气动小口径顶管技术在管道施工中的应用及改进

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1、气动小口径顶管施工原理
% a! w: `6 [7 i& j. ^　　1.1 气动小口径顶管施工概述
7 L' F+ A3 |. f) Z; S　　洛阳市老城区改造工程，在爽明街口横穿中州大道铺设长16.5m、直径800mm的污水钢管。该路面车辆流量大，路面为混凝土，厚度约30cm。混凝土垫层以下主要是湿陷性黄土，地下水水位较低。由于地表以下5m之内有沿中州路方向铺设的污水干管和自来水管道，因此决定采用非开挖气动小口径顶管技术在埋深3.5m的地方铺设污水钢管。
　　气动锤击式小口径给排水管道穿越道路、建筑物、铁路、河道等的施工都适用，且适用于各种各样的地层。图1为小口径气动顶管施工示意图。

　　1.2 气动顶管工作原理
; t, K2 @$ }) M6 m5 w　　气动顶管设备的动力来源主要是压缩空气，其工作原理为利用压缩空气来推动设备汽缸内的锤体作往复运动，锤体受气压后产生的冲击力推动设备前进，设备再将冲击力传到管道上，使管道向前顶进。当锤体运动到前方极限后，缸内自动换气阀将进气方向改变，使锤体向后运动，由设备内的特殊减振装置及管道与周围土体的摩擦力将反力抵消，因此设备推动管道基本连续地向前顶进。当需要进行设备反打时，可通过改变气体进入设备的方式来改变锤体的运动方向。
　　为了使气动顶管设备壳体内的活塞（锤头）在运动过程中保持良好的润滑状态，在从空气压缩机接出来的软管与顶管之间，接有一润滑油壶，可以定量地向顶管机内滴润滑油保持润滑。
8 c/ k- [) y$ O" _1 r5 [$ b( c　　2、气动小口径顶管施工工艺
- O( [2 x; u4 F0 p, i; e% J0 X3 c　　气动小口径顶管施工基本工艺如图2所示。

; U' ?+ T' |/ P5 H1 t* B* \2 b　　2.1 工作坑的布置
　　根据管道布置、检查井的设置、地形及地表建筑物分布的情况，设置一个顶管工作坑和一个接受坑。工作坑确定为4m×4m×6m，坑底两侧设置为1m×1m ×1m焊接工作坑，工作坑基础使用碎石道床，道床厚度≥350mm，道床上安装枕木，枕木规格150mm×200mm×2500mm，间距500mm，以防止工作坑下沉，造成顶进位置偏差。
6 A+ q5 K! D0 I　　轨道采用35kg/m钢轨，左右各一根，轨长6m，轨距392mm。钢管底部距枕木顶40mm，由于受工作坑的限制，钢管每节长为2m。
　　2.2 顶进设备选择
　　顶进设备主要包括多年锤击式掘进机、空压机、锁紧件、工具管、管材等，锤击式掘进机主要包括主机、导气管、气阀门、扩空器等。选用一般的工业用空压机作为动力源，如果供气量较小，可加装大的储气包，以满足设备正常工作所需的压缩空气量。锁紧件是连接设备与管道的钢质元件，嵌套在管的内壁，与管道及设备的头部吻合连接，有圆锥环、三瓣环。工具管是推进管前安装的带刃口的管子，具有挖土保护和纠偏功能，在小口径顶管中，习惯称之为刀头或切土头。它套在管节的前端，制成不同直径的圆环，其外径比推进的钢管略大，刃口比较尖，入土较为容易。
9 p5 C5 J3 z2 p5 p) W0 v4 C- v5 ^　　由于顶打时设备的冲击力很大，锤击频率较高，管子在被顶进的过程中会产生很大的振频颤，如果管子被打裂，不但影响顶进的速度，而且会直接影响后续气压吹土的正常进行。在以前的气动顶管施工中，曾出现过管子被打裂、吹土漏气及管子与管内土一起被吹出等问题，直接导致顶管施工的失效。因此在此类顶管施工中，管材应选用螺旋卷或无缝钢管，本工程采用了直径800mm无缝钢管。
　　2.3 顶进施工
6 ]$ ]1 h4 d  T$ @- W" ^4 h　　工作坑内设备安装完毕，经检查各部位处于良好状态，即可进行开挖和顶进。刚开始顶打时，由于管道和土之间没有摩擦力或摩阻很小，易引起管道在原地的往复运动而使前进速度很慢或不前进，这时应减少供气量进行顶打，当被顶管子进入土内不再后退时，再恢复正常供气。管道顶进过程中内外壁要保持润滑，以减小管壁间摩擦力，这是提高顶打速度及施工效率的重要手段。管子在焊接完毕后应有足够的冷却时间，不能焊完后立即顶打，以防止产生裂纹甚至断裂，影响后期的气体排土。
8 c' g* Q. a4 }4 K8 ~( K5 J- o7 y0 T　　2.4 顶进误差调整
0 G' D0 ^9 F% W5 X# s　　在工作坑内设有水准点和预设的方向线，采用激光水准仪直接测量前端管底高程和方向。每顶进50cm时测量一次，如果在顶进中发现偏差，利用纠偏千斤顶进行校正，使其复位。
- Z- F* o: J1 \6 T　　3、工艺改进
　　针对施工中暴露出的诸如土头利用率不高、出土困难、减摩复杂等问题，对施工工艺进行了探索和改进，取得了良好的效果。
　　3.1 切土头的改进
# \) H& K9 C6 [　　原施工工艺是将顶管切土头安装在第一节管的前端（其外径略大于施工管外径30mm左右），对于现场含水量较低的黏土，在其切土头顶进过程中，管子顶部及管内土体塌陷的可能性较小，因而不会引起管端及管顶所受土压力的变化，保证管子轴线方向的稳定。同时，因切土头的扩孔作用减弱了其后管壁与土体之间的摩擦力，提高了管子的顶进速度。在以前的施工中，为适应顶打不同管径的需要，往往找专业厂家制作许多不同类的切土头，其中有许多仅使用一次就束之高阁，浪费很大。为节省施工经费，对切土头进行改进，直接将顶进管改造成切土头，避免了专业厂家购买不同直径切土头的麻烦。方法是用15mm厚、150mm宽的钢板焊接在所顶打管子前端的内、外壁，然后用气割将管头割出刀锋状代替切土头，其结构见图3。改造后的切土头在顶管施工中应用效果良好，基本上达到了专用切土头的水准，节约了施工成本。

