微型螺旋式頂管施工技術(shù)在小口徑管道敷設(shè)中的應(yīng)用

劉冬鑫

（湖南興旺建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

市政管線設(shè)施建設(shè)傳統(tǒng)工藝采用明挖開(kāi)槽，但在快節(jié)奏生活的現(xiàn)今，為避免影響交通和人們?nèi)粘Ｉ?，明挖開(kāi)槽法顯然不適用于老城區(qū)市政管線的建設(shè)。為解決這一施工難題，避免因新建管線而改遷管線及建筑物，多數(shù)采用常規(guī)頂管法或定向鉆，這兩種設(shè)備的適用范圍存在一定的局限性，施工占用場(chǎng)地空間較大，有限空間施工非常不利[1]。常規(guī)頂管法在小口徑管道中都是采用泥水平衡頂管機(jī)，施工會(huì)產(chǎn)生泥漿，并且在小口徑管道中劣勢(shì)較為明顯，內(nèi)部空間小，布置的設(shè)備并沒(méi)有因管徑的變化而改變，一旦內(nèi)部出現(xiàn)問(wèn)題，人員無(wú)法進(jìn)入內(nèi)部進(jìn)行處理。定向鉆雖然適用范圍廣，但其施工精度低，誤差較大，在管線密集的區(qū)域并不適用[2]。為了彌補(bǔ)在小口徑管道施工中的缺陷，研究現(xiàn)有的非開(kāi)挖技術(shù)，介紹了一種適用于小口徑管道施工的微型頂管設(shè)備——螺旋頂管機(jī)。這種頂管設(shè)備占用面積小，可在較小的空間中施工，施工速度快，成本低，不產(chǎn)生泥漿等污染物，廣泛應(yīng)用于小口徑管道施工[3]。

1 螺旋頂管機(jī)介紹

螺旋頂管機(jī)是近年來(lái)應(yīng)用于小口徑管道的一種設(shè)備，適用于管徑800mm 以下的頂管。這種施工設(shè)備無(wú)需人員進(jìn)入管道，通過(guò)遙控來(lái)引導(dǎo)頂管機(jī)械進(jìn)行掘進(jìn)施工。螺旋頂管機(jī)主要由主頂系統(tǒng)、掘進(jìn)系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、排泥系統(tǒng)等組成。設(shè)備的尺寸決定工作井與接收井的尺寸，目前螺旋頂管機(jī)施工工作井最小直徑2500mm，接收井最小直徑2000mm[4]。

1.1 主頂系統(tǒng)

主頂系統(tǒng)主要包括主頂油缸、主頂基座、液壓傳動(dòng)馬達(dá)、后靠背、液壓動(dòng)力站。液壓動(dòng)力站為主頂系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源，工作井布置的設(shè)備需要提供動(dòng)力的主要是主頂油缸和傳動(dòng)馬達(dá)，傳動(dòng)馬達(dá)為導(dǎo)向鉆桿鉆進(jìn)提供動(dòng)力。

1.2 掘進(jìn)系統(tǒng)

掘進(jìn)系統(tǒng)主要有螺旋頂管機(jī)頭，螺旋頂管機(jī)頭作為掘進(jìn)系統(tǒng)的核心，依靠螺旋頂管機(jī)刀盤(pán)切削土體。頂管機(jī)頭普遍采用液壓動(dòng)力裝置，螺旋頂管機(jī)內(nèi)部空間小，不宜布置太多設(shè)備，為滿足施工需求，液壓傳動(dòng)是最佳選擇。液壓動(dòng)力站放置在地面上，通過(guò)液壓油管與螺旋頂管機(jī)頭進(jìn)行連接，當(dāng)頂管管節(jié)下井安裝時(shí)，需將與頂管機(jī)機(jī)頭連接的油管從接頭處斷開(kāi)，待管節(jié)安裝對(duì)接完成后，再將液壓油管進(jìn)行連接，每次安裝管節(jié)都需要將液壓油管進(jìn)行斷開(kāi)再次連接。

1.3 導(dǎo)向系統(tǒng)

