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非開挖施工技術簡介
2018-06-21 08:56  

1前言

目前,城市現存的許多設施不能滿足發展的需要,如污水、自來水、煤氣、電力和通訊管道的鋪設和維修都是在需要的時候再對街道路面開膛剖肚,從而導致交通堵塞、破壞已有基礎設施、環境污染等一系列問題。非開挖施工技術就是在不開挖(或者少開挖)地表的情況下進行鋪設、探測、維修和更新各種地下管線,解決城市管線施工中的難題。

城市地下管線的鋪設方式是工程建設技術水平的體現,是城市現代化的標志之一,也是社會文明進程的重要體現。

2非開挖技術的特點

現代非開挖地下管線施工技術,是近年來發展起來的一項高新技術,是鉆探工程技術結合工程物探、計算機技術、巖土工程技術及新材料等技術的一項重要延伸。非開挖技術在國外已廣泛使用,在國內也逐漸普及。與其它技術相比,非開挖技術起步較晚。但是在最近20多年中,非開挖技術無論在理論上,還是在施工工藝方面,都有了突飛猛進的發展。非開挖技術是極為重要的一種鋪設管道的工程手段,采用非開挖技術鋪設管道具有若干得天獨厚的優勢。

不開挖地面就能穿越公路、鐵路、河流,甚至能在建筑物底下穿過,是一種安全有效的施工技術。

非開挖技術不開挖地面,故而被鋪設管道的上部土層未經擾動,管道的管節端不易產生段差變形,其管道壽命亦大于開挖法埋管。

采用房下非開挖技術能節約一大筆征地拆遷費用,減少動遷用房,縮短管線長度,有很大經濟和社會效益。

3非開挖技術的構成分類

非開挖技術可分為三大類:鋪設新管線、修復置換舊管線、探測原有管網。

3.1鋪設新管線施工技術

包括導向鉆進鋪管法、定向鉆進鋪管法、氣動矛鋪管法、夯管錘鋪管法、螺旋鉆進鋪管法、推擠頂進鋪管法、微型隧道鋪管法、盾構法和頂管法。

3.2修復舊管線施工技術

包括原位固化法、原位換管法、滑動內插法、變形再生法、局部修復法。

3.3探測地下管網

包括地下管線探測儀(非金屬管道探測儀、金屬管道探測儀、塑料管道探測儀、電力電信纜線探測儀和井蓋探測儀等)、供水管網監測儀(流量水壓記錄儀、漏區診斷儀、漏點定位儀等)、電信線路故障定位儀、氣體故障檢測儀、管中攝影儀、探地雷達、聲納系列。

4非開挖技術應用

現代非開挖技術發展雖然僅20多年的時間,但其施工工藝技術的先進性、優越性所帶來的經濟效益和社會效益已舉世矚目,同時也激勵了非開挖技術的不斷更新,其應用領域不斷拓展。

1)穿越江河、機場、鐵路、公路、建筑等鋪設各種地下管線;

2)隧道的管棚支護、微型鉆孔樁施工等;

3)水平注漿、水平降水、地下污染層處理;

4)煤層瓦斯抽排放孔施工;

5)修復置換舊管線;

6)探測查找地下管網。

5主要非開挖技術介紹

5.1導(定)向鉆進鋪管法

定向鉆進的基本原理:按預先設定的地下鋪管軌跡鉆一個小口徑先導孔,隨后在先導孔出口端的鉆桿頭部安裝擴孔器回拉擴孔,當擴孔至尺寸要求后,在擴孔器的后端連接旋轉接頭、拉管頭和管線,回拉鋪設地下管線。

  水平定向鉆進鋪管的施工順序為:地質勘探、規劃和設計鉆孔軌跡、配制鉆液、鉆先導孔、回拉擴孔、回拉鋪管、管端處理。

5.1.1地層勘察、地下建(構筑物)及地下管線探測

地層勘察主要了解有關地層和地下水的情況,為選擇鉆進方法和配制鉆液提供依據。其內容包括:土層的標準分類、孔隙度、含水性、透水性以及地下水位、基巖深度和含卵礫石情況等??刹捎貌橘Y料、開挖和鉆探、物探等方法獲取。

地下管線探測主要了解有關地下已有管線和其它埋設物的位置,為管線設計和設計鉆進軌跡提供依據。一般采用綜合物探法,按其定位原理分為:電磁法、直流電法、磁法、地震波法和紅外輻射法等,并結合鉆探、靜力觸探、土工實驗等技術。

