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(qū)改造工程，在爽明街口橫穿中州大道鋪設(shè)長(zhǎng)16.5m、直徑800mm的污水鋼管。該路面車輛流量大，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(nèi)有沿中州路方向鋪設(shè)的污水干管和自來水管道，因此決定采用非開挖氣動(dòng)小口徑頂管技術(shù)在埋深3.5m的地方鋪設(shè)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(shè)備的動(dòng)力來源主要是壓縮空氣，其工作原理為利用壓縮空氣來推動(dòng)設(shè)備汽缸內(nèi)的錘體作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，錘體受氣壓后產(chǎn)生的沖擊力推動(dòng)設(shè)備前進(jìn)，設(shè)備再將沖擊力傳到管道上，使管道向前頂進(jìn)。當(dāng)錘體運(yùn)動(dòng)到前方J限后，缸內(nèi)自動(dòng)換氣閥將進(jìn)氣方向改變，使錘體向后運(yùn)動(dòng)，由設(shè)備內(nèi)的特殊減振裝置及管道與周圍土體的摩擦力將反力抵消，因此設(shè)備推動(dòng)管道基本連續(xù)地向前頂進(jìn)。當(dāng)需要進(jìn)行設(shè)備反打時(shí)，可通過改變氣體進(jìn)入設(shè)備的方式來改變錘體的運(yùn)動(dòng)方向。

為了使氣動(dòng)頂管設(shè)備殼體內(nèi)的活塞（錘頭）在運(yùn)動(dòng)過程中保持良好的潤(rùn)滑狀態(tài)，在從空氣壓縮機(jī)接出來的軟管與頂管之間，接有一潤(rùn)滑油壺，可以定量地向頂管機(jī)內(nèi)滴潤(rùn)滑油保持潤(rùn)滑。

2 氣動(dòng)小口徑頂管施工工藝

2.1 工作坑的布置

根據(jù)管道布置、檢查井的設(shè)置、地形及地表建筑物分布的情況，設(shè)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(cè)設(shè)置為1m×1m ×1m焊接工作坑，工作坑基礎(chǔ)使用碎石道床，道床厚度≥350mm，道床上安裝枕木，枕木規(guī)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(zhǎng)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(jié)長(zhǎng)為2m。

2.2 頂進(jìn)設(shè)備選擇

頂進(jìn)設(shè)備主要包括多年錘擊式掘進(jìn)機(jī)、空壓機(jī)、鎖緊件、工具管、管材等，錘擊式掘進(jìn)機(jī)主要包括主機(jī)、導(dǎo)氣管、氣閥門、擴(kuò)空器等。選用一般的工業(yè)用空壓機(jī)作為動(dòng)力源，如果供氣量較小，可加裝大的儲(chǔ)氣包，以滿足設(shè)備正常工作所需的壓縮空氣量。鎖緊件是連接設(shè)備與管道的鋼質(zhì)元件，嵌套在管的內(nèi)壁，與管道及設(shè)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(hù)和糾偏功能，在小口徑頂管中，習(xí)慣稱之為刀頭或切土頭。它套在管節(jié)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(shè)備的沖擊力很大，錘擊頻率較高，管子在被頂進(jìn)的過程中會(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(xù)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(xiàn)過管子被打裂、吹土漏氣及管子與管內(nèi)土一起被吹出等問題，直接導(dǎo)致頂管施工的失效。因此在此類頂管施工中，管材應(yīng)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(nèi)設(shè)備安裝完畢，經(jīng)檢查各部位處于良好狀態(tài)，即可進(jìn)行開挖和頂進(jìn)。剛開始頂打時(shí)，由于管道和土之間沒有摩擦力或摩阻很小，易引起管道在原地的往復(fù)運(yùn)動(dòng)而使前進(jìn)速度很慢或不前進(jìn)，這時(shí)應(yīng)減少供氣量進(jìn)行頂打，當(dāng)被頂管子進(jìn)入土內(nèi)不再后退時(shí)，再恢復(fù)正常供氣。管道頂進(jìn)過程中內(nèi)外壁要保持潤(rùn)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(yīng)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(diào)整

