第五节 其他非开挖技术

一.气动矛 1．气动矛的结构和工作原理

2．气动矛的冲击过程分析 气动矛的活塞冲击过程一般可分为三个阶段： （1）加速阶段 （2）滑行阶段 （3）撞击并复位阶段

3．施工要求 气动矛小口径管道孔长不超过15米，大口径孔长一般在30-50米之间； 因气动矛不出土，故要求覆盖层要厚，一般为管径的10倍左右； 铺设成品管管径应比气动矛外径小10-15%； 先导孔完成后，管道可直接拖入或拉入。

4.特点与适用 特点： 气动矛的设备简单，操作方便，投资少; 可铺PE管、PVC管和钢管; 适合在狭小空间内施工. 适用土质： 淤泥，淤泥质粘土，软粘土，粉质粘土，粘质粉土，非密实的砂土等。

二.夯管锤 1．气动夯管锤 1）介绍 气动夯管锤铺管技术作为非开挖技术的一个分支,在国外应用已比较成熟,每年都有大量的管道用此法完成铺设,并已应用于各种各样的管工程、钢管桩和钢板桩工程等。目前国外已有多家公司生产气动夯管锤,最大铺管直径可达2000 mm。

2)气动夯管锤铺管原理 气动夯管锤实质上是一个低频、大冲击功的气动冲击器,由压缩空气驱动,将要铺设的钢管沿设计路线直接夯入地层。在夯管过程中,夯管锤产生很大的冲击力,并通过调节锥套、出土器和夯管头作用于钢管后端,再通过钢管传递到前端的切削头(管鞋)上,切割土体,并克服地层与管体的摩擦力使钢管不断进入土层。随着钢管前行,被切割的土心进入钢管内(如图1)。待钢管抵达目标后,取下管鞋,将管中的土心排出,钢管留在孔内,即完成铺管(如图2)。

2）气动夯管锤铺管技术特点 气动夯管锤铺管与导向钻进、水平螺旋钻进、水平顶管等铺管技术相比具有如下特点: (1)地层适应性:用夯管锤在含卵砾石地层或回填地层中铺管时,比管径小的卵砾石或石块可进入管内,比管径大的砾石或漂石可经管鞋击碎后一部分进入管内;流砂层或软地层中夯入的钢管起到支护孔壁的作用。因此,夯管锤铺管几乎适应除岩层以外的所有地层,特别是在用其它技术难以施工的建筑垃圾回填层中,大多数情况下都能用夯管锤铺管。 (2)铺管精度方面:夯管锤铺管因属不可控向铺管,在铺设较长管道(长度超过管径的100倍)时,其铺管精度不如导向钻进高,但因为它是以冲击方式将管道夯入地层,在管端无土楔形成,其偏斜的可能性远比不出土水平顶管和无控向水平螺旋钻进铺管小得多。 (3)对地表影响方面:夯管锤铺管由于切削下来的土心进入管内,因此即使铺管深度很浅时地面也不会产生隆起或沉降现象。

(4)适用管径范围方面:夯管锤铺管适合铺设管道的管径小到50 mm,大到2000 mm,覆盖的管径范围是其它方法无法达到的。 (5)适合铺管长度方面:夯管锤铺管适合较短管道的铺设,为保证铺管精度,一般单次铺管长度不应超过管径的150倍。其适合的铺管长度要比不出土水平顶管和无控向水平螺旋钻进铺管长得多。

(6)对管道材料的要求:夯管锤铺管要求管道材料必须是钢管,要铺设其它材料的管道,可先铺设钢套管,再将工作管道从套管中导入。 (7)投资和施工成本方面:因夯管锤铺管主要设备就是夯管锤,所用空压机是工程中常用设备,大多数用户均采用租赁方式解决,所以设备投资少。

