工具管是顶管的关键机具,一般应具有以下功能：掘进、防坍、出泥和导向等。不同工具管有不同的特性,所以应依据工程的特点、地质情况和设计要求选择工具管。

目前常用的几种工具管如下。

1.简易工具管

简易工具管一般是指刃口工具管。这种工具管纠偏简单,人工挖掘。这是顶管发展初期最早采用的一种工具管,至今在特定的土质条件下仍然被采用。这是因为刃口工具管构造简单,只要土质好,适合掘进,施工成本是比较低的。

刃口工具管有两类：无纠偏装置和有纠偏装置(图12.16)。刃口又分有格栅和无格栅两种。有无格栅应根据管径的大小和土体稳定程度而定,一般而论,管径较大的应有格栅。但也有这种情况,管径虽大而土体稳定的也可以不用格栅。合理的办法是格栅做成活动的,可拆可装,根据实际情况决定装或拆除。

刃口工具管的刃口起切土作用并保护钢筋混凝土管,另外还起导向作用。

有纠偏装置的刃口,依靠纠偏油缸改变刃口的方向,实现纠偏。无纠偏装置的刃口工具管纠偏方法如下(图12.17)。

图12.16　刃口工具管

(a)无纠偏装置、无格栅；(b)有纠偏装置、有格栅

(1)管内挖土纠偏：开挖面的一边保留土体,另一边被开挖,顶进时土体的正面阻力移向保留土体的一侧。管道向该侧纠偏。

(2)管外挖土纠偏。管内的土被挖净,并挖出刃口,管外形成洞穴。洞穴的边缘、一边在刃口的内侧,一边在刃口的外侧,顶进时管道顺着洞穴方向移动。

简易工具管刃口切土,人工掘进,格栅防坍,简易纠偏。简易工具管适用于无地下水(包括降水)并对沉降无严格要求的粗砂、细砂、粉砂、砂质粉土、黏质粉土,不适用于渗透系数较大的土层,例如含水卵石层、砂土、砂质粉土,也不适用含水量较高的淤泥；适用中、大口径管径顶管；适用中、短距离顶管。

图12.17　挖土纠偏示意图

2.挤压式工具管

挤压式工具管是由刃口发展而来的。对含水量较高、孔隙比较大的淤泥质土和部分淤泥,可采用挤压式工具管。

将刃口工具管的刃口锥面向内延长成喇叭状,即成挤压式工具管(图12.18)。(www.daowen.com)

图12.18　挤压式工具管

喇叭口的大端是工具管的外径,小端是进泥口,进泥口的面积与工具管进泥面的面积之比称为挤压式工具管的开口率。

式中　α——开口率；

D——工具管的外径；

d——进泥口的内径。

挤压式工具管的工作原理是,当工具管在顶力的作用下向前推进时,工具管正面的土体向压力较低的方向流动,从进泥口进入工具管。要实现上述过程,需要具备以下条件。

(1)要有足够厚的覆盖层。工具管正面土体的最大被动土压力要大于土体挤入工具管的阻力,否则地面会隆起。

(2)工具管进泥口要有一定的阻力,使工具管的正面土体不会流入工具管。否则,地面会下沉。

土体挤入工具管的阻力大小随开口率的改变而改变。阻力与开口率成反比,开口率大阻力就小,开口率小阻力就大。开口率的大小应该根据土的流动性来决定。土的流动性大,开口率要小；流动性小,开口率要大。土的流动性大小,可根据天然含水量和孔隙比判别。

均质土工具管开口率可以固定。但对不均质土,开口率最好能改变。这时可将锥管分段,可拆、可装、可接长。要增加阻力将锥管接长,要减小阻力又可将锥管拆卸。在淤泥层中顶进,挤压式工具管在息工期间应将进泥口封住,以防止涌土和预防管涌。

挤压式工具管刃口切土,挤压出泥,挤压防坍,简易纠偏。挤压式工具管适用淤泥质土和部分淤泥土质；适用中、小口径管径的顶管；适用中、短距离的顶管。