5.1.2鉆進軌跡的規劃與設計

導向孔軌跡設計是否合理對管線施工能否成功至關重要。鉆孔軌跡的設計主要是根據工程要求、地層條件、地形特征、地下障礙物的具體位置、鉆桿的入出土角度、鉆桿允許的曲率半徑、鉆頭的變向能力、導向監控能力和被鋪設管線的性能等,給出最佳鉆孔路線。

5.1.3配制鉆液

鉆液具有冷卻鉆頭(冷卻和保護其內部傳感器)、潤滑鉆具,更重要的是可以懸浮和攜帶鉆屑,使混合后的鉆屑成為流動的泥漿順利地排出孔外,既為回拖管線提供足夠的環形空間,又可減少回拖管線的重量和阻力。殘留在孔中的泥漿可以起到護壁的作用。

在不同的地質條件下,需要不同成份的鉆液。鉆液由水、膨潤土和聚合物組成。水是鉆液的主要成份,膨潤土和聚合物通常稱為鉆液添加劑。鉆液的品質越好與鉆屑混合越適當。當遇到不同地層時,及時調整鉆液的性能以適應鉆孔要求。

5.1.4鉆導向孔

利用造斜或穩斜原理,在地面導航儀引導下,按預先設計的鋪管線路,由鉆機驅動帶鍥型鉆頭的鉆桿,從A點到B點(見圖1)鉆一個與設計軌跡盡量吻合的導向孔(平面誤差100毫米)。

鉆導向孔的關鍵技術是鉆機、鉆具的選擇和鉆進過程的監測和控制。要根據不同的地質條件以及工程的具體情況,選擇合適的鉆機、鉆具和鉆進方法來完成導向孔的鉆進。

監測與控制:在鉆進導向孔時能否按設計軌跡鉆進,鉆頭的準確定位及變向控制非常重要。鉆進過程中對鉆頭的監測方法主要通過隨鉆測量技術獲取孔底鉆頭的有關信息??椎仔盘杺魉偷姆椒ㄖ饕校弘娎|法和電磁波法。電磁波法的測量范圍較小,一般在300m以內水平發射距離,測量深度在15m左右。電磁波法測量的原理為:在導向鉆頭中安裝發射器,通過地面接收器,測得鉆頭的深度、鴨嘴板的面向角、鉆孔頂角、鉆頭溫度和電池狀況等參數,將測得參數與鉆孔軌跡進行對比,以便及時糾正。地面接收器具有顯示與發射功能,將接收到的孔底信息無線傳送至鉆機的接收器并顯示,以便操作手能控制鉆機按正確的軌跡鉆進。目前,電磁波法在中小型鉆機上應用較多,缺點是必須隨鉆跟綜監控。電纜法在長距離穿越中,特別是地形復雜的工程中應用較多。優點是抗干擾能力強,不要隨鉆跟蹤;但其操作復雜,選用的信號線必須強度高(不易拉斷)、耐磨、絕緣性能好。

5.1.5回拉擴孔

導向孔鉆成孔后,卸下鉆頭,換上適當尺寸和符合地質狀況的特殊類型的回擴鉆頭,使之能夠在拉回鉆桿的同時,又可將鉆孔擴大到所需尺寸。一般采用逐級擴孔;預埋管徑以內采用排土法擴孔,以外采用擠壓法成孔,以保證鋪管后地面不致于沉降,不留隱患。在回擴過程中和鉆進過程一樣,自始至終泥漿攪拌系統要向鉆頭和回擴鉆頭提供足夠的泥漿。

擴孔器類型有桶式、飛旋式、刮刀式等:穿越淤泥粘土等松軟地層時,選擇桶式擴孔器較適宜,擴孔器通過旋轉,將淤泥擠壓到孔壁四周,起到很好的固孔作用;當地層較硬時,選擇飛旋或刮刀式擴孔器成孔較好。一般要求選擇的最大擴孔器尺寸按下表考慮?;虬翠佋O管徑的1.21.5倍,這樣能夠保持泥漿流動暢通,保證管線能安全、順利的拖入孔中。

鋪 設 產 品   口 徑

200mm

管線直徑+100mm

200-600mm

管線直徑×1.5

>600mm

管線直徑+300mm

5.1.6鋪管

擴孔完畢,在拖管坑一端的鉆桿上,再裝擴孔器與管前端通萬向接、特制拖頭等連接牢固,啟動導向鉆機回拉鉆桿進行拖管,將預埋管線拖入孔內,完成鋪管工作。在拖管的同時加入專用防潤土進行泥漿護壁。在條件許可的情況下,可將全部管線一次性連接。

