一种竖井管棚施工方法
阅读说明：本技术 一种竖井管棚施工方法 (Construction method of vertical shaft pipe shed ) 是由 龙广庆 葛铁金 万叔雄 邓文彬 占智青 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种竖井管棚施工方法,通过在钢管内设置螺旋钻杆,且将螺旋转杆的钻头可开合设置,当将钢管打入土层时,螺旋钻杆的钻头在顶进装置的作用下先张开然后将土层破碎,以使得钢管顺利插入钻孔内,同时,钻孔过程中产生的土渣在螺旋钻杆的作用下从钢管末端排出,实现边切削、边顶进、边排土,显著提高了钢管的施工效率。当钢管施工完毕后,将螺旋钻杆的钻头闭合即可将螺旋钻杆从钢管内取出,再往钢管内灌注水泥浆液以加固地下通道施工面周边土层,配合管棚拱形的受力结构,使得后续开挖过程中路面土层不易坍塌,具有提高施工安全的效果。(The invention discloses a construction method of a shaft pipe shed, which is characterized in that a spiral drill rod is arranged in a steel pipe, a drill bit of the spiral drill rod can be opened and closed, when the steel pipe is driven into a soil layer, the drill bit of the spiral drill rod is firstly opened under the action of a jacking device and then the soil layer is crushed, so that the steel pipe is smoothly inserted into a drill hole, meanwhile, soil slag generated in the drilling process is discharged from the tail end of the steel pipe under the action of the spiral drill rod, the cutting, jacking and soil discharging are realized, and the construction efficiency of the steel pipe is obviously improved. After the steel pipe construction finishes, take out auger stem from the steel pipe with auger stem's drill bit closure, pour cement thick liquid in the steel pipe again in order to consolidate the peripheral soil layer of underground passage construction face, cooperate the arched atress structure of pipe shed for follow-up excavation in-process road surface soil layer is difficult for collapsing, has the effect that improves construction safety.)
技术领域
本发明涉及隧道施工的技术领域，尤其是涉及一种竖井管棚施工方法。
背景技术
在采用浅埋暗挖法进行地下隧道施工时，一般先在起始端和接收端开挖两个竖井，然后在起始井内施做超前管棚预支护，管棚以掌子面前方围岩支撑和后方围岩支撑为支点，形成一个梁式结构，二者形成环绕隧洞轮廓的壳状结构，可有效抑制围岩松动和垮塌，之后再进行隧道挖掘。
在超前管棚的施工过程中，需先对钢管的埋设位置进行测量定位，然后利用钻机钻出钻孔，再将钢管插入对应的钻孔内，然而当土层质地松软或富含水时，钻杆退出钻孔后，钻孔会变形，从而导致后续钢管插入钻孔困难。因此，需对此进行改进。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题，本申请提供一种竖井管棚施工方法。
