非开挖技术概述

非开挖技术概述

    随着城市高度现代化和人民生活水平不断提高，城市和乡村对基础设施建设的总体要求越来越高。地下管网是城市基础设施的重要组成部分。目前，城市地下管网的发展规模、管线铺设，维修和更换过程中对城市交通、环境的影响及对人们生活、工作的干扰，已成为衡量一个城市基础设施完善程度和城市管理水平的重要标志。传统的挖槽埋管地下管网施工技术由于对地面交通影响较大，使本来就拥挤的城市交通如雪上加霜，同时给市民工作、生活带来许多不便，特别是在人口稠密的城市和交通拥挤的地区以及不允许开挖的地段，这个矛盾就更加突出。因此，在城市中的地下管网工程，如采用传统的开挖施工技术，新老道路总是处于挖了填，填了再挖的尴尬局面，不论从经济角度还是从社会角度来看都有其局限性。非开挖技术是近二十年来国际上新兴的一种对环境无公害的地下管网施工技术，指利用岩土钻掘手段在地面不开挖沟槽的情况下，铺设、修复和更换地下管线。目前，非开挖技术在国际上已被广泛应用于穿越公路、铁路、建筑物、河流，以及在闹市区、古迹保护区、农田和环境保护区等不允许或不能开挖条件下进行煤气、电力、供排水、电讯、有线电视线路、天然气管道等的铺设、更换和修复。近十年来，在市政给排水、通信电缆、燃气管道及电力电缆等地下管网工程中得以广泛应用。

随着我国国民经济的高速发展和政府对环境的日益重视，自20世纪90年代中期以来，我国非开挖的工程施工量和投入的设备数量均以每年40%的高速度增长。非开挖技术在我国已形成了一个新兴的产业，引起了各级政府和环境部门的高度重视。在我国管道建设大发展的21世纪，非开挖技术将具有十分广阔的应用前景，经济效益和社会效益也将非常巨大。 据统计，全世界每年有100万公里的地下管线需要新建，总投资超过300亿美元；而发达国家现有各类地下管线总长约2000万公里，为更新、修复这些地下管线，每年还需要投资300～350亿美元。我国每年需铺设的管线长度包括上水管5000km、下水管3000km、电讯管线26000km，此外还有30000km的管道急需更新和修复（尚未计算天然气和煤气管道）。对如此浩大的地下管线工程，从经济角度还是社会角度上出发，应追踪国内外非开挖技术的发展，逐步淘汰传统的开挖施工技术，避免新老道路总处于挖了填，填了再挖的尴尬局面。

因此，非开挖施工技术是土木施工、环境保护、城市规划及建筑管理等地下工程领域的发展方向。

一 水平定向钻

1.0 定向钻穿越施工工艺^[1]

使用水平定向钻机进行管线穿越施工, 一般分为三个阶段: 第一阶段是按照设计曲线尽20可能准确的钻一个导向孔; 第二阶段是将导向孔进行扩孔, 扩大到合适的直径以方便安装成品管道; 第三阶段是完成管线穿越工作, 将产品管线(一般为PE 管道, 光缆套管, 钢管)沿着扩大了的导向孔回拖到导向孔中。

1.1　导向孔

导向孔是在水平方向按预定角度并沿预定截面钻进的孔, 包括一段直斜线和一段大半径弧线。在钻导向孔的同时, 承包商也许会选择并使用更大口径的钻杆(即冲洗管) 来屏蔽导向钻杆。冲洗管可以起到类似导管的作用, 还可以方便导向钻杆的抽回和更换钻头等工作。导向孔的方向控制由位于钻头后端的钻杆内的控制器(称为弯外壳) 完成。钻进过程中钻杆是不做旋转的, 需要变换方向时若将弯外壳向右定位, 钻进路线即向右沿平滑曲线前进。钻孔曲线由放置在钻头后端钻杆内的电子测向仪进行测量并将测量结果传导到地面的接收仪,这些数据经过处理和计算后, 以数字的形式显示在显示屏上, 该电子装置主要用来监测钻杆与地球磁场的关系和倾角(钻头在地下的三维坐标) , 将测量到的数据与设计的数据进行对比, 以便确定钻头的实际位置与设计位置的偏差, 并将偏差值控制在允许的范围之内, 如此循环直到钻头按照预定的导向孔曲线在预定位置出土。

