球墨鑄鐵頂管的設計及質量控制研究

付林林

（安鋼集團永通球墨鑄鐵管有限責任公司，河南 安陽 455133）

現(xiàn)有頂管施工用的頂管主要有焊接鋼管頂管、水泥頂管和玻璃鋼頂管。焊接鋼管頂管在制作時焊接工作量大、制作困難；水泥頂管則存在強度不夠、不能用于壓力管道等問題；玻璃鋼頂管易破碎，使用壽命短。

為克服現(xiàn)有技術問題的不足，提出使用球墨鑄鐵頂管來進行頂管施工。球墨鑄鐵頂管以球墨鑄鐵管為內管，在球墨鑄鐵管外澆筑混凝土層，球墨鑄鐵管與混凝土層相結合，具有結構簡單、加工制作容易、強度高、使用壽命長等優(yōu)勢。

1 發(fā)展過程及現(xiàn)狀

球墨鑄鐵頂管常用于市政施工的非開挖掘進式地下給排水管道的鋪設或更換，通過工作井把要埋設的管子頂入土內，其可曲線穿行，以繞開一些地下管線或障礙物。

球墨鑄鐵頂管徹底解決了管道埋設施工中對城市建筑物的破壞和道路交通的堵塞等難題，在穩(wěn)定土層和環(huán)境保護方面凸顯其優(yōu)勢，這對交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下管線復雜的城市是非常重要的[1]，它將為城市創(chuàng)造一個潔凈、舒適和美好的環(huán)境。通常頂管直徑DN為300～2 600 mm。

2 設計與開發(fā)

2.1 球墨鑄鐵頂管結構

球墨鑄鐵頂管結構如圖1 所示，包括內管、混凝土層、密封圈及擋環(huán)，內管外澆筑有混凝土層。

圖1 球墨鑄鐵頂管

混凝土層內設置有鋼絲網骨架，鋼絲網骨架的一端與內管承口段的外壁固定連接，鋼絲網骨架的另一端通過連接件與擋環(huán)連接。

這里的內管為球墨鑄鐵管，包括一體結構的管身段、承口段及插口段。管身段前部的外周上固定有擋環(huán)，擋環(huán)之前的管身段為插口段，插口段的長度大于承口段內腔的長度，插口段的前端設置有倒角。管身段的后端設置有承口段，承口段為中空的錐形結構，承口段的內腔用于插裝后一個球墨鑄鐵管的插口段。承口段的內腔沿承口段的長度方向由前向后依次布置連通腔、推進腔、密封腔及喇叭口，連通腔的直徑與管身段的內孔直徑相同，推進腔的截面形狀為錐形，推進腔的內徑由前向后漸小，密封腔的內徑大于推進腔的最大端的內徑，推進腔內設置有用于支撐密封圈用的內凸環(huán)，且密封腔內設置有密封圈，后一個球墨鑄鐵管的插口段插入前一個球墨鑄鐵管的承口段后，將密封圈插入插口段與承口段之間的間隙。

2.2 球墨鑄鐵頂管設計加工

在制作球墨鑄鐵頂管時，先離心鑄造球墨鑄鐵管，然后按照內管長度從插口段切割鑄造的球墨鑄鐵管，之后加工插口段的倒角，打磨插口段外圓周面及切割面，打磨長度大于設計插口段的長度，打磨時要求切割面整齊光滑，不能有飛邊毛刺，之后按照尺寸加工承口段的推進腔、密封腔及喇叭口，至此完成內管的加工。

然后將鋼絲網骨架的一端與內管的承口段焊接固定，另一端與擋環(huán)焊接固定，安裝澆筑模具后，在澆筑模具與內管之間澆筑混凝土，邊填充邊用振動棒進行振動，確保填充的混凝土均勻，混凝土澆筑時，用振動棒沿圓周振實，不能有漏振現(xiàn)象。

混凝土凝固后，去掉澆注模具，安裝焊接擋環(huán)，確保擋環(huán)外沿到內管前端的長度滿足插口段的長度要求，然后進行蒸汽養(yǎng)生12 h。養(yǎng)生溫度為35～65 ℃，相對濕度≥90%。

