本發(fā)明涉及的是一種水下隧道頂管掘進(jìn)裝置及其施工法,屬于土木工程基礎(chǔ)施工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有水底隧道施工有沉管法，沉管法是將若干個預(yù)制段分別浮運(yùn)到海面（河面）現(xiàn)場，并一個接一個地沉放安裝在已疏浚好的基槽內(nèi)，以此方法修建的水下隧道，但基槽施工土方量大，施工周期長。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出的是一種水下隧道頂管掘進(jìn)裝置及其施工法，其目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，由于頂管掘進(jìn)裝置的前段 在半敞開式的U型艙內(nèi)挖掘巖土，施工方便，由于U型艙的兩側(cè)墻對基坑的支護(hù)作用，土方開挖量小。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：頂管掘進(jìn)裝置由頂管裝置和掘進(jìn)段組成，頂管裝置位于工作井內(nèi)；掘進(jìn)段由前段和后艙組成，后艙的下部截面與隧道截面相同，后艙下部尾端與第一管節(jié)的前端相連，后艙底面與管節(jié)底面齊平，后艙下部兩外側(cè)面與管節(jié)兩外側(cè)面平齊，施工時掘進(jìn)段的下部位于巖土中，掘進(jìn)段的上部平面高于水底，在掘進(jìn)段不但對隧道截面投影面積的巖土進(jìn)行挖掘，還對位于隧道之上的掘進(jìn)段上部截面投影面積的巖土進(jìn)行挖掘；

掘進(jìn)段的上部高于水面；所述的后艙是上部開口或有蓋的室體，后艙和前段之間設(shè)有高于水面的擋水墻，后艙的下部尾端洞口與隧道相通。

前段由U型艙和挖掘裝置組成，U型艙由兩側(cè)墻和底板組成，即U型艙的前部和上部均開口，U型艙的兩側(cè)墻和底板的前端均設(shè)有鏈刀運(yùn)行的軌道，挖掘裝置由傳動裝置和鏈刀組成，傳動裝置由驅(qū)動裝置和鏈輪組成，鏈刀由鏈條和固定于鏈條上的刀具組成；施工時驅(qū)動裝置驅(qū)動鏈刀，鏈刀沿著軌道運(yùn)行，U型艙前端軌道上的鏈刀僅挖掘兩側(cè)墻和底板前方的巖土。

前段由兩側(cè)墻和位于兩側(cè)墻前端的挖掘裝置組成，即前段的前部和上下均開口，兩側(cè)墻的前端設(shè)有鏈刀運(yùn)行的軌道，（兩側(cè)墻還設(shè)有鏈刀運(yùn)行的軌道；）挖掘裝置由傳動裝置和鏈刀組成，傳動裝置由驅(qū)動裝置和鏈輪組成，鏈刀由鏈條和固定于鏈條上的刀具組成；施工時驅(qū)動裝置驅(qū)動鏈刀，鏈刀沿著軌道運(yùn)行，前端軌道上的鏈刀僅挖掘兩側(cè)墻前方的巖土。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：施工操作都在工程船內(nèi)完成，施工快捷、安全；由于工程船前段在半敞開式的U型艙內(nèi)挖掘巖土，施工方便，由于U型艙的兩側(cè)墻對基坑的支護(hù)作用，所以土方開挖量小。

