氣動(dòng)小口徑頂管技術(shù)在管道施工中的應用及改進(jìn)
1 氣動(dòng)小口徑頂管施工原理
1.1 氣動(dòng)小口徑頂管施工概述 洛陽(yáng)市老城區改造工程,在爽明街口橫穿中州大道鋪設長(cháng)16.5m、直徑800mm的污水鋼管。該路面車(chē)輛流量大,路面為混凝土,厚度約30cm?;炷翂|層以下主要是濕陷性黃土,地下水水位較低。由于地表以下5m之內有沿中州路方向鋪設的污水干管和自來(lái)水管道,因此決定采用非開(kāi)挖氣動(dòng)小口徑頂管技術(shù)在埋深3.5m的地方鋪設污水鋼管?! 鈩?dòng)錘擊式小口徑給排水管道穿越道路、建筑物、鐵路、河道等的施工都適用,且適用于各種各樣的地層。圖1為小口徑氣動(dòng)頂管施工示意圖。
1.2 氣動(dòng)頂管工作原理 氣動(dòng)頂管設備的動(dòng)力來(lái)源主要是壓縮空氣,其工作原理為利用壓縮空氣來(lái)推動(dòng)設備汽缸內的錘體作往復運動(dòng),錘體受氣壓后產(chǎn)生的沖擊力推動(dòng)設備前進(jìn),設備再將沖擊力傳到管道上,使管道向前頂進(jìn)。當錘體運動(dòng)到前方J限后,缸內自動(dòng)換氣閥將進(jìn)氣方向改變,使錘體向后運動(dòng),由設備內的特殊減振裝置及管道與周?chē)馏w的摩擦力將反力抵消,因此設備推動(dòng)管道基本連續地向前頂進(jìn)。當需要進(jìn)行設備反打時(shí),可通過(guò)改變氣體進(jìn)入設備的方式來(lái)改變錘體的運動(dòng)方向。
為了使氣動(dòng)頂管設備殼體內的活塞(錘頭)在運動(dòng)過(guò)程中保持良好的潤滑狀態(tài),在從空氣壓縮機接出來(lái)的軟管與頂管之間,接有一潤滑油壺,可以定量地向頂管機內滴潤滑油保持潤滑。
2 氣動(dòng)小口徑頂管施工工藝
2.1 工作坑的布置
根據管道布置、檢查井的設置、地形及地表建筑物分布的情況,設置一個(gè)頂管工作坑和一個(gè)接受坑。工作坑確定為4m×4m×6m,坑底兩側設置為1m×1m ×1m焊接工作坑,工作坑基礎使用碎石道床,道床厚度≥350mm,道床上安裝枕木,枕木規格150mm×200mm×2500mm,間距500mm,以防止工作坑下沉,造成頂進(jìn)位置偏差?! ≤壍啦捎?5kg/m鋼軌,左右各一根,軌長(cháng)6m,軌距392mm。鋼管底部距枕木頂40mm,由于受工作坑的限制,鋼管每節長(cháng)為2m。
2.2 頂進(jìn)設備選擇
頂進(jìn)設備主要包括多年錘擊式掘進(jìn)機、空壓機、鎖緊件、工具管、管材等,錘擊式掘進(jìn)機主要包括主機、導氣管、氣閥門(mén)、擴空器等。選用一般的工業(yè)用空壓機作為動(dòng)力源,如果供氣量較小,可加裝大的儲氣包,以滿(mǎn)足設備正常工作所需的壓縮空氣量。鎖緊件是連接設備與管道的鋼質(zhì)元件,嵌套在管的內壁,與管道及設備的頭部吻合連接,有圓錐環(huán)、三瓣環(huán)。工具管是推進(jìn)管前安裝的帶刃口的管子,具有挖土保護和糾偏功能,在小口徑頂管中,習慣稱(chēng)之為刀頭或切土頭。它套在管節的前端,制成不同直徑的圓環(huán),其外徑比推進(jìn)的鋼管略大,刃口比較尖,入土較為容易。
由于頂打時(shí)設備的沖擊力很大,錘擊頻率較高,管子在被頂進(jìn)的過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生很大的振頻顫,如果管子被打裂,不但影響頂進(jìn)的速度,而且會(huì )直接影響后續氣壓吹土的正常進(jìn)行。在以前的氣動(dòng)頂管施工中,曾出現過(guò)管子被打裂、吹土漏氣及管子與管內土一起被吹出等問(wèn)題,直接導致頂管施工的失效。因此在此類(lèi)頂管施工中,管材應選用螺旋卷或無(wú)縫鋼管,本工程采用了直徑800mm無(wú)縫鋼管。
2.3 頂進(jìn)施工
工作坑內設備安裝完畢,經(jīng)檢查各部位處于良好狀態(tài),即可進(jìn)行開(kāi)挖和頂進(jìn)。剛開(kāi)始頂打時(shí),由于管道和土之間沒(méi)有摩擦力或摩阻很小,易引起管道在原地的往復運動(dòng)而使前進(jìn)速度很慢或不前進(jìn),這時(shí)應減少供氣量進(jìn)行頂打,當被頂管子進(jìn)入土內不再后退時(shí),再恢復正常供氣。管道頂進(jìn)過(guò)程中內外壁要保持潤滑,以減小管壁間摩擦力,這是提高頂打速度及施工效率的重要手段。管子在焊接完畢后應有足夠的冷卻時(shí)間,不能焊完后立即頂打,以防止產(chǎn)生裂紋甚至斷裂,影響后期的氣體排土。
2.4 頂進(jìn)誤差調整