1.2　预扩孔

导向孔完成后, 要将该钻孔进行扩大到合适的直径以方便安装成品管道, 此过程称为预扩孔, (依最终成孔尺寸决定扩孔次数) 。通常,在钻机对岸将扩孔器连接到钻杆上, 然后由钻机旋转回拖入导向孔, 将导向孔扩大, 同时要将大量的泥浆泵入钻孔, 以保证钻孔的完整性和不塌方, 并将切削下的岩屑带回到地面。

1.3　回拖管道

预扩孔完成以后, 成品管道即可拖入钻孔。管道预制应在钻机对面的一侧完成。扩孔器一端接上钻杆另一端通过旋转接头接到成品管道上。旋转接头可以避免成品管道跟着扩孔器旋转, 以保证将其顺利拖入钻孔。回拖由钻机完成, 这一过程同样需要大量泥浆配合, 回拖过程要连续进行直到扩孔器和成品管道自钻机一侧破土而出。

2　水平定向钻机系统简介

2.1　钻机系统是穿越设备钻进作业及回拖作业的主体,它由钻机主机、转盘等组成, 钻机主机放置在钻机架上, 用以完成钻进作业和回拖作业。转盘装在钻机主机前端, 连接钻杆, 并通过改变转盘转向和输出转速及扭矩大小, 达到不同作业状态的要求。

2.2　动力系统由液压动力源和发电机组成动力源是为钻机系统提供高压液压油作为钻机的动力, 发电机为配套的电气设备及施工现场照明提供电力。

2.3　控向系统控向系统是通过计算机监测和控制钻头在地下的具体位置和其它参数, 引导钻头正确钻进的方向性工具, 由于有该系统的控制, 钻头才能按设计曲线钻进, 现经常采用的有手提无线式和有线式两种形式的控向系统。

2.4　泥浆系统 泥浆系统由泥浆混合搅拌罐和泥浆泵及泥浆管路组成, 为钻机系统提供适合钻进工况的泥浆。

2.5　钻具及辅助机具是钻机钻进中钻孔和扩孔时所使用的各种机具。钻具主要有适合各种地质的钻杆, 钻头、泥浆马达、扩孔器, 切割刀等机具。辅助机具包括卡环、旋转活接头和各种管径的拖拉头。

3　现场布局和设计

3.1　道路施工现场两侧都需要重型设备, 为缩减成本, 通往两侧施工现场的道路应尽可能利用现有道路以减少新修道路距离, 或利用管道线路的施工便道, 所有相关道路使用权的协议都应由业主提供, 在投标阶段再来讨论这些问题为时已晚。

3.2　工作场地

(1) 钻机一侧: 钻机施工场地至少需要6m宽, 15m长的面积。该面积从入土点算起, 入土点应位于规定的区域内至少3m处, 同时由于许多钻机配套的设备或配件没有规定的存放地点, 所以钻机一侧施工现场可由许多不规则的小块组成, 以便节省占地面积, 现场尽量要平整, 坚硬, 清洁, 以便有利于进行施工。由于穿越施工时需要大量的淡水供搅拌泥浆用, 所以施工现场要尽量靠近水源或便于连接自来水管道的地方。

(2) 管道一侧: 为便于预制成品管道,管道一侧要有足够长度的施工现场, 这也是要重点考虑的事情。现场宽度应满足管道施工的需要(一般为12 ～18m ) 。同样在出土点一侧也需要6m宽乘以15m长的施工现场。总长度以能够摆放下所预制的管道为准, 在回拖前, 要将管道预制完成, 包括焊接, 通球, 试压防腐等工序, 在回拖过程中, 不能再进行管道的连接工作, 因为回拖过程是要连续进行的, 若此时进行管道连接将可能造成地下孔洞的塌方, 极可能造成整个工程施工的失败。^[2]

3.3　施工现场要求一旦施工地点确定, 应对相应区域进行勘测并绘制详细准确的地质地貌图纸。最终施工的精度取决于这一勘测结果的精度。

3.4　施工设计参数^[3]