附圖說明

圖1是頂管掘進(jìn)裝置的頂管裝置1在工作井9內(nèi)推頂升管節(jié)10，掘進(jìn)段2的掘裝置4挖掘巖土的結(jié)構(gòu)示意圖，也是由U型艙3-1和挖掘裝置4組成的前段3A的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的A向視圖，也是由驅(qū)動裝置4-1-1和鏈輪4-1-2組成的傳動裝置4-1的結(jié)構(gòu)式示意圖，也是前段3內(nèi)鏈刀6運(yùn)行的軌道3-3的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖1的B向視圖，也是傳動裝置4-1和鏈刀6組成的挖掘裝置4的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖2的C-C視圖， 也是在U型艙3-1的兩側(cè)墻的上方設(shè)有的軌道7-1，軌道7-1上有運(yùn)行的挖掘機(jī)7的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是鏈刀6的結(jié)構(gòu)示意圖，也是鏈條6-1和刀具6-2的結(jié)構(gòu)示意圖，也是由A十字節(jié)6-1-1和B十字節(jié)6-1-2組成的鏈條6-1的十字節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；也是鏈條6-1實(shí)現(xiàn)空間彎曲的結(jié)構(gòu)示意圖是鏈刀6的結(jié)構(gòu)示意圖,（a）是鏈條6-1和刀具6-2的結(jié)構(gòu)示意圖，也是由A十字節(jié)6-1-1和B十字節(jié)6-1-2組成的鏈條6-1的十字節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；也是鏈條6-1實(shí)現(xiàn)空間彎曲的結(jié)構(gòu)示意圖。（b）是鏈刀6由柔性帶6-1B和刀具6-2B組成的結(jié)構(gòu)示意圖；也是柔性帶6-1B和刀具6-2B的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是前段3的后部設(shè)有無底板的隧道基礎(chǔ)處理段8的結(jié)構(gòu)示意圖，也是后艙5的下部尾端洞口與隧道的管節(jié)10相通，抽水后形成人行通道的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是由兩側(cè)墻3-2和位于兩側(cè)墻前端的挖掘裝置4組成的前段3B的結(jié)構(gòu)示意圖, 也是施工好的隧道上部在淤泥之中的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是A法中的建工作井，搭建作業(yè)平臺，安裝頂進(jìn)裝置1和掘進(jìn)段2的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是圖8的下一步工作示意圖，也是將導(dǎo)向裝置13與導(dǎo)向拉桿12相連，將第一管節(jié)10的前端與掘進(jìn)段2的尾段連接的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10是圖9的下一步工作示意圖，也是掘進(jìn)段2挖掘前方的巖土，頂進(jìn)裝置1頂推管節(jié)10的尾端，管節(jié)10向前運(yùn)行的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11是圖10的下一步工作示意圖，也是第一管節(jié)10頂推至設(shè)定距離后，頂進(jìn)裝置1縮回，放下第二管節(jié)10，將第二管節(jié)10的頭部與第一管節(jié)10的尾部相連的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖12是B法中的建兩工作井9，搭建作業(yè)平臺，安裝頂進(jìn)裝置1和掘進(jìn)段2的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖13是圖12的下一步工作示意圖，也是兩工作井內(nèi)分別將導(dǎo)向裝置13與導(dǎo)向拉桿12相連，將第一管節(jié)10的前端與掘進(jìn)段2的尾段連接的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖14是圖13的下一步工作示意圖，也是兩套掘進(jìn)段2各自挖掘前方的巖土，頂進(jìn)裝置1頂推管節(jié)10的尾端，管節(jié)10向前運(yùn)行的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖15是圖14的下一步工作示意圖，也是兩套頂管掘進(jìn)裝置的第一管節(jié)10頂推至設(shè)定距離后，頂進(jìn)裝置1縮回，放下第二管節(jié)10，將第二管節(jié)10的頭部與第一管節(jié)10的尾部相連的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖16是在掘進(jìn)段的后方建新的工作井9的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖17是挖掘裝置4的鏈刀軌道的結(jié)構(gòu)示意圖，軌道的類型包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ共5種，其中Ⅰ是平面型，Ⅱ是凸型，Ⅲ、Ⅳ是凹型；

