一种管棚施工装置及方法技术领域
本发明涉及管棚施工技术领域，具体涉及一种管棚施工装置及方法。
背景技术
管棚主要用于对于围岩变形及地表下沉有较严格限制要求的软弱破碎围岩隧道
工程中，如软弱、沙砾地层和软岩、岩堆、破碎带地段；而管棚施工是地下结构工程浅埋暗挖
时的超前支护结构，其实质是在拟开挖的地下隧道或结构工程的隐埋线上，预先钻孔并安
设惯性力矩较大的厚壁钢管，起超前支护作用，防止土层坍塌和地表下沉，以保证掘进与后
续支护工艺安全运作。
目前的管棚施工主要采用螺旋钻机或泥水平衡钻机施工，以上两种施工方法不仅
施工周期长、工序多，而且易塌孔引起地表沉降且因针对重载铁路沉降控制要求高，因此施
工难度大。
因此，如何设计一种可靠且高效的管棚施工方式，是亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种管棚施工装置及方法，该装置及方法可
靠性高且应用广泛，能够可靠且高效的建设管棚，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，解决了平顶密排互锁管棚施工及因钻孔引起的坍塌问题，控制了路
基的沉降，提高了施工效益。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种管棚施工装置，所述装置包括：作业平台、空气压缩机和夯管
锤；
所述作业平台固定设置在施工区域前的地面上；
所述空气压缩机的底部设有与所述作业平台的端面配合滑动的滑动件；
所述夯管锤的进气端用软管与所述空气压缩机连接，所述夯管锤的作业端设有用
于同轴固定钢管的钢管固定件。
进一步的，所述作业平台包括：水平设置在地面上的枕木组，以及，同轴设置在所
述枕木组上的滑轨；
所述枕木组包括依次排设的方木，且所述枕木组与地面之间铺设有碎石垫层；
所述滑轨与所述枕木组之间、所述枕木组与所述碎石垫层之间均固定连接。
进一步的，所述作业平台包括主作业平台和子作业平台；
所述主作业平台设置在所述施工区域正前方的地面上；
所述子作业平台至少有两个，且各所述子作业平台分别平行设置在所述主作业平
台的两侧的地面上。
进一步的，所述装置还包括：用软管连接的润滑油罐和开关阀；
所述润滑油罐与所述空气压缩机、所述开关阀与所述夯管锤之间均用软管连接。
进一步的，所述夯管锤内部同轴设有可调节拉紧带，且所述可调节拉紧带的一端
固定在所述夯管锤的进气端，所述可调节拉紧带的另一端自所述夯管锤的作业端伸出。
进一步的，所述夯管锤的底部设有升降件，且所述升降件的底端设有与所述作业
平台的端面配合滑动的滑动件。
另一方面，本发明还提供一种应用所述的管棚施工装置进行管棚施工的方法，所
述方法包括：
步骤100：将用软管连接的所述空气压缩机和夯管锤设置在当前的作业平台上，并
将钢管固定设置在所述夯管锤的作业端；
步骤200：控制所述夯管锤依次将焊接连接的所述钢管夯进施工区域的预设位置
处，直到夯进施工区域的所述钢管的连接数量满足预设连接距离后，将所述夯管锤与当前
的钢管断开连接；
步骤300：将所述空气压缩机和夯管锤更换设置在另一作业平台上，并将钢管固定
设置在所述夯管锤的作业端，返回步骤200，直到施工区域的全部预设位置处均填充有所述
钢管。
进一步的，所述步骤200包括：
步骤201：开启所述空气压缩机，使得所述夯管锤将所述钢管夯进施工区域的预设
位置处，并在所述钢管夯进施工区域内的长度达到预设检测距离时，进行所述夯管锤和钢
管的轴线偏差检测及校正，以及进行出土操作；
步骤202：在所述钢管露在所述施工区域外的长度达到预设接管距离时，停止夯进
操作；
步骤203：将所述夯管锤与当前的钢管断开连接，并控制所述夯管锤后退至远离所
述施工区域的位置；
步骤204：在当前钢管露在所述施工区域外的一端焊接另一钢管的一端，并将该另
一钢管的另一端固定设置在所述夯管锤的作业端，返回步骤201，直到钢管的连接数量满足
预设连接距离后，进入步骤300。
进一步的，所述步骤100之前还包括：
在待夯进的钢管的两侧端口的外壁上设置坡口，并对所述坡口进行坡口打磨加
工，以及，在所述钢管的管壁上固定设置与所述钢管同轴的咬合槽；
以及，将加工后的各钢管依次进行编号标注。
进一步的，所述方法还包括：