在工作坑內(nèi)設(shè)有水準(zhǔn)點(diǎn)和預(yù)設(shè)的方向線，采用激光水準(zhǔn)儀直接測(cè)量前端管底高程和方向。每頂進(jìn)50cm時(shí)測(cè)量一次，如果在頂進(jìn)中發(fā)現(xiàn)偏差，利用糾偏千斤頂進(jìn)行校正，使其復(fù)位。

3 工藝改進(jìn)

針對(duì)施工中暴露出的諸如土頭利用率不高、出土困難、減摩復(fù)雜等問題，對(duì)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(jié)管的前端（其外徑略大于施工管外徑30mm左右），對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)含水量較低的黏土，在其切土頭頂進(jìn)過程中，管子頂部及管內(nèi)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，保證管子軸線方向的穩(wěn)定。同時(shí)，因切土頭的擴(kuò)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(yīng)頂打不同管徑的需要，往往找專業(yè)廠家制作許多不同類的切土頭，其中有許多僅使用一次就束之高閣，浪費(fèi)很大。為節(jié)省施工經(jīng)費(fèi)，對(duì)切土頭進(jìn)行改進(jìn)，直接將頂進(jìn)管改造成切土頭，避免了專業(yè)廠家購(gòu)買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(nèi)、外壁，然后用氣割將管頭割出刀鋒狀代替切土頭，其結(jié)構(gòu)見圖3。改造后的切土頭在頂管施工中應(yīng)用效果良好，基本上達(dá)到了專用切土頭的水準(zhǔn)，節(jié)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(nèi)土的清除工作，頂打工作結(jié)束后，如果管內(nèi)土不能清出，將會(huì)前功盡棄，造成很大的浪費(fèi)。過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(duì)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(xì)沙將管內(nèi)土與鋼管的內(nèi)壁分離，將土的黏附力降到小。　　對(duì)于管內(nèi)土比較密實(shí)的情況，為減少土體和管壁的黏附，須在頂打之前對(duì)管子進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，以利于泥壁分離。在該工程中采用頂管時(shí)在管內(nèi)適當(dāng)?shù)丶尤胨图?xì)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(nèi)土與鋼管壁分離后，在接受坑端先將管內(nèi)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，通過空壓機(jī)和清土設(shè)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(duì)長(zhǎng)度不超過20m的小口徑鋼管排土效果良好。　　3.3 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(nèi)外壁的潤(rùn)滑特別重要，如果內(nèi)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(zhǎng)度加大。　　傳統(tǒng)的注漿工藝因費(fèi)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(yàn)用水潤(rùn)滑的方法進(jìn)行施工，利用捶擊振動(dòng)作用將管子內(nèi)外壁黏附的泥土變?yōu)闈?rùn)滑的泥漿，其效果完全可以與膨潤(rùn)土注漿工藝相媲美，使頂進(jìn)工作變得既經(jīng)濟(jì)又快捷。　　在管外壁互成120°方向上各焊接一根普通的家用自來水管，出水口朝向管尾，順管子頂進(jìn)方向設(shè)置。管內(nèi)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)打開水閥向管內(nèi)外注水（用普通自來水壓即可）。并根據(jù)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(jié)論

在該工程施工中，由于工程的設(shè)置深度大、管徑小、地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且管道橫穿交通運(yùn)輸干線，所以采用了氣動(dòng)錘擊式小口徑頂管技術(shù)。在施工中沒有影響道路交通和商業(yè)經(jīng)營(yíng)，對(duì)地面構(gòu)筑物影響非常小，收到了較好的經(jīng)濟(jì)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）利用開口頂打，用切土器切削土體，將管道前方的土收進(jìn)管內(nèi)，對(duì)施工區(qū)的地面擾動(dòng)小，頂進(jìn)速度快。

（2）利用空壓機(jī)所產(chǎn)生的氣體做動(dòng)力，比較方便、快捷。

（3）設(shè)備輕巧、裝拆方便，便于保養(yǎng)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況，對(duì)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。