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。