对所述夯管锤进行在作业平台上的滑动测试，以及，控制所述空气压缩机由小到
大档位顺序向所述夯管锤输送空气，并在输送空气期间，测试所述空气压缩机与夯管锤之
间的连接气密性，以及所述夯管锤的运行情况，若检测到异常，则关闭所述空气压缩机，并
进行故障排除。
由上述技术方案可知，本发明所述的一种管棚施工装置及方法，其中的装置包括：
作业平台、空气压缩机和夯管锤；所述作业平台固定设置在施工区域前的地面上；所述空气
压缩机的底部设有与所述作业平台的端面配合滑动的滑动件；所述夯管锤的进气端用软管
与所述空气压缩机连接，所述夯管锤的作业端设有用于同轴固定钢管的钢管固定件。本发
明可靠性高且应用广泛，能够可靠且高效的建设管棚，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，解决了平顶密排互锁管棚施工及因钻孔引起的坍塌问题，控制
了路基的沉降，提高了施工效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明
的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据
这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的实施例一中的一种管棚施工装置的一种具体实施方式的结构示意
图。
图2是本发明的实施例一中的导向管93和管棚钢管94的截面示意图。
图3是本发明的实施例二中的作业平台10的结构俯视图。
图4是本发明的作业平台10的一种具体实施方式的结构俯视图。
图5是本发明的实施例三中的管棚施工装置的另一种具体实施方式的结构示意
图。
图6是本发明的实施例四中的夯管锤30的结构示意图。
图7是本发明的实施例五中的管棚施工方法的流程示意图。
图8是本发明的实施例六中的管棚施工方法中步骤200的流程示意图。
图9是本发明的实施例七中的管棚施工方法中步骤100之前的步骤000的流程示意
图。
图10是本发明的应用实例中的管棚施工方法的流程示意图。
图11是本发明的应用实例中在高处铁道线路下建设管棚的俯视图。
图12是本发明的应用实例中钢管90的焊接结构示意图。
其中，10-作业平台；11-主作业平台；12-子作业平台；13-枕木组；14-滑轨；15-碎
石垫层；20-空气压缩机；30-夯管锤；31-钢管固定件；32-可调节拉紧带；40-滑动件；50-软
管；60-润滑油罐；70-开关阀；80-升降件；90-钢管；91-坡口；92-咬合槽；93-导向管；94-管
棚钢管；95-拉紧环。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员
在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例一提供了一种管棚施工装置的一种具体实施方式，参见图1，该管
棚施工装置具体包括如下内容：
作业平台10、空气压缩机20和夯管锤30。
在上述描述中，作业平台10用于为空气压缩机20和夯管锤30提供一个稳定且水平
的平台，空气压缩机20用于为夯管锤30提供动力，使得夯管锤30产生动态冲击能；夯管锤30
用于固定钢管90的一端，通过夯管锤30与钢管90之间的连接，使得夯管锤30将钢管90的另
一端夯进施工区域内。
所述作业平台10固定设置在施工区域前的地面上。
在上述描述中，所述作业平台10的总宽度大于设计管棚的总宽度，作业平台的长
度大于最长的钢管90与夯管锤30的长度，且所述作业平台10固定设置在施工区域前的地面
上，且与施工区域的最前端之间满足预设安装距离。
所述空气压缩机20的底部设有与所述作业平台10的端面配合滑动的滑动件40。
在上述描述中，滑动件40的设置，使得空气压缩机20能够在所述作业平台10上自
由滑动。
所述夯管锤30的进气端用软管50与所述空气压缩机20连接，所述夯管锤30的作业
端设有用于同轴固定钢管90的钢管固定件31。
在上述描述中，夯管锤30的进气端用软管50与所述空气压缩机20连接，使得所述
空气压缩机20中的压缩空气经软管50进入夯管锤30内部，使得夯管锤30将钢管90夯进施工