養(yǎng)生合格后在混凝土層外表面涂刷涂料，噴涂標識。至此完成本實用新型的制作。

在球墨鑄鐵管頂管T 型接口的球墨鑄鐵管外層涂覆一層混凝土砂漿[2]，將球墨鑄鐵管緊緊包裹在混凝土層內部，這樣施工頂進時，既可以減少頂進阻力，使頂管各部位受力均衡，又可以保護鑄鐵管部分不受損害。

3 球墨鑄鐵頂管的壓力試驗

球墨鑄鐵頂管施工時，通過借助主頂油缸及管道間的推力，把工具管從工作井內穿過土層一直推到接收井內吊起，與此同時，也就把緊隨工具管后的頂管管道埋設在兩井之間，以期實現(xiàn)非開挖敷設地下管道的施工。一個工作井內的管子可在地下穿行1 500 m以上，這就要求球墨鑄鐵頂管端面需承受500～2 000 t的頂推力。

在制造過程中，對頂管頂推阻力進行了試驗，試驗數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 球墨鑄鐵頂管允許頂推阻力

用于頂管施工技術的球墨鑄頂管試驗頂推阻力較允許頂推阻力均高出100 t 以上，DN=1 200 mm 的球墨鑄鐵頂管最大可承受1 200 t 的頂推力，產品質量穩(wěn)定。

4 質量控制

4.1 尺寸要求

承口外凸臺較普通鑄鐵管外徑d1尺寸大20 mm，插口尺寸控制在鑄管標準的偏下限，長度偏差不超±10 mm。

插口最大直徑與最小直徑相差不能超5 mm，打磨后的水泥內襯平整光滑，清一色，不能有浮砂、修補現(xiàn)象。

4.2 外觀要求

4.2.1 鑄管外觀要求

插口200 mm 以內不允許有龜裂紋，承口外端面、直端面、承口內各密封面均需打磨光滑、干凈，不能有凸起、缺塊、砂眼及夾渣等肉眼可見缺陷。管身允許有龜裂紋，不允許重皮、裂紋等外觀缺陷，在承口內外、插口外噴鋅。

4.2.2 頂管外觀要求

外涂水泥面平整，無凹凸不平、缺塊、多塊，涂料涂刷均勻，無滴流、無漏刷，插口擋環(huán)平面與管身垂直，擋環(huán)位置緊挨插口安裝線，承口內、外沿30 mm、插口擋環(huán)及插口安裝部位外表面涂刷紅色環(huán)氧樹脂漆，需用專用防護墊防護。

4.3 水泥砂漿配比

水泥要求標號為42.5～52.5；砂子要求為中粗天然砂；石子要求為05 級；具體配比為水泥、砂子、石子、水的質量比為1∶1.38∶2.74∶0.5；水泥砂漿澆灌時，用振動棒沿圓周振實，不能有漏振現(xiàn)象。

4.4 吊裝要求

頂管吊裝必須使用吊裝帶，輕裝輕放，運輸車輛需對易磕碰面進行專業(yè)防護，預防碰壞水泥涂層，禁止用吊具直接吊裝水泥內、外面。

5 結語

球墨鑄鐵頂管施工是一種不開挖或者少開挖的管道埋設施工技術，現(xiàn)被廣泛應用于學校、醫(yī)院和工廠等場地的修建過程中。在工作坑內借助于主頂油缸等頂進設備產生的頂力，克服管道與周圍土壤的摩擦力，將管道按設計的坡度頂入土中[3]。一節(jié)管子被頂入土層之后，再下第二節(jié)管子繼續(xù)頂進。球墨鑄鐵頂管能夠深入地下作業(yè)，不需拆遷，因此能節(jié)約一大筆征地拆遷費用，且不破壞地面建筑物，不影響、不破壞周圍環(huán)境，不影響交通，施工時也不受氣候和環(huán)境的影響，施工場地小，噪音小，不影響管道的段差變形，特別適用于大中型管徑的不開挖鋪設，可獲得顯著的經濟效益和社會效益。