螺旋頂管機(jī)的導(dǎo)向依靠導(dǎo)向鉆頭，導(dǎo)向鉆頭后方連接導(dǎo)向鉆桿。導(dǎo)向鉆桿的內(nèi)部中空，采用多段拼接和采用快速接口的形式進(jìn)行設(shè)置，一般采用螺紋連接，每節(jié)長(zhǎng)度為1m～2m，提高施工的適用性以及施工的工作效率。導(dǎo)向鉆頭內(nèi)自帶激光靶盤(pán)，通過(guò)經(jīng)緯儀激光照射在靶盤(pán)上，在頂進(jìn)時(shí)跟蹤導(dǎo)向，頂進(jìn)時(shí)可通過(guò)導(dǎo)向鉆頭進(jìn)行糾偏。

1.4 排泥系統(tǒng)

排泥系統(tǒng)由排泥套管和排泥螺旋構(gòu)成，排泥螺旋安裝在排泥管內(nèi)部，排泥螺旋與螺旋頂管機(jī)前端連接，螺旋頂管機(jī)頭刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，排泥螺旋跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)將切削的渣土排出。排泥套管頂進(jìn)前，套管變徑器與導(dǎo)向鉆桿連接，排泥套管頂進(jìn)一節(jié)，在接收井回收一節(jié)導(dǎo)向鉆桿，直至套管頂入接收井。套管的回收也是如此，頂管管節(jié)在工作井每頂進(jìn)一節(jié)，出泥螺旋管在接收井拆卸回收一節(jié)，按此操作直到頂管機(jī)頭達(dá)到接收井，頂管施工完成。

2 施工工藝

2.1 施工工藝流程

螺旋頂管法的施工流程和泥水平衡式及土壓平衡式有異同之處，相同之處是同樣需要工作井與接收井，工作井布置的設(shè)備大致相同，同樣需要液壓動(dòng)力站提供動(dòng)力，依靠主頂油缸頂進(jìn)。不同之處在于工作井至接收井之間，螺旋頂管機(jī)的導(dǎo)向、出土是最大的不同之處，這就使螺旋頂管機(jī)的施工工藝及流程有很大的不同。螺旋頂管機(jī)適用于小口徑管道，小口徑管道的埋深不會(huì)太大，考慮到施工成本及效率的因素，螺旋頂管機(jī)的工藝流程原理有較大的變化。

2.2 螺旋頂管機(jī)施工工藝原理

螺旋頂管機(jī)與常規(guī)的頂管機(jī)有所不同，常規(guī)的頂管機(jī)泥漿和渣土在工作井端輸出，而螺旋頂管機(jī)出土在接收井端，通過(guò)螺旋套管渣土排出。常規(guī)頂管機(jī)先頂進(jìn)頂管機(jī)頭，而螺旋頂管機(jī)先頂進(jìn)導(dǎo)向鉆桿，導(dǎo)向鉆桿的精度決定螺旋頂管機(jī)的精度，激光經(jīng)緯儀架設(shè)在工作井導(dǎo)向鉆頭裝置的后方，導(dǎo)向鉆頭內(nèi)置激光靶盤(pán)，靶盤(pán)位置設(shè)置照射燈，激光經(jīng)緯儀、靶盤(pán)和激光接收裝置均與電腦監(jiān)測(cè)器相連。激光信號(hào)顯示在操作室的電腦監(jiān)測(cè)器上，可實(shí)時(shí)觀看導(dǎo)線鉆頭的姿態(tài)。根據(jù)電腦監(jiān)測(cè)器中觀測(cè)到的中心偏差實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)動(dòng)力頭裝置的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)而調(diào)節(jié)傾斜導(dǎo)向面的方向。導(dǎo)向鉆頭在較硬或較粘的土層中鉆進(jìn)時(shí)，可通過(guò)導(dǎo)向鉆頭設(shè)置的高壓注水孔，通過(guò)水管連接泥漿泵和注水裝置，向土層中注入高壓水，高壓水可擾動(dòng)土層，同時(shí)也可以利用導(dǎo)向鉆頭的攪動(dòng)產(chǎn)生泥漿，起到降阻減磨的效果。