区域内的土层中；另外，如图2所示，本发明所适用的钢管90包括导向管93和管棚钢管94，管
棚钢管94的外径小于导向管93的外径；在管棚施工过程中，先将导向管93夯进施工区域内
的土层中的中心处，再在导向管93的两侧依次夯入管棚钢管94，同时，所述导向管93和管棚
钢管94的放置均通过H型钢等支撑件将其支撑至施工要求高度，便于将所述导向管93和管
棚钢管94接在夯管锤30的钢管固定件31上，相对应的，所述钢管固定件31的规则根据所述
导向管93和管棚钢管94的外径设置为多种型号，在夯进导向管93之后，更换适用于管棚钢
管94的另一型号的钢管固定件31。
从上述描述可知，本发明的实施例提供了一种能够建设大型管棚的施工装置，该
装置的结构可靠且应用广泛，能够可靠且高效的建设管棚。
本发明的实施例二提供了上述管棚施工装置中作业平台10的一种具体实施方式，
参见图3，该作业平台10具体包括如下内容：
水平设置在地面上的枕木组13，以及，同轴设置在所述枕木组13上的滑轨14；所述
枕木组13包括依次排设的方木，且所述枕木组13与地面之间铺设有碎石垫层15；所述滑轨
14与所述枕木组13之间、所述枕木组13与所述碎石垫层15之间均固定连接。
从上述描述可知，本发明的实施例提供了作业平台的具体结构，该结构使得作业
平台为管棚施工提供了稳定的操作平台。
在一种具体实施方式中，参见图4，管棚施工装置中作业平台10具体包括如下内
容：
所述作业平台10包括主作业平台11和子作业平台12；所述主作业平台11设置在所
述施工区域正前方的地面上；所述子作业平台12至少有两个，且各所述子作业平台12分别
平行设置在所述主作业平台11的两侧的地面上。
从上述描述可知，本发明的具体实施方式能够提高管棚施工的整体施工进度，在
一侧进行接管的同时，另一侧进行钢管夯进操作。
本发明的实施例三提供了上述管棚施工装置的另一种具体实施方式，参见图5，该
管棚施工装置还具体包括如下内容：
用软管50连接的润滑油罐60和开关阀70；所述润滑油罐60与所述空气压缩机20、
所述开关阀70与所述夯管锤30之间均用软管50连接。
从上述描述可知，本发明的具体实施方式保证了装置的完整性及适用性，提高了
管棚施工的可靠性。
本发明的实施例四提供了上述管棚施工装置中夯管锤30的一种具体实施方式，参
见图6，该夯管锤30具体包括如下内容：
所述夯管锤30内部同轴设有可调节拉紧带32，且所述可调节拉紧带32的一端固定
在所述夯管锤30的进气端，所述可调节拉紧带32的另一端自所述夯管锤30的作业端伸出；
且所述夯管锤30的底部设有升降件80，且所述升降件80的底端设有与所述作业平台10的端
面配合滑动的滑动件40；在与夯管锤30配合使用的钢管90的一端设有拉紧环95，用于与拉
紧带32进行连接。
在上述描述中，本发明的实施例中的提供了夯管锤30的具体结构，实现了对管棚
的准确施工。
本发明的实施例五提供了应用上述管棚施工装置实现的一种管棚施工方法的一
种具体实施方式，参见图7，该管棚施工方法具体包括如下内容：
步骤100：将用软管连接的所述空气压缩机和夯管锤设置在当前的作业平台上，并
将钢管固定设置在所述夯管锤的作业端。
步骤200：控制所述夯管锤依次将焊接连接的所述钢管夯进施工区域的预设位置
处，直到夯进施工区域的所述钢管的连接数量满足预设连接距离后，将所述夯管锤与当前
的钢管断开连接。
步骤300：将所述空气压缩机和夯管锤更换设置在另一作业平台上，并将钢管固定
设置在所述夯管锤的作业端，返回步骤200，直到施工区域的全部预设位置处均填充有所述
钢管。
从上述描述可知，本发明的实施例提供了一种能够建设大型管棚的施工方法，该
方法应用广泛，能够可靠且高效的建设管棚。
本发明的实施例六提供了上述管棚施工方法中步骤200的一种具体实施方式，参
见图8，该步骤200具体包括如下内容：
步骤201：开启所述空气压缩机，使得所述夯管锤将所述钢管夯进施工区域的预设
位置处，并在所述钢管夯进施工区域内的长度达到预设检测距离时，进行所述夯管锤和钢
管的轴线偏差检测及校正，以及进行出土操作。
步骤202：在所述钢管露在所述施工区域外的长度达到预设接管距离时，停止夯进
操作。
步骤203：将所述夯管锤与当前的钢管断开连接，并控制所述夯管锤后退至远离所
