线路施工 施工案例
发布于:2017-02-15 09:40  浏览:

一、非开挖技术概述


1.1非开挖技术简介

虽然“非开挖技术—Trenchless Technology或No-Dig”这一术语相对较新,但其原理并不是新的。非开挖技术是指以最少的开挖量或不开挖的条件下铺设、更换或修复各种地下管线的一种施工新技术, 已被联合国环境保护署认定为环境友好的施工新技术。它可广泛用于穿越高速公路、铁路、建筑物、河流、湖泊, 以及在市区、古迹保护区、农作物或植被保护区等进行污水、自来水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等地下管线的施工。此外, 非开挖技术还可用于降水工程、隧道工程、基础工程以及环境治理工程等领域。

尽管非开挖施工技术在国外已有百余年历史,但是大规模应用始于20世纪80年代, 先从几个发达国家开始, 继而推向世界各国。在欧洲, 由于城市建设历史悠久, 城市地下管网腐蚀和破损严重, 因此非开挖管道更换和修复技术使用得最早、也最广。在日本, 为了满足污水管道施工的需要, 首先开发了小口径顶管施工(微型隧道)技术。在美国, 在油气管道和通讯电缆施工的驱动下, 水平定向(导向)钻进技术得以快速发展。据不完全统计, 目前在发达国家中, 非开挖设备制造商和材料供应商达400多家, 工程承包商达4000余家, 各种非开挖施工方法达百余种。

国际非开挖技术协会(ISTT)给非开挖技术的定义是:Trenchless Technology is the science of installing, repairing or renewing underground pipes, ducts and cables using techniques which minimize or eliminate the need for excavation”。其含义是:非开挖技术是利用微开挖或不开挖技术对地下管线、管道和地下电缆进行铺设、修复或更换的一门科学。国际非开挖技术协会的定义无论是内涵和外延,对非开挖技术的定义都非常准确,同时也把非开挖技术定义为一门科学,说明非开挖技术不仅仅是一种简单的施工技术,经过近百年的历史积淀,非开挖技术已经发展成为一门多学科交叉的新的学科分支,我们可以给她定名为“非开挖工程学”。实际上,非开挖工程学还应包括在不开挖地表的条件下,对管道和地下管线进行探测和检查的理论、技术方法、仪器设备和工程实践等方面的内容。 近年来,随着我国经济建设的快速发展,现代非开挖技术在我国得到日益广泛的应用。目前,加速发展我国的非开挖技术产业的要求呼声日趋高涨,中国非开挖技术协会近来多次要求国内从事技术部门来研究非开挖技术领域的科学理论,尽快地为我国在这一技术领域赶超国外先进水平提供科学依据,使我国非开挖工程技术处于接近或达到国际先进水平。事实上,现在我国经济处于高速发展阶段,用非开挖技术开挖各种工程的增长速度极快,但我国人均管道的占有量远低于西方发达国家,而城市各类管网的地下化和城市交通、通讯的立体化是未来城市建设的重要发展方向。


1.2非开挖技术的发展历程

非开挖技术自60年代初开始在西方发达国家兴起,现已成为一项政府支持、社会提倡、企业参与的新技术。开挖技术是管道施工技术的一次革命。 1900—1960年早期非开挖技术的应用。 (1)尤其是二战后,美国、欧洲、日本等国的重建;

(2)用于穿越铁路、公路、河流等短距离施工;

(3)回转钻进(水平湿钻)、水平螺旋钻进(水平干钻)、人工顶管。

1960—1985年—现代非开挖技术的兴起和发展

(1)生活水平的提高、交通的发展、传统施工方法成本的提高;

(2)开发了各种非开挖铺设、更换和修复的方法和设备、奠定了现代非开挖技术的基础。

1985—现在—现代非开挖技术的大规模应用 (1)非开挖方法和设备的完善,交通、环保、法律意识的增加,成本降低、政府支持;