圖18是Ⅴ為縱向多排軌道錯開成錐型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖19是Ⅴ型軌道和多排鏈刀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中的1是頂管掘進(jìn)裝置的頂管裝置；2是頂管掘進(jìn)裝置的掘進(jìn)段，由前段3和后艙5組成；3是掘進(jìn)段2的前段，有3A和3B兩種結(jié)構(gòu)形式；3A是由U型艙3-1和挖掘裝置4組成的前段；3B是由兩側(cè)墻3-2和位于兩側(cè)墻前端的挖掘裝置4組成的前段，即前段3B的前部和上下均開口；3-1是前段3的U型艙；3-2是前段3的兩側(cè)墻；3-3是前段3內(nèi)鏈刀6運(yùn)行的軌道；4是前段3的挖掘裝置，由傳動裝置4-1和鏈刀6組成；4-1是傳動裝置，由驅(qū)動裝置4-1-1和鏈輪4-1-2組成；4-1-1是傳動裝置4-1的驅(qū)動裝置；4-1-2是傳動裝置4-1的鏈輪；5是掘進(jìn)段3的后艙；6是組成挖掘裝置4的鏈刀；6-1是組成鏈刀6的鏈條，包括履帶、繩索和柔性帶；6-1-1是組成鏈條6-1的十字節(jié)的A十字節(jié)；6-1-2是組成鏈條6-1的十字節(jié)的B十字節(jié)；6-1B是組成鏈刀6的柔性帶；6-2是固定在鏈條6-1上的挖掘巖土的刀具；6-2B是固定在柔性帶6-1B上的挖掘巖土的刀具；7是挖掘機(jī)；7-1是在兩側(cè)墻的上方設(shè)有挖掘機(jī)7行走的軌道；8是隧道基礎(chǔ)處理段；9是工作井；10是管節(jié)；11是前段3和后艙5間設(shè)有高于水面的擋水墻；12是導(dǎo)向拉桿；13是用于導(dǎo)向拉桿12上的導(dǎo)向裝置或牽引裝置。

具體實(shí)施方式

一種水下隧道頂管掘進(jìn)裝置由頂管裝置和掘進(jìn)段組成，頂管裝置位于工作井內(nèi)；掘進(jìn)段由前段和后艙組成，后艙的下部截面與隧道截面相同，后艙下部尾端與第一管節(jié)的前端相連，后艙底面與管節(jié)底面齊平，后艙下部兩外側(cè)面與管節(jié)兩外側(cè)面平齊，施工時掘進(jìn)段的下部位于巖土中，掘進(jìn)段的上部平面高于水底，在掘進(jìn)段不但對隧道截面投影面積的巖土進(jìn)行挖掘，還對位于隧道之上的掘進(jìn)段上部截面投影面積的巖土進(jìn)行挖掘。

所述的掘進(jìn)段的上部高于水面；所述的后艙是上部開口或有蓋的室體，后艙和前段之間設(shè)有高于水面的擋水墻，后艙的下部尾端洞口與隧道相通。

所述的前段由U型艙和挖掘裝置組成，U型艙由兩側(cè)墻和底板組成，即U型艙的前部和上部均開口，U型艙的兩側(cè)墻和底板的前端均設(shè)有鏈刀運(yùn)行的軌道，挖掘裝置由傳動裝置和鏈刀組成，傳動裝置由驅(qū)動裝置和鏈輪組成，鏈刀由鏈條和固定于鏈條上的刀具組成；施工時驅(qū)動裝置驅(qū)動鏈刀，鏈刀沿著軌道運(yùn)行，U型艙前端軌道上的鏈刀僅挖掘兩側(cè)墻和底板前方的巖土。

所述的前段由兩側(cè)墻和位于兩側(cè)墻前端的挖掘裝置組成，即前段的前部和上下均開口，兩側(cè)墻的前端設(shè)有鏈刀運(yùn)行的軌道，（兩側(cè)墻還設(shè)有鏈刀運(yùn)行的軌道；）挖掘裝置由傳動裝置和鏈刀組成，傳動裝置由驅(qū)動裝置和鏈輪組成，鏈刀由鏈條和固定于鏈條上的刀具組成；施工時驅(qū)動裝置驅(qū)動鏈刀，鏈刀沿著軌道運(yùn)行，前端軌道上的鏈刀僅挖掘兩側(cè)墻前方的巖土。

所述的高于水面的兩側(cè)墻的上方設(shè)有挖掘機(jī)行走的軌道，挖掘機(jī)挖掘兩側(cè)墻內(nèi)的巖土。

所述的前段的后部設(shè)有無底板的隧道基礎(chǔ)處理段。

所述的隧道頂進(jìn)至一定的長度后，在掘進(jìn)段的后方建新的工作井，排水后拆除部分已建的臨時管節(jié)，安裝頂進(jìn)裝置，形成新的作業(yè)平臺。

所述的工作井與工作井設(shè)定的距離間或兩工作井間安裝有導(dǎo)向拉桿，所述的掘進(jìn)段的上部設(shè)有導(dǎo)向裝置和／或牽引裝置，導(dǎo)向裝置與導(dǎo)向拉桿相連或在導(dǎo)向拉桿上滑動，牽引裝置的力作用于導(dǎo)向拉桿上。

