本实用新型涉及顶管作业设备技术领域，具体涉及适于在砂卵石地层进行作业的顶管机。

背景技术：

顶管施工是一种非开挖施工方法，能够不开挖或者少开挖而实现管道埋设，它通过在工作坑内借助于主顶油缸及中继间顶进设备产生的顶力，克服迎面阻力及管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的方向顶入土中，并将土方运走。顶管掘进主要包括人工挖掘、挤压掘进和机械挖掘。但是，目前在砂卵石地层顶管时还没有较理想的顶管机械和顶管方法，特别是在大粒径砂卵石地层中，进行大口径、长距离顶管作业时，人工顶管效率低，风险大，机械顶管成本高。

在砂卵石地层顶管施工时，格栅挤压式顶管无法克服砂卵石的迎面阻力，无法掘进。人工顶管时需超前掏挖，在砂卵石地层时不能形成卸荷拱，会造成管前阶梯式坍塌，滚动式挤压。人工开挖风险大，进度慢，超挖量大，易造成地面沉降。

目前，通常采用土压平衡和泥水平衡式顶管掘进机，土压平衡通常采用的是有轴螺旋输送机、矿车和皮带输送机；运输过程复杂，而泥水平衡采用的是排泥管道排出泥水，再通过地面泥水分离站分离泥石和水，其设备昂贵，占地面积大，不适宜狭隘施工场地，整体成本略高，且在使用的过程中存在排泥管道堵塞的可能。施工场地需要有水源，排出的泥浆需二次处理。

现有的掘进机械（土压平衡、泥水平衡、气压平衡机等）遇大粒径砂卵石时，须经多次破碎，制造和使用成本高。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种能够高效开挖砂卵石，防止输送机堵死，运料能耗较低的砂卵石顶管机。

为实现上述目的，本实用新型的砂卵石顶管机以顶管施工方向为前向，由前至后依次包括有同轴线设置的工具管、中继间和工作管，工作管后端设有用于向前推动工作管的后千斤顶；

工具管的外径大于工作管的外径且两者的差值为40±2毫米；

工具管前端设有刃口朝前的环刀，环刀倾斜设置且其刃口所在平面与水平面的夹角为α，α小于施工所在地砂卵石的自然休止角；

中继间包括有前承管和后插管，中继间前承管的外径与工具管的外径相同，中继间后插管的外径与工作管的外径相同，前承管套设于后插管外部，且前承管的后端位于后插管的前方；前承管通过前承压环固定连接在工具管后端，后插管通过后承压环固定连接在工作管前端；前承管后端与后插管后端之间形成台阶形结构；前承管与后插管之间围成环形空腔，环形空腔前端设有用于在前承管与后插管之间形成密封的密封圈；后插管前端外壁设有环形的安装槽，密封圈嵌设在安装槽内；

密封圈后方的后插管上设有注浆口，注浆口连接有注浆管；注浆管沿中继间和工作管的内部伸出工作管并连接有注浆泵，注浆泵连接有盛有触变泥浆的泥浆容器；

后承压环向前连接有用于向前顶推工具管和前承管的前千斤顶，前千斤顶的伸出杆与前承压环的后表面相压接；前千斤顶沿后承压环的周向均匀设有多个；后插管向下连接有与所述前千斤顶相对应的悬吊架，各前千斤顶均连接在悬吊架上；各前千斤顶的最大顶伸长度均为H米；

前承压环的底部向上连接有挡板，挡板呈扇环形且其圆心位于工具管的轴线上；挡板向上支撑有无轴螺旋输送机；无轴螺旋输送机前低后高设置且其前端位于工具管的前端底部，无轴螺旋输送机的后端位于工作管顶部，无轴螺旋输送机的前端为其进料口且其后端为出料口；