本申请提供的一种竖井管棚施工方法采用如下的技术方案：
一种竖井管棚施工方法，包括以下步骤：
S1、在待施工的地下隧道两端开挖竖向工作井，其中一种作为起始井，另一个作为接收井；
S2、在起始井内测量定位出隧道掌子面的施工位置，在隧道掌子面布置导向钢架；
S3、利用顶进装置钢管顶入掌子面周边土层，具体地，钢管的周壁开设有若干浇筑孔，钢管内设置有螺旋钻杆，顶进装置包括驱使钢管和螺旋钻杆移动的液压油缸和驱使螺旋钻杆转动的电机；
S4、当将一根钢管顶入掌子面周边土层后，将钢管与导向钢架焊接固定，然后将螺旋钻杆从钢管内取出；
S5、重复S3～S4，直至若干钢管均打入掌子面周边土层，从而形成拱形的管棚；
S6、在钢管的尾端与钻孔之间填充锚固剂，然后在钢管的尾端捆绑土工布以封口，利用混凝土喷射机将水泥浆液喷射在掌子面上形成止浆面；
S7、当止浆面成型后，拆除土工布，利用注浆机将水泥浆液注入钢管内，单孔注浆压力达到设计要求值后停止注浆并封堵钢管；
S8、重复S7步骤，从而将水泥浆液灌注至若干钢管内，以使得掌子面周边的土层得到加固，完成管棚的施工。
通过采用上述技术方案，导向钢架对钢管起导向作用，有利于减小钢管顶入掌子面周边土层的角度偏差，从而使得后续打入土层的钢管不会与已经打入土层的钢管发生碰撞。且螺旋钻杆和钢管在顶进装置的作用下同步顶入土层，螺旋钻杆先于钢管接触土层并将土体破碎，从而使得钢管的顶进过程保持顺畅，且钻孔过程中所产生的土体在螺旋钻杆上螺旋叶片的作用下从钢管尾端排出，从而实现边钻孔、边顶进、边排土，显著提高了钢管的打入土层的效率，从而显著提高了管棚的施工效率。且当钢管打入土层后，螺旋钻杆还能够从钢管内取出，实现重复利用，节约成本。利用注浆机往钢管内注浆，水泥浆液在高压作用下从浇筑孔扩散至钢管周边土层，从而加固掌子面周边土层，配合管棚的拱形受力结构，使得后续开挖过程中路面土层不易坍塌，显著提高了施工安全。
优选的，所述钢管由若干管节拼接而成，所述螺旋钻杆包括依次连接的钻头、固定段、连接段以及若干螺旋杆节，所述钻头可开合设置，所述固定段内设置有用于控制钻头开合的控制机构，当所述钻头张开后，所述钻头在水平面上的投影将钢管覆盖。
通过采用上述技术方案，采用分段的方式将钢管和螺旋钻杆依次打入土层内，降低了对施工空间的要求，从而有利于在起始井内开展工作。且钻头在控制机构的作用下可开合设置，当钻孔内，钻头张开，从而使得钻头钻出的钻孔的孔径大于钢管的外径，以使得钢管能够顺利插入钻孔内。当钢管打入土层后，通过控制机构合拢钻头，即可将螺旋钻杆从钢管内取出，实现重复利用。
优选的，所述钻头包括尖头和多块弧形板，多块弧形板等角度分布在尖头的大端并与尖头扭簧铰接，弧形板在控制机构的作用下绕其与尖头的铰接轴转动。
优选的，所述控制机构包括设置在固定段内的固定杆，固定杆的一端与尖头同轴固定连接；固定杆远离尖头的一端依次设置有限位环、活动环以及连接套，限位环与固定杆套接固定，活动环与固定杆滑动套接，连接套与固定杆滑动套接，连接套的一端与活动环之间设置有多根伸缩杆，连接套的另一端伸出固定段并与连接段连接；活动环的外周等角度铰接有多根连接杆，连接杆远离活动环的一端穿出固定段并和对应的弧形板铰接，当活动环移动至限位环抵接时，多块弧形板张开且将钢管覆盖。
通过采用上述技术方案，当连接套与连接段以及螺旋杆节连接后，液压油缸通过推动螺旋杆节、连接段前移以推动连接套前移，当伸缩杆的长度压缩至极限后，活动环跟随连接段前移直至与限位块抵接，活动板在连接杆的作用朝远离固定段的方向转动，钻头展开，此时扭簧受扭。此后，电机通过驱使螺旋杆节和连接段转动以带动连接段转动，连接段通过伸缩杆带动活动环转动，活动环通过连接杆带动钻头转动，从而开始钻孔。当钢管完全打入土层后，抽拉螺旋钻杆，此时，连接套会朝远离活动环的方向移动，伸缩杆的整体长度会变长，为活动环提供活动空间，四块弧形板在各自扭簧的作用下合拢，钻头收拢，继续拉拔螺旋钻杆并分段拆分螺旋钻杆即可将螺旋钻杆取出。
优选的，每块所述弧形板的外壁均设置有多条切割条，多条切割条自弧形板的靠近尖头的一端至远离尖头的一端间隔分布，当多块弧形板完全张开后，位于多块弧形板上的多条切割条沿同一螺旋线延伸分布。
