施工技术液压顶管机.docx

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施工技术液压顶管机

非开挖施工技术简介

霸州市城区顺兴液压顶管机械厂霸州市城区顺兴液压顶管机械厂

1前言

目前，城市现存的许多设施不能满足发展的需要，如污水、自来水、煤气、电力和通讯管道的铺设和维修都是在需要的时候再对街道路面“开膛剖肚”，从而导致交通堵塞、破坏已有基础设施、环境污染等一系列问题。

非开挖施工技术就是在不开挖（或者少开挖）地表的情况下进行铺设、探测、维修和更新各种地下管线，解决城市管线施工中的难题。

城市地下管线的铺设方式是工程建设技术水平的体现，是城市现代化的标志之一，也是社会文明进程的重要体现。

2非开挖技术的特点

现代非开挖地下管线施工技术，是近年来发展起来的一项高新技术，是钻探工程技术结合工程物探、计算机技术、岩土工程技术及新材料等技术的一项重要延伸。

非开挖技术在国外已广泛使用，在国内也逐渐普及。

与其它技术相比，非开挖技术起步较晚。

但是在最近20多年中，非开挖技术无论在理论上，还是在施工工艺方面，都有了突飞猛进的发展。

非开挖技术是极为重要的一种铺设管道的工程手段，采用非开挖技术铺设管道具有若干得天独厚的优势。

不开挖地面就能穿越公路、铁路、河流，甚至能在建筑物底下穿过，是一种安全有效的施工技术。

非开挖技术不开挖地面，故而被铺设管道的上部土层未经扰动，管道的管节端不易产生段差变形，其管道寿命亦大于开挖法埋管。

采用房下非开挖技术能节约一大笔征地拆迁费用，减少动迁用房，缩短管线长度，有很大经济和社会效益。

3非开挖技术的构成分类

非开挖技术可分为三大类：

铺设新管线、修复置换旧管线、探测原有管网。

3.1铺设新管线施工技术：

导向钻进铺管法、定向钻进铺管法、气动矛铺管法、夯管锤铺管法、螺旋钻进铺管法、推挤顶进铺管法、微型隧道铺管法、盾构法和顶管法。

3.2修复旧管线施工技术：

原位固化法、原位换管法、滑动内插法、变形再生法、局部修复法。

3.3探测地下管网：

地下管线探测仪（非金属管道探测仪、金属管道探测仪、塑料管道探测仪、电力电信缆线探测仪和井盖探测仪等）、供水管网监测仪（流量水压记录仪、漏区诊断仪、漏点定位仪等）、电信线路故障定位仪、气体故障检测仪、管中摄影仪、探地雷达、声纳系列。

4非开挖技术应用

现代非开挖技术发展虽然仅20多年的时间，但其施工工艺技术的先进性、优越性所带来的经济效益和社会效益已举世瞩目，同时也激励了非开挖技术的不断更新，其应用领域不断拓展。

4.1穿越江河、机场、铁路、公路、建筑等铺设各种地下管线。

4.2隧道的管棚支护、微型钻孔桩施工等。

4.3水平注浆、水平降水、地下污染层处理。

4.4煤层瓦斯抽排放孔施工。

4.5修复置换旧管线。

4.6探测查找地下管网.

5主要非开挖技术介绍

5.1导（定）向钻进铺管法

定向钻进的基本原理：

按预先设定的地下铺管轨迹钻一个小口径先导孔，随后在先导孔出口端的钻杆头部安装扩孔器回拉扩孔，当扩孔至尺寸要求后，在扩孔器的后端连接旋转接头、拉管头和管线，回拉铺设地下管线。