工作管内的无轴螺旋输送机向下连接有前限位板和后限位板，前限位板位于后限位板的前方；工作管内设有用于运送砂卵石的电动斗车，

工具管的掘进断面面积为S平方米，电动斗车的容积为V立方米；前限位板和后限位板之间的距离为L米，L=V/S；H为L的整倍数；

电动斗车前端向上连接有限位开关，限位开关与前限位板和后限位板对应设置；

所述工具管、中继间和工作管的轴线具有前高后低的坡度；

中继间前承管的外径与工具管相同，中继间后插管的外径与工作管相同，前承管的后端位于后插管后端的前方。

前承压环和后承压环的截面均呈中空的矩形且均由钢板制成。

所述注浆口沿后插管的周向均匀设有6－10个，注浆管包括注浆总管和与注浆总管相连接的若干注浆分管，注浆分管与注浆口的数量相同且二者一一对应连通。

沿后承压环的周向每400±3毫米设置有一个前千斤顶，对应于每个前千斤顶所述悬吊架前后间隔设有两个。

所述工具管为双层结构，包括同轴线套设在一起的外管和内管，外管和内管的前端均与环刀相连接，外管和内管的后端均与前承压环相连接；内管的外径比外管的内径小100毫米，内管和外管之间连接有加强筋。

还包括有电控装置和压力传感器，台阶形结构处的后插管上嵌设有用于感应触变泥浆压力的压力传感器；

电控装置连接所述压力传感器、限位开关、各前千斤顶、无轴螺旋输送机、注浆泵和电动斗车。

工具管的外管和内管均由厚10毫米的钢板制成，工具管外管外径与内管内径之间的差值为120±2毫米；挡板为20±1毫米厚的钢板，挡板焊接在前承压环上；无轴螺旋输送机的叶片直径为500毫米，叶片螺距为400毫米，叶片由耐磨钢板制成且其厚度为30毫米；前承管与后插管之间围成的环形空腔的径向厚度为10毫米；前承管和后插管均由厚10毫米的钢板制成；前承管后端面设有45度坡口。

本实用新型具有如下的优点：

中继间安装在工具管后端，工具管前端是硬质合金制成的环刀，强大的推力使环刀劈裂大粒径砂卵石，避免了人工掏挖或高成本的机械切削；本实用新型利用中继间千斤顶对工具管进行纠偏，增大纠偏力矩，纠偏作业准确高效。

倾斜环刀的超前挤压切削，使天然的砂卵石具有流塑性，砂卵石自动流入无轴螺旋输送机进料口，避免了人工开挖或机械开挖。螺旋输送机进料口安装在砂卵石自然休止角坡脚处，并和环刀同步前移，不会因为旋挖速度太快造成工具管管前塌方。

采用U型无轴螺旋输送机解决了大粒径砂卵石装车的难题。

电动斗车前端安装限位开关，利用管底前高后低的坡度，使电动斗车实现了重车下坡出洞空车上坡进洞，高效节能。

注浆口设在后插管前端，触变泥浆经过前承管与后插管之间围成环形空腔挤出，变成均匀的泥浆套，及时填充工具管前进后留下的间隙，防止工作管顶部隐蔽性的坍塌和泥浆的额外流失。

挡板不但起到固定无轴螺旋输送机的作用，还和工具管管腔围成集料斗。有地下水时，集料斗还具有沉淀池的功能，使杂物沉淀在集料斗内，而水分则能够溢流通过挡板向后流走。

所述工具管、中继间和工作管的轴线具有前高后低的坡度，保证顶进施工时从低到高进行顶进作业。砂卵石具有流塑性，砂卵石从高到低易于自动流入无轴螺旋输送机的进料口；地下水进入工具管后，在挡板前沉淀后向后溢流，经工作管管底自流至工作井集水坑，起到降排水作用；电瓶斗车空载上坡，重载下坡，节约电量，加快运输速度。

密封圈嵌设在安装槽内，可以防止前承管向前移动时密封圈掉落、密封失效的现象。

工具管的掘进断面面积为S平方米，电动斗车的容积为V立方米；前限位板和后限位板之间的距离为L米，L=V/S；这样可以使单次向前顶进的距离与电动斗车的容积相适配，每向前顶进L米时，刚好装满一辆电动斗车。