5.1.7管端處理

當拖管結束后,采用挖掘機將擴孔器及管前端挖出,拆除擴孔器及萬向接,處理造斜段,施工檢查井,恢復路面,清場。

                

1  定向鉆鋪管進示意圖

5.1.8施工注意事項

1)定向鉆進施工前應掌握施工位置的地質狀況,選擇適當結構的鉆頭。

2)仔細清查鉆進軌跡中的地下管線情況,掌握地下管線的埋深、管線類型和管線材料,根據實際情況編制施工方案。

3)導向孔施工前應對導向儀進行標定或復檢,以保證探頭精度。

4)導向孔每3米測一次深度,如發現偏差應及時調整,以確保導向孔偏差在設計范圍內。

5)拖拉管線前應作好安全輔助工作,特別是拖拉非金屬管線時,避免損傷管材。

6)管線拖拉完畢后,應按管道試壓規程進行試壓,驗收合格后方可進行管道接駁。

5.2頂管鋪管法

頂管法是依靠安裝在管道頭部的鉆掘系統不斷地切削土屑,由出土系統將切削的土屑排出,邊頂進,邊切削,邊輸送,將管道逐段向前鋪設,在頂進的過程中通過激光導向系統糾偏來調節鋪管方向。

頂管法的技術特點:

1)噪音以及震動都很??;

2)可以在很深的地下敷設管道;

3)對施工周邊的影響很??;

4)可以穿越障礙物。

5.3盾構鋪管法

盾構法是隧道暗挖施工法的一種,它是利用盾構機前端是與盾構機體同等直徑的刀盤,在與土壤接觸時進行旋轉,并加入適量的液體,使切削下來的土與液體在刀盤旋轉的攪拌作用下,成為泥狀流塑體,通過螺旋輸送機送到地面。機頭前進后,在機后留出的空間里,把提前預制好的混凝土管片拼裝成環狀。

盾構法施工具有施工速度快、洞體質量比較穩定、對周圍建筑物影響較小等特點,適合在軟土地基段施工。盾構法施工的基本條件:

1)線位上允許建造用于盾構進出洞和出碴進料的工作井;

2)隧道要有足夠的埋深,覆土深度宜不小于6m;

3)相對均質的地質條件;

4)從經濟角度講,連續的施工長度不小于300m。

5.4氣動矛鋪管法

氣動矛由鋼質外套(矛體)、活塞和配氣裝置組成。氣動矛在壓縮空氣作用下,矛體內的活塞作往復運動,不斷沖擊矛頭,矛頭在土層中擠壓周圍土體,形成鉆孔并帶動矛體前進。形成鉆孔后可以直接將待鋪管道拉入,也可通過拉擴法將鉆孔擴大,以便鋪設更大直徑的管道。

氣動矛技術特點:

1)設備簡單,操作方便,投資少;

2)可鋪設PE管、PVC管和鋼管;

3)適用于短距離(30m以內)、小直徑管道的穿越鋪設;

4)適合在狹小空間內施工。

5.5無縫襯裝置換法

無縫襯裝置換法是一種維修管道的施工方法,是將直徑大于或等于原有管道管徑的PE管襯入管道內,所使用的PE管一般為低、中密度的薄壁聚乙烯管材。管道襯裝前要想辦法減小管的截面積。截面變化的變形可以是彈性的、也可以是半永久的塑性的,方法有兩種,一種是將PE管拉長,以減小管徑,從而減小截面積,PE管襯入后,由于不再受拉力的作用,長度將縮短,管徑將變大,復原后內襯管線將與原有管線緊緊套在一起,兩層管線之間不再需要灌水泥沙漿固定。 減小內襯管截面積的另一種方法是將管道橫截面變形,可在PE管出廠前通過專用的設備將橫截面變為“U”“C”字形,也可以在施工現場拉入PE管前將PE管沿管壁圓周方向扭曲,從而達到變形的目的。變形后的管道可以按滑(拉)入襯裝的方法由卷揚機拉入,然后再利用氣壓水壓或高溫水的作用將變形的管線復原。

施工中需具備的條件:無縫襯裝需要較高的技術水平,要精確計算內襯PE的管的橫截面變化情況,同時,PE管襯裝還需要對接熱熔焊機及特制的內襯管縮徑鋼?;蚺で撃5忍厥獾脑O備。

