城市地下管線施工中頂管工具頭的應用及技術發(fā)展前景

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　湖北中南市政工程監(jiān)理有限公司吳宇內(nèi)容摘要：本文簡述了我國地下建設工程頂管施工中最常用的幾種工具管：簡易工具管、土壓平衡式工具管、泥水平衡式工具管的適用原理，各自的優(yōu)缺點，以及未來發(fā)展的趨勢。

　　一、頂管在我國的發(fā)展歷程頂管施工技術在我國最早是在20世紀40年代左右在上海被應用，最早的管道頂進施工主要是小口徑，短距離的頂管。解放后，1956年上海開始進行手掘式頂管試驗，但當時的設備簡陋，技術發(fā)展緩慢，其中北京最早在鐵路路基下頂進鋼筋混凝土管，上海首次頂進鋼管穿越黃浦江江堤。

　　60年代北京和上海都有計劃的開發(fā)和推廣頂管技術，而北京地區(qū)由于地下水位較低，干法施工的鋼筋混凝土管比較成熟。60-70年代上?；A公司等單位成立科研小組研制頂管新設備，并設計制造兩段無絞型封閉式導向機頭工具管，形成方向控制，水力機械化出土，觸變泥漿減阻二大技術為核心的頂管新工藝，并首次應用于上海吳淞水廠百米頂進，一次穿越110.53m，方向偏差4.0cm，摩擦減小了2/3，管內(nèi)出土也實現(xiàn)了連續(xù)性和機械化，從而解決了上海地區(qū)地下水位高，施工難度大，特別是鋼筋砼管接頭滲漏問題，使頂管技術得以發(fā)展和推廣。緊接著在1981年，DN2600的管道穿越涌江，第一次應用了中繼環(huán)接力方法施工，頂進長度達581m，使長距離頂管技術達到了新的水平。這以后，我國又從德國、日本等頂管先進國家引進計算機控制，激光指向，陀螺儀定向?qū)Ъ夹g，使頂管施工技術在工程實例上一次頂進長度達到1120m（使用中繼間14個）。它的成功應用，使我國在超長距離頂管技術方面處于了世界的領先地位。

　　二、頂管工具管的分類及其實際適用情況工具管是頂管的關鍵機具，它的主要作用是：掘進、防坍、出泥和導向，不同的工具管有不同的特性。所以應當依據(jù)工程的特點、地質(zhì)情況和設計要求選擇工具管。

　　工具管分為：簡易工具管、擠壓式工具管、三段兩鉸工具管、土壓平衡式工具管、泥水平衡式工具管，機械挖掘式工具管?，F(xiàn)就簡易工具管、土壓平衡式工具管、泥水平衡式工具管作一簡單介紹。

　?。?）簡易工具管。它的工作原理是刃口起切土作用并保護鋼筋混凝土管，另外還起導向作用，它主要適用于我國北方地下水位較低，卵石、礫石較多的地質(zhì)情況。簡易工具管雖然是最早的工具管，但由于該工具管形式存在時間較久，掌握該施工方法的人較多，從而演變和發(fā)展出很多種適合實際施工的改造工具管。如擠壓式、網(wǎng)格式和氣壓平衡工具管就是由簡易工具管經(jīng)過實踐改造而制成的。因此，簡易工具管由于改造方法多，適應性強的特點而被廣泛采用。如遇“上軟下硬”截面土質(zhì)，可在簡易工具頭上部焊接格柵或擋板抵抗上部流砂，以挖鏟或風鎬破碎下部硬土和巖石，使簡易工具管變成為網(wǎng)格式工具管；如遇淤泥質(zhì)土，可將工具頭前焊接喇叭口，使其成為擠壓式機頭，減少土體塌方造成施工事故。

　?。?）土壓平衡式工具管。該工具管采用全封閉的機械化掘進方式，是由盾構(gòu)機演變而來，我國最早采用的是引進日本伊勢基公司的DK式土壓平衡大刀盤工具管。這種掘進機掘進速度快，施工安全，適用土層廣，棄土方便，在我國南方珠江三角洲及上海等土質(zhì)較軟、地質(zhì)變化較大的地區(qū)得到廣泛使用。它的工作原理是在工具管的前端刀盤不斷轉(zhuǎn)動，工具管頂進，開挖石鉆削泥土進攪拌艙，被攪拌成軟塑狀態(tài)的物質(zhì)土，還可以加入水、粘土或其它物質(zhì)，使較硬土體塑化。通過攪拌對具有一定塑性和流動性的棄土，由螺旋輸送機排出攪拌艙。但也有它的不足，土壓平衡機頭機械化程度較高，必須由熟練的技術工人操作，操作不當，就會因壓力過大而造成機頭上部土體隆起，或因壓力過小而造成土體塌陷。再就是由于質(zhì)量要求較高，很多零配體的生產(chǎn)質(zhì)量，國內(nèi)目前尚難達到要求，只能從日本進口，因此造價較高，難以迅速推廣。

　　（3）泥水平衡式工具管。它是土壓平衡工具管的互補機型，它的工作原理是刀盤不斷轉(zhuǎn)動，進泥管不斷供泥水，排泥管不斷將有棄土的泥水排出艙，泥水平衡工具管適用于滲透系數(shù)小于lO-3cm/s的砂性土，它的施工速度快，可連續(xù)出土。在我國的南方和北方都能使用，其缺陷是工作井的出泥較難。

　　綜上所述，三種工具管各有不同優(yōu)缺點：簡易工具管適用于地下水較低的土質(zhì)，可改變性大，經(jīng)濟適用，相信在相當長一段時間里還將是頂管施工使用的主要工具頭。

　　土壓平衡式工具管因其對硬土及巖石的強大切削功能，及其全封閉的工作艙，使該種工具管的安全性提高，在將來將取代簡易工具管成為頂管中主要采用機頭形式。

　　泥水平衡式工具管也因其在砂體中頂進速度快和安全的優(yōu)勢，被珠江三角洲等地下水位高、砂土較多的地區(qū)廣泛采用。

　　三、頂管施工法的展望隨著我國現(xiàn)代化城市的不斷發(fā)展，城市地下建設日益繁榮，城市城下建設工程將越來越多，明挖工程對城市交通，地下埋設物，城市建（構(gòu)）筑物，城市環(huán)境等產(chǎn)生很大影響，而暗挖工程尤其是頂管工程，對上述諸方面影響很小，甚至毫無影響。頂管施工技術的優(yōu)越性越來越突出，但頂管工程是一個系統(tǒng)工程，它涵蓋巖土工程、地質(zhì)勘察、土木結(jié)構(gòu)、機械制造、化學灌漿、泥漿配制、自動控制等科學成果，所以還需更多投入研究和實踐才能使該技術得以發(fā)展和成熟。