在工作坑內設有水準點(diǎn)和預設的方向線(xiàn),采用激光水準儀直接測量前端管底高程和方向。每頂進(jìn)50cm時(shí)測量一次,如果在頂進(jìn)中發(fā)現偏差,利用糾偏千斤頂進(jìn)行校正,使其復位。
3 工藝改進(jìn)
針對施工中暴露出的諸如土頭利用率不高、出土困難、減摩復雜等問(wèn)題,對施工工藝進(jìn)行了探索和改進(jìn),取得了良好的效果。
3.1 切土頭的改進(jìn)
原施工工藝是將頂管切土頭安裝在節管的前端(其外徑略大于施工管外徑30mm左右),對于現場(chǎng)含水量較低的黏土,在其切土頭頂進(jìn)過(guò)程中,管子頂部及管內土體塌陷的可能性較小,因而不會(huì )引起管端及管頂所受土壓力的變化,保證管子軸線(xiàn)方向的穩定。同時(shí),因切土頭的擴孔作用減弱了其后管壁與土體之間的摩擦力,提高了管子的頂進(jìn)速度。在以前的施工中,為適應頂打不同管徑的需要,往往找專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家制作許多不同類(lèi)的切土頭,其中有許多僅使用一次就束之高閣,浪費很大。為節省施工經(jīng)費,對切土頭進(jìn)行改進(jìn),直接將頂進(jìn)管改造成切土頭,避免了專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家購買(mǎi)不同直徑切土頭的麻煩。方法是用15mm厚、150mm寬的鋼板焊接在所頂打管子前端的內、外壁,然后用氣割將管頭割出刀鋒狀代替切土頭,其結構見(jiàn)圖3。改造后的切土頭在頂管施工中應用效果良好,基本上達到了專(zhuān)用切土頭的水準,節約了施工成本。
3.2 出土改進(jìn)
小口徑頂管施工關(guān)鍵的一步就是管內土的清除工作,頂打工作結束后,如果管內土不能清出,將會(huì )前功盡棄,造成很大的浪費。過(guò)去的頂管取土多為水沖法和水平螺旋鉆法,出土效率較低,針對這種情況采用了氣壓排土技術(shù)。
氣壓排土包括2個(gè)步驟:
(1)利用水和細沙將管內土與鋼管的內壁分離,將土的黏附力降到小?! τ诠軆韧帘容^密實(shí)的情況,為減少土體和管壁的黏附,須在頂打之前對管子進(jìn)行適當的處理,以利于泥壁分離。在該工程中采用頂管時(shí)在管內適當地加入水和細沙的方法以有效提高泥壁分離效果,特別有利于氣體排土。
(2)利用高壓氣體排出土體。
管內土與鋼管壁分離后,在接受坑端先將管內土掏出一部分(以有利于堵板焊接后能加入更多的水),然后將堵板焊接在管端,由進(jìn)水口放入一部分水,通過(guò)空壓機和清土設備連接在堵板上的進(jìn)氣口加入高壓空氣排土,實(shí)踐證明了對長(cháng)度不超過(guò)20m的小口徑鋼管排土效果良好?! ?.3 減摩 在含水量較低的土體特別是在黏土中頂管時(shí),管體內外壁的潤滑特別重要,如果內外壁的減摩效果好,可以大大加快管子的頂進(jìn)速度,同時(shí)也可以使頂進(jìn)長(cháng)度加大?! 鹘y的注漿工藝因費用大,不適用于短距離、小口徑的頂管施工。在實(shí)際生產(chǎn)中試驗用水潤滑的方法進(jìn)行施工,利用捶擊振動(dòng)作用將管子內外壁黏附的泥土變?yōu)闈櫥哪酀{,其效果完全可以與膨潤土注漿工藝相媲美,使頂進(jìn)工作變得既經(jīng)濟又快捷?! ≡诠芡獗诨コ?20°方向上各焊接一根普通的家用自來(lái)水管,出水口朝向管尾,順管子頂進(jìn)方向設置。管內壁則可任意焊接一水管,4條水管離切土頭約5m左右。頂進(jìn)時(shí)打開(kāi)水閥向管內外注水(用普通自來(lái)水壓即可)。并根據頂進(jìn)的速度及尾部出水情況控制水量,其控制及安裝方便。
4 結論
在該工程施工中,由于工程的設置深度大、管徑小、地層結構復雜,而且管道橫穿交通運輸干線(xiàn),所以采用了氣動(dòng)錘擊式小口徑頂管技術(shù)。在施工中沒(méi)有影響道路交通和商業(yè)經(jīng)營(yíng),對地面構筑物影響非常小,收到了較好的經(jīng)濟效益和良好的社會(huì )效益。該施工技術(shù)的主要特點(diǎn)是:
(1)利用開(kāi)口頂打,用切土器切削土體,將管道前方的土收進(jìn)管內,對施工區的地面擾動(dòng)小,頂進(jìn)速度快。
(2)利用空壓機所產(chǎn)生的氣體做動(dòng)力,比較方便、快捷。
(3)設備輕巧、裝拆方便,便于保養及維修。
(4)管道頂進(jìn)不需要反力墻,施工簡(jiǎn)便。特別是在施工中根據現場(chǎng)具體情況,對切土頭、排土技術(shù)、減摩技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn),取得了良好的效果,在小口徑頂管施工中值得推廣。