通过采用上述技术方案，当多块弧形板完全张开后，利用电机驱使螺旋钻杆顺着切割条延伸方向转动，从而有利于切削土体，进而有利于提高钢管的顶进效率。
优选的，所述顶进装置还包括供液压油缸与电机安装的导向半管，所述液压油缸安装在导向半管内，所述液压油缸的活塞杆固定连接有活动板，所述电机安装在活动板远离液压油缸的一端，所述电机的输出轴同轴固定连接有连接盘，所述连接盘远离电机输出轴的一侧圆周分布有若干插杆，所述螺旋杆节的一端开设有若干供插杆插入的插孔。
通过采用上述技术方案，导向半管为液压油缸和电机提供安装位置的同时，还配合导向钢架对钢管起导向作用，从而使得钢管打入土层的位置更加精准。当需驱使螺旋钻杆转动时，电机驱使连接盘转动以调整插杆的位置直至插杆和插孔对齐，然后液压油缸推动活动板以带动电机前移直至插杆插入插孔内，电机继续运转即可驱使螺旋转杆转动。
优选的，所述活动板远离液压油缸的一侧固定连接有顶板，顶板的移动轨迹与钢管重合。
通过采用上述技术方案，当插杆插入插孔后，液压油缸推动活动板继续前移，顶板在移动过程中与钢管抵接，从而推动钢管前移，实现钢管和螺旋转杆一起顶进。
优选的，所述导向钢架沿自身的长度方向间隔开设有若干导向孔，若干导向孔的轴线均朝背离导向钢架轴线的方向倾斜设置，导向孔的倾斜角度为5～10°。
通过采用上述技术方案，使得插入土层的钢管朝背离掌子面轴线的方向倾斜5～10°，在这一角度范围内，当后续往钢管内灌注水泥浆液时，有利于增大水泥浆液扩散至地下通道施工面周边土层的量，并减少水泥浆液扩散至地下通道施工面土层的量，起到固结地下通道施工面周边土层作用的同时，不会影响后续开挖地下通道。
优选的，所述顶进装置还包括剪叉机构，所述工作台上安装有支架，所述导向半管的一端与支架铰接，所述工作台上安装有驱使导向半管绕铰接轴转动的驱动油缸。
通过采用上述技术方案，通过驱动油缸可调整导向半管的倾角，以便在液压油缸的作用下配合导向钢架将若干钢管一一顶入掌子面的周边土层内。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
通过利用顶进装置将钢管和螺旋钻杆同步打入掌子面周边土层内，且螺旋钻杆在顶进装置的作用下转动从而钻孔，实现边钻孔、边顶进、边排土，显著提高了管棚的施工效率；
通过将钻头可开合设置，使得钻头在钻孔过程中形成的钻孔大于钢管，以使得钢管能够顺利地插入土层内，当钢管打入土层后，在将螺旋钻杆取出，实现重复利用，节约成本；
通过将钢管和螺旋钻杆分段顶进，降低对施工环境和施工空间的要求，从而有利于提高钢管的施工效率。
附图说明
图1是本申请中在起始井内施做管棚的结构示意图；
图2是本申请中利用顶进装置将钢管打入土层的结构示意图；
图3是本申请中利用顶进装置推动钢管和螺旋钻杆同步顶进的结构示意图；
图4是本申请中钢管内部的结构示意图；
图5是本申请中螺旋钻杆的结构示意图；
图6是本申请中钻头在控制机构的作用下合拢的结构示意图；
图7是本申请中钻头在控制机构的作用下张开的结构示意图；
图8是本申请中图5中A的放大示意图。
附图标记说明：
1、导向钢架；2、钢管；21、头部管节；22、中部管节；23、尾部管节；3、锁脚锚杆；4、模板框架；5、止浆阀；6、螺旋钻杆；61、钻头；611、尖头；612、弧形板；613、挡板；614、切割条；62、固定段；63、连接段；64、螺旋杆节；65、控制机构；651、固定杆；652、限位环；653、活动环；654、连接套；655、连接杆；656、固定环；657、伸缩杆；7、通槽；8、剪叉机构；81、工作台；9、液压油缸；10、电机；11、导向半管；12、支架；13、驱动油缸；14、排泥口；15、活动板；16、连接盘；17、插孔；18、插杆；19、顶板。
具体实施方式
以下结合附图1-8对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种竖井管棚施工方法。包括以下步骤：
S1、在待施工的地下隧道两端不敏感区域均开挖竖向工作井，其中一种作为起始井，另一个作为接收井。
S2、在起始井靠近接收井的侧壁测量定位出隧道掌子面的施工位置，在隧道掌子面周边布置导向钢架1。
具体地，参照图1和图2，导向钢架1呈拱形设置，导向钢架1由两根呈弧状弯曲设置的钢条对接而成，每条钢条均沿自身的长度方向等角度开有若干导向孔，若干导向孔的轴线均朝背离钢条圆心的方向倾斜开设，导向孔的倾斜角度为5～10°，后续钢管2经导向孔后插入掌子面周边土层，导向孔对钢管2起导向作用，以使得钢管2的埋设位置准确。打入土层后的钢管2的轴线朝背离钢条圆心的方向倾斜，当后续往钢管2内灌注水泥浆液时，有利于增大水泥浆液扩散至地下通道施工面周边土层的量，并减少水泥浆液扩散至掌子面的量。
