1 氣動小口徑頂管施工原理

1.1 氣動小口徑頂管施工概述　　洛陽市老城區(qū)改造工程，在爽明街口橫穿中州大道鋪設(shè)長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。混凝土墊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小口徑頂管技術(shù)在埋深3.5m的地方鋪設(shè)污水鋼管。　　氣動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為小口徑氣動頂管施工示意圖。

1.2 氣動頂管工作原理　　氣動頂管設(shè)備的動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設(shè)備汽缸內(nèi)的錘體作往復(fù)運動，錘體受氣壓后產(chǎn)生的沖擊力推動設(shè)備前進，設(shè)備再將沖擊力傳到管道上，使管道向前頂進。當錘體運動到前方J限后，缸內(nèi)自動換氣閥將進氣方向改變，使錘體向后運動，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)備推動管道基本連續(xù)地向前頂進。當需要進行設(shè)備反打時，可通過改變氣體進入設(shè)備的方式來改變錘體的運動方向。

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

2 氣動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)置一個頂管工作坑和一個接受坑。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，造成頂進位置偏差。　　軌道采用35kg/m鋼軌，左右各一根，軌長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)長為2m。

2.2 頂進設(shè)備選擇

頂進設(shè)備主要包括多年錘擊式掘進機、空壓機、鎖緊件、工具管、管材等，錘擊式掘進機主要包括主機、導氣管、氣閥門、擴空器等。選用一般的工業(yè)用空壓機作為動力源，如果供氣量較小，可加裝大的儲氣包，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)，其外徑比推進的鋼管略大，刃口比較尖，入土較為容易。

由于頂打時設(shè)備的沖擊力很大，錘擊頻率較高，管子在被頂進的過程中會產(chǎn)生很大的振頻顫，如果管子被打裂，不但影響頂進的速度，而且會直接影響后續(xù)氣壓吹土的正常進行。在以前的氣動頂管施工中，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)選用螺旋卷或無縫鋼管，本工程采用了直徑800mm無縫鋼管。

2.3 頂進施工

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)，即可進行開挖和頂進。剛開始頂打時，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)運動而使前進速度很慢或不前進，這時應(yīng)減少供氣量進行頂打，當被頂管子進入土內(nèi)不再后退時，再恢復(fù)正常供氣。管道頂進過程中內(nèi)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(yīng)有足夠的冷卻時間，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 頂進誤差調(diào)整

在工作坑內(nèi)設(shè)有水準點和預(yù)設(shè)的方向線，采用激光水準儀直接測量前端管底高程和方向。每頂進50cm時測量一次，如果在頂進中發(fā)現(xiàn)偏差，利用糾偏千斤頂進行校正，使其復(fù)位。

3 工藝改進

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(fù)雜等問題，對施工工藝進行了探索和改進，取得了良好的效果。

3.1 切土頭的改進

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），對于現(xiàn)場含水量較低的黏土，在其切土頭頂進過程中，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，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，浪費很大。為節(jié)省施工經(jīng)費，對切土頭進行改進，直接將頂進管改造成切土頭，避免了專業(yè)廠家購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，基本上達到了專用切土頭的水準，節(jié)約了施工成本。

3.2 出土改進

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，將會前功盡棄，造成很大的浪費。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，針對這種情況采用了氣壓排土技術(shù)。

氣壓排土包括2個步驟：

（1）利用水和細沙將管內(nèi)土與鋼管的內(nèi)壁分離，將土的黏附力降到小。　　對于管內(nèi)土比較密實的情況，為減少土體和管壁的黏附，須在頂打之前對管子進行適當?shù)奶幚恚岳谀啾诜蛛x。在該工程中采用頂管時在管內(nèi)適當?shù)丶尤胨图毶车姆椒ㄒ杂行岣吣啾诜蛛x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，由進水口放入一部分水，通過空壓機和清土設(shè)備連接在堵板上的進氣口加入高壓空氣排土，實踐證明了對長度不超過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，管體內(nèi)外壁的潤滑特別重要，如果內(nèi)外壁的減摩效果好，可以大大加快管子的頂進速度，同時也可以使頂進長度加大。　　傳統(tǒng)的注漿工藝因費用大，不適用于短距離、小口徑的頂管施工。在實際生產(chǎn)中試驗用水潤滑的方法進行施工，利用捶擊振動作用將管子內(nèi)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，使頂進工作變得既經(jīng)濟又快捷。　　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。頂進時打開水閥向管內(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輸干線，所以采用了氣動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，對地面構(gòu)筑物影響非常小，收到了較好的經(jīng)濟效益和良好的社會效益。該施工技術(shù)的主要特點是：

（1）利用開口頂打，用切土器切削土體，將管道前方的土收進管內(nèi)，對施工區(qū)的地面擾動小，頂進速度快。

（2）利用空壓機所產(chǎn)生的氣體做動力，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）管道頂進不需要反力墻，施工簡便。特別是在施工中根據(jù)現(xiàn)場具體情況，對切土頭、排土技術(shù)、減摩技術(shù)進行了改進，取得了良好的效果，在小口徑頂管施工中值得推廣。