城市地下管线施工中顶管工具头的应用及技术发展前景

　湖北中南市政工程监理有限公司吴宇内容摘要：本文简述了我国地下建设工程顶管施工中最常用的几种工具管：简易工具管、土压平衡式工具管、泥水平衡式工具管的适用原理，各自的优缺点，以及未来发展的趋势。
　　一、顶管在我国的发展历程顶管施工技术在我国最早是在20世纪40年代左右在上海被应用，最早的管道顶进施工主要是小口径，短距离的顶管。解放后，1956年上海开始进行手掘式顶管试验，但当时的设备简陋，技术发展缓慢，其中北京最早在铁路路基下顶进钢筋混凝土管，上海首次顶进钢管穿越黄浦江江堤。
　　60年代北京和上海都有计划的开发和推广顶管技术，而北京地区由于地下水位较低，干法施工的钢筋混凝土管比较成熟。60-70年代上海基础公司等单位成立科研小组研制顶管新设备，并设计制造两段无绞型封闭式导向机头工具管，形成方向控制，水力机械化出土，触变泥浆减阻二大技术为核心的顶管新工艺，并首次应用于上海吴淞水厂百米顶进，一次穿越110.53m，方向偏差4.0cm，摩擦减小了2/3，管内出土也实现了连续性和机械化，从而解决了上海地区地下水位高，施工难度大，特别是钢筋砼管接头渗漏问题，使顶管技术得以发展和推广。紧接着在1981年，DN2600的管道穿越涌江，第一次应用了中继环接力方法施工，顶进长度达581m，使长距离顶管技术达到了新的水平。这以后，我国又从德国、日本等顶管先进国家引进计算机控制，激光指向，陀螺仪定向导技术，使顶管施工技术在工程实例上一次顶进长度达到1120m（使用中继间14个）。它的成功应用，使我国在超长距离顶管技术方面处于了世界的领先地位。
　　二、顶管工具管的分类及其实际适用情况工具管是顶管的关键机具，它的主要作用是：掘进、防坍、出泥和导向，不同的工具管有不同的特性。所以应当依据工程的特点、地质情况和设计要求选择工具管。
　　工具管分为：简易工具管、挤压式工具管、三段两铰工具管、土压平衡式工具管、泥水平衡式工具管，机械挖掘式工具管。现就简易工具管、土压平衡式工具管、泥水平衡式工具管作一简单介绍。
　　（1）简易工具管。它的工作原理是刃口起切土作用并保护钢筋混凝土管，另外还起导向作用，它主要适用于我国北方地下水位较低，卵石、砾石较多的地质情况。简易工具管虽然是最早的工具管，但由于该工具管形式存在时间较久，掌握该施工方法的人较多，从而演变和发展出很多种适合实际施工的改造工具管。如挤压式、网格式和气压平衡工具管就是由简易工具管经过实践改造而制成的。因此，简易工具管由于改造方法多，适应性强的特点而被广泛采用。如遇“上软下硬”截面土质，可在简易工具头上部焊接格栅或挡板抵抗上部流砂，以挖铲或风镐破碎下部硬土和岩石，使简易工具管变成为网格式工具管；如遇淤泥质土，可将工具头前焊接喇叭口，使其成为挤压式机头，减少土体塌方造成施工事故。
　　（2）土压平衡式工具管。该工具管采用全封闭的机械化掘进方式，是由盾构机演变而来，我国最早采用的是引进日本伊势基公司的DK式土压平衡大刀盘工具管。这种掘进机掘进速度快，施工安全，适用土层广，弃土方便，在我国南方珠江三角洲及上海等土质较软、地质变化较大的地区得到广泛使用。它的工作原理是在工具管的前端刀盘不断转动，工具管顶进，开挖石钻削泥土进搅拌舱，被搅拌成软塑状态的物质土，还可以加入水、粘土或其它物质，使较硬土体塑化。通过搅拌对具有一定塑性和流动性的弃土，由螺旋输送机排出搅拌舱。但也有它的不足，土压平衡机头机械化程度较高，必须由熟练的技术工人操作，操作不当，就会因压力过大而造成机头上部土体隆起，或因压力过小而造成土体塌陷。再就是由于质量要求较高，很多零配体的生产质量，国内目前尚难达到要求，只能从日本进口，因此造价较高，难以迅速推广。
　　（3）泥水平衡式工具管。它是土压平衡工具管的互补机型，它的工作原理是刀盘不断转动，进泥管不断供泥水，排泥管不断将有弃土的泥水排出舱，泥水平衡工具管适用于渗透系数小于lO-3cm/s的砂性土，它的施工速度快，可连续出土。在我国的南方和北方都能使用，其缺陷是工作井的出泥较难。
　　综上所述，三种工具管各有不同优缺点：简易工具管适用于地下水较低的土质，可改变性大，经济适用，相信在相当长一段时间里还将是顶管施工使用的主要工具头。
　　土压平衡式工具管因其对硬土及岩石的强大切削功能，及其全封闭的工作舱，使该种工具管的安全性提高，在将来将取代简易工具管成为顶管中主要采用机头形式。
　　泥水平衡式工具管也因其在砂体中顶进速度快和安全的优势，被珠江三角洲等地下水位高、砂土较多的地区广泛采用。
　　三、顶管施工法的展望随着我国现代化城市的不断发展，城市地下建设日益繁荣，城市城下建设工程将越来越多，明挖工程对城市交通，地下埋设物，城市建（构）筑物，城市环境等产生很大影响，而暗挖工程尤其是顶管工程，对上述诸方面影响很小，甚至毫无影响。顶管施工技术的优越性越来越突出，但顶管工程是一个系统工程，它涵盖岩土工程、地质勘察、土木结构、机械制造、化学灌浆、泥浆配制、自动控制等科学成果，所以还需更多投入研究和实践才能使该技术得以发展和成熟。