　　水平定向钻进铺管的施工顺序为：

地质勘探、规划和设计钻孔轨迹、配制钻液、钻先导孔、回拉扩孔、回拉铺管、管端处理。

5.1.1地层勘察、地下建（构筑物）及地下管线探测

地层勘察主要了解有关地层和地下水的情况，为选择钻进方法和配制钻液提供依据。

其内容包括：

土层的标准分类、孔隙度、含水性、透水性以及地下水位、基岩深度和含卵砾石情况等。

可采用查资料、开挖和钻探、物探等方法获取。

地下管线探测主要了解有关地下已有管线和其它埋设物的位置，为管线设计和设计钻进轨迹提供依据。

一般采用综合物探法，按其定位原理分为：

电磁法、直流电法、磁法、地震波法和红外辐射法等，并结合钻探、静力触探、土工实验等技术。

5.1.2钻进轨迹的规划与设计

导向孔轨迹设计是否合理对管线施工能否成功至关重要。

钻孔轨迹的设计主要是根据工程要求、地层条件、地形特征、地下障碍物的具体位置、钻杆的入出土角度、钻杆允许的曲率半径、钻头的变向能力、导向监控能力和被铺设管线的性能等，给出最佳钻孔路线。

5.1.3配制钻液

钻液具有冷却钻头（冷却和保护其内部传感器）、润滑钻具，更重要的是可以悬浮和携带钻屑，使混合后的钻屑成为流动的泥浆顺利地排出孔外，既为回拖管线提供足够的环形空间，又可减少回拖管线的重量和阻力。

残留在孔中的泥浆可以起到护壁的作用。

在不同的地质条件下，需要不同成份的钻液。

钻液由水、膨润土和聚合物组成。

水是钻液的主要成份，膨润土和聚合物通常称为钻液添加剂。

钻液的品质越好与钻屑混合越适当。

当遇到不同地层时，及时调整钻液的性能以适应钻孔要求。

5.1.4钻导向孔

利用造斜或稳斜原理，在地面导航仪引导下，按预先设计的铺管线路，由钻机驱动带锲型钻头的钻杆，从A点到B点（见图1）钻一个与设计轨迹尽量吻合的导向孔（平面误差100毫米）。