螺旋頂管機(jī)的主頂設(shè)備決定工作井的尺寸，主頂設(shè)備安裝在工作井，占據(jù)較大的空間，為把工作井的空間利用到最佳，主頂油缸在頂進(jìn)管道的兩側(cè)布置，縮短了軸向空間。采用螺旋頂管機(jī)施工的管道，頂進(jìn)距離不會(huì)很長(zhǎng)，頂力配置不需要太大。管節(jié)與機(jī)頭的頂進(jìn)，受力在頂環(huán)上，主頂油缸推動(dòng)頂環(huán)使機(jī)頭與管節(jié)向前頂進(jìn)。螺旋頂管機(jī)的頂環(huán)與常規(guī)的頂管機(jī)不同，頂環(huán)與兩側(cè)主頂油缸相連，主頂油缸的伸縮，頂環(huán)也隨之移動(dòng)。

螺旋頂管機(jī)所有設(shè)備的頂進(jìn)都支撐在頂環(huán)上，主頂油缸推動(dòng)頂環(huán)而向前頂進(jìn)。螺旋頂管機(jī)先頂進(jìn)的設(shè)備是導(dǎo)向鉆桿，導(dǎo)向鉆桿不僅要向前頂進(jìn)，同時(shí)還需要轉(zhuǎn)動(dòng)，所以轉(zhuǎn)動(dòng)就需要提供動(dòng)力。導(dǎo)向鉆桿的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力提供裝置安裝在頂環(huán)上，在頂環(huán)中心安裝一個(gè)液壓動(dòng)力馬達(dá)，通過(guò)液壓動(dòng)力站驅(qū)動(dòng)。由于螺旋頂管機(jī)的工作井尺寸較小，液壓動(dòng)力站只能放置在地面，通過(guò)耐高壓油管連接傳輸。當(dāng)?shù)谝桓鶎?dǎo)向鉆桿進(jìn)入土層中后，動(dòng)力頭裝置與第一根導(dǎo)向鉆桿分離，加裝第二根導(dǎo)向鉆桿，直至若干導(dǎo)向鉆桿貫通工作井和接收井之間的土層。

導(dǎo)向鉆桿頂進(jìn)完成后，緊接著就是頂進(jìn)排泥套管，排泥套管通過(guò)變徑接頭與導(dǎo)向鉆桿連接，每頂進(jìn)一節(jié)排泥套管，在接收井端拆除一節(jié)導(dǎo)向鉆桿，直至導(dǎo)向鉆桿完全拆除回收，排泥套管頂出接收井洞口，排泥套管頂出洞口的長(zhǎng)度沒(méi)有特殊要求，方便施工即可。排泥套管頂進(jìn)完成后，開(kāi)始安裝螺旋頂管機(jī)頭，螺旋頂管機(jī)頭前端的刀盤(pán)要與排泥套管和排泥套管內(nèi)排泥螺旋連接，螺旋頂管機(jī)頭刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)可帶動(dòng)排泥套管內(nèi)的排泥螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)排泥螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)將螺旋頂管機(jī)頭切削的渣土排出。螺旋頂管機(jī)的動(dòng)力采用液壓動(dòng)力裝置，動(dòng)力的通過(guò)來(lái)源是設(shè)置在地面的液壓動(dòng)力站。

螺旋頂管機(jī)設(shè)備的組成并不復(fù)雜，為簡(jiǎn)化整個(gè)施工工序，提高生產(chǎn)效率。螺旋頂管機(jī)在工作井安裝的設(shè)備采用集成化設(shè)計(jì)，主頂油缸、頂環(huán)、后靠背、導(dǎo)軌、機(jī)架為一個(gè)整體，在安裝時(shí)一次性吊裝就可將工作井內(nèi)的設(shè)備安裝完成，設(shè)備拆除時(shí)也是整體式拆除，縮短了整個(gè)施工安拆時(shí)間。在設(shè)備操控方面設(shè)置兩套操作系統(tǒng)，第一套操作系統(tǒng)在工作井內(nèi)，這套系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，全部采用手動(dòng)操作。第二套操作系統(tǒng)設(shè)置在操作室內(nèi)，操作室需在工作井外布置，全部的采用電器化操控，并且能夠提供一個(gè)良好的操作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化施工。操作系統(tǒng)的選擇可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的條件選擇，如果施工場(chǎng)地受限，可選用第一套操作系統(tǒng)。