述施工区域的位置。
步骤204：在当前钢管露在所述施工区域外的一端焊接另一钢管的一端，并将该另
一钢管的另一端固定设置在所述夯管锤的作业端，返回步骤201，直到钢管的连接数量满足
预设连接距离后，进入步骤300。
从上述描述可知，本发明的实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，解决了平顶密排互锁管棚施工及因钻孔引起的坍塌问题。
本发明的实施例七提供了上述管棚施工方法中步骤100之前的步骤000的一种具
体实施方式，参见图9，该步骤000具体包括如下内容：
步骤001：在待夯进的钢管的两侧端口的外壁上设置坡口，并对所述坡口进行坡口
打磨加工，以及，在所述钢管的管壁上固定设置与所述钢管同轴的咬合槽。
步骤002：将加工后的各钢管依次进行编号标注。
步骤003：对所述夯管锤进行在作业平台上的滑动测试，以及，控制所述空气压缩
机由小到大档位顺序向所述夯管锤输送空气，并在输送空气期间，测试所述空气压缩机与
夯管锤之间的连接气密性，以及所述夯管锤的运行情况，若检测到异常，则关闭所述空气压
缩机，并进行故障排除。
从上述描述可知，本发明的实施例保证了钢管接管的牢固性和稳定性。
本发明还提供了应该上述管棚施工装置实现管棚施工方法的一种应用实例，参见
图10，该应用实例具体包括如下内容：
本应用实例适用范围：黏性土、粉土、砂土、碎石土、卵石土、砾石土、流沙等多种类
型地质条件下的密排互锁管棚施工。可广泛应用于铁路、公路、地铁、河流、建筑物等结构的
穿越施工，特别是对于穿越重载或动载结构、对沉降要求较严格的管棚施工；还可通过采用
不同管头连接器，用于型钢等多类型管棚帷幕的施工。
本应用例以在高处铁道线路下建设管棚为例，如图11所示：
1、原理：利用压缩空气为外动力源，使夯管锤产生动态冲击能，通过夯管锤与钢管
之间拉紧带的连接，冲击空心钢管夯入土中；通过导向管与管棚钢管之间的互锁使管棚形
成一个整体。
2、施工准备
(1)测量放样、接通水电、备好材料、场地准备、对钢管90进行坡口91打磨加工及咬
合槽92加工和焊接，、把加工好的钢管90排成顺序，编上号码，以便夯入时吊装。
咬合槽92选用6mm的标准钢板，采取双侧对称焊且焊点不连续(焊点相距10cm)。
为避免夯进过程中钢管90接口开焊，钢管90焊接处必须进行坡口91处理(坡口91
长度为3cm)，参见图12，焊接时先把两钢管90坡口91焊平，再进行两次加焊，同时加两侧帮
条焊。
钢管90的壁厚要符合冲击力的要求，一般为7mm以上。钢管90之间的焊接，咬合槽
92的焊接要符合规范GB50205—2001的要求。
钢管90纵向同一断面处的接头数不大于50％，相邻钢管90接头至少错开1m。
(2)管幕施工平台场地准备：夯管锤30作业施工场地必须平整密实；利用暗挖出入
口土体开挖后直接形成作业平台10，为保证夯管锤30滑轨14的稳定性要铺设3，20cm厚碎石
垫层15。
为满足设备施工需要和便于焊接，作业平台10总宽度B＝设计管棚总宽度+2m(左
右各1m)，作业平台10长度L＝L1(最长的钢管90长度)+L2(夯管锤30长度)+3m。施工过程中
通过16，可升降调整装置作业竖向位置，使钢管90及夯管锤30设备按设计管棚轴线准确就
位。
(3)滑轨14的铺设：滑轨14可用工字钢进行铺设,枕木用25cm×25cm方木制作，滑
轨14前端距离钢管90入口1m，枕木的铺设与线路中心线平行，为保证滑轨14的稳定，滑轨
14、枕木与作业场地或作业平台10之间要用钢管90或木橛连接牢固；
滑轨14与枕木组13之间使用道钉进行固定。
为避免因地质条件、钢管90钢度及夯管锤30棚长度等因素影响造成管棚下垂，导
致夯入的钢管90侵入限界，滑轨14要抬高3cm并设置一定的纵向坡度，一般为4‰。
3、设备调试
(1)根据操作规程将管棚施工装置上的各设备连接就位并与空气压缩机20连接，
开动空气压缩机20按由小到大档位顺序向夯管锤30输送空气，输送过程中测试设备管路连
接的气密性及管锤运行情况，如出现异常情况下，立即关闭空气压缩机20，在排除故障后，
再进行夯管锤30就位。
(2)管棚施工装置安装在滑轨14上后，夯管锤30沿滑轨14试夯2次，保证滑轨14平
