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氣動小口徑頂管技術在管道施工中的應用及改進

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  洛陽市老城區改造工程,在爽明街口橫穿中州大道鋪設長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之內有沿中州路方向鋪設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在埋深3.5m的地方鋪設污水鋼管。  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備汽缸內的錘體作往復運動,錘體受氣壓后產生的沖擊力推動設備前進,設備再將沖擊力傳到管道上,使管道向前頂進。當錘體運動到前方極限后,缸內自動換氣閥將進氣方向改變,使錘體向后運動,由設備內的特殊減振裝置及管道與周圍土體的摩擦力將反力抵消,因此設備推動管道基本連續地向前頂進。當需要進行設備反打時,可通過改變氣體進入設備的方式來改變錘體的運動方向。
為了使氣動頂管設備殼體內的活塞(錘頭)在運動過程中保持良好的潤滑狀態,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滴潤滑油保持潤滑。
2 氣動小口徑頂管施工工藝
氣動小口徑頂管施工基本工藝如圖2所示。
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,設置一個頂管工作坑和一個接受坑。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,鋼管每節長為2m。
2.2 頂進設備選擇
頂進設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、三瓣環。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。它套在管節的前端,制成不同直徑的圓環,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氣壓吹土的正常進行。在以前的氣動頂管施工中,曾出現過管子被打裂、吹土漏氣及管子與管內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
工作坑內設備安裝完畢,經檢查各部位處于良好狀態,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運動而使前進速度很慢或不前進,這時應減少供氣量進行頂打,當被頂管子進入土內不再后退時,再恢復正常供氣。管道頂進過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間,不能焊完后立即頂打,以防止產生裂紋甚至斷裂,影響后期的氣體排土。
2.4 頂進誤差調整
在工作坑內設有水準點和預設的方向線,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,如果在頂進中發現偏差,利用糾偏千斤頂進行校正,使其復位。
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第一節管的前端(其外徑略大于施工管外徑30mm左右),對于現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,為適應頂打不同管徑的需要,往往找專業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。為節省施工經費,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、外壁,然后用氣割將管頭割出刀鋒狀代替切土頭,其結構見圖3。改造后的切土頭在頂管施工中應用效果良好,基本上達到了專用切土頭的水準,節約了施工成本。
3.2 出土改進
小口徑頂管施工最關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,將會前功盡棄,造成極大的浪費。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。
氣壓排土包括2個步驟:
(1)利用水和細沙將管內土與鋼管的內壁分離,將土的黏附力降到最小。  對于管內土比較密實的情況,為減少土體和管壁的黏附,須在頂打之前對管子進行適當的處理,以利于泥壁分離。在該工程中采用頂管時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,見圖4。

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,由進水口放入一部分水,通過空壓機和清土設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速度,同時也可以使頂進長度加大。  傳統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外壁黏附的泥土變為潤滑的泥漿,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。頂進時打開水閥向管內外注水(用普通自來水壓即可)。并根據頂進的速度及尾部出水情況控制水量,其控制及安裝極為方便。
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,所以采用了氣動錘擊式小口徑頂管技術。在施工中沒有影響道路交通和商業經營,對地面構筑物影響非常小,收到了較好的經濟效益和良好的社會效益。該施工技術的主要特點是:
(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,對施工區的地面擾動小,頂進速度快。
(2)利用空壓機所產生的氣體做動力,比較方便、快捷。
(3)設備輕巧、裝拆方便,便于保養及維修。
(4)管道頂進不需要反力墻,施工簡便。特別是在施工中根據現場具體情況,對切土頭、排土技術、減摩技術進行了改進,取得了良好的效果,在小口徑頂管施工中值得推廣。
來源:機械專家網



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