钻导向孔的关键技术是钻机、钻具的选择和钻进过程的监测和控制。

要根据不同的地质条件以及工程的具体情况，选择合适的钻机、钻具和钻进方法来完成导向孔的钻进。

监测与控制：

在钻进导向孔时能否按设计轨迹钻进，钻头的准确定位及变向控制非常重要。

钻进过程中对钻头的监测方法主要通过随钻测量技术获取孔底钻头的有关信息。

孔底信号传送的方法主要有：

电缆法和电磁波法。

电磁波法的测量范围较小，一般在300m以内水平发射距离，测量深度在15m左右。

电磁波法测量的原理为：

在导向钻头中安装发射器，通过地面接收器，测得钻头的深度、鸭嘴板的面向角、钻孔顶角、钻头温度和电池状况等参数，将测得参数与钻孔轨迹进行对比，以便及时纠正。

地面接收器具有显示与发射功能，将接收到的孔底信息无线传送至钻机的接收器并显示，以便操作手能控制钻机按正确的轨迹钻进。

目前，电磁波法在中小型钻机上应用较多，缺点是必须随钻跟综监控。

电缆法在长距离穿越中，特别是地形复杂的工程中应用较多。

优点是抗干扰能力强，不要随钻跟踪；但其操作复杂，选用的信号线必须强度高（不易拉断）、耐磨、绝缘性能好。

5.1.5回拉扩孔

导向孔钻成孔后，卸下钻头，换上适当尺寸和符合地质状况的特殊类型的回扩钻头，使之能够在拉回钻杆的同时，又可将钻孔扩大到所需尺寸。

一般采用逐级扩孔；预埋管径以内采用排土法扩孔，以外采用挤压法成孔，以保证铺管后地面不致于沉降，不留隐患。

在回扩过程中和钻进过程一样，自始至终泥浆搅拌系统要向钻头和回扩钻头提供足够的泥浆。

扩孔器类型有桶式、飞旋式、刮刀式等：

穿越淤泥粘土等松软地层时，选择桶式扩孔器较适宜，扩孔器通过旋转，将淤泥挤压到孔壁四周，起到很好的固孔作用；当地层较硬时，选择飞旋或刮刀式扩孔器成孔较好。

一般要求选择的最大扩孔器尺寸按下表考虑。

或按铺设管径的1.2～1.5倍，这样能够保持泥浆流动畅通，保证管线能安全、顺利的拖入孔中。

铺设产品口径

扩孔口径

〈200MM

管线直径+100MM

200MM-600MM

管线直径X1.5

>600MM

管线直径+300MM

5.1.6铺管

扩孔完毕，在拖管坑一端的钻杆上，再装扩孔器与管前端通万向接、特制拖头等连接牢固，启动导向钻机回拉钻杆进行拖管，将预埋管线拖入孔内，完成铺管工作。

在拖管的同时加入专用防润土进行泥浆护壁。

在条件许可的情况下，可将全部管线一次性连接。

5.1.7管端处理

当拖管结束后，采用挖掘机将扩孔器及管前端挖出，拆除扩孔器及万向接，处理造斜段，施工检查井，恢复路面，清场。

图1定向钻铺管进示意图

5.1.8施工注意事项

A、定向钻进施工前应掌握施工位置的地质状况，选择适当结构的钻头。

B、仔细清查钻进轨迹中的地下管线情况，掌握地下管线的埋深、管线类型和管线材料，根据实际情况编制施工方案。

C、导向孔施工前应对导向仪进行标定或复检，以保证探头精度。

D、导向孔每3米测一次深度，如发现偏差应及时调整，以确保导向孔偏差在设计范围内。

E、拖拉管线前应作好安全辅助工作，特别是拖拉非金属管线时，避免损伤管材。

F、管线拖拉完毕后，应按管道试压规程进行试压，验收合格后方可进行管道接驳。

5.2气动矛铺管法

气动矛由钢质外套（矛体）、活塞和配气装置组成。

气动矛在压缩空气作用下，矛体内的活塞作往复运动，不断冲击矛头，矛头在土层中挤压周围土体，形成钻孔并带动矛体前进。

形成钻孔后可以直接将待铺管道拉入，也可通过拉扩法将钻孔扩大，以便铺设更大直径的管道。

　　气动矛技术特点：

5.2.1设备简单，操作方便，投资少；

5.2.2可铺设PE管、PVC管和钢管；

5.2.3适用于短距离（30m以内）、小直径管道的穿越铺设；

5.2.4适合在狭小空间内施工。

5.3顶管铺管法

顶管法是依靠安装在管道头部的钻掘系统不断地切削土屑，由出土系统将切削的土屑排出，边顶进，边切削，边输送，将管道逐段向前铺设，在顶进的过程中通过激光导向系统纠偏来调节铺管方向。

顶管法的技术特点：

5.3.1噪音以及震动都很小；

5.3.2可以在很深的地下敷设管道；

5.3.3对施工周边的影响很小；

5.3.4可以穿越障碍物。

5.4盾构铺管法

盾构法是隧道暗挖施工法的一种，它是利用盾构机前端是与盾构机体同等直径的刀盘，在与土壤接触时进行旋转，并加入适量的液体，使切削下来的土与液体在刀盘旋转的搅拌作用下，成为泥状流塑体，通过螺旋输送机送到地面。

机头前进后，在机后留出的空间里，把提前预制好的混凝土管片拼装成环状。

盾构法施工具有施工速度快、洞体质量比较稳定、对周围建筑物影响较小等特点，适合在软土地基段施工。

盾构法施工的基本条件：

5.4.1线位上允许建造用于盾构进出洞和出碴进料的工作井；

5.4.2隧道要有足够的埋深，覆土深度宜不小于6m；

5.4.3相对均质的地质条件；

5.4.4从经济角度讲，连续的施工长度不小于300m。

5.5无缝衬装置换法

无缝衬装置换法是一种维修管道的施工方法，是将直径大于或等于原有管道管径的PE管衬入管道内，所使用的PE管一般为低、中密度的薄壁聚乙烯管材。

管道衬装前要想办法减小管的截面积。

截面变化的变形可以是弹性的、也可以是半永久的塑性的，方法有两种，一种是将PE管拉长，以减小管径，从而减小截面积，PE管衬入后，由于不再受拉力的作用，长度将缩短，管径将变大，复原后内衬管线将与原有管线紧紧套在一起，两层管线之间不再需要灌水泥沙浆固定。

减小内衬管截面积的另一种方法是将管道横截面变形，可在PE管出厂前通过专用的设备将横截面变为“U”或“C”字形，也可以在施工现场拉入PE管前将PE管沿管壁圆周方向扭曲，从而达到变形的目的。