(1) 覆盖层厚度: 考虑的因素包括所穿越河流的流量特征, 季节性洪水冲刷深度,未来河道的加宽和加深, 现有管道和电缆的位置等因素。一旦确定了施工地点并完成地质调查, 穿越层的厚度也就确定了, 一般来说, 覆盖层应至少是6m厚。以上仅是针对河流穿越而言的, 对于其它障碍物的穿越会有另外的要求。

(2) 钻进角和曲率半径: 在大多数穿越施工中, 入土角通常选择在8°～12°之间,多数施工应首先钻一段斜直线, 然后再钻一段大半径曲线。此曲线的曲率半径由成品管线的弯曲特性决定, 随直径增大而增大, 钢管道曲率半径的拇指法则是100FT/ IN (一般取管道直径的1000 ～1200 倍) 。斜直线将导向孔曲线按照预定的走向引导到设计的深度, 然后是一段在此深度上的长长的水平直线,然后到达向上的弯曲点再到出土点。出土角应控制在5°～12°之间, 以便于成品管道的回拖。^[4]

3.5　钻孔施工所有的测向控向工具都包括地下测量电子设备和地面接收设备, 可以测得钻头所在位置的磁方位角(用于左/右控制) 和倾斜角(上/下控制) 以及钻头的钻进方向。^[5]

(1) 精度: 穿越施工精度很大程度上取决于磁场的变化。例如, 大型钢结构(桥梁, 桩基, 其它管道) 和电力线路会影响磁场读数。而穿越出土点的导向孔目标偏差值应控制在左右3m, 长度为3m～10m的范围内^[6]。

(2) 完工图纸: 一般来说, 导向孔的测量和控制应在钻导向孔时每钻进一根钻杆或隔9m测量计算一次。以上测量计算完成的导向孔施工图纸承包商应向业主提供。也有采用替代方法如陀螺仪, 穿地雷达和智能清管球用来做定位工作。

4　施工实例

4.1　工程概况工程位于保定市护城河东岸, 拟沿护城河穿越环城北路、绿化带、小区道路至环城北路改线段, 长度约为560m, 采用非开挖水平定向铺管法施工, 管材规格为DN1200mmHDPE管, PE100级, 承压018MPa。管道沿线两侧地表建(构) 筑物较多, 包括小区围墙,别墅, 江北大河河护坎、绿化带等, 且距敷设管线距离较近, 仅2m～4m。地下管线及构筑物错纵复杂, 埋设深度不一, 主要有污水管、电力管、通信管、煤气管道等。根据上述场地自然条件及设计要求, 本工程拟分两次穿越, 长度分别约为265m和249m。现已经顺利完成, 取得很大成功。

4.2　场地工程地质条件根据岩土工程勘察, 将勘探深度内土体按其特征及其物理力学性质划分为5个工程地质单元层, 细分为9个工程地质亚层, 现由浅至深分述如下:

5　施工方案

5.1　施工机械设备的选用配备本工程选用美国凯斯D75 ×100水平定向钻机。该机器拉力为36 t, 采用液压系统; 扭矩1400μ·m; 钻杆为76型钻杆, 长415m。泥浆泵为APLE ×200加仑, 配制2只, 流速为75～250L /min。^[7]

5.2　施工方案安排

根据现场场地限制, 本工程分两次穿越,第一段长度约为265m, 钻机定位于泵站西侧围墙处(围墙须拆除) , 穿越环城北路绿化带, 距小区南墙边约40m出土, 避让与其它管线碰檫,确保一定间距; 第二段长度约为249m, 钻机定位于R1接收井边上, 穿越小区绿化带和小学绿化带, 距小区南围墙边约90m处出土。小区与建业街之间约为300m, 管材焊接采用吊机配合安装, 两处管材焊接完毕后, 因位置不够必须放在河里, 管材拖拉完成后两牵引管之间约50m左右需开挖安装, 采用钢管、法兰连接。开挖前与相关的管线单位联系, 开挖时须保护已有管线。

5.3　方法及其质量保证措施^[8]

(1) 测量定位: 严格按甲方提供设计图纸,并结合场地实际条件测量定位, 以确定挖入土坑和出土坑的位置, 为确保管位标高的准确性,采用美国生产的“月蚀”导向仪对管道定位导向。