所述的施工法包括A法一端頂進(jìn)和B法兩端往中間頂進(jìn)：

A法包括如下步驟：

1）建工作井，搭建作業(yè)平臺；

2）安裝頂進(jìn)裝置和掘進(jìn)段；

3）在距離工作井設(shè)定的位置安裝導(dǎo)向拉桿安裝座，安裝導(dǎo)向拉桿；

4）將導(dǎo)向拉桿的另一端與工作井固定；

5）將掘進(jìn)段中的導(dǎo)向裝置與導(dǎo)向拉桿相連；

6）將第一管節(jié)的前端與掘進(jìn)段的尾段連接；

7）掘進(jìn)段挖掘前方的巖土，頂進(jìn)裝置頂推管節(jié)的尾端，管節(jié)向前運(yùn)行；

8）第一管節(jié)頂推至設(shè)定距離后，頂進(jìn)裝置縮回，放下第二管節(jié)，將第二管節(jié)的頭部與第一管節(jié)的尾部相連；

9）掘進(jìn)段繼續(xù)挖掘前方的巖土，頂進(jìn)裝置頂推第二管節(jié)的尾端，管節(jié)向前運(yùn)動；

10）重復(fù)上述動作，完成全部管節(jié)的施工；

B法包括如下步驟：

1）建兩工作井，搭建作業(yè)平臺；

2）安裝頂進(jìn)裝置和掘進(jìn)段；

3）在兩工作井間安裝導(dǎo)向拉桿；

4）將導(dǎo)向拉桿的兩端分別與兩工作井固定；

5）將掘進(jìn)段的導(dǎo)向裝置與導(dǎo)向拉桿相連；

6）在兩工作井內(nèi)，分別將各自的第一管節(jié)前端與兩掘進(jìn)段的尾段連接；

7）掘進(jìn)段挖掘前方的巖土，頂進(jìn)裝置頂推管節(jié)的尾端，管節(jié)向前運(yùn)行；

8）第一管節(jié)頂推至設(shè)定距離后，頂進(jìn)裝置縮回，放下第二管節(jié)，將第二管節(jié)的頭部與第一管節(jié)的尾部相連；

9）掘進(jìn)段繼續(xù)挖掘前方的巖土，頂進(jìn)裝置頂推第二管節(jié)的尾端，管節(jié)向前運(yùn)動；

10）重復(fù)上述動作，完成全部管節(jié)的施工；

所述的隧道上部在水底之上或淤泥之中。

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明：

如圖1～圖5所示，頂管掘進(jìn)裝置由頂管裝置1和掘進(jìn)段2組成，頂管裝置1位于工作井9內(nèi)；掘進(jìn)段2由前段3A和后艙5組成，后艙5的下部截面與隧道截面相同，后艙5下部尾端與第一管節(jié)10的前端相連，后艙5底面與管節(jié)10底面齊平，后艙5下部兩外側(cè)面與管節(jié)兩外側(cè)面平齊，施工時掘進(jìn)段2的下部位于巖土中，掘進(jìn)段的上部平面高于水底，在掘進(jìn)段不但對隧道截面投影面積的巖土進(jìn)行挖掘，還對位于隧道之上的掘進(jìn)段上部截面投影面積的巖土進(jìn)行挖掘。

如圖1～圖5所示，前段3A由U型艙3-1和挖掘裝置4組成，U型艙3-1由兩側(cè)墻和底板組成，即U型艙3-1的前部和上部均開口，U型艙3-1的兩側(cè)墻和底板的前端均設(shè)有鏈刀6運(yùn)行的軌道3-3，挖掘裝置4由傳動裝置4-1和鏈刀6組成，傳動裝置4-1由驅(qū)動裝置4-1-1和鏈輪4-1-2組成，鏈刀6由鏈條6-1和固定于鏈條6-1上的刀具6-2組成；施工時驅(qū)動裝置驅(qū)動鏈刀6，鏈刀6沿著軌道3-3運(yùn)行，U型艙3-1前端軌道上的鏈刀6僅挖掘兩側(cè)墻和底板前方的巖土。

