地下管道施工的创新技术：螺旋式微型隧道

螺旋式微型隧道施工法是由水平螺旋钻进法发展而来的，与螺旋钻进法的主要区别在于它采用钻头式结构，可实现全自动操作，包括测斜和纠偏。此外，在螺旋式微型隧道施工法中，钻头既可由螺旋钻杆驱动，也可由独立的驱动装置驱动。

1.施工工艺

管道的铺设分单步施工法和双步施工法两种。单步法施工时，钻头在工作面进行切削钻进，切削下的土由螺旋钻杆排到起始工作坑，同时将永久性管道随顶进头一起顶入。当顶进头到达目标工作坑时，铺管工作也同时完成。如图2-15所示。

双步施工时，先顶进预制的保护套管，套管为施工机具的一部分。套管一般采用双层管，其环行空间可用作液压管道和控制电缆的通道，以减少每节管的连接时间。当顶进头到达目标工作坑时，再从起始工作坑顶进永久性管道。如图2-16所示。

2.施工机具

螺旋式微型隧道法所需要的主要设备包括：钻进和排全系统、导向（测斜纠偏）系统、顶进系统和控制系统等。螺旋式微型隧道顶管机的结构见图2-17。钻进和排土系统由钻头、螺旋钻杆、套管和驱动装置组成。根据土层条件不同，可以选用不同类型的切削钻头。必要时，可抽出螺旋钻杆更换已磨损的钻头，或改变钻头的形式。钻头可通过螺旋钻杆由起始工作坑内的主驱动装置驱动，也可由位于钻头后面的独立驱动装置驱动。主驱动装置由于受到扭矩的限制，一般仅限于小口径、短距离的管道施工，为克服这一限制条件，可采用两种途径：一是在钻头和螺旋钻杆之间使用一个齿轮变速箱，变速比一般取4∶1，使钻头的转速降为螺旋钻杆转速的1/4，则扭矩相应增大了；另一种途径是钻头和螺旋钻杆使用独立的驱动装置。

测斜纠偏系统用来检测施工过程中钻孔方向的变化，并对偏斜进行修正，使钻孔的走向

图2-16 螺旋式微型隧道施工——双步施工法

（垂直方向和水平方向）始终控制在允许的范围内。测斜系统主要由经纬仪、目标靶、显示仪等组成。纠偏由微型顶管机内的方向修正油缸来实现。经纬仪固定在起始工作坑内，通过观察孔可监视安装在微型隧道顶管机后的目标靶。方向修正油缸一般为四个，均布在微型顶管机的周围。图2-18为常用的测斜纠偏系统的示意图。

图2-17 螺旋式微型隧道顶管机的结构

①—切削头 ②—切削齿 ③—破碎工作室 ④—破损机构 ⑤—高压喷嘴 ⑥—主驱动装置 ⑦—驱动装置 ⑧—导向千斤顶 ⑨—螺旋钻杆 ⑩—给水管 ⑪—激光束 ⑫—阀柜(www.xing528.com)

图2-18 测斜纠偏系统示意图

①—微型顶管机 ②—方向修正油缸 ③—目标靶 ④—照明灯 ⑤—永久管道 ⑥—套管 ⑦—视准线 ⑧—经纬仪 ⑨—支腿 ⑩—止动装置 ⑪—螺旋钻杆 ⑫—钻头

微型隧道顶管机在起始工作坑按照设计的方向安装就位后，从经纬仪到目标靶两点之间的水平视线代表了钻孔的正确方向。当钻孔偏离正确方向时，从经纬仪图像上可发现目标靶的位置发生偏离，同时显示仪也将钻孔方向的偏斜情况显示出来。

纠偏时，通过方向修正操作箱操纵方向修正油缸，使油缸的活塞杆推动微型顶管机朝钻孔偏斜的相反方向偏转一个角度，微型顶管机与钻头之间的环形间隙随之发生变化，因而，微型顶管机的顶进阻力失去平衡，产生一个分力迫使微型顶管机朝偏转的方向顶进。在微型顶管机的带动下，钻头也逐渐朝正确的方向钻进，钻孔的方向就被修正过来。此时，在经纬仪图像上目标靶的位置也回复到原来的中间位置。

顶进系统安装在起始工作坑内，主要由顶进千斤顶、顶座、滑架、后背座、顶进环等组成。顶进千斤顶的顶进力为1000～10000kN，根据地层条件、管径大小以及施工长度而定。

操作控制系统由方向控制盘、施工参数显示仪和控制手柄等组成。为了减小起始工作坑的尺寸，往往将操作控制系统和动力机组集装箱置于起始工作坑的上部，可实现全天候施工。

3.应用范围

一般来讲，螺旋式微型隧道施工法适用于直径为150～900mm的管道铺设，顶进长度可达150m，甚至更长，适用的地层主要为非黏性的土层，N_63.5值为5～50，可处理的最大颗粒直径取决于螺旋钻杆的直径和螺距的大小，一般为20～50mm。施工准确度的上下偏差在±30mm以内，水平偏差在±50mm以内。

为了解决螺旋钻杆的直径和螺距对处理最大粒径大小的限制，可采用特殊的钻头，或在钻头的后部增加一破碎机构以将大颗粒的块石或砾石破碎到螺旋钻杆可处理的粒度大小。

由于螺旋式微型隧道施工法的施工设备为开放式结构，因而，一般不适用于含水地层的施工。若采用辅助方法使螺旋排土系统成为封闭式结构，则螺旋式微型隧道施工法也可用于含水地层的施工。在钻进和顶进时，排土系统的后部处于密封状态，并向其施加压力以平衡切削工作面的地下水压力。当一节管顶入后，将排土系统的前端密封，使地下水不能进入排土系统内，然后连接外管道和螺旋钻杆，进行加压和顶进。排土系统的加压可通过注入压缩空气或高压水来实现。