(2) 在入土点位置各挖一个工作坑, 入土位置挖出深3m ×长3m ×宽4m; 出土位置开挖成口管发射沟坡槽, 深度约3m, 长度约25m。

(3) 钻机就位: 钻机定位应准确、水平、稳固。

(4) 泥浆制备: 根据地质条件, 采用进口膨润土, 添加纯碱配制泥浆。根据现场地质条件, 制定泥浆马氏粘度。按照制定的泥浆马氏粘度, 配制泥浆。为预防房屋、河岸及河床地带冒浆, 采用优质钠基膨润土并及时根据孔内返浆情况调整泥浆泵压力和泵排量。

6　结语

定向钻穿越施工具有不会阻碍交通, 不会破坏绿地, 植被, 不会影响商店, 医院, 学校和居民的正常生活和工作秩序, 解决了传统开挖施工对居民生活的干扰, 对交通, 环境, 周边建筑物基础的破坏和不良影响。水平定向钻穿越是对环境影响最小的施工方法。这项技术同时还可以为管道提供最的保护层, 并相应减少了维护费用, 同时不会影响河流运输并缩短施工期, 证明是目前效率最高,成本最低的穿越施工方法。^[9]

二、盾构法施工^[10]

 盾构是集地下掘进和衬砌为一体的施工设备，广泛应用于地下给水排水管沟、地下隧道、水下隧道、水工隧洞、城市地下综合管廊等工程。

盾构为一钢制壳体，称盾构壳体。主要有3部分组成，按掘进方向：前部为切削环，中部为支撑环，尾部为衬砌环。切削环作为保护罩，在环内安装挖土设备，或人工在切削环内挖土和出土。切削环还可对工作面起支撑作用。切削环前言为挖土工作面。在支撑环内安装液压千斤顶等推进机构。在衬砌坑内衬砌砌块，设有衬砌机构。当砌玩一环砌块后，以已砌好的砌块做后备，由支撑环内的千斤顶顶进盾构本身，开始下一循环的挖土和衬砌。

盾构法和顶管法的相比有下列特点：顶管法中被顶管道既起掘进空间的支护作用，有事构筑物的本身。顶管法与盾构法在这一双重功能上是同的，所不同的是顶管法顶入土中的是管段，而盾构法接长的是以管片拼装而成的管片，拼装处是盾构的后部。两者相比，顶管法适合较小的管径，管道的整体性好，刚度大。盾构适合于较大的管径，管径越大越显示其优越性。

盾构施工时，又盾构前景定将盾构推进。在同一土层内所需施工顶力为一常值，向一个方向掘进长度不受顶大小的限制，铺设单位长度管够所需要的订立较掘进顶管要少。盾构施工不需要结实的后背，长距离掘进也不需要泥浆套、中继间等附加设备。

盾构断面可以做成任何形状：圆形、矩形、方形、多边形、椭圆形、马蹄形等。采用最多的为圆形断面。

安装不同的掘进机构，盾构可在岩层、砂卵石层、密实砂层、粘土层、流砂层、淤泥层中掘进。

由于盾构的机动性，盾构法施工可以实现曲线顶进。

（一）盾构的尺寸确定^[11]

盾构外壳厚度按弹性圆环设计

盾构外形D可由下式确定：

D=d+2（h+x+t） 其中d：管段竣工内径；h：一次衬砌和衬砌的总厚度；x：衬砌块与盾壳间的空隙量；t：盾构的外壳厚度

X=ML[L1] /D[L2] ₀ L：砌块环上定点能转动的最大水平距离；M：衬砌环遮盖部分的衬砌长度；D₀ ：砌块环外径。

盾构全长L为：L=切削环长度+支撑环长度+衬砌换长度

(二)盾构千斤顶及其顶力计算

盾构千斤顶采用液压传动。为了避免压坏砌块，应将总顶力分散，每个千斤顶的订立较小而千斤顶数目较多。千斤顶的顶程略大于砌块的宽度。

盾构在顶进时的阻力可根据盾构的形式和构造确定。顶进阻力R可由盾构外壳与土的摩擦力、盾构内壁与砌块环的摩擦力、盾构切削环切入土层的切土阻力、盾构自重产生的摩擦力、开挖面支撑阻力或闭腔挤压盾构土层正面阻力相加而得。

