入油缸顶铁24外圈的套管22，套管22的内圈与油缸顶铁24的外圈滑动配合，加力油缸23的活塞杆端头顶住活塞杆顶铁21；活塞杆顶铁21和油缸顶铁24的外径与所述砼管3外径相等，活塞杆顶铁21和油缸顶铁24的端面设有与砼管3端面相配合的企口接头。
外顶铁的外径与砼管3外径相等，外顶铁端面的企口接头与砼管3端面的企口接头相配合，外顶铁包括圆环形外顶铁2或半圆形外顶铁27；圆环形外顶铁2或半圆形外顶铁27的宽度相等并小于顶管油缸1及加力油缸23的行程。
格栅顶冲工作头8的企口接头是由顶冲头外圈12和顶冲头内圈13组成的顶冲头内凹企口17，顶冲头内凹企口17与所述导向砼管7的砼外凸企口18配合套接。
活塞杆顶铁21、油缸顶铁24、圆环形外顶铁2或砼管3端面的企口接头包括一端的外凸企口25和另一端的内凹企口26，外凸企口25与内凹企口26配合套接。
实施例2如图11-12所示：活塞杆顶铁21、油缸顶铁24、圆环形外顶铁2或砼管3端面的平口接头包括一端带密封环29的圆锥平口接头和另一端带钢圈28的平口接头，钢圈28的外径与砼管3外径相等，钢圈28的内径与带密封环29的圆锥平口接头配合套接。
实施例3如图5所示：前冲式顶冲工作头20由焊接为一体的前冲式顶冲头外圈19、顶冲头内圈13和格栅14组成，也可以不装配格栅14。前冲式顶冲头外圈19与轴线夹角为α＝60°的一个端面设有刀口15，格栅14与前冲式顶冲头外圈19带刀口端的内侧及顶冲头内圈13的端头焊接为一体；前冲式顶冲头外圈19和顶冲头内圈13垂直于轴线的另一端头组成内凹企口17，内凹企口17与所述导向砼管7的砼外凸企口18配合套接。前冲式顶冲工作头20不设置实施例1所述通透的长方形窗口16，可在前冲帽檐的保护下铺设导轨4。
实施例4如图1-12所示：一种采用所述格栅式非开挖顶管掘进设备的非开挖顶冲法隧洞掘进工艺，其步骤如下：
[1]在待掘进的隧洞两端分别开挖工作井9和接受井10，工作井9和接受井10的长度为砼管3长度的2.5倍，工作井9和接受井10的宽度为砼管3宽度的1.8倍。
[2]在工作井9的端部，对着砼管3端面的周边，安装2-4个顶管油缸1；在工作井9的底部，铺设导轨4。
[3]吊车将第一圆环形外顶铁2-1和格栅顶冲工作头8安放在顶管油缸1与掘进工作面之间的导轨4上，调节和校准格栅顶冲工作头8的轴线在水平面及垂直面的坐标及方位。
[4]启动顶管油缸1将第一圆环形外顶铁2-1和格栅顶冲工作头8向掘进工作面顶进一个油缸行程，大于一个圆环形外顶铁2的宽度；随后，油缸活塞杆收缩回原位，吊车将另一个圆环形外顶铁2安放在顶管油缸1和第一圆环形外顶铁2-1之间；清除和运出格栅顶冲工作头8切割下的碎土，通过格栅顶冲工作头底部的窗口16延续铺设导轨4，同时调节和校准顶冲工作头8轴线在水平面及垂直面的坐标及方位。
[5]重复步骤[4]，直至安放的全部圆环形外顶铁2的累积宽度大于砼管3的长度；吊出全部圆环形外顶铁2，把导向砼管7放入留下的第一圆环形外顶铁2-1和格栅顶冲工作头8之间，导向砼管7的外凸企口18与格栅顶冲工作头8后端的内凹企口17配合套接，格栅顶冲工作头8的顶冲头外圈12后端与导向砼管7前端的预埋铁件11焊接。
[6]启动顶管油缸1将第一圆环形外顶铁2-1、导向砼管7和格栅顶冲工作头8向掘进工作面顶进一个油缸行程，大于一个圆环形外顶铁2的宽度；随后，油缸活塞杆收缩回原位，吊车将另一个圆环形外顶铁2安放在顶管油缸1和第一圆环形外顶铁2-1之间；清除和运出格栅顶冲工作头8切割下的碎土，通过格栅顶冲工作头底部的窗口16延续铺设导轨4，同时调节和校准顶冲工作头8轴线在水平面及垂直面的坐标及方位。
[7]重复步骤[6]，直至安放的全部圆环形外顶铁2的累积宽度大于顶管加力装置6的长度；吊出全部圆环形外顶铁2，将顶管加力装置6放入留下的第一圆环形外顶铁2-1和导向砼管7之间。
[8]启动顶管油缸1将第一圆环形外顶铁2-1、顶管加力装置6、导向砼管7和格栅顶冲工作头8向掘进工作面顶进，重复步骤[6]，直至全部圆环形外顶铁2的累积宽度大于砼管3的长度；吊出全部圆环形外顶铁2，将第一组护套5及砼管3放入留下的第一圆环形外顶铁2-1和顶管加力装置6之间。
[9]启动顶管加力装置6内的加力油缸23，将导向砼管7和格栅顶冲工作头8向掘进工作面顶进加力油缸23的一个行程，大于一个圆环形外顶铁2的宽度；随后，加力油缸活塞杆收缩回原位；启动顶管油缸1将第一圆环形外顶铁2-1、第一组护套5及砼管3、顶管加力装置6、导向砼管7和格栅顶冲工作头8向掘进工作面顶进，直至顶管加力装置6收缩到最短。
[10]重复步骤[6]，直至安放的全部圆环形外顶铁2的累积宽度大于砼管3的长度；吊出全部圆环形外顶铁2，将第二组护套5及砼管3放入留下的第一圆环形外顶铁2-1与第一组护套5及砼管3之间；以上每顶进一个行程，都要清除和运出格栅顶冲工作头8切割下的碎土，通过格栅顶冲工作头的窗口16延续铺设导轨4，同时调节和校准顶冲工作头8轴线在水平面及垂直面的坐标及方位。
[11]重复步骤[9]和步骤[10]，直至将格栅顶冲工作头8、导向砼管7和顶管加力装置6依次顶出隧洞，切割和分开顶冲头外圈12后端与导向砼管7前端的预埋铁件11的焊接点，把格栅顶冲工作头8、导向砼管7和顶管加力装置6依次吊出接受井10。
[12]对护套5与相邻的砼管3连接处进行密封防渗处理。
[13]按施工规章进行验收。