顺，管锤行走顺畅。试夯完成后用水准仪检测滑轨14高程，使滑轨14保持在铺设时状态。
(3)将钢管90吊装到位，采用拉紧带将预先焊在钢管90末端的连接板与夯管锤30
的锤身连接好，再利用设置在夯管锤30下部的可升降调整气垫调整夯管锤30的水平位置，
保证其与钢管90处于同一轴线。
5、夯进施工
(1)为施工中出土及测量方便，便于纠偏，保证导向管93的精度，应选择钢度大且
直径不小于630mm、壁厚不小于6mm的无缝钢管90为导向管93，夯进时通过风压严格控制夯
击频率，使钢管90平稳进入土体，避免钢管90振动剧烈影响导向管93的精度。每夯进3m后，
进行人工或螺旋钻机出土，对导向管93及夯管锤30用经纬仪和水准仪进行轴线偏差检测，
以确保轴线方向准确；如出现偏差则应对管口位置进行校正。导向管93夯进末端为50cm时，
停止夯进，退回夯管锤30进行接管，管节间连接采用电弧焊接，焊接需严格保证焊缝质量。
焊缝冷却，经检验达到要求后，即可进行夯管锤30就位，进行下一节管夯进，直至按照工艺
流程全部夯进。
(2)横向和竖向控制精度。每3米间距布置沉降观测点进行出土后观测，每3m利用
经纬仪测量水平偏差，收集数据后进行分析研判，横向、竖向偏差不超过5mm，若出现偏差大
于5mm时要立即进行纠偏工作。
(3)如果在导向管93的夯进过程中，出现竖向或横向的偏差大于5mm时要立即进行
纠偏工作。当出现管头偏移时，应采用在导向管93的偏移侧管头与土体之间埋设楔型钢板，
楔型钢板露出部分小于钢板长度的五分之一，以调整管棚前端行进方向。设置完成后，随夯
进随监控其偏差调整情况，以确保其偏差控制在允许范围内。
(4)管棚施工，导向管93与管棚钢管94钢管90处于同一水平面，由于钢管90间有咬
合槽92连接，钢管90夯进速度应控制在0.15～0.2m/min。钢管90接管前应根据钢管90长度
对钢管90进行编号和配管，保证同一截面(同一截面距离大于1m)接头数量不大于50％。焊
接前应复核接管轴线是否满足轴线要求，如钢管90端头破损，应进行切割处理，保证钢管90
接头处平整严密，焊接需严格保证焊缝质量。
(5)施工顺序：以导向管93左右分别对称施工。为加快工程进度，可设置多个滑轨
14，在一侧钢管90进行接管焊接时，进行另一侧钢管90的夯进。
6、清理出土
(1)导向管93可采用人工出土或螺旋钻机出土。
(2)管棚钢管94钢管90，如需进行出土，可采用螺旋钻出土，如一次性完成夯进，实
现管棚整体贯通，则可采用高压气、高压水等方法出土。
采用本应用实例的技术方案进行管棚施工的施工效率高，每天完成约170～180
米，而管棚钻机每天完成约40～50米，这样从施工周期上就比管棚钻机快了2倍。整个工期
提前了一个多月，综合效益是显著的。在20天的管棚施工中，共计3580米，施工精度达到水
平角偏差小于0.1°，竖直角偏差小于0.3°，满足设计要求。
本发明的应用实例适用范围：黏性土、粉土、砂土、碎石土、卵石土、砾石土、流沙等
多种类型地质条件下的密排互锁管棚施工。可广泛应用于铁路、公路、地铁、河流、建筑物等
结构的穿越施工，特别是对于穿越重载或动载结构、对沉降要求较严格的管棚施工；还可通
过采用不同管头连接器，用于型钢等多类型管棚帷幕的施工，其具体实现的有益效果包括：
1)施工过程中钢管之间连接紧密，通过钢管之间的互锁使管棚形成一个整体，从
而使上部土体与暗挖洞室隔断，起到棚架作用。
2)可以实现多种管径管棚的施工，其他设备很难做到。
3)特殊的土质如鹅卵石、流沙、地下水等对夯管施工基本没有影响，施工过程中不
会出现象螺旋式钻机钻进经常出现的搁浅问题。
4)除打管以外还可以反推拔管。
5)导向管的准确施工，确保了其余管棚的施工精度。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例
对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施
例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替
换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。