　　3.2 出土改进
　　小口径顶管施工最关键的一步就是管内土的清除工作，顶打工作结束后，如果管内土不能清出，将会前功尽弃，造成极大的浪费。过去的顶管取土多为水冲法和水平螺旋钻法，出土效率较低，针对这种情况采用了气压排土技术。
气压排土包括2个步骤：
' D. d' B: A" }8 a5 r　　（1）利用水和细沙将管内土与钢管的内壁分离，将土的黏附力降到最小。
　　对于管内土比较密实的情况，为减少土体和管壁的黏附，须在顶打之前对管子进行适当的处理，以利于泥壁分离。在该工程中采用顶管时在管内适当地加入水和细沙的方法以有效提高泥壁分离效果，特别有利于气体排土。
　　（2）利用高压气体排出土体，见图4。

/ ?. k" b/ ^! i0 H　　管内土与钢管壁分离后，在接受坑端先将管内土掏出一部分（以有利于堵板焊接后能加入更多的水），然后将堵板焊接在管端，由进水口放入一部分水，通过空压机和清土设备连接在堵板上的进气口加入高压空气排土，实践证明了对长度不超过20m的小口径钢管排土效果良好。
　　3.3 减摩
　　在含水量较低的土体特别是在黏土中顶管时，管体内外壁的润滑特别重要，如果内外壁的减摩效果好，可以大大加快管子的顶进速度，同时也可以使顶进长度加大。
! ?$ ?) q* K3 A) t- q　　传统的注浆工艺因费用大，不适用于短距离、小口径的顶管施工。在实际生产中试验用水润滑的方法进行施工，利用捶击振动作用将管子内外壁黏附的泥土变为润滑的泥浆，其效果完全可以与膨润土注浆工艺相媲美，使顶进工作变得既经济又快捷。
+ q- @2 x! K2 k/ ^# v  F　　在管外壁互成120°方向上各焊接一根普通的家用自来水管，出水口朝向管尾，顺管子顶进方向设置。管内壁则可任意焊接一水管，4条水管离切土头约5m左右。顶进时打开水阀向管内外注水（用普通自来水压即可）。并根据顶进的速度及尾部出水情况控制水量，其控制及安装极为方便。
　　4、结论
6 J+ Z  @1 l! Q. D0 g0 W　　在该工程施工中，由于工程的设置深度大、管径小、地层结构复杂，而且管道横穿交通运输干线，所以采用了气动锤击式小口径顶管技术。在施工中没有影响道路交通和商业经营，对地面构筑物影响非常小，收到了较好的经济效益和良好的社会效益。该施工技术的主要特点是：
; z2 t1 c" H% Q　　（1）利用开口顶打，用切土器切削土体，将管道前方的土收进管内，对施工区的地面扰动小，顶进速度快。
　　（2）利用空压机所产生的气体做动力，比较方便、快捷。
. j. M/ L; E  O- ]+ B　　（3）设备轻巧、装拆方便，便于保养及维修。
9 [, i, K% i; g7 E7 B5 i, }& M　　（4）管道顶进不需要反力墙，施工简便。
　　特别是在施工中根据现场具体情况，对切土头、排土技术、减摩技术进行了改进，取得了良好的效果，在小口径顶管施工中值得推广。
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