5.6管道翻襯置換法

管道翻襯的內襯材料一般是由較柔韌的聚合物、玻璃纖維布或無紡纖維等多孔材料做骨架,飽和浸漬樹脂材料而成,材料的外層一般覆蓋一層隔水膜,翻轉襯入管道后,該隔水膜成為新管道的內層,主要起止水作用。翻轉在水壓、氣壓或卷揚機拉力的作用下,內襯材料反轉進入管道的內壁,完成后,在熱水水溫的作用下,樹脂固化,內襯材料形成堅硬的管道內壁,成為管道骨架的一部分。

施工中需具備的條件:管道翻襯的特點是施工簡單,占地少,無須投入專用的設備,一次翻襯的長度可達幾百米,翻襯完成后,在支管、消火栓、閥門等處要挖工作坑進行人工開孔,也可通過專用設備開口。但翻襯施工的工期較長,且由于給水管道中的水質要求較高,用于給水管道上的內襯骨架材料和樹脂是有限制的,應加以慎重選擇。

5.7爆(碎)管襯裝置換法

該方法主要適用于原有管線為易脆管材,如灰口鑄鐵管等,且管道老化嚴重的情況。新管的管徑可以比原有管道管徑大,具體施工方法是將碎管設備放入舊管中,由卷揚機拉動沿舊管前進,沿途由碎管設備將舊管破碎,在碎管設備后連著擴管頭,擴管頭的管徑比原有舊管大,負責將破碎的舊管壓入到周圍的土壤中,緊跟著是內襯管線,一般為PE管材,管徑小于擴管頭,在卷揚機的拉動下拖入原有管道的管位。

施工設備有許多種,大致可以分為三類,一類為氣動碎管設備、一類為液壓碎管設備,一類為刀具切割碎管設備。其中刀具切割碎管設備較為常用,其結構由半徑大于原有管道的切割圓周向的切割刀具構成,在切割刀具后面緊接襯裝新管。另一種為液壓碎管設備,操作簡便。碎管襯裝完全擺脫了PE管內襯時減小過水能力的缺點,其施工工期較短,一次安裝的長度可達幾百米,在支管、消火栓、閥門等處需要局部開挖。對于埋深較淺的管線,碎管設備的震動可能會對地面造成影響。

5.8幾種鋪管非開挖技術比較

序號

比較項目

水平定向鉆

機械頂管

盾構施工

1

管材

鋼管、PVC管、PE

鋼管、鋼筋混凝土管、復合管、PE管、陶管

盾構管片

2

管徑

50-1200mm

600-000mm

3000mm以上

3

一次施工距離

一般100m左右,

特大型1-2km左右

管徑<800mm;130m左右,

管徑≥800mm;1km以上

500m以上

4

適用土質

一般土、砂礫,在巖層中困難

粘土,砂礫至巖層全土質均可

軟土為主

5

機械原理

先鉆進,后擴孔回拖

前面刀盤切削土體,后方頂進

前面刀盤切削土體,頂進機頭后設置管片

6

占地面積

較小

管線兩頭需分別設置工作井和到達井

7

穿越對象

穿路,過河(須設置管內導向)

穿路、過河、市區房下頂管

過河、市區穿越

8

用途

電纜、通信、燃氣、

自來水管、排污管

所有管線,包括重力流的下水、

污水,雨水管線

地下鐵道、隧道

6國內工程實例

目前,我國有許多城市已采用了非開挖技術進行地下管線鋪設,如北京、上海、廣州、深圳、杭州、合肥等部份省市都已經使用,以下為國內部份省市實施的定向鉆鋪管實例:

實例1:深圳市寶安區商業地段,天燃氣管道穿越十字路口,長度87m,管道材料為PE管,管徑Φ315mm。施工主要機械有:D24×40a水平導向鉆機、MarkIII導向儀。

實例2:河北涿州,供水輸送管道穿越三條鐵路,長度85m,管道材料為PE管,管徑Φ110mm。施工主要機械有:D16水平導向鉆機、RD385導向儀等。

實例3:安徽省合肥市,通信電纜管道穿越飛機跑道,長度35m,管道材料為PE管,管徑Φ80mm。施工主要機械有:MG50鉆機、MarkIII導向儀等。

實例4:北京豐臺區田清園小區雨污水合流管線,長171m、管道材料為PE管,管徑Φ450mm。施工主要機械有:D55×100A水平定向鉆機、ECLIPSE導航儀。

在已實施的工程實例中,管徑從Φ50mmΦ1200mm都有;管材有PE管、PVC管、鋼管和鑄鐵管等;穿越的有公路、鐵路、河流、建筑、飛機跑道等;可以鋪設的管道有電力、電信、有線電視、煤氣、給水、排水等。

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