非開挖技術概述

非開挖技術概述

    隨著城市高度現(xiàn)代化和人民生活水平不斷提高，城市和鄉(xiāng)村對基礎設施建設的總體要求越來越高。地下管網(wǎng)是城市基礎設施的重要組成部分。目前，城市地下管網(wǎng)的發(fā)展規(guī)模、管線鋪設，維修和更換過程中對城市交通、環(huán)境的影響及對人們生活、工作的干擾，已成為衡量一個城市基礎設施完善程度和城市管理水平的重要標志。傳統(tǒng)的挖槽埋管地下管網(wǎng)施工技術由于對地面交通影響較大，使本來就擁擠的城市交通如雪上加霜，同時給市民工作、生活帶來許多不便，特別是在人口稠密的城市和交通擁擠的地區(qū)以及不允許開挖的地段，這個矛盾就更加突出。因此，在城市中的地下管網(wǎng)工程，如采用傳統(tǒng)的開挖施工技術，新老道路總是處于挖了填，填了再挖的尷尬局面，不論從經濟角度還是從社會角度來看都有其局限性。非開挖技術是近二十年來國際上新興的一種對環(huán)境無公害的地下管網(wǎng)施工技術，指利用巖土鉆掘手段在地面不開挖溝槽的情況下，鋪設、修復和更換地下管線。目前，非開挖技術在國際上已被廣泛應用于穿越公路、鐵路、建筑物、河流，以及在鬧市區(qū)、古跡保護區(qū)、農田和環(huán)境保護區(qū)等不允許或不能開挖條件下進行煤氣、電力、供排水、電訊、有線電視線路、天然氣管道等的鋪設、更換和修復。近十年來，在市政給排水、通信電纜、燃氣管道及電力電纜等地下管網(wǎng)工程中得以廣泛應用。

隨著我國國民經濟的高速發(fā)展和政府對環(huán)境的日益重視，自20世紀90年代中期以來，我國非開挖的工程施工量和投入的設備數(shù)量均以每年40%的高速度增長。非開挖技術在我國已形成了一個新興的產業(yè)，引起了各級政府和環(huán)境部門的高度重視。在我國管道建設大發(fā)展的21世紀，非開挖技術將具有十分廣闊的應用前景，經濟效益和社會效益也將非常巨大。 據(jù)統(tǒng)計，全世界每年有100萬公里的地下管線需要新建，總投資超過300億美元；而發(fā)達國家現(xiàn)有各類地下管線總長約2000萬公里，為更新、修復這些地下管線，每年還需要投資300～350億美元。我國每年需鋪設的管線長度包括上水管5000km、下水管3000km、電訊管線26000km，此外還有30000km的管道急需更新和修復（尚未計算天然氣和煤氣管道）。對如此浩大的地下管線工程，從經濟角度還是社會角度上出發(fā)，應追蹤國內外非開挖技術的發(fā)展，逐步淘汰傳統(tǒng)的開挖施工技術，避免新老道路總處于挖了填，填了再挖的尷尬局面。

因此，非開挖施工技術是土木施工、環(huán)境保護、城市規(guī)劃及建筑管理等地下工程領域的發(fā)展方向。

一 水平定向鉆

1.0 定向鉆穿越施工工藝^[1]

使用水平定向鉆機進行管線穿越施工, 一般分為三個階段: 第一階段是按照設計曲線盡20可能準確的鉆一個導向孔; 第二階段是將導向孔進行擴孔, 擴大到合適的直徑以方便安裝成品管道; 第三階段是完成管線穿越工作, 將產品管線(一般為PE 管道, 光纜套管, 鋼管)沿著擴大了的導向孔回拖到導向孔中。