在安装导向钢架1时，将两条钢条拼接，并使得拼接后的导向钢架1贴紧掌子面。然后在钢条两侧布置锁脚锚杆3，锁脚锚杆3垂直向下打入土层，往锁脚锚杆3内灌注水泥浆液，以加强锁脚锚杆3与土层的连接强度。最后，在锁脚锚杆3与导向钢架1外周搭建模板框架4并浇筑混凝土，即可将导向钢架1固定在起始井井底。
S3、利用顶进装置钢管2顶入地下隧道掌子面的周边土层。
具体地，参照图2和图3，钢管2由若干管节拼接而成，若干管节分为依次连接的头部管节21、中部管节22以及尾部管节23，其中，中部管节22设置有多根（图中只展示了一根）。头部管节21与中部管节22螺纹连接，相邻两节中部管节22螺纹连接，尾部管节23与中部管节22螺纹连接。其中，头部管节21和中部管节22的周壁均开设有若干浇筑孔，尾部管节23作为止浆段并用于外接止浆阀5，止浆阀5采用球阀。
参照图4，钢管2内设置有螺旋钻杆6，螺旋钻杆6在顶进装置的作用下可相对钢管2移动和转动。具体地，
参照图4和图5，螺旋钻杆6中空设置，螺旋钻杆6包括依次连接的钻头61、固定段62、连接段63以及若干螺旋杆节64。钻头61可开合设置，固定段62内设置有用于控制钻头61开合的控制机构65，当钻头61张开后，钻头61在水平面上的投影将钢管2覆盖。
参照图4和图5，钻头61设置在固定段62的一端，连接段63用于连接固定段62与螺旋杆节64，连接段63与螺旋杆节64螺纹连接，相邻两段螺旋杆节64螺纹连接。当固定段62、连接段63和螺旋杆节64连接后，位于固定段62、连接段63以及螺旋杆节64上的螺旋叶片衔接；当相邻两段螺旋杆节64连接后，位于相邻两段螺旋杆节64上的螺旋叶片衔接。螺旋杆节64设置有记号(图中未示出)，以便快速选择对应的螺旋杆节64进行拼接。
参照图6，钻头61包括尖头611和四块弧形板612，弧形板612为一块扇形板呈弧形弯折而成，四块弧形板612圆周等角度分布在尖头611的大端边缘并与尖头611扭簧铰接。尖头611的外侧壁焊接固定有四块挡板613，四块挡板613对应四个扭簧，挡板613将对应的扭簧遮盖，从而使得钻头61在钻孔的过程中，扭簧不易损坏。
参照图6和图7，每块弧形板612的外壁均焊接固定有多条切割条614，多条切割条614自弧形板612的靠近尖头611的一端至远离尖头611的一端间隔分布。切割条614的截面呈三角形状设置，切割条614的尖端向外。切割条614沿弧形板612所在的圆锥面呈螺旋型延伸，当四块弧形板612完全张开后，位于多块弧形板612上的多条切割条614的延伸路径位于同一螺旋线上。切割条614的延伸方向与螺旋钻杆6上的螺旋叶片的延伸方向相反。当钻孔时，驱使螺旋钻杆6顺着切割条614的延伸方向转动，从而有利于提高钻孔效率。
参照图6和图7，固定段62的一端与尖头611的大端同轴焊接固定并被四块弧形板612围住。控制机构65包括设置在固定段62内的固定杆651，固定杆651与固定段62同轴设置，固定杆651直径小于固定段62的内径，固定杆651的一端与尖头611同轴焊接固定。固定杆651远离尖头611的一端依次设置有限位环652、活动环653以及连接套654。限位环652套设在固定杆651外周并与固定杆651焊接固定。活动环653与固定杆651滑动套接，活动环653的外周等角度分布有四根连接杆655，四根连接杆655与四块弧形板612一一对应。连接杆655的一端与活动环653铰接，连接杆655的另一端穿出固定段62并与弧形板612铰接，固定段62沿其长度方向开设有供连接杆655活动的通槽7。当活动环653移动至限位环652抵接时，四块弧形板612张开且相邻弧形板612之间存在间隙，此时，四块弧形板612将钢管2覆盖，以使得钢管2能够在钻头61钻出的钻孔内顺畅地移动。
参照图6和图7，连接套654与固定杆651滑动套接，连接套654靠近活动环653的一端固定连接有固定环656，固定环656的外径大于连接套654的外径，固定环656与固定段62滑动连接，固定环656与活动环653之间固定连接有多根伸缩杆657，多根伸缩杆657围绕在固定杆651外周。固定段62远离尖头611的一端向内贴紧连接套654，连接套654远离固定环656的一端设置有外螺纹并穿出固定段62，连接套654与连接段63螺纹连接。
