微型螺旋式頂管施工技術在小口徑管道敷設中的應用

劉冬鑫

（湖南興旺建設有限公司，湖南 長沙 410000）

市政管線設施建設傳統工藝采用明挖開槽，但在快節奏生活的現今，為避免影響交通和人們日常生活，明挖開槽法顯然不適用于老城區市政管線的建設。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，多數采用常規頂管法或定向鉆，這兩種設備的適用范圍存在一定的局限性，施工占用場地空間較大，有限空間施工非常不利[1]。常規頂管法在小口徑管道中都是采用泥水平衡頂管機，施工會產生泥漿，并且在小口徑管道中劣勢較為明顯，內部空間小，布置的設備并沒有因管徑的變化而改變，一旦內部出現問題，人員無法進入內部進行處理。定向鉆雖然適用范圍廣，但其施工精度低，誤差較大，在管線密集的區域并不適用[2]。為了彌補在小口徑管道施工中的缺陷，研究現有的非開挖技術，介紹了一種適用于小口徑管道施工的微型頂管設備——螺旋頂管機。這種頂管設備占用面積小，可在較小的空間中施工，施工速度快，成本低，不產生泥漿等污染物，廣泛應用于小口徑管道施工[3]。

1 螺旋頂管機介紹

螺旋頂管機是近年來應用于小口徑管道的一種設備，適用于管徑800mm 以下的頂管。這種施工設備無需人員進入管道，通過遙控來引導頂管機械進行掘進施工。螺旋頂管機主要由主頂系統、掘進系統、導向系統、排泥系統等組成。設備的尺寸決定工作井與接收井的尺寸，目前螺旋頂管機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

主頂系統主要包括主頂油缸、主頂基座、液壓傳動馬達、后靠背、液壓動力站。液壓動力站為主頂系統的動力來源，工作井布置的設備需要提供動力的主要是主頂油缸和傳動馬達，傳動馬達為導向鉆桿鉆進提供動力。

1.2 掘進系統

掘進系統主要有螺旋頂管機頭，螺旋頂管機頭作為掘進系統的核心，依靠螺旋頂管機刀盤切削土體。頂管機頭普遍采用液壓動力裝置，螺旋頂管機內部空間小，不宜布置太多設備，為滿足施工需求，液壓傳動是最佳選擇。液壓動力站放置在地面上，通過液壓油管與螺旋頂管機頭進行連接，當頂管管節下井安裝時，需將與頂管機機頭連接的油管從接頭處斷開，待管節安裝對接完成后，再將液壓油管進行連接，每次安裝管節都需要將液壓油管進行斷開再次連接。

1.3 導向系統

螺旋頂管機的導向依靠導向鉆頭，導向鉆頭后方連接導向鉆桿。導向鉆桿的內部中空，采用多段拼接和采用快速接口的形式進行設置，一般采用螺紋連接，每節長度為1m～2m，提高施工的適用性以及施工的工作效率。導向鉆頭內自帶激光靶盤，通過經緯儀激光照射在靶盤上，在頂進時跟蹤導向，頂進時可通過導向鉆頭進行糾偏。

1.4 排泥系統

排泥系統由排泥套管和排泥螺旋構成，排泥螺旋安裝在排泥管內部，排泥螺旋與螺旋頂管機前端連接，螺旋頂管機頭刀盤轉動時，排泥螺旋跟隨轉動，轉動的同時將切削的渣土排出。排泥套管頂進前，套管變徑器與導向鉆桿連接，排泥套管頂進一節，在接收井回收一節導向鉆桿，直至套管頂入接收井。套管的回收也是如此，頂管管節在工作井每頂進一節，出泥螺旋管在接收井拆卸回收一節，按此操作直到頂管機頭達到接收井，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，工作井布置的設備大致相同，同樣需要液壓動力站提供動力，依靠主頂油缸頂進。不同之處在于工作井至接收井之間，螺旋頂管機的導向、出土是最大的不同之處，這就使螺旋頂管機的施工工藝及流程有很大的不同。螺旋頂管機適用于小口徑管道，小口徑管道的埋深不會太大，考慮到施工成本及效率的因素，螺旋頂管機的工藝流程原理有較大的變化。