掘进是，盾构的水平轴上部顶力较大，下部顶力较小，千斤顶根据这种情况不知，称等分布置。不考虑受力情况，沿全圆周等间距不知，称不等分布置。

每个千斤顶的油管须安装阀门，以便单个控制。同时，还将全部千斤顶分成若干组，按组进行控制。

（三）盾构的分类和构造

确定盾构形式时，要考虑到掘进地段的土质、施工段长度、地面情况、管廊形状、管廊用途、工期等因素。

根据挖掘形式，盾构可分为手工挖掘盾构、半机械化盾构和机械化盾构。根据且血环与工作面的关系，可分开放式或密闭式。当土质较差，应在工作面上进行全断面或部分断面的支撑。当土质为松散的粉砂、细砂、液化土等，为了保持工作面稳定，应采用密闭式盾构。当需要对工作面进行支撑时，可采用如气压盾构，水泥压力盾构、土压平衡盾构等。

（四）盾构施工要点^[12]

给排水管道或管廊采用盾构施工过程时应做好下列工作：盾构的选型、制作和安装；工作坑的设计；管片的制作、运输；现场勘查；盾构始顶；挖土与顶进；衬砌与注浆等。现概要介绍如下：

1、      下放和始顶(见附图1、2、8)

2、      整体盾构可用起重设备下放到起点井，类似顶管施工时下管。大直径盾构难以进行整体搬运时，可在现场组装或在工作坑内装配。

3、      盾构下放至工作坑导轨后，自起点井开始至完全没入土中的这一段距离，称为盾构的始顶。盾构始顶需借另外的千斤顶顶进。（见附图4）

4、      盾构从起点井进入土层时，起点井壁挖口土方很容易坍塌，也可对土层进行局部加固。（见附图5）

5、      盾构千斤顶以已七号的砌块环作为支撑结构而推荐盾构。在一般情况下，砌块环长度约为30-50m，才足以支撑盾构千斤顶。在此之前，应设立临时支撑结构。通常做法是：盾构没入土中后，在起点井后背与盾构衬砌环内，各设置一个其外形和内径均与砌块环的外径与内径相同的圆形木块。在两木环之间砌半圆形的砌块换，而在木环水平直径以上的用圆木支撑。（见附图4）

6、      盾构掘进的挖土及顶进（见附图3）

盾构掘进的挖土方法取决于土的性质和地下水情况，手挖盾构适用于比较密实的土层。工人在切削环保护罩内挖土，工作面形成锅底形，一次挖深一般等于砌块的宽度。为了保证坑道形状正确，减少与砌块间的空隙，贴近盾壳的土应由切削环切下，厚度约10-15cm。在工作中不能直立的松散土层中掘进时，将盾构刃脚先切入工作面，然后工人在保护罩切削环内挖土。根据土质条件，进行局部挖土。局部挖出的工作面应设支撑。局部挖掘从顶部开始，当盾构刃脚难于先切入工作面，如砂砾石层，可以先挖后顶，但必须严格控制每次掘进的纵深。

盾构推进是，应确保前方土体的稳定，在软土地层，应柑橘质构类型采取不同的正面支护方法；盾构推进轴线应按设计要求控制质量，推进中每环测量一次；纠偏时应在推进中组不进行；盾构顶进应在砌块衬砌后立即进行。

推进速度应根据地质、埋深、地面的建筑设施及地面的隆陷值等情况，而确定，通常为50mm/min

盾构推进中，遇有需要停止推进切间隙时间较长时，必须做好正面封闭、盾尾密封并及时处理；在拼装管片或盾构推进停歇是，应采取防止盾构后退的措施；当推进中盾构旋装时，采取纠正的措施。弯道、变坡掘进和校正误差时，应使用部分千斤顶。

根据盾构选型，施工现场环境，土方可以由斗车、矿车、皮带或泥浆等方式运出。（五）盾构法施工的给水排水管道质量验收标准^[10]

注：圆环变形等于圆环水平及垂直直径差值与标准内径的比值。

 [L1]砌块环上定点能转动的最大水平距离与衬砌换覆盖部分的衬砌长度的乘积

 [L2]砌块环外径