3 螺旋頂管機(jī)施工優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1 螺旋頂管機(jī)施工的優(yōu)點(diǎn)

在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)螺旋頂管機(jī)施工的眾多優(yōu)點(diǎn)，在施工工序上，雖然都需要在頂管區(qū)間兩端先設(shè)立工作井及接收井，但是與泥水平衡頂管機(jī)及土壓平衡頂管機(jī)相比，螺旋頂管機(jī)的工作井與接收井所需的尺寸要小于這兩種，占地面積大幅度減少[5]。螺旋頂管機(jī)通過(guò)先進(jìn)行導(dǎo)向管頂進(jìn)，導(dǎo)鉆桿到達(dá)接收井后進(jìn)行排泥套管頂進(jìn)，排泥套管到達(dá)接收井后進(jìn)行接機(jī)頭和管材的頂進(jìn)，當(dāng)頂管機(jī)頭到達(dá)接收井，管道頂進(jìn)成形。與泥水平衡頂管機(jī)及土壓平衡頂管機(jī)相比，頂進(jìn)的工序較為繁瑣，但是導(dǎo)向鉆桿與排泥套管的頂進(jìn)，能夠先行探測(cè)出頂進(jìn)軸線方法的障礙物，早發(fā)現(xiàn)早處理。

螺旋頂管適應(yīng)的土質(zhì)范圍較廣，在粉土、黏土、砂土中掘進(jìn)可以輕松應(yīng)對(duì)。在地下水位高且富水地區(qū)、建構(gòu)筑物密集區(qū)、交通繁忙地區(qū)、地面障礙物多且空間狹小都可以適應(yīng)。同傳統(tǒng)頂管法與拖拉管法相比，螺旋頂管機(jī)的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)顯著。

1.設(shè)備較小，組裝和拆除較為方便，占用的施工面積少，并且設(shè)備操作簡(jiǎn)單。螺旋頂管機(jī)內(nèi)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)、主頂油缸頂進(jìn)、糾偏油缸伸縮等設(shè)備由一根控制信號(hào)線連接至操作平臺(tái)上，而且激光導(dǎo)向靶盤(pán)、壓力表等數(shù)據(jù)都顯示在操作平臺(tái)的顯示屏上。螺旋頂管機(jī)現(xiàn)場(chǎng)所需操作人員較少，只需一名頂管機(jī)司機(jī)井內(nèi)操作設(shè)備。

2.能高精度地保證管道設(shè)計(jì)軸線及設(shè)計(jì)高程，因螺旋頂管機(jī)先行頂進(jìn)導(dǎo)向鉆桿，通過(guò)工作井架設(shè)的激光經(jīng)緯儀觀察導(dǎo)向鉆頭的姿態(tài)，數(shù)據(jù)在屏幕上實(shí)時(shí)反饋，頂管機(jī)操作手通過(guò)觀察屏幕顯示的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)精確地導(dǎo)向頂進(jìn)。

3.螺旋頂管機(jī)的頂進(jìn)施工對(duì)周邊環(huán)境影響小，占用面積小，不影響交通，對(duì)人們?nèi)粘Ｉ钣绊戄^?。黄渌氖锹菪敼軝C(jī)和大口徑頂管一樣，對(duì)周圍環(huán)境的影響較小，對(duì)土體擾動(dòng)范圍小，難以引起開(kāi)裂、破壞等現(xiàn)象。螺旋頂管機(jī)排出的泥量少，并且不產(chǎn)生泥漿，也不采用泥漿，頂管施工完成也不需要進(jìn)行泥漿置換，施工時(shí)產(chǎn)生的噪聲低，對(duì)周圍居民的生活及環(huán)境影響小。