当钻头61与、连接段63与螺旋杆节64连接形成螺旋钻杆6后，顶进装置通过推动螺旋杆节64和连接段63前移以推动连接套654前移；伸缩杆657受压压缩，当伸缩杆657的长度压缩至极限后，活动环653跟随连接段63前移直至与限位块抵接，四块活动板15展开。之后，顶进装置通过驱使螺旋杆节64和连接段63转动以带动连接段63转动，连接段63通过伸缩杆657带动活动环653转动，活动环653通过连接杆655带动钻头61转动，从而开始钻孔。被切削的土体从相邻两块活动板15之间的间隙进入钢管2内，并在螺旋叶片的推动作用下从钢管2的末端排出。
参照图2和图3，顶进装置包括剪叉机构8、用于推动钢管2和螺旋钻杆6移动的液压油缸9、以及用于驱使螺旋钻杆6转动的电机10。剪叉机构8的工作台81设置有供液压油缸9与电机10安装的导向半管11。工作台81上安装有支架12，导向半管11的一端与支架12铰接，工作台81上还安装有驱使导向半管11绕铰接轴转动的驱动油缸13，驱动油缸13的缸体与工作台81铰接设置，驱动油缸13的活塞杆与导向半管11的底部铰接设置。通过启动驱动油缸13即可调整导向半管11的倾角，以便顶进装置将若干钢管2一一顶入掌子面的周边土层内。
参照图2和图3，液压油缸9安装在导向半管11内并位于导向半管11的一端，导向半管11的底部沿其长度方向开设有排泥口14，工作台81的顶部自中部向两侧向下倾斜设置，当钢管2顶入土层后，从钢管2末端流出的土体经排泥口14掉落在工作台81上，然后从工作台81滑落在地面上，有利于及时排土。
参照图5和图8，液压油缸9的活塞杆固定连接有活动板15，活动板15与导向半管11滑动连接。电机10安装在活动板15远离液压油缸9的一端，电机10的活塞杆与导向半管11同轴设置。电机10的输出轴同轴固定连接有连接盘16，连接段63与螺旋杆节64连接的一端、螺旋杆节64设置有内螺纹的一端均开设若干插孔17，连接盘16远离电机10输出轴的一侧圆周分布有若干插杆18，插杆18与对应的插孔17插接配合。当螺旋钻杆6拼接后，电机10运转以驱使连接盘16转动直至插杆18和插孔17对齐，然后液压油缸9推动电机10前移直至插杆18插入插孔17，电机10再次运转以驱使连接盘16转动，从而带动螺旋钻杆6转动。
参照图8，活动板15远离液压油缸9的一侧固定连接有三块顶板19，三块顶板19圆周分布在顶板19上，顶板19的移动轨迹与钢管2重合。当插杆18完全插入插孔17时，顶板19与拼接后的钢管2抵接。之后，在电机10和液压油缸9的作用下，螺旋钻杆6在钻孔的同时逐步顶进，钢管2也一并插入螺旋钻杆6钻出的插孔17内。
S4、当将一根钢管2顶入掌子面周边土层后，将尾部管节23与导向钢架1焊接固定，然后将螺旋钻杆6从钢管2内取出。
具体地，参照图6，当液压油缸9的活塞杆收回后，插杆18退出插孔17，拉拔螺旋钻杆6，此时，连接套654会朝远离活动环653的方向移动，伸缩杆657的整体长度会变长，使得活动环653能够顺利的滑动，因此，四块弧形板612在各自扭簧的作用下合拢，钻头61收拢，此后，继续拉拔螺旋钻杆6并分段拆分螺旋钻杆6即可将螺旋钻杆6取出。
S5、重复S3～S4，直至若干钢管2均打入掌子面周边土层。
S6、在钢管2的尾端与钻孔之间填充锚固剂，然后在钢管2的尾端捆绑土工布以封口，利用混凝土喷射机将水泥浆液喷射在掌子面上形成止浆面。
S7、当止浆面凝固成型后，拆除土工布，利用注浆机将水泥浆液注入钢管2内，注浆以由下至上顺序进行，单孔注浆压力达到设计要求值后停止注浆并封堵钢管2。
S8、重复S7步骤，从而将水泥浆液灌注至若干钢管2内，以使得掌子面周边的土层得到加固，完成管棚的施工。
本申请实施例一种竖井管棚施工方法的实施原理为：通过将螺旋钻杆6设置在钢管2内部，在将钢管2顶入掌子面周边土层的过程中，钻头61在顶进装置和控制机构65的联合作用下张开并开始钻孔，钻孔过程中产生的土渣在螺旋叶片的作用下从钢管2尾端排出，一方面实现钻孔与埋管同步进行，另一方面实现边顶进、边出渣，显著提高了管棚的施工效率。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
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