3)特点 优点：具有机具体积小、动能大、适用范围广,施工相对简单及费用低等优点。 特点： 夯管锤一直在管道尾端； 以压缩空气为动力； 前端管端直接切土，因此适用于较浅地层； 可装一个钢质切削钢头，以避免第一根管口变形； 最后一节可按夯管接头变径以配合钢管与夯管锤不同径； 管内土或用高压水枪或用人工，机械出土； 效率高，每小时可夯管10-30米； 施工精度较高。 适用：各种土质。 夯管长度最长可达150米。

4）施工工艺 气动夯管锤在进行管道穿越工程施工中,先在被穿越公路、铁路、沟渠等障碍物的一侧挖出夯进操作坑,另一侧挖出夯进接收坑。 在夯进操作坑内按管线的走向和设计位置将夯锤与金属管线(套管)连接好,夯管锤将金属管线(套管)分段夯进,直到在接收坑中露出管线为止,然后清理金属管线(套管)中的泥土,再完成工作管的穿越。 一般情况下,待坑基础处理后安装底架,夯锤、排土锥、钢管的轴线必须同设计中心线完全重合;轴线可分垂直方向和水平方向。 在夯锤推力(冲击力)允许情况下,粗略计算钢管直径(mm)除以10可以得到夯进的长度(m)。当夯锤的推力(冲击力)小时,钢管直径超大时,夯进的长度、速度都将受到影响,直至无法夯进。

费用比较案例分析

2．油压夯管锤 同气动夯管锤相比较,油压夯管锤主要具有如下优点: 1)输出功率大:油压系统的工作压力可达32MPa,远比气压振动器工作压力(一般为1MPa)高得多,因而液压振动装置输出的功率比气动振动装置容易增大; 2)能量利用率高:液压冲击器的能量恢复系数较高,损失小,最高效率可达60%~70%,而气动冲击器一般效率仅为30%左右 3)使用寿命长:油压夯管锤的所有运动部件都浸在油液中,润滑性好,磨损小,运行可靠,使用寿命长; 4)危害小:油压夯管锤不存在排气低频噪声的危害和排空油雾的危害,改善了劳动条件;

5)不需要空气压缩机:使用能源单一化,节约设备开支和提高现有设备的利用率;可根据设备条件,和挖掘机、装载机、推土机起重机等配套使用; 6)工作性能可调范围大:可适用不同的工作条件的需要; 7)构成的机械装置尺寸小,重量轻,使用维修方便。

3.夯管方向偏差原因及措施 1）原因： ①导轨安装偏差； ②导轨用料匹配不当，不能很好的稳固住钢管； ③承载导轨的地基不稳； ④钢管本身刚性小、弯曲； ⑤钢管段间焊接不正； ⑥地层软硬不均，管道与地层界面斜交； ⑦遇到障碍物； ⑧管道直径与长度匹配不当； ⑨其它原因。

2）偏差纠正措施 （1）导轨地基要坚固稳定，铺设的管道越长，地基的稳定性越重要。一般情况下，较软地层可用建筑粗石料加固。要求较高的工程可用混凝土进行加固。 （2）可用重型槽钢、工字钢作导轨，但作导轨的型钢应调直。大直径钢管（直径800mm以上）可用两根轻钢轨作导轨。钢轨安装要平直，并根据钢管可能的偏斜趋势适当上扬或下倾一定角度，以抵消一部分可能的倾斜。一般地，在软地层中钢管容易向下偏斜。 （3）尽量用更高级别的钢管作夯管锤铺管用，钢管本身应平直，钢管的厚度要符合规定，以达到既有效传递冲击力而钢管本身又不变形的目的。 （4）钢管段间焊接时，要确保两管段在一直线上，采用对称焊接以减少焊接变形。在工作坑长度允许情况下尽量用较长的管段，以减少焊缝数量，从而减少因焊接而造成偏斜的可能性。