2.2 螺旋頂管機施工工藝原理

螺旋頂管機與常規的頂管機有所不同，常規的頂管機泥漿和渣土在工作井端輸出，而螺旋頂管機出土在接收井端，通過螺旋套管渣土排出。常規頂管機先頂進頂管機頭，而螺旋頂管機先頂進導向鉆桿，導向鉆桿的精度決定螺旋頂管機的精度，激光經緯儀架設在工作井導向鉆頭裝置的后方，導向鉆頭內置激光靶盤，靶盤位置設置照射燈，激光經緯儀、靶盤和激光接收裝置均與電腦監測器相連。激光信號顯示在操作室的電腦監測器上，可實時觀看導線鉆頭的姿態。根據電腦監測器中觀測到的中心偏差實時調節動力頭裝置的旋轉角度進而調節傾斜導向面的方向。導向鉆頭在較硬或較粘的土層中鉆進時，可通過導向鉆頭設置的高壓注水孔，通過水管連接泥漿泵和注水裝置，向土層中注入高壓水，高壓水可擾動土層，同時也可以利用導向鉆頭的攪動產生泥漿，起到降阻減磨的效果。

螺旋頂管機的主頂設備決定工作井的尺寸，主頂設備安裝在工作井，占據較大的空間，為把工作井的空間利用到最佳，主頂油缸在頂進管道的兩側布置，縮短了軸向空間。采用螺旋頂管機施工的管道，頂進距離不會很長，頂力配置不需要太大。管節與機頭的頂進，受力在頂環上，主頂油缸推動頂環使機頭與管節向前頂進。螺旋頂管機的頂環與常規的頂管機不同，頂環與兩側主頂油缸相連，主頂油缸的伸縮，頂環也隨之移動。

螺旋頂管機所有設備的頂進都支撐在頂環上，主頂油缸推動頂環而向前頂進。螺旋頂管機先頂進的設備是導向鉆桿，導向鉆桿不僅要向前頂進，同時還需要轉動，所以轉動就需要提供動力。導向鉆桿的旋轉動力提供裝置安裝在頂環上，在頂環中心安裝一個液壓動力馬達，通過液壓動力站驅動。由于螺旋頂管機的工作井尺寸較小，液壓動力站只能放置在地面，通過耐高壓油管連接傳輸。當第一根導向鉆桿進入土層中后，動力頭裝置與第一根導向鉆桿分離，加裝第二根導向鉆桿，直至若干導向鉆桿貫通工作井和接收井之間的土層。

導向鉆桿頂進完成后，緊接著就是頂進排泥套管，排泥套管通過變徑接頭與導向鉆桿連接，每頂進一節排泥套管，在接收井端拆除一節導向鉆桿，直至導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度沒有特殊要求，方便施工即可。排泥套管頂進完成后，開始安裝螺旋頂管機頭，螺旋頂管機頭前端的刀盤要與排泥套管和排泥套管內排泥螺旋連接，螺旋頂管機頭刀盤轉動可帶動排泥套管內的排泥螺旋轉動，通過排泥螺旋轉動將螺旋頂管機頭切削的渣土排出。螺旋頂管機的動力采用液壓動力裝置，動力的通過來源是設置在地面的液壓動力站。

螺旋頂管機設備的組成并不復雜，為簡化整個施工工序，提高生產效率。螺旋頂管機在工作井安裝的設備采用集成化設計，主頂油缸、頂環、后靠背、導軌、機架為一個整體，在安裝時一次性吊裝就可將工作井內的設備安裝完成，設備拆除時也是整體式拆除，縮短了整個施工安拆時間。在設備操控方面設置兩套操作系統，第一套操作系統在工作井內，這套系統較為簡單，全部采用手動操作。第二套操作系統設置在操作室內，操作室需在工作井外布置，全部的采用電器化操控，并且能夠提供一個良好的操作環境，實現精細化施工。操作系統的選擇可根據現場的條件選擇，如果施工場地受限，可選用第一套操作系統。

3 螺旋頂管機施工優缺點分析

3.1 螺旋頂管機施工的優點

在實際應用中發現螺旋頂管機施工的眾多優點，在施工工序上，雖然都需要在頂管區間兩端先設立工作井及接收井，但是與泥水平衡頂管機及土壓平衡頂管機相比，螺旋頂管機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]。螺旋頂管機通過先進行導向管頂進，導鉆桿到達接收井后進行排泥套管頂進，排泥套管到達接收井后進行接機頭和管材的頂進，當頂管機頭到達接收井，管道頂進成形。與泥水平衡頂管機及土壓平衡頂管機相比，頂進的工序較為繁瑣，但是導向鉆桿與排泥套管的頂進，能夠先行探測出頂進軸線方法的障礙物，早發現早處理。