(2)形成新的产业:设备制造商(约100家)、材料供应商(约400家)、工程承包商(6000-8000多家)、咨询公司、科研院所。

我国非开挖技术的使用与发展,大体可分为两个阶段:1953~1985年是第一阶段,是传统非开挖技术阶段,1985后为第二阶段,为现代非开挖技术阶段。与国际非开挖协会成立一致。 我国最早使用的非开挖方法是顶管法,1953年在北京首次使用,以后逐渐推广,并仍在使用。从80年代开始,水平钻机和螺旋钻机开始出现,这类设备方向不可控,钻机能力小,铺设管道直径一般在300mm以内,铺管长度在50m内。1985年开始现代非开挖技术进人中国,首先发展了顶管技术,引人了中继间顶管技术、触变泥浆技术、自动测斜纠偏技术以及土压平衡和水压平衡技术,顶管直径可达3m,一次顶进长度达上千米,并且成功运用于水下施工。微型隧道方面,引进了日本ISEKI公司的Unclemole , TTC600等掘进机械。用水平钻机RB-5穿越黄河,1995年从美国Augers公司引进DD -60/R2钻机,成功穿越汉江、海河。1994年引进了美国Vermeer公司的D-10型导向钻机,完成了导向钻进铺管。气动冲击矛方面,我国吉林大学自行研制了KCM-130等可控冲击矛。很明显,我国在非开挖技术方面存在比较明显的差距,一方面是国内技术力量比较薄弱,另一方面就是市政管理部门的监管力度,1996年10月1日发布实施的我国《城市道路管理条例》中明确规定:“新修道路5年不准挖,修复道路3年不准挖”,这也表明我们政府对市政工程施工技术要求的提高。可以预见,非开挖铺管技术必然在未来的市政工程中得到更加广泛利用,并大力发展。


1.3非开挖技术的主要优势

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。与传统的开挖施工相比,非开挖施工技术的主要优势有以下几点: (1)在管线施工时无需对路面和地表“开膛破肚”,解决了长期以来困扰城市地下管线建设工程的难题:阻断交通、破坏环境、影响商店、医院、学校和居民的正常生活和工作秩序。

(2)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。

(3)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。

(4)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。


1.4非开挖技术的应用领域

非开挖施工技术主要应用于以下几个方面:

(1)地下管线施工:各类管线(自来水、污水、雨水、石油、 天然气等管道, 以及通讯、动力和信号等电缆线)的铺设、更换、 修复;

(2)管棚支护:地下人行过道、地铁、地下车库等工程的结构性支护;

(3)环境治理:在受污染的地下水和地层中设置水平环境治理井;

(4)其它:基础工程(钢管桩、微桩、土钉)、边坡、路基、大坝等 工程(排渗孔、降水孔和注浆孔等)、以及降排水、地热 井施工、瓦斯的排放和煤层气开发等。


1.5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。

(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。

(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)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。


二、通信行业主要的非开挖施工技术


2.1定向钻进铺管技术

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。

向钻进是采用水射流或挤压的方式成孔。钻孔钻进由两种作用来控制,一是楔形钻头的偏压导向作用,另一个是高压水射流的偏心冲蚀作用。在地表接收钻头内探头发出的信号来实现钻孔轨迹的控制。定向钻进的施工原理大致和导向钻进相同,应该说定向钻进技术和导向钻进技术之间没有严格的界限。因小型定向钻进采用的钻孔轨迹测量、控制技术与大中型的不一样,因此国际上用的分类方法是将铺设小直径、较短管线的小型定向钻进称为导向钻进,而将大中型钻进称为定向钻进。

非开挖定向钻进铺管技术主要适用于松散地层,可用来铺设直径﹤ 600 mm的各类管线,铺管长度可达400~500 m。一般采用干式和湿式2种方法成孔。干式成孔采用挤压钻头、冲击锤和探头室组成;湿式成孔钻具由向压喷射钻头及探头室组成。

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。

技术特点:

1)适用范围较广。该施工技术适用于粘土、粉土、砂土等各种土质;

2)适用管材包括管径在DN40~DN2000 的塑料管、PVC管、PE 管、HDPE 管、钢管、电缆、光缆等各种不同材质的工程管线;

3)作业操作面小。只需挖有一定深度的作业坑就可以,钻孔过程在预先挖好的发射坑和接受坑之间进行;

4)施工设备的穿越精度高,可满足管道工程的控制要求;

5)在施工过程中降低了对地貌和环境的破坏。

它的优势是可以灵活处理施工中遇到的地层复杂情况。在导向或扩孔过程中如遇到大块石,或其他障碍物,不能形成一条合格的孔道时,可以再换一个位置另打一条,不会造成管材的损失。它的局限就是对施工场地有一定要求,所铺设管道的两端都必须有足够长的空地,如果有一端靠近建筑物,没有开挖下管坑的场地,就不能单独运用定向钻进完成铺管。