（5）施工前对地层情况的勘察要尽量仔细，弄清地层类型及障碍物的类型和位置，制定相应的处理措施。如地层含卵砾石或其它可击碎障碍物，应在钢管夯入头安装特制的切削头，以防管头变形而影响铺管精度。 （6）铺管长度要与钢管直径相匹配。设计精度要求高时，尽量用较大的管径和较短铺管长度。设计精度不高时，较小的管径也可用于较长的铺管长度。 （7）对于大直径钢管（管径大于700mm）。如发现方向偏斜，可采取人工纠偏的方法来校正管道。人工纠偏是在需要纠偏时，先清除管内的土，再由人进入管道的切削头处，利用超挖和欠挖，或改变切削头形状进行纠偏。 （8）对于较长的管道，可利用导向钻进法先钻一导向孔，并将孔径扩大到接近待铺管道的直径，再从该孔夯管，即可确保铺管精度。

三.水平定向钻 1．简介 类似于水平钻机，钻孔长度为钻杆总长度，施工完成后，一般要回扩。 特点：不需工作坑，钻头方向可控，钻杆可以转弯，最小转弯半径为30-42米。 适用土层：粘土，粉质粘土，粘质粉土，粉砂土等。铺管长度可达300米。 水平定向钻施工是一种采用定向钻机和控向仪器，在预先确定的方向上通过导向钻进、扩孔、拉管等工艺过程实施管线敷设的非开挖施工方法。该方法是我国非开挖铺设地下管线施工方法中发展最快、技术最先进、设备最完善、应用最广泛的一种，在非开挖技术领域里占据着主导地位。由于其施工速度快、对周围环境影响小、可穿越地下障碍物和地面建造物等特点得到了广泛的应用。

Horizontal Directional Drilling 水平定向钻进法应用 Lengths of 15 - 1800 m 施工长度：15－1800米 Diameters of 25 - 1200 mm 管径25－1200毫米 Applications: 应用 utility conduits 市政工程 Pipelines 管道设施 gravity sewers 下水管道 force mains 压力管道 horizontal remediation wells 治理污染的水平管群 geotechnical investigations地质调查

HDD Process 水平定向钻进过程

HDD Process 水平钻进过程

2．水平定向钻施工的特点： （1）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。 （2）现代化的穿越设备的穿越精度高，易于调整敷设方向和埋深，管线弧形敷设距离长，完全可以满足设计要求埋深，并且可以使管线绕过地下的障碍物。 (3）穿越时，对周围环境基本没有影响，不破坏地貌和环境，适应环保的各项要求。

（4）采用水平定向钻机穿越施工时，没有水上、水下作业，不影响江河通航，不损坏江河两侧堤坝及河床结构，施工不受季节限制，具有施工周期短人员少、成功率高施工安全可靠等特点。 （5）与其它施工方法比较，进出场地速度快，施工场地可以灵活调整，尤其在城市施工时可以充分显示出其优越性，并且施工占地少工程造价低， 施工速度快。 （6）大型河流穿越时，地层内部的氧及其他腐蚀性物质很少，所以起到自然防腐和保温的功用，可以保证管线运行时间更长。

3．水平定向钻拖拉法的设计应用 1）设计前的准备 影响因素:其中最主要的是现场的地上和地下条件。设计前的准备工作的关键,是做好拖拉管段的勘察测量和地上、地下障碍物(尤其是地下隐蔽障碍物)的调研工作。现场的地上条件包括地形、地貌以及周围建筑物、道路、河流等;地下条件包括工程地质、水文地质、现有地下管道、地下水和地下隐蔽工程等。因此,在水平定向钻设计前必须取得第一手的地质资料,为编制设计方案和计算工程造价提供依据。 准备资料:现状与规划公用设施管线性质、材质、位置、直径和埋深;现状地面及地下桩基;水(河、沟渠)、道路、桥涵或其他地面障碍物的资料;穿越地层的土质类型和结构,土质的主要物理力学特性(特别是土的抗剪强度和土层的内摩擦角)、含水量、透水性、岩石硬度、含卵石或砾石的比例等。

