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(yùn)動，錘體受氣壓后產(chǎn)生的沖擊力推動設(shè)備前進(jìn)，設(shè)備再將沖擊力傳到管道上，使管道向前頂進(jìn)。當(dāng)錘體運(yùn)動到前方極限后，缸內(nèi)自動換氣閥將進(jìn)氣方向改變，使錘體向后運(yùn)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(jìn)。當(dāng)需要進(jìn)行設(shè)備反打時，可通過改變氣體進(jìn)入設(shè)備的方式來改變錘體的運(yùn)動方向。
為了使氣動頂管設(shè)備殼體內(nèi)的活塞（錘頭）在運(yùn)動過程中保持良好的潤滑狀態(tài)，在從空氣壓縮機(jī)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(jī)內(nèi)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(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(jìn)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(jìn)設(shè)備選擇
頂進(jìn)設(shè)備主要包括多年錘擊式掘進(jìn)機(jī)、空壓機(jī)、鎖緊件、工具管、管材等，錘擊式掘進(jìn)機(jī)主要包括主機(jī)、導(dǎo)氣管、氣閥門、擴(kuò)空器等。選用一般的工業(yè)用空壓機(jī)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(jìn)管前安裝的帶刃口的管子，具有挖土保護(hù)和糾偏功能，在小口徑頂管中，習(xí)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(jìn)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(jìn)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(jìn)的速度，而且會直接影響后續(xù)氣壓吹土的正常進(jìn)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(dǎo)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(jìn)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(jìn)行開挖和頂進(jìn)。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(yùn)動而使前進(jìn)速度很慢或不前進(jìn)，這時應(yīng)減少供氣量進(jìn)行頂打，當(dāng)被頂管子進(jìn)入土內(nèi)不再后退時，再恢復(fù)正常供氣。管道頂進(jìn)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(jìn)誤差調(diào)整
在工作坑內(nèi)設(shè)有水準(zhǔn)點(diǎn)和預(yù)設(shè)的方向線，采用激光水準(zhǔn)儀直接測量前端管底高程和方向。每頂進(jìn)50cm時測量一次，如果在頂進(jìn)中發(fā)現(xiàn)偏差，利用糾偏千斤頂進(jìn)行校正，使其復(fù)位。
3、工藝改進(jìn)
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(jìn)行了探索和改進(jìn)，取得了良好的效果。
3.1 切土頭的改進(jìn)
原施工工藝是將頂管切土頭安裝在第一節(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(jìn)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(kuò)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(jìn)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(fèi)很大。為節(jié)省施工經(jīng)費(fèi)，對切土頭進(jìn)行改進(jìn)，直接將頂進(jìn)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(dá)到。