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。


(一)定向钻敷设地下通信管线的主要优点:


定向钻敷设地下通信管线技术是指利用微机控制的设备按批准的施工图设计确定的位置、埋深敷设通信管道,在地表不开挖敷设地下管线的施工技术,其主要优点有:

1、不破坏地表,不破坏环境;

2、不影响交通,不影响河流通航;

3、应用范围广,特别是适用于无法实施开挖作业的地段敷设通信管道,如公路、铁路、河流、水塘、建筑物、文物保护区、城市闹市区的道路、胡同、绿化及植被保护区……等;

4、施工速度快,周期短,不受外界干扰和一般雨天影响,能保证工程进度和工期;

5、不需要挖掘工作坑;

6、敷管定位精确度高,保证达到设计深度,最大埋深可达到河床底下10m,确保工程质量;

7、可以绕避地下已有的各种复杂管网,不会对已有的地下管线造成损坏,安全可靠性高;

8、铺管距离长,最长可达到600m;

9、适用管材包括塑料管、PVC管、PE 管、HDPE 管、钢管、电缆、光缆等各种不同材质的工程管线;

10、铺管量大,最大铺管直径可达0.711m;(管材捆绑后的等效外径)

11、技术成本低。

解决了通信管道和通信光缆工程施工传统的开挖路面、顶管、截流等工程施工中的各种难题。


(二)工作原理


1、根据批准的施工图设计敷设通信管道,首先钻一个符合规定埋深要求的“导向孔”,在钻“导向孔”过程中,用测控仪确定钻头(钻头用微机控制)深度,并用钻进(旋转)和推进两种方式来改变钻孔的深度和方向,避开已知地下管线,使导向孔深度符合设计埋深要求。

2、回扩导向孔达到需要埋设的管道孔径大小,根据设计的敷设管孔数量,孔径大小,确定铺管的等效总外径,然后分别选用Φ160mm、Φ200mm、Φ260mm、Φ300mm、Φ360mm五种回扩头,经若干次回扩后,达到所需孔径。在回扩过程中,为防止已钻孔的孔壁塌方,需在水中加入“TERRA”稀释粉(该粉价格昂贵),该粉具有固化洞壁、润滑钻杆、塑管等作用以及起到防止塑料管变形等功能。

3、回拖管材

将所需敷设的管材捆扎呈圆形后一次性拖入洞直至入口中,完成敷设管道工作。


(三)工作特点


1、定向钻敷设通信管道是一种无需挖掘工作坑的施工方法,能够快速敷设地下管道。

2、根据批准的施工图设计确定的穿越障碍物地点、驱动装有锲形钻头的钻杆从地面钻入,按照预定的方向绕过地面、地下障碍物,直至抵达目的地。

3、卸下钻头换装合适尺寸和特殊类型的回程扩孔器,使之能够在拉回钻杆的同时将钻孔逐步扩大到所需孔径,然后将需要敷设的管道随扩孔器返程牵回钻孔拖至入口,保证新铺设的管道不会由于空间不足或钻屑的摩擦而受到损坏。

4、定向钻钻进工程受三维控制,它通过钻孔和一个特殊设计的锲形钻头的旋转钻进完成线性前进,当需要改变钻进方向时,只需要暂停钻杆的旋转并将钻头的锲形固定在相应的位置上即可。


(四)定向钻的设备构件


定向钻的设备包括钻机、定位系统和泥浆混合系统三部分组成。

1、钻机:是设备的主体,包括动力装置、钻架和钻头。

2、定位系统:包括探测器和接受器两部分。

(1)探测器:装在钻头内。

(2)接受器:由专人沿管道路由移动接受探测器发出的信号来判断钻头的位置和方向,钻机据此控制钻杆以弧形路径或上或下、或左或右绕避前进的障碍物。

(3)泥浆混合系统:其主要功能是利用一个泥浆混合泵,拌和特殊的润滑土,为钻进过程提供足够的钻进液,这种钻进液在反向(回程)扩孔的过程中,能使钻孔周围松动的泥土或碎石迅速凝固,保证敷设新管时有足够的空间。


