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1非开挖地下管线施工技术简介颜纯文（中国地质矿产信息研究院，北京100037）一、引言l．1本文简要介绍了非开挖地下管线铺设、更换和修技术的应用陟及到最近发展的一项新技术(其发展极为迅猛)，本文可作为-一种参考资料．而并非包括所有的非开挖技术。1．2非开挖技术的使用会给许多人带来好处。本简介也许会烧决策者感兴趣，对没有非开挖经验的设计人员也许会有益，他仃]正在寻求一种在繁荣的市中心进行地下管线施工的替代方法。在这里，他们需要解决以下的矛盾：a、以最低的成本铺设、更换或修复地下管线；b、减少对路面的破坏和对交通的干扰；c、减少对环境的不利影响。1．3总而言之，希望本文能鼓励决策者和设计人员能考虑非开挖施工技术，尤其当公众对环境和交通极为关注时。二、非开挖施工技术2．1地下管线的非开挖施工技术(TrenchlessTechnology)大致上可分为以下三类：a、铺设新的管线(NewInstalltion)；b、更换已有的旧管线(On-ineReplacement)；c、修复破损的管线(Renovation')。2．2在选择非开挖掘施工技术时，一些必要的辅助性工作．主要是：a、土层勘察，以确定土的类型和地下水的情况；b、管线探测，以了解现场附近地下管线和其它埋设物的情况；c、现状检查，以了解现有管线的破损情况。2．3非开挖技术主要涉及小口径的管线，施工时人员不能进入。一般来讲，最大口径定为900mm。然而，这些管线且占所有地下管线的99%。本文并不涉及大口径的管遭施工，如传统的顶管法和隧道施工法，因为这些管道施工时，人员可以进入到工作面内。2．4对大多数在非开挖技术来讲，操作人员的技术和经验是银重要的，专业的制造商和承包商都必须认识到技术培训的必要性。三、新管线铺设小口径顶管(Microtunnelling)——遥控式施工，可以导向——口径小于1000mm，中等长度(100～300m)3．1这里，小口径顶营指的是遥控式顶管施工法，土从切削头经新管排出，新管则由顶进装置向前顶进。3．2小口径顶管机可适用于几乎任何地层的施工，包括含水地层。施工时，需挖两个工作坑，顶管机位于顶进工作坑内。然而，需要指出的是，不同的地层，应选用不同型式的小口径顶管机、不同的切削头、不同的排土方式，以及不同的顶进力。3．3根据地层的条件，应认真地选择不同鹋切削头，对砂层、粉砂层、粘士层或含卵砾石的地层，应选择合适的切削工具和破碎机构。3．4在地表，唯一需要进行开挖作业的是顶进工作坑和目标工作坑的施工。小口径顶菅施工时，工作面切削下来的土可由新管线内的螺旋钻杆排到顶进工阼坑底部的箕斗内(图1)：或者使用水或膨润土将土在工作面处搅拌成泥浆，然后由管道排到地表进行处理干和排放(囝2)。这两种排土方式均可向工作面施加一个机械的土压力，以保持工作面的稳定，工怍面的泥浆压力也可用于平衡外部的地下水压力。2图1螺旋式小口径顶管图2泥浆式小口径顶管3．5有些系统的控制完全是自动的，但小口径顶管机一般由位于地表的控制室控制，由此可连续不断地监测小口径顶管机的位置及方向，监测系统通常为激光导向装置。施工的精度往往取决于操作者的技术和经验，尤其是在地层条件不断变化的现场。3．6小口径顶管广泛用于下水管道的施工。施工时，对地表的干扰可降至最小。该法可保证重力管道对坡度的要求，如果考虑采用非开挖的施工方法，可将顶进工作坑和目标工作坑布置在人井的位置，也可布置在施工时对交通的干扰最小的地方。3．7最近几年，小口径顶管取得了较大的进展。小口径顶管机可用于100mm口径以上管道施工，施工长度可在100m以上(最大达561m)，在软地层和含水地层，以及含卵砾石的地层中也可施工，顶进工作坑的直径可小于3m以下。激光导向控制系统和电子计算机监测系统的使用可实现高精度施工，一般可将垂直和水平方向上的偏差控制在士25mm以内。通常均比传统的挖槽施工精度更高，而且管道的受力状况更为均匀。