如果每次顶进距离小于L米，则电动斗车每进出一次所能运输的物料减少，浪费了电动斗车的部分运输能力；如果每次顶进距离长于L米，则电动斗车装不下顶进时无轴螺旋输送机输送进来的砂卵石，会出现砂卵石从电动斗车上溢流至工作管内的情况。

H为L的整倍数；这样可以达到最佳的工作效率，不会出现电动斗车未装满时各前千斤顶达到最大顶伸长度的现象，保证任意一次顶进中，各前千斤顶达到最大顶伸长度时，电动斗车恰好装满砂卵石。

α小于施工所在地砂卵石的自然休止角，可以保证在向前顶进时，环刀和工具管的上端先于下端插入砂卵石中，从而使环刀和工具管的上端起到支撑作用，防止发生冒顶现象，即防止上部砂卵石向下过快泄落、螺旋输送机来不及输料，进而造成工具管堵死现象。由于环刀和工具管的上端先于下端插入砂卵石中，因而上部砂卵石即便有向下快速泄落的趋势，也会被工具管支撑住，不会出现砂卵石泄落入工具管的速度大于螺旋输送机的输送速度的现象，避免发生堵死现象。

注浆管包括注浆总管和与注浆总管相连接的若干注浆分管，注浆分管与注浆口的数量相同且二者一一对应连通。这种设置可以在周向方向上同时进行注浆，浆液能够成为均匀的泥浆套，均匀地进入砂卵石中，及时填充工具管前进后留下的空隙，防止工作管顶部砂卵石隐蔽性的坍塌和泥浆的额外流失。一旦砂卵石坍塌，顶进阻力就会大大增加，提高顶进施工时的能耗。因此，本实用新型能够防止顶进施工时能耗过高。

本实用新型的顶管施工方法工序安排合理，每次各前千斤顶向前顶伸的长度由零达到其最大顶伸长度H米时完成一次大循环，每次各前千斤顶向前顶伸的长度达到L米时完成一次小循环，若干小循环完成一次大循环，且每个大循环中包含的小循环的数量恰好为整数，不会出现大循环末尾的小循环中，电动斗车装不满料的情况，保证每个小循环中电动斗车都恰好装满料，这样顶进作业与电动斗车装料作业达到了最优适配。

附图说明

图1是本实用新型的砂卵石顶管机的结构示意图；

图2是图1中中继间处的放大图；

图3是注浆管与注浆口相连接的结构示意图；

图4是图2中A处的放大图。

具体实施方式

图1中箭头所示方向为顶进方向。

如图1至图4所示，本实用新型的砂卵石顶管机以顶管施工方向为前向，由前至后依次包括有同轴线设置的工具管1、中继间2和工作管3，工作管3后端设有用于向前推动工作管3的后千斤顶；千斤顶为常规装置，图未示后千斤顶。

工具管1的外径大于工作管3的外径且两者的差值为40±2毫米；

工具管1前端设有刃口朝前的环刀4，环刀4倾斜设置且其刃口所在平面与水平面的夹角为α，α小于施工所在地砂卵石的自然休止角；如α为40度。α小于施工所在地砂卵石的自然休止角，可以保证在向前顶进时，环刀4和工具管1的上端先于下端插入砂卵石中，从而使环刀4和工具管1的上端起到支撑作用，防止发生冒顶现象，即防止上部砂卵石向下过快泄落、螺旋输送机来不及输料，进而造成工具管1堵死现象。由于环刀4和工具管1的上端先于下端插入砂卵石中，因而上部砂卵石即便有向下快速泄落的趋势，也会被工具管1支撑住，不会出现砂卵石泄落入工具管1的速度大于螺旋输送机的输送速度的现象，避免发生堵死现象。

中继间2包括有前承管5和后插管6，中继间前承管5的外径与工具管1的外径相同，中继间2后插管6的外径与工作管3的外径相同，前承管5套设于后插管6外部，且前承管5的后端位于后插管6的前方；前承管5通过前承压环7固定连接在工具管1后端，后插管6通过后承压环8固定连接在工作管3前端；前承管5后端与后插管6后端之间形成台阶形结构9；前承管5与后插管6之间围成环形空腔10，环形空腔10前端设有用于在前承管5与后插管6之间形成密封的密封圈11；后插管6前端外壁设有环形的安装槽12，密封圈11嵌设在安装槽12内；