如圖4所示，掘進(jìn)段2的上部高于水面，后艙5是上部開口或有蓋的室體，后艙5和前段2之間設(shè)有高于水面的擋水墻11；高于水面的兩側(cè)墻3-2的上方設(shè)有挖掘機(jī)7行走的軌道7-1，挖掘機(jī)7挖掘兩側(cè)墻內(nèi)的巖土，如果有需要，增加挖泥船配合施工。

如圖6所示，前段3的后部設(shè)有無底板的隧道基礎(chǔ)處理段8，后艙5的下部尾端洞口與隧道的管節(jié)10相通，抽水后形成人行通道。

如圖7所示，前段3B由兩側(cè)墻3-2和位于兩側(cè)墻前端的挖掘裝置4組成，即前段的前部和上下均開口，兩側(cè)墻3-2的前端設(shè)有鏈刀6運(yùn)行的軌道3-2，挖掘裝置4由傳動裝置4-1和鏈刀6組成，傳動裝置4-1由驅(qū)動裝置4-1-1和鏈輪4-1-2組成，鏈刀6由鏈條6-1和固定于鏈條6-1上的刀具6-2組成；施工時驅(qū)動裝置4-1-1驅(qū)動鏈刀6，鏈刀6沿著軌道3-3運(yùn)行，前端軌道3-3上的鏈刀6僅挖掘兩側(cè)墻前方的巖土。

如圖8～圖11所示，A施工法是一端頂進(jìn)，括如下步驟：

1）建工作井9搭建作業(yè)平臺；

2）安裝頂進(jìn)裝置1和掘進(jìn)段2；

3）在距離工作井設(shè)定的位置安裝導(dǎo)向拉桿12安裝座，安裝導(dǎo)向拉桿12；

4）將導(dǎo)向拉桿12的另一端與工作井固定；

5）將掘進(jìn)段2中的導(dǎo)向裝置13與導(dǎo)向拉桿12相連；

6）將第一管節(jié)10的前端與掘進(jìn)段2的尾段連接；

7）掘進(jìn)段2挖掘前方的巖土，頂進(jìn)裝置1頂推管節(jié)10的尾端，管節(jié)10向前運(yùn)行；

8）第一管節(jié)10頂推至設(shè)定距離后，頂進(jìn)裝置1縮回，放下第二管節(jié)10，將第二管節(jié)10的頭部與第一管節(jié)10的尾部相連；

9）掘進(jìn)段2繼續(xù)挖掘前方的巖土，頂進(jìn)裝置頂1推第二管節(jié)10的尾端，管節(jié)向前運(yùn)動；

10）重復(fù)上述動作，完成全部管節(jié)10的施工。

如圖12～圖15所示，B施工法是兩端往中間頂進(jìn)，括如下步驟：

1）建兩工作井9，搭建作業(yè)平臺；

2）安裝頂進(jìn)裝置1和掘進(jìn)段2；

3）在兩工作井間9安裝導(dǎo)向拉桿12；

4）將導(dǎo)向拉桿12的兩端分別與兩工作井9固定；

5）將掘進(jìn)段2的導(dǎo)向裝置13與導(dǎo)向拉桿12相連；

6）在兩工作井9內(nèi)，分別將各自的第一管節(jié)10前端與兩掘進(jìn)段2的尾段連接；

7）掘進(jìn)段挖2掘前方的巖土，頂進(jìn)裝置1頂推管節(jié)10的尾端，管節(jié)10向前運(yùn)行；

8）第一管節(jié)10頂推至設(shè)定距離后，頂進(jìn)裝置1縮回，放下第二管節(jié)10，將第二管節(jié)10的頭部與第一管節(jié)10的尾部相連；

9）掘進(jìn)段2繼續(xù)挖掘前方的巖土，頂進(jìn)裝置頂1推第二管節(jié)10的尾端，管節(jié)10向前運(yùn)動；

10）重復(fù)上述動作，完成全部管節(jié)10的施工。

如圖16所示，隧道頂進(jìn)至一定的長度后，在掘進(jìn)段2的后方建新的工作井9，排水后拆除部分已建的臨時管節(jié)10，安裝頂進(jìn)裝置1，形成新的作業(yè)平臺。