螺旋頂管適應的土質范圍較廣，在粉土、黏土、砂土中掘進可以輕松應對。在地下水位高且富水地區、建構筑物密集區、交通繁忙地區、地面障礙物多且空間狹小都可以適應。同傳統頂管法與拖拉管法相比，螺旋頂管機的特點優勢顯著。

1.設備較小，組裝和拆除較為方便，占用的施工面積少，并且設備操作簡單。螺旋頂管機內刀盤旋轉、主頂油缸頂進、糾偏油缸伸縮等設備由一根控制信號線連接至操作平臺上，而且激光導向靶盤、壓力表等數據都顯示在操作平臺的顯示屏上。螺旋頂管機現場所需操作人員較少，只需一名頂管機司機井內操作設備。

2.能高精度地保證管道設計軸線及設計高程，因螺旋頂管機先行頂進導向鉆桿，通過工作井架設的激光經緯儀觀察導向鉆頭的姿態，數據在屏幕上實時反饋，頂管機操作手通過觀察屏幕顯示的姿態進行調整，實現精確地導向頂進。

3.螺旋頂管機的頂進施工對周邊環境影響小，占用面積小，不影響交通，對人們日常生活影響較小；其四是螺旋頂管機和大口徑頂管一樣，對周圍環境的影響較小，對土體擾動范圍小，難以引起開裂、破壞等現象。螺旋頂管機排出的泥量少，并且不產生泥漿，也不采用泥漿，頂管施工完成也不需要進行泥漿置換，施工時產生的噪聲低，對周圍居民的生活及環境影響小。

4.螺旋頂管機一般適用管徑范圍為DN300～DN800，與傳統泥水平衡頂管法和土壓平衡頂管法相比，各有優勢。在微型頂管法被引進之前，一般情況下會選擇加大管徑，使管道的管徑達到DN600 后再采用泥水平衡頂管工法進行施工。但加大管徑將會導致運行時水流速度過低，容易導致管道淤積泥沙，加大管道運行的管理及疏通的工作。因此，在小口徑管道施工領域內，微型頂管工法將有著極大的優勢。微型頂管法工作井及接收井的大小取決于設備及管節的尺寸，目前螺旋頂管機頂進采用每節1m 的管道，其尺寸可根據需要還可進行優化。因此，無論從占地或者造價上，微型頂管工法中的螺旋頂管機均有較大優勢。

5.螺旋頂管機頂進過程中遇到意外情況回收容易，不需設計回拔鋼棒。在機架位置預留了螺栓孔，可以使機架與機頭通過螺旋套管進行剛性連接。當頂管機出現故障或者其他原因無法頂進時，直接將機頭用主頂油缸拔回。

3.2 螺旋頂管機施工的缺點

螺旋頂管機的缺點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，可能會導致卡住刀盤，其次堅硬物質從刀盤進入排泥套管，容易導致出土螺旋卡住。螺旋頂管機頂進施工前，需將頂進方向進行精確的地質勘探，如有障礙物需清除障礙物后方可進行頂進施工。

根據多年的研究發現，螺旋頂管機并不適用于長距離頂進。受設備的影響，螺旋頂管機先行頂進導向鉆桿，導向鉆桿內徑一般為100mm，每節長度在1m 左右，激光經緯儀的導向激光從工作井照射在導向鉆桿前端的導向鉆頭靶盤上，隨著頂進距離的增加，激光點會逐漸增大，同時還會受到導向鉆桿內部空氣的質量、濕度、溫度的影響，激光會產生折射。這些因素都會影響導向的精度，空間越小，越容易受到影響，也是影響螺旋頂管機頂進距離的因素之一。目前螺旋頂管機頂進距離一般在100m 以內，經過綜合考慮，螺旋頂管機的始發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，節約工程成本。

4 結論

在市政管線小口徑管道建設工程中，螺旋頂管機在小口徑管道施工中的應用，解決了在房屋建筑密集區的街巷及作業面狹小的區域管道鋪設。螺旋頂管機具有其他傳統的施工方式無法比擬的優勢：施工速度快、精度高、工作面小、對交通及周邊建構筑物擾動及地面的隆起與下沉影響較小。由于其所需作業面小，能夠降低工程造價，經濟效益較好，也為日后復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。隨著市政管線村鎮化建設全面推廣，螺旋頂管機所突顯出的優勢會逐漸被關注，在市政污水工程上具有廣闊的應用前景。