密封圈11后方的后插管6上设有注浆口13，注浆口13连接有注浆管；注浆管沿中继间2和工作管3的内部伸出工作管3并连接有注浆泵，注浆泵连接有盛有触变泥浆的泥浆容器；注浆泵和泥浆容器均为常规装置，图未示。

后承压环8向前连接有用于向前顶推工具管1和前承管5的前千斤顶14，前千斤顶14的伸出杆与前承压环7的后表面相压接；前千斤顶14沿后承压环8的周向均匀设有多个；后插管6向下连接有与所述前千斤顶14相对应的悬吊架15，各前千斤顶14均连接在悬吊架15上；各前千斤顶14的最大顶伸长度均为H米；

注浆泵和泥浆容器均为常规装置，图未示。

前承压环7的底部向上连接有挡板16，挡板16呈扇环形且其圆心位于工具管1的轴线上；挡板16向上支撑有无轴螺旋输送机17；无轴螺旋输送机17前低后高设置且其前端位于工具管1的前端底部，无轴螺旋输送机17的后端位于工作管3顶部，无轴螺旋输送机17的前端为其进料口18且其后端为出料口19；

工作管3内的无轴螺旋输送机17向下连接有前限位板20和后限位板21，前限位板20位于后限位板21的前方；工作管3内设有用于运送砂卵石的电动斗车22，电动斗车22位于出料口19的下方；

工具管1的掘进断面面积为S平方米，电动斗车22的容积为V立方米；前限位板20和后限位板21之间的距离为L米，L=V/S；H为L的整倍数；这样可以达到最佳的工作效率，不会出现电动斗车22未装满时各前千斤顶14达到最大顶伸长度的现象，保证各前千斤顶14达到最大顶伸长度时，电动斗车22恰好装满砂卵石。

电动斗车22前端向上连接有限位开关，限位开关与前限位板20和后限位板21对应设置；限位开关为常规装置，图1中其位置与前限位板20相邻，图中不再详示。

所述工具管1、中继间2和工作管3的轴线具有前高后低的坡度；该坡度小于等于2%。

中继间2前承管5的外径与工具管1相同，中继间2后插管6的外径与工作管3相同，前承管5的后端位于后插管6后端的前方13±1毫米，在前承管5后端与后插管6后端之间形成所述台阶形结构9。

前承压环7和后承压环8的截面均呈中空的矩形且均由厚15毫米的钢板制成。这样的结构强度较高且消耗材料较少。

所述注浆口13沿后插管6的周向均匀设有6－10个，优选8个。注浆管包括注浆总管23和与注浆总管23相连接的若干注浆分管24，注浆分管24与注浆口13的数量相同且二者一一对应连通。具体设置时，各注浆分管24应绕开无轴螺旋输送机等其他装置。当然，也可由一环形管连通各注浆口13，再由注浆总管与该环形管相连通。

这种设置可以在周向方向上同时进行注浆，浆液能够成为均匀的泥浆套，均匀地进入砂卵石中，及时填充工具管1前进后留下的空隙，防止工作管3顶部砂卵石隐蔽性的坍塌和泥浆的额外流失。一旦砂卵石坍塌，顶进阻力就会大大增加，提高顶进施工时的能耗。因此，本实用新型能够防止顶进施工时能耗过高。

沿后承压环8的周向每400±3毫米设置有一个前千斤顶14，对应于每个前千斤顶14所述悬吊架15前后间隔设有两个。

所述工具管1为双层结构，包括同轴线套设在一起的外管25和内管26，外管25和内管26的前端均与环刀4相连接，外管25和内管26的后端均与前承压环7相连接；内管26的外径比外管25的内径小100毫米，内管26和外管25之间连接有加强筋。加强筋为常规结构，图未。