设备及施工图片



2.2顶管铺管法

顶管施工技术最早始于1896年美国的北太平洋铁路铺设工程的施工中。1948年日本第一次采用顶管施工方法,在尼崎市的铁路下顶进了一根内径600mm的铸铁管,顶距只在6米。 欧洲发达国家最早开发应用顶管法,1950年前后,英、德、日等国家相继采用。 我国较早的顶管施工约在上世纪50年代,初期主要是手掘式顶管,设备也较简陋。我国顶管技术真正较大的发展是从上世纪80年代中期开始。1988年上海研制成功我国第一台土压平衡掘进机。通过近些年的大量实际施工应用和理论研究,我国的顶管施工技术持续处于高速发展状态,在某些方面已经于世界领先技术并驾齐驱。2001 年,上海隧道股份有限公司在江苏常州完成了2050m、直径2m 的钢筋混凝土顶管施工,是当时最长的顶管工程。2002 年9 月,全长3600m、埋深为23-25m、直径为1.8m 的钢制管,成功穿越黄河,无论从管路的顶进长度、下管深度、和复杂的地理环境,还是钢管直径大小在国内尚属首次。其中最长的一段长达1259m,要穿越黄河而且土质还是较厚的砂砾层,既是我国非开挖技术创新突破的关键工程,也是目前世界上复杂地质条件下大直径钢管一次性顶进距离最长的顶管工程。2008 年,中铁十局十公司在长江引水工程中采用国产直径2200mm 钢管,双管齐下同步顶进2500m。这些例子表明我国的顶管施工技术已经达到了一个全新的里程碑,与世界先进水平不相伯仲。

顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法,它不需要开挖面层,并且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。顶管施工借助于主顶油缸及管道间中继间等的推力,把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推到接收井内吊起。与此同时,也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两井之间,以期实现非开挖敷设地下管道的施工方法。特别对于下穿黄浦江的电力电缆工程。顶管法是一种非常有效的施工方法。

顶管施工中,顶进管一般选用钢筋混凝土管和钢管,其中钢管要求没有腐蚀的情况下可以敷设。在选择顶进管材料后,要对其长度和直径进行设计和计算,一次性使用越长的管,其相对的经济成本就越低,可调控性也越高;而直径方面,由于有工人在上面施工作业,所以内径不小于500mm,然后根据顶进管所受荷载和工程性质来确定管壁厚度,进而计算出外径。


顶管施工的分类


(1)按所顶进的管子口径大小分:大口径、中口径、小口径和微型顶管四种。大口径多指Ф2m以上的顶管,人可以在其中直立行走。中口径顶管的管径多为1.2~1.8m,人在其中需弯腰行走,大多数顶管为中口径顶管。小口径顶管直径为500~1000mm,人只能在其中爬行,有时甚至爬行都比较困难。微型顶管的直径通常在400mm以下,最小的只有75mm。

(2)按一次顶进的长度(指顶进工作坑和接收工作坑之间的距离)分:普通距离顶管和长距离顶管。顶进距离长短的划分目前尚无明确规定,过去多指100m左右的顶管。目前,千米以上的顶管已屡见不鲜,可把500m以上的顶管称为长距离顶管。

(3)按顶管机的类型分:手掘式人工顶管、挤压顶管、水射流顶管和机械顶管(泥水式、泥浆式、土压式、岩石式 )。手掘式顶管的推进管前只是一个钢制的带刃口的管子(称为工具管),人在工具管内挖土。掘进机顶管的破土方式与盾构类似,也有机械式和半机械式之分。

(4)按管材分:钢筋混凝土顶管、钢管顶管、以及其他管材的顶管。

(5)按顶进管子轨迹的曲直分:直线顶管和曲线顶管。


顶管法的施工原理


顶管施工法是先在工作井内设置支座和安装主千斤顶,所需铺设的管道紧跟在工具管后,在主千斤顶推力的作用下工具管向土层内掘进,掘出的泥土由土泵或螺旋输送机排出或以泥浆的形式通过泥浆泵经管道排出,推进一节管道后,主千斤顶缩回,吊装上另一节管道,继续顶进。如此往复,直至管道铺设完毕。管道铺设完后,工具管从接收井吊至地面。顶管法施工原理如图所示:


施工图片



定向钻与顶管的比较: