城市地下管线施工中顶管工具头的应用

湖北武玉中南市政工程监理有限公司摘要:简要介绍了我国地下工程顶管施工中几种常用工具管:简易工具管、土压平衡工具管、泥水平衡工具管的应用原理、优缺点及未来发展趋势。
一、顶管在中国的发展历史。顶管施工技术在中国最早应用于上海是在20世纪40年代左右。最早的顶管施工主要是小口径短距离顶管。解放后，1956年，上海开始进行手挖顶管试验，但当时设备简陋，技术发展缓慢。其中，北京铁路路基下首次顶进钢筋混凝土管，上海首次通过黄浦江大堤顶进钢管。
20世纪60年代，北京和上海都计划发展和推广顶管技术。而在北京，由于地下水位较低，干法施工的钢筋混凝土管道相对成熟。20世纪六七十年代，上海基础公司等单位成立研究小组，研制新型顶管设备，设计制造了两段无缠绕封闭导向头工具管，形成了以方向控制、水力机械化开挖、触变泥浆减阻为核心的顶管新技术。首次应用于上海吴淞水厂100米顶进，穿越110.53米，方向偏差4.0厘米，摩阻降低2/3，管道开挖连续机械化，于是，1981年DN2600管道穿越甬江，首次应用接力环接力法。顶进长度达到581米，使长距离顶管技术达到了一个新的水平。此后，我国从德国、日本等先进顶管国家引进了计算机控制、激光瞄准、陀螺制导技术，使顶管施工技术在一个工程实例中顶进长度可达1120m(使用14个接力室)。它的成功应用使我国在超长距离顶管技术方面处于世界领先地位。
二。顶管工具的分类及实际应用。工具管是顶管施工的关键工具，其主要功能是:掘进、防塌、排泥和导向。不同的工具管有不同的特性。因此，应根据工程特点、地质条件和设计要求选择工具管。
工具管分为简易工具管、挤压工具管、三节两铰工具管、土压平衡工具管、泥水平衡工具管和机械挖掘工具管。简要介绍了简易工具管、土压平衡工具管和泥浆平衡工具管。
(1)简易工具管。其工作原理是刀刃起到切土和保护钢筋混凝土管道的作用，同时也起到导向作用。主要适用于我国北方地下水位低，卵石、砾石多的地质条件。简易工具管是最早的工具管，但由于它的存在时间长，很多人掌握了施工方法，于是进化发展出了多种适合实际施工的改装工具管。比如挤压、网孔、气压平衡工具管都是由简单的工具管经过实际改造而成的。因此，简易工具管因其改造方式多、适应性强而被广泛使用。如果是“软顶硬底”断面的土壤，可以在简易工具头的上部焊接一个网格或挡板，阻挡上部的流沙，这样就可以用铲子或风镐打碎下部的硬土和岩石，把简易工具管变成网状工具管；如遇淤泥质土，可在工具头前焊接喇叭口，使其成为挤压头，以减少土体坍塌造成的施工事故。
(2)土压平衡工具管。工具管采用全封闭机械化掘进方式，由盾构机演变而来。从日本史燚财团公司引进的DK型土压平衡工具管是我国首次采用。这种掘进机具有掘进速度快、施工安全、适用土层广、弃土方便等优点，广泛应用于我国南方的珠三角、上海等土质松软、地质变化大的地区。它的工作原理是工具管前端的刀头不断转动，工具管被推进，挖出的石头将土钻入搅拌室，搅拌成软的塑性材料土，也可加入水、粘土或其他材料，使较硬的土塑化。通过混合，具有一定塑性和流动性的弃土由螺旋输送机排出混合室。然而，它也有其缺点。EPB机头高度机械化，必须由熟练的技术工人操作。操作不当会造成机头上部土壤因压力过大而隆起，或因压力过低而塌陷。然后由于质量要求高，很多零配体的生产质量在国内还难以达到要求，只能从日本进口。所以成本高，很难快速推广。
(3)泥浆平衡工具管。它是EPB工具管的补充型号。它的工作原理是刀盘不断旋转，进泥管不断供应泥浆和水，排泥管不断排出舱内带弃土的泥浆和水。泥水平衡工具管适用于渗透系数小于10-3cm/s的砂土，施工速度快，可连续开挖。它在中国南方和北方都可以使用，但它的缺点是很难将泥浆从工作井中取出。【/br/】综上所述，三种工具管各有优缺点:简易工具管适用于地下水位较低的土壤，可变性大，应用经济，相信在相当长的一段时间内将是顶管施工中使用的主要工具头。
由于EPB工具管在坚硬土壤和岩石上的强大切割功能及其全封闭的工作舱，将提高其安全性，它将取代简单的工具管成为未来顶管的主要形式。
泥水平衡工具管因其顶进速度快、在砂土中安全等优点，也广泛应用于珠三角等地下水位高、砂土较多的地区。
三。顶管施工法的前景随着我国现代化城市的不断发展，城市地下建设日益繁荣，城市地下建设工程会越来越多。明挖工程对城市交通、地下埋藏物、城市建(构)筑物、城市环境等有较大影响。，而地下开挖工程，尤其是顶管工程，对上述方面的影响很小或没有影响。顶管技术的优势越来越突出，但顶管是一项系统工程，涵盖了岩土工程、地质勘察、土木结构、机械制造、化学灌浆、泥浆制备、自动控制等科学成果。因此，需要更多的研究和实践来使这项技术发展和成熟。