球墨铸铁顶管的设计及质量控制研究

付林林

（安钢集团永通球墨铸铁管有限责任公司，河南 安阳 455133）

现有顶管施工用的顶管主要有焊接钢管顶管、水泥顶管和玻璃钢顶管。焊接钢管顶管在制作时焊接工作量大、制作困难；水泥顶管则存在强度不够、不能用于压力管道等问题；玻璃钢顶管易破碎，使用寿命短。

为克服现有技术问题的不足，提出使用球墨铸铁顶管来进行顶管施工。球墨铸铁顶管以球墨铸铁管为内管，在球墨铸铁管外浇筑混凝土层，球墨铸铁管与混凝土层相结合，具有结构简单、加工制作容易、强度高、使用寿命长等优势。

1 发展过程及现状

球墨铸铁顶管常用于市政施工的非开挖掘进式地下给排水管道的铺设或更换，通过工作井把要埋设的管子顶入土内，其可曲线穿行，以绕开一些地下管线或障碍物。

球墨铸铁顶管彻底解决了管道埋设施工中对城市建筑物的破坏和道路交通的堵塞等难题，在稳定土层和环境保护方面凸显其优势，这对交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下管线复杂的城市是非常重要的[1]，它将为城市创造一个洁净、舒适和美好的环境。通常顶管直径DN为300～2 600 mm。

2 设计与开发

2.1 球墨铸铁顶管结构

球墨铸铁顶管结构如图1 所示，包括内管、混凝土层、密封圈及挡环，内管外浇筑有混凝土层。

图1 球墨铸铁顶管

混凝土层内设置有钢丝网骨架，钢丝网骨架的一端与内管承口段的外壁固定连接，钢丝网骨架的另一端通过连接件与挡环连接。

这里的内管为球墨铸铁管，包括一体结构的管身段、承口段及插口段。管身段前部的外周上固定有挡环，挡环之前的管身段为插口段，插口段的长度大于承口段内腔的长度，插口段的前端设置有倒角。管身段的后端设置有承口段，承口段为中空的锥形结构，承口段的内腔用于插装后一个球墨铸铁管的插口段。承口段的内腔沿承口段的长度方向由前向后依次布置连通腔、推进腔、密封腔及喇叭口，连通腔的直径与管身段的内孔直径相同，推进腔的截面形状为锥形，推进腔的内径由前向后渐小，密封腔的内径大于推进腔的最大端的内径，推进腔内设置有用于支撑密封圈用的内凸环，且密封腔内设置有密封圈，后一个球墨铸铁管的插口段插入前一个球墨铸铁管的承口段后，将密封圈插入插口段与承口段之间的间隙。

2.2 球墨铸铁顶管设计加工

在制作球墨铸铁顶管时，先离心铸造球墨铸铁管，然后按照内管长度从插口段切割铸造的球墨铸铁管，之后加工插口段的倒角，打磨插口段外圆周面及切割面，打磨长度大于设计插口段的长度，打磨时要求切割面整齐光滑，不能有飞边毛刺，之后按照尺寸加工承口段的推进腔、密封腔及喇叭口，至此完成内管的加工。

然后将钢丝网骨架的一端与内管的承口段焊接固定，另一端与挡环焊接固定，安装浇筑模具后，在浇筑模具与内管之间浇筑混凝土，边填充边用振动棒进行振动，确保填充的混凝土均匀，混凝土浇筑时，用振动棒沿圆周振实，不能有漏振现象。

混凝土凝固后，去掉浇注模具，安装焊接挡环，确保挡环外沿到内管前端的长度满足插口段的长度要求，然后进行蒸汽养生12 h。养生温度为35～65 ℃，相对湿度≥90%。

养生合格后在混凝土层外表面涂刷涂料，喷涂标识。至此完成本实用新型的制作。

在球墨铸铁管顶管T 型接口的球墨铸铁管外层涂覆一层混凝土砂浆[2]，将球墨铸铁管紧紧包裹在混凝土层内部，这样施工顶进时，既可以减少顶进阻力，使顶管各部位受力均衡，又可以保护铸铁管部分不受损害。

3 球墨铸铁顶管的压力试验

球墨铸铁顶管施工时，通过借助主顶油缸及管道间的推力，把工具管从工作井内穿过土层一直推到接收井内吊起，与此同时，也就把紧随工具管后的顶管管道埋设在两井之间，以期实现非开挖敷设地下管道的施工。一个工作井内的管子可在地下穿行1 500 m以上，这就要求球墨铸铁顶管端面需承受500～2 000 t的顶推力。

在制造过程中，对顶管顶推阻力进行了试验，试验数据如表1 所示。

表1 球墨铸铁顶管允许顶推阻力

用于顶管施工技术的球墨铸顶管试验顶推阻力较允许顶推阻力均高出100 t 以上，DN=1 200 mm 的球墨铸铁顶管最大可承受1 200 t 的顶推力，产品质量稳定。

4 质量控制

4.1 尺寸要求

承口外凸台较普通铸铁管外径d1尺寸大20 mm，插口尺寸控制在铸管标准的偏下限，长度偏差不超±10 mm。

插口最大直径与最小直径相差不能超5 mm，打磨后的水泥内衬平整光滑，清一色，不能有浮砂、修补现象。

4.2 外观要求

4.2.1 铸管外观要求

插口200 mm 以内不允许有龟裂纹，承口外端面、直端面、承口内各密封面均需打磨光滑、干净，不能有凸起、缺块、砂眼及夹渣等肉眼可见缺陷。管身允许有龟裂纹，不允许重皮、裂纹等外观缺陷，在承口内外、插口外喷锌。

4.2.2 顶管外观要求

外涂水泥面平整，无凹凸不平、缺块、多块，涂料涂刷均匀，无滴流、无漏刷，插口挡环平面与管身垂直，挡环位置紧挨插口安装线，承口内、外沿30 mm、插口挡环及插口安装部位外表面涂刷红色环氧树脂漆，需用专用防护垫防护。

4.3 水泥砂浆配比

水泥要求标号为42.5～52.5；砂子要求为中粗天然砂；石子要求为05 级；具体配比为水泥、砂子、石子、水的质量比为1∶1.38∶2.74∶0.5；水泥砂浆浇灌时，用振动棒沿圆周振实，不能有漏振现象。

4.4 吊装要求

顶管吊装必须使用吊装带，轻装轻放，运输车辆需对易磕碰面进行专业防护，预防碰坏水泥涂层，禁止用吊具直接吊装水泥内、外面。

5 结语

球墨铸铁顶管施工是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术，现被广泛应用于学校、医院和工厂等场地的修建过程中。在工作坑内借助于主顶油缸等顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中[3]。一节管子被顶入土层之后，再下第二节管子继续顶进。球墨铸铁顶管能够深入地下作业，不需拆迁，因此能节约一大笔征地拆迁费用，且不破坏地面建筑物，不影响、不破坏周围环境，不影响交通，施工时也不受气候和环境的影响，施工场地小，噪音小，不影响管道的段差变形，特别适用于大中型管径的不开挖铺设，可获得显著的经济效益和社会效益。