工具管1的结构强度较高，能够承受较大的顶推力以及上部负载（承受更大的上方砂卵石压力）。

还包括有电控装置和压力传感器，台阶形结构9处的后插管6上嵌设有用于感应触变泥浆压力的压力传感器；

电控装置连接所述压力传感器、限位开关、各前千斤顶14、无轴螺旋输送机17、注浆泵和电动斗车22。

电控装置采用51或52单片机。电控装置、压力传感器、限位开关和注浆泵均为常规装置，图未示。

工具管1的外管25和内管26均由厚10毫米的钢板制成，工具管1外管25外径与内管26内径之间的差值为120±2毫米；挡板16为20±1毫米厚的钢板，挡板16焊接在前承压环7上；无轴螺旋输送机17的叶片直径为500毫米，叶片螺距为400毫米，叶片由耐磨钢板制成且其厚度为30毫米；前承管5与后插管6之间围成的环形空腔10的径向厚度为10毫米；前承管5和后插管6均由厚10毫米的钢板制成；前承管5后端面设有45度坡口。

本实用新型还公开了使用上述砂卵石顶管机进行的顶管施工方法，按以下步骤进行：

第一步骤是测量和纠偏；

向前顶进前，测量工具管1的顶进方向，如工具管1偏离顶进方向，则利用中继间2各前千斤顶14对工具管1纠偏作业；如工具管1向上偏离，则启动位于上部的前千斤顶14向前顶进，使得工具管1的轴线向下旋转至顶进方向。如工具管1向左偏离，则启动位于左部的前千斤顶14向前顶进，使得工具管1的轴线向右旋转至顶进方向。简单地说，向什么方向偏离，就启动什么方向的前千斤顶14进行纠偏，确保电动斗车22的限位开关位于前限位板20处；

第二步骤是注浆，电控装置启动注浆泵，触变泥浆通过前承管5与后插管6之间的环形空腔10后形成均匀的环形泥浆套，进入前承管5后端与后插管6后端之间形成台阶形结构9处；

第三步骤是向前顶进L米；

当压力传感器感应到的触变泥浆的压力大于等于0.1MPa时，电控装置启动各前千斤顶14和无轴螺旋输送机17，保持注浆泵处于开启状态，向前顶进前承压环7和工具管1，同时带动前承管5；前承管5相对后插管6向前移动的过程中，密封圈11在前承管5与后插管6之间保持有效密封；触变泥浆及时填充工具管1和前承管5向前顶进后留下的空隙，防止工作管3顶部砂卵石发生隐蔽性的坍塌；工具管1向前推进时，在压力的作用下环刀4将前方的大粒径砂卵石劈裂；

工具管1向前顶进时，砂卵石通过环刀4后进入无轴螺旋输送机17的进料口18，然后通过无轴螺旋输送机17的出料口19后向下落入电动斗车22；

向前顶进L米时，落入电动斗车22的砂卵石的体积为L*S＝V，恰好装满电动斗车22，且后限位板21正好与限位开关压接，此时电控装置停止各前千斤顶14、注浆泵和无轴螺旋输送机17；

第四步骤是重车出洞和空车返回；

电控装置控制电动斗车22向后将砂卵石运送出工作管3；由于工具管1、中继间2和工作管3的轴线具有前高后低的坡度，因此电动斗车22满载时为下坡出洞；

电动斗车22将砂卵石运送出工作管3、工作人员进行卸料后，电动斗车22在电控装置的控制下向前返回工作管3，直到限位开关触碰到前限位板20时，电控装置控制电动斗车22停止；

重复进行第二至第四步骤，直到各前千斤顶14向前顶伸的长度达到其最大顶伸长度H米时，进行第五步骤；由于H为L的整倍数，因此不会出现电动斗车22未装满时各前千斤顶14达到最大顶伸长度的现象，保证各前千斤顶14达到最大顶伸长度时，电动斗车22恰好装满砂卵石，执行完一次第四步骤，从而达到最佳的工作效率。

第五步骤是向前推动工作管3；

启动后千斤顶，向向前推动工作管3，同时控制前千斤顶14的伸出杆缩回前千斤顶14的缸体，使工作管3前进H米；

重复进行第一至第五步骤，直到顶管施工完毕。

以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。