2）管材的选择

3)水平定向钻(HDD)施工工艺 施工流程包括： 测量放线—现场勘察及地下管线调查—设备进场—安装调试钻机—钻孔导向—分级扩孔—管道回拖—设备撤场—地貌恢复。

(1）导向孔轨迹曲线设计及施工 (2）预扩孔施工 导向施工完成后，下一道工序就是回拉扩孔。首先计算出所铺设管道的最小孔径。为确保扩孔顺利完成，通常最终扩孔直径一般为管道直径的1.3～1.5倍。扩孔时，应严格按照扩孔级别逐级扩孔，不允许越级扩孔。 (3）管道回拖 扩孔完成后，已经形成可以满足管道回拖要求的孔洞，这时就必须尽快组织管道回拖施工，避免因停工造成的缩孔、塌孔，从而使回拖阻力增大

4).施工过程与组织 1）施工人员要认真学习有关施工文件、施工组织设计和施工技术规范 2）现场勘察。首先要详细勘察现场 3）入土点、出土点位置的选择及钻进曲线的设计。 4）开挖入土点、出土点工作坑。 5）安装设备。 6）配制泥浆。 7）钻进导向孔。 8）回扩钻孔。 9）回拖管道。 10）焊接两侧PE法兰。

四.管道更新—破管外挤 或称爆管法或胀管法，利用气动矛破碎旧管道的一种方法。气动矛前系钢丝绳，由地面绞车拖着前进，气动矛将旧管破碎，新管跟进。 要求：旧管须为混凝土管，无配筋；周围土体须可以压缩；适用于同口径管道更新。 各种土质条件下的胀管难易程度

1.胀管法分类 胀管法分为气动冲击胀管法、水平定向钻机结合空气锤胀管法和静态液压胀管法等。胀管后新铺设管线材料可以为钢管、铸铁管及PE（聚乙烯）管等。 1）气动冲击胀管法 气动冲击胀管法是依靠高压空气冲击力，通过一种“环状”压力冲击于旧管内壁，使其受挤压后破裂的胀管方法。

2）水平钻机结合空气锤胀管法 水平钻机置于地面（需要时挖坑放在坑内），钻头的出入土角一般控制在18度以内。钻头在导向仪器的引导下，从地面进入旧管线检查井之后沿旧管线内向前推进直到另一个检查井，而后调整钻头角度打出地表。卸掉钻头，将胀管头、空气锤与钻杆相连，在钻机回拉力的作用下，空气锤进入旧管线内开始工作，空气锤冲击胀管头破裂旧管线，同时也将新铺管线带入旧管内。

3）静态液压胀管法 静态液压胀管法是利用液压胀管机提供恒力结合切割刀具实现胀破旧管线更换新管线的铺管方法。依靠液压油缸提供拉力牵引刀具和胀管头。当刀具在拉杆的牵引力的作用下切割旧管线，随后胀管器挤压胀裂旧管线，刀具和胀管头不断向前位移，新管线也随之跟着进入旧管线内，这种方法常用于塑料管线的更换。

Pipe Bursting 爆(裂)管法 Lengths of 100 - 900 m 施工长度：100－900米 国外介绍 Pipe Bursting 爆(裂)管法 Lengths of 100 - 900 m 施工长度：100－900米 Diameters of 75 - 1060 mm 管道直径：70－1060毫米 Applications: 应用 replacement of force mains 压力管的更换 replacement of gravity sewers 下水道的更换 Static Head 固定式裂管头 Pneumatic Head 气动式裂管头 Hydraulic Head 液压式裂管头

Pipe Bursting Process(Static) 爆管法的过程 （ 固定裂管工艺)

Pipe Bursting Process(Static Cont.) 爆管法的过程 （固定裂管工艺) 续

Pipe Bursting Process(Pneumatic) 爆管法的过程 （气动工法)

650mm (26”) 750mm (30”) 350mm (14”)