3．8随着小口径顶管施工技术的发展，混凝土管和陶土管均按照顶管施工设计。由传统的各种材料制成的管道，其接头均设计在管壁内，而且长度较短，以便施工时所需的顶进阻力和工作坑的尺寸，因而减少开挖工作量和道路的占用面积。3．9有些小口径顶管机，施工时先顶进临时的专用钢管，随后再顶进新管道，同时在目标工作坑回收临时钢管。3．10施工时，应注意对环境的影响。通常，在地表上只有控制工作室，其内还有吊车，以便吊起管道进入工作坑内。施工时产生的噪音和对交通的干扰应降至最小。与挖槽铺管法相比，无论是占用路面的面积还是时间，通常只是一小部分。短距离施工方法——一般不能导向——使用冲击锤3．11在市区，许多分支管线和其它短距离的跨越孔均可由相对来讲价格较低、移动方便、不可导向的非开挖施工设备，即使在开阔的郊区，其施工成本也极低。3．12水平螺旋钻进(AugerBoring)使用回转的切削头切削土层，然后由套管内的螺旋钻杆排到工作坑。切削钻头可从目标工作坑中回收。螺旋钻进一般用于口径为100～1500mm的管道施工。3．13冲击矛施工法(ImpactMoling)使用得最为普遍。施工时，冲击矛(气动或液动)从工作坑出发，通过冲击排土形成管道孔，新管一般随冲击矛拉入管道孔内。气动冲击矛(气动矛)的直径一般在40～180mm之间。通过扩孔可形成的最大管道孔为250～400mm。冲击矛法主要用于各种管线的分支管线施工，如自来水管、煤气管，以及动力和通用电缆，施工长度一般为40～80m，如图3所示。3．14顶推法(RodPushing)是一种形成小直径(50～150mm)先导孔的方法。钻杆由液压给进装置顶人。根据需要，可将先导孔扩大到所需的口径。这种方法一般用于分支管线的施工，口径在150mm以内，长度在30～50m之间。3．l5夯管法(PipeRamming)通常用于钢套管的施工，施工时钢管由夯管锤直接打入地层。若钢管的口径较小时，套管可以是闭口的。但对大口径的钢管，一般使用开口的套管。施工结束后，由压气或高压水将管内的土排出。夯管法适用的口径为200～2000mm，施工长度可达60～80m。3图3冲击矛施工法水平定向钻进(HorizontalDirectionalDrilling)——使用可导向的重型钻机——大口径、长距离管道施工3．16水平定向钻进是由石油工业发展而来的，用于跨越河流等障碍物铺设大口径管道，精度要求不是很高。目前，该法广泛用于跨越公路、铁路、机场跑道、大型河流等障碍物铺设压力管道，图4。3．l7可导向的小直径回转钻头从地表以l00～150的角度钻人，形成90mm的先导孔。在钻进过程中，直径为125mm的套洗钻杆套在导向钻杆柱上进行套洗钻进，套洗钻头和导向钻头大约相距100m。导向孔钻进和套洗钻进交替进行，直至到达障碍物另一侧的目标点。3．18随后，拆出导向钻杆柱和套冼钻头，并换上一个大口径的回转扩孔钻头进行回拉扩孔。扩孔时，泥浆用于排屑并维护孔壁的稳定。根据所铺管道的直径不同，可进行一次扩孔或多次扩孔。最后一次扩孔时，新管连接在扩孔钻头后的旋转接头上，一边扩孔一边将管道拉入孔内。定向钻进法适用的最大口径为1200mm．最长施工距离可达1500m。图4定向钻进导向钻进(GuidedBoring)——使用可导向的小型钻机——浅层钻进，小口径中等长度的管线施工3．19导向钻进使用小型的钻机和切削式或挤压式钻头进行钻进。小口径的射流钻头、讥械的切削工具或者挤压式钻头连接在柔性钻杆挂上。钻头从地表以一定的倾斜角度钻进，垂直和水平方向的控制由钻头上的斜面朝向来确定。3．20钻进直孔时，钴杆挂在给进的同时不断地回转。当需要控制方向时，停止回转并使钻头的斜面朝向一定的方向，随后向前给进钻柱。当钻再次回转时，钻孔又按一定方向钻进。钻进轨迹的监测由钻头内的发射器(探头)和地表的接收器来实现。321先导孔钻进完成后，由扩孔钻头替换导向钻头进行扩孔工作，同时将新管拉入孔内。导向钻进主要用于小口径管线的施工，如煤气管道、自来水管道，以及动力和通信电缆，管径范围一般为5O～350mm．