4.螺旋頂管機(jī)一般適用管徑范圍為DN300～DN800，與傳統(tǒng)泥水平衡頂管法和土壓平衡頂管法相比，各有優(yōu)勢(shì)。在微型頂管法被引進(jìn)之前，一般情況下會(huì)選擇加大管徑，使管道的管徑達(dá)到DN600 后再采用泥水平衡頂管工法進(jìn)行施工。但加大管徑將會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)水流速度過(guò)低，容易導(dǎo)致管道淤積泥沙，加大管道運(yùn)行的管理及疏通的工作。因此，在小口徑管道施工領(lǐng)域內(nèi)，微型頂管工法將有著極大的優(yōu)勢(shì)。微型頂管法工作井及接收井的大小取決于設(shè)備及管節(jié)的尺寸，目前螺旋頂管機(jī)頂進(jìn)采用每節(jié)1m 的管道，其尺寸可根據(jù)需要還可進(jìn)行優(yōu)化。因此，無(wú)論從占地或者造價(jià)上，微型頂管工法中的螺旋頂管機(jī)均有較大優(yōu)勢(shì)。

5.螺旋頂管機(jī)頂進(jìn)過(guò)程中遇到意外情況回收容易，不需設(shè)計(jì)回拔鋼棒。在機(jī)架位置預(yù)留了螺栓孔，可以使機(jī)架與機(jī)頭通過(guò)螺旋套管進(jìn)行剛性連接。當(dāng)頂管機(jī)出現(xiàn)故障或者其他原因無(wú)法頂進(jìn)時(shí)，直接將機(jī)頭用主頂油缸拔回。

3.2 螺旋頂管機(jī)施工的缺點(diǎn)

螺旋頂管機(jī)的缺點(diǎn)在于遇到地下障礙物，其清障能力較差，遇到較硬的障礙物時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致卡住刀盤(pán)，其次堅(jiān)硬物質(zhì)從刀盤(pán)進(jìn)入排泥套管，容易導(dǎo)致出土螺旋卡住。螺旋頂管機(jī)頂進(jìn)施工前，需將頂進(jìn)方向進(jìn)行精確的地質(zhì)勘探，如有障礙物需清除障礙物后方可進(jìn)行頂進(jìn)施工。

根據(jù)多年的研究發(fā)現(xiàn)，螺旋頂管機(jī)并不適用于長(zhǎng)距離頂進(jìn)。受設(shè)備的影響，螺旋頂管機(jī)先行頂進(jìn)導(dǎo)向鉆桿，導(dǎo)向鉆桿內(nèi)徑一般為100mm，每節(jié)長(zhǎng)度在1m 左右，激光經(jīng)緯儀的導(dǎo)向激光從工作井照射在導(dǎo)向鉆桿前端的導(dǎo)向鉆頭靶盤(pán)上，隨著頂進(jìn)距離的增加，激光點(diǎn)會(huì)逐漸增大，同時(shí)還會(huì)受到導(dǎo)向鉆桿內(nèi)部空氣的質(zhì)量、濕度、溫度的影響，激光會(huì)產(chǎn)生折射。這些因素都會(huì)影響導(dǎo)向的精度，空間越小，越容易受到影響，也是影響螺旋頂管機(jī)頂進(jìn)距離的因素之一。目前螺旋頂管機(jī)頂進(jìn)距離一般在100m 以內(nèi)，經(jīng)過(guò)綜合考慮，螺旋頂管機(jī)的始發(fā)井與接收井可以作為管道主體的一部分，可以兼做檢查井等，節(jié)約工程成本。

4 結(jié)論

在市政管線小口徑管道建設(shè)工程中，螺旋頂管機(jī)在小口徑管道施工中的應(yīng)用，解決了在房屋建筑密集區(qū)的街巷及作業(yè)面狹小的區(qū)域管道鋪設(shè)。螺旋頂管機(jī)具有其他傳統(tǒng)的施工方式無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：施工速度快、精度高、工作面小、對(duì)交通及周邊建構(gòu)筑物擾動(dòng)及地面的隆起與下沉影響較小。由于其所需作業(yè)面小，能夠降低工程造價(jià)，經(jīng)濟(jì)效益較好，也為日后復(fù)雜工況下的小口徑管道施工提供了一種新型可靠的施工方式選擇。隨著市政管線村鎮(zhèn)化建設(shè)全面推廣，螺旋頂管機(jī)所突顯出的優(yōu)勢(shì)會(huì)逐漸被關(guān)注，在市政污水工程上具有廣闊的應(yīng)用前景。