五.管道更新—破管顶进 原理，将原有管道切削破碎，形成直径相同或更大的孔，同时将新管顶入，完成管的更新。碎片由螺旋钻杆排出。 适用：直径100-900mm，长度在200米内，埋深较大的陶土管，混凝土管，或钢筋混凝土管。新管为球默铸铁管，玻璃钢管，混凝土管或陶土管。 优点：对地表无干扰，可在复杂土层中施工。缺点是需足够大的工作空间，需开挖两个工作坑。

六.管道更新—内衬 Lengths of up to 1000 m 施工长度可达1000米 1)简介 Diameters of 100 - 1500 mm 管径介于100－1500毫米 Cost varies by method 成本因方法而异 Applications: 应用 relining of water, sewer, and natural gas lines 供水管，下水管和天然气管道的内衬 1)简介

Lining of Pipe 内衬法 Cured-In-Place 软衬法 Fold and Form 折叠内衬法 Segmental Sliplining 分段插管法

CIPP Lining of Pipe 软衬法

2.翻衬 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，经饱和树脂材料浸渍而成，在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。 施工中在水压、气压或卷扬机拉力的作用下，内衬材料翻转进入管道之后在热水水温或蒸汽气温的作用下树脂固化，内衬材料形成坚硬的管道内壁而成为管道骨架的一部分。 管道翻衬一次施工的长度可达100m以上，翻衬完后，在各支管、消火栓、阀门等处挖工作坑进行人工开孔接支管，也可通过专用的设备开孔。 翻衬施工的工期较长，并且对水质的要求较高。

1)工作坑开挖 2)工作段清理 3)翻衬准备 4)翻衬管制备

5)翻衬作业 6)加热固化 7)端头处理 8)验收

七.管道更新—喷涂衬装 该方法将水泥砂浆或环氧树脂作为喷涂材料，通过在卷扬机拉力作用下的旋转喷头或者人工方法将材料直接喷涂在原管道内壁以进行翻新。 施工时需沿管线在合适的地方设置工作坑(间距为100m)。 喷涂衬装前必须将原管道清拭干净并用专用的探察设备(CCTV)进行探视以保证管内壁没有残留物和附着水。 一般环氧树脂的喷涂厚度为1mm，而水泥砂浆的喷涂厚度为4mm。 需要注意的是喷涂材料有时会对水质产生影响，所以在对给水管道进行喷涂衬装时，材料的选择就尤为重要。

八.管道更新—缠绕法 该工艺是将带状聚氯乙烯(PVC)型材放在现有的入孔井底部,通过专用的缠绕机,在原有的管道内螺旋旋转缠绕成一条固定口径的新管。并在新管和旧管之间的空隙灌入水泥砂浆。 所用型材外表面布满T型肋,以增加其结构强度;而作为新管内壁的内表面则光滑平整。型材二边各有公母锁扣,型材边缘的锁扣在螺旋旋转中互锁,在原有管道内形成一条连续无缝的结构性防水新管。

1．施工工艺流程 准备→管道清洗→CCTV检测→缠绕机具就位→加润滑剂→管道缠绕就位→张拉钢丝→空隙灌浆→支管、井修复→CCTV检测→浸水试验。 2.现场工作井 3．设备准备 所有需要的设备可以安装在卡车上,并在卡车上操作,也可以根据现场需要移动和放置。这些设备包括: (1)在入孔井中制作新管的特殊缠绕机。 (2)PVC型材上的锁扣通过缠绕机缠绕互锁,形成一条连续的防水新管。同时操作员通过控制缠绕机来控制缠绕管的速度。 (3)适用于不同口径的缠绕头。 (4)驱动缠绕机的液压动力装置和软管。 (5)提供动力和照明的发电机。 (6)检查管道及监控施工用的闭路电视。 (7)放置型材的滚筒和支架。 (8)灌浆用的泵。

4.管道清洗和检测 5.水流改道 6.管道的缠绕 7.管道的灌浆 8.成品保护 9.质量检验