变形后的管道可以按滑（拉）入衬装的方法由卷扬机拉入，然后再利用气压水压或高温水的作用将变形的管线复原。

施工中需具备的条件：

无缝衬装需要较高的技术水平，要精确计算内衬PE的管的横截面变化情况，同时，PE管衬装还需要对接热熔焊机及特制的内衬管缩径钢模或扭曲钢模等特殊的设备。

5.6管道翻衬置换法

管道翻衬的内衬材料一般是由较柔韧的聚合物、玻璃纤维布或无纺纤维等多孔材料做骨架，饱和浸渍树脂材料而成，材料的外层一般覆盖一层隔水膜，翻转衬入管道后，该隔水膜成为新管道的内层，主要起止水作用。

翻转在水压、气压或卷扬机拉力的作用下，内衬材料反转进入管道的内壁，完成后，在热水水温的作用下，树脂固化，内衬材料形成坚硬的管道内壁，成为管道骨架的一部分。

施工中需具备的条件：

管道翻衬的特点是施工简单，占地少，无须投入专用的设备，一次翻衬的长度可达几百米，翻衬完成后，在支管、消火栓、阀门等处要挖工作坑进行人工开孔，也可通过专用设备开口。

但翻衬施工的工期较长，且由于给水管道中的水质要求较高，用于给水管道上的内衬骨架材料和树脂是有限制的，应加以慎重选择。

5.7爆（碎）管衬装置换法

该方法主要适用于原有管线为易脆管材，如灰口铸铁管等，且管道老化严重的情况。

新管的管径可以比原有管道管径大，具体施工方法是将碎管设备放入旧管中，由卷扬机拉动沿旧管前进，沿途由碎管设备将旧管破碎，在碎管设备后连着扩管头，扩管头的管径比原有旧管大，负责将破碎的旧管压入到周围的土壤中，紧跟着是内衬管线，一般为PE管材，管径小于扩管头，在卷扬机的拉动下拖入原有管道的管位。