最大长度可达350m。4图5导向钻进四、旧管的原位更换爆管法(PipeBursting)——以新管换旧管——新管直径可与旧管相同或者更大4．1在市区，地表以下1米的范围内往往铺设有各种地下管道。当这些管线受到破损或者能力不够时，需要更换一条新的管线。更换时，可以旧管线作为导向。4．2爆管法，有时也称为胀管法，正是利用旧管为导向的新管铺设方法。最初，主要用于胀碎旧管并将碎片挤向周边，而用相同直径的新管代替新管，新管通常为PE管。然而，大多数的破损管道往往不能满足现有的要求，因而需要用较大直径的新菅代替新管，图6。4．3在煤气工业中，增加能力可通过改用天然气来达到，因天然气的热值更高。然而，在许多情况下需要用接头尽可能小的低压和中压管道来更换接头质量差的旧铸铁管。4．4煤气和自来水工业的广泛应用证明了加大煤气管、自来水管和污水管的可行性。施工时，将气动的或液动的扩孔装置引入旧管内，在径向力的作用下使旧管破碎，同时拉入新的管线。也可使用短管，从工作坑一节一节地顶入，不过这里涉及到大量接头的连接工作。扩孔能力可在100%以上，如可将100mm的旧管更换为225mm的新管，适用的最大管径可达600mm。4．5施工前，应将每个侧向的连接点拆除。图6爆管法切削法(PipeEating)——新管换旧管——直径加大4．6切削法，有时也称吃管法，是利用小口径顶管机进行管道原位更换的施工技术。现有的旧管由小口径顶管讥切削破碎，并通过新管排出。五、破损管道的修复5．1当管道的性能不能令人满意，而其结构仍有利用价值时，修复是最适当的，因为局部性的修复在经济上要比全部更换更合理。管道修复所需要做的准备工作是确定现有管道曲状况。从压力分析和结构检查可以得出：5a、管道有结构性的局部破损；或者b、结构性良好，但在承压上有缺陷。无论是哪种情况，修复破损管道总比更换整条管道更为经济。内衬法(Sliplining)5．2内衬法是使用得最早的一种方法它是将直径稍小的新管(连续的长管或不连续的短管)插入破损的管道内，然后向新旧管之间的环形空间注入泥浆。这种方法的优点是施工简单，施工成本相对较低，然而，过流断面会有较太的损失。5．3改进的内衬法，通常称为紧配合内衬法，包括冷轧、拉拔和变形管的内衬法，是利用PE或者PVC管的性能，使其直径在进入旧管之前产生临时性的减少或者形状发生变化。插入之后，PE或PVC管产生膨胀而与旧管壁产生紧配合。困此，不象传统的内讨法那样，需要对环形空间灌浆。对冷轧和拉拔的内衬法，直径的临时减小是通过机械滚轧或者通过模具经拉拔来达到的。对变形管内衬法，管道经挤压变形后立即折叠起来或者卷在卷筒上。当引入旧管之后，再由热水．热气或者整园装置恢复原状，井与旧管形成紧配合，图7。图7改进的内衬法(拉拔法)软衬法(SoftLining)——结构性修复5．5软衬法，也称原位固化法(CIPP)，是目前使用得最多的一种结构性修复方法。施工时，先将含有错脂的软管引入旧管(不要求是园形的)，然后使用水压或气压使其紧贴旧管的内壁，并形成一连续的薄衬层，图8。图8软衬法5．7树脂的固化可以是自然固化，也可使用热水、热气，或者紫外线使其加速固化，并形成一层具有弹性的、紧贴旧管的内衬层。施工结束后，再将支管连接处切成一开口。用这种方法修复的管道，其输送能力损失极小。另外，它可适用于大曲率半径的弯曲管道，直径在80mm上的管道均可使用。目前，在有些国家只有少数几种方法允许用于饮用承管的修复。5．7当现有压力管道的结构完好，只需要防止渗流时，可以使用一种松动配台的加筋软管。施工时，将其拉入已损坏的管道内，然后加压形成内衬。这种方法适用于直径为100～355mm的管道。5．8另一种修复方法为缠绕法(SpiraLining)，它是利用缠绕机将一条连续的PVC型带缠绕在旧管的内壁上形成内衬的。这种方法主要用于重力管道的修复。施工时，缠绕饥位于工作并的底部。其优点是可适应断面的变化，并适用6于大曲率半径的弯管。一种改进