施工设备有许多种，大致可以分为三类，一类为气动碎管设备、一类为液压碎管设备，一类为刀具切割碎管设备。

其中刀具切割碎管设备较为常用，其结构由半径大于原有管道的切割圆周向的切割刀具构成，在切割刀具后面紧接衬装新管。

另一种为液压碎管设备，操作简便。

碎管衬装完全摆脱了PE管内衬时减小过水能力的缺点，其施工工期较短，一次安装的长度可达几百米，在支管、消火栓、阀门等处需要局部开挖。

对于埋深较浅的管线，碎管设备的震动可能会对地面造成影响。

5.8几种铺管非开挖技术比较

比较项目

水平定向钻

机械顶管

盾构施工

管材

钢管、PVC管、PE管

钢管、钢筋混凝土管、复合管、PE管、陶管

盾构管片

管径

50—1200mm

600—3000mm

3000mm以上

一次施工距离

一般100m左右，

特大型1km左右

管径＜800mm；130m左右，

管径≥800mm；1km以上

500m以上

适用土质

一般土、砂砾，在岩层中困难

粘土，砂砾至岩层全土质均可

软土为主

机械原理

先钻进，后扩孔回拖

前面刀盘切削土体，后方顶进

前面刀盘切削土体，顶进机头后设置管片

占地面积

较小

管线两头需分别设置工作井和到达井

大

穿越对象

穿路，过河（须设置管内导向）

穿路、过河、市区房下顶管

过河、市区穿越

用途

电缆、通信、燃气、

自来水管、排污管

所有管线，包括重力流的下水、

污水，雨水管线

地下铁道、隧道

6国内工程实例

目前，我国有许多城市已采用了非开挖技术进行地下管线铺设，如北京、上海、广州、深圳、杭州、合肥等部份省市都已经使用，以下为国内部份省市实施的定向钻铺管实例：

实例1：

深圳市宝安区商业地段，天燃气管道穿越十字路口，长度87m，管道材料为PE管，管径Φ315mm。

施工主要机械有：

D24×40a水平导向钻机、MarkIII导向仪。

实例2：

河北涿州，供水输送管道穿越三条铁路，长度85m，管道材料为PE管，管径Φ110mm。

施工主要机械有：

D16水平导向钻机、RD385导向仪等。

实例3：

安徽省合肥市，通信电缆管道穿越飞机跑道，长度35m，管道材料为PE管，管径Φ80mm。

施工主要机械有：

MG50钻机、MarkIII导向仪等。

实例4：

北京丰台区田清园小区雨污水合流管线，长171m、管道材料为PE管，管径Φ450mm。

施工主要机械有：

D55×100A水平定向钻机、ECLIPSE导航仪。

在已实施的工程实例中，管径从Φ50mm至Φ1200mm都有；管材有PE管、PVC管、钢管和铸铁管等；穿越的有公路、铁路、河流、建筑、飞机跑道等；可以铺设的管道有电力、电信、有线电视、煤气、给水、排水等。

由此可见，定向钻进铺管有较大的范围。

7昆明地区的地质地层特点

昆明地区的地层较复杂，各个区域地层变化较大，从总体上讲，从东北向西南渐变，东部以硬塑粘土为主，中部以粘土、粉土和圆砾为主，西部则为软塑淤泥为主。

东北部地层为：

上层为填土，厚0.5~2m，其下为粘土、粉质粘土；

中部：

杂填土，厚0.50~2m，粉质粘土、粉土、圆砾；

西南部：

靠近滇池的地段，地层湖积相为主，上层为杂填土，厚0.50~2m，其下为粘土、淤泥，淤泥层较厚，软塑~流塑。

此外，局部城区有基岩下伏。

昆明地区地下水较非富，西面地下水位在2m左右，地层透水层较差。

中部地层圆砾为透水层。

五华山、园通山属于石灰岩地区。

根据昆明地区的地层特点，大部分区域实施非开挖铺设管道是可行的。

同时在昆明地区实施非开挖铺管也存在一些问题，如水平定向钻进在西部流塑状淤泥中扩孔后容易缩颈，在施工时可能增加施工成本，而部份地段杂填土较松散，扩孔后可能塌孔，需要更多的泥浆固结或泥浆加压固结。

在石灰岩地区可能面临穿越岩石地层的问题。

顶管和盾构施工因地下水较大可能面临施工困难。

8水平定向钻进铺管施工设备

水平定向钻进铺管主要由以下几部分组成：

8.1导向系统：

用于在钻进过程中对钻头进行定位，以确定钻头的倾斜角度和钻进方向。

由发射器、接收器、控制台、摇控显示器、电源等组成。

包含有软件系统的导航部分，不仅能绘制施工图，还能对工程进行评价、分析、实时记录设备运行数据、打印施工资料等。

目前雷达导航的非开挖高端技术在国内已有采用，计算机导航技术已被普遍使用。

8.2钻机主机由发动机、液压系统、机载泥浆泵、动力钳、钻桿及其装卸系统等执行机构组成。

它用于提供钻进、回旋的动力以及对钻进的控制。

目前，国产的非开挖机在钻头100r/min的转速下，扭矩已达5～20kNm。

8.3钻具由钻头、回扩钻头、钻杆等组成。

不同的施工需要和不同的地质要选用不同的钻头。

非开挖工程使用的钻杆与地质勘探的钻杆有所区别，需要很大的弹性、韧性和抗扭强度、耐磨损。

钻具在航道钻通以后，还要对通道回扩和牵引管线，使管线便于穿过。

8.4泥浆搅拌系统可增加钻头的润滑作用，降低钻进阻力和钻头的工作温度，提高管壁的强度等。

泥浆还减小钻头磨损、软化地层、易于钻进以及利用泥浆的的流动性和粘结力使钻孔产生的岩粒、砂粒处于悬浮状态，以利于护壁和清孔，由泥浆罐和高压输送泵及高压连接管构成。

9结论

非开挖技术因不污染环境、不影响（或少影响）交通、施工周期短、综合成本低等优点，随着社会现代文明意识和环保意识的增强，传统的“开膛破肚”式管线施工导致的社会问题、交通问题和环境污染问题已越来越受到人们关注，这种非开挖的新技术必将受到大力应用及推广。