1.1　導向孔

導向孔是在水平方向按預定角度并沿預定截面鉆進的孔, 包括一段直斜線和一段大半徑弧線。在鉆導向孔的同時, 承包商也許會選擇并使用更大口徑的鉆桿(即沖洗管) 來屏蔽導向鉆桿。沖洗管可以起到類似導管的作用, 還可以方便導向鉆桿的抽回和更換鉆頭等工作。導向孔的方向控制由位于鉆頭后端的鉆桿內的控制器(稱為彎外殼) 完成。鉆進過程中鉆桿是不做旋轉的, 需要變換方向時若將彎外殼向右定位, 鉆進路線即向右沿平滑曲線前進。鉆孔曲線由放置在鉆頭后端鉆桿內的電子測向儀進行測量并將測量結果傳導到地面的接收儀,這些數(shù)據(jù)經過處理和計算后, 以數(shù)字的形式顯示在顯示屏上, 該電子裝置主要用來監(jiān)測鉆桿與地球磁場的關系和傾角(鉆頭在地下的三維坐標) , 將測量到的數(shù)據(jù)與設計的數(shù)據(jù)進行對比, 以便確定鉆頭的實際位置與設計位置的偏差, 并將偏差值控制在允許的范圍之內, 如此循環(huán)直到鉆頭按照預定的導向孔曲線在預定位置出土。

1.2　預擴孔

導向孔完成后, 要將該鉆孔進行擴大到合適的直徑以方便安裝成品管道, 此過程稱為預擴孔, (依最終成孔尺寸決定擴孔次數(shù)) 。通常,在鉆機對岸將擴孔器連接到鉆桿上, 然后由鉆機旋轉回拖入導向孔, 將導向孔擴大, 同時要將大量的泥漿泵入鉆孔, 以保證鉆孔的完整性和不塌方, 并將切削下的巖屑帶回到地面。

1.3　回拖管道

預擴孔完成以后, 成品管道即可拖入鉆孔。管道預制應在鉆機對面的一側完成。擴孔器一端接上鉆桿另一端通過旋轉接頭接到成品管道上。旋轉接頭可以避免成品管道跟著擴孔器旋轉, 以保證將其順利拖入鉆孔?；赝嫌摄@機完成, 這一過程同樣需要大量泥漿配合, 回拖過程要連續(xù)進行直到擴孔器和成品管道自鉆機一側破土而出。

2　水平定向鉆機系統(tǒng)簡介

2.1　鉆機系統(tǒng)是穿越設備鉆進作業(yè)及回拖作業(yè)的主體,它由鉆機主機、轉盤等組成, 鉆機主機放置在鉆機架上, 用以完成鉆進作業(yè)和回拖作業(yè)。轉盤裝在鉆機主機前端, 連接鉆桿, 并通過改變轉盤轉向和輸出轉速及扭矩大小, 達到不同作業(yè)狀態(tài)的要求。

2.2　動力系統(tǒng)由液壓動力源和發(fā)電機組成動力源是為鉆機系統(tǒng)提供高壓液壓油作為鉆機的動力, 發(fā)電機為配套的電氣設備及施工現(xiàn)場照明提供電力。

2.3　控向系統(tǒng)控向系統(tǒng)是通過計算機監(jiān)測和控制鉆頭在地下的具體位置和其它參數(shù), 引導鉆頭正確鉆進的方向性工具, 由于有該系統(tǒng)的控制, 鉆頭才能按設計曲線鉆進, 現(xiàn)經常采用的有手提無線式和有線式兩種形式的控向系統(tǒng)。

2.4　泥漿系統(tǒng) 泥漿系統(tǒng)由泥漿混合攪拌罐和泥漿泵及泥漿管路組成, 為鉆機系統(tǒng)提供適合鉆進工況的泥漿。

2.5　鉆具及輔助機具是鉆機鉆進中鉆孔和擴孔時所使用的各種機具。鉆具主要有適合各種地質的鉆桿, 鉆頭、泥漿馬達、擴孔器, 切割刀等機具。輔助機具包括卡環(huán)、旋轉活接頭和各種管徑的拖拉頭。

3　現(xiàn)場布局和設計

3.1　道路施工現(xiàn)場兩側都需要重型設備, 為縮減成本, 通往兩側施工現(xiàn)場的道路應盡可能利用現(xiàn)有道路以減少新修道路距離, 或利用管道線路的施工便道, 所有相關道路使用權的協(xié)議都應由業(yè)主提供, 在投標階段再來討論這些問題為時已晚。

3.2　工作場地

(1) 鉆機一側: 鉆機施工場地至少需要6m寬, 15m長的面積。該面積從入土點算起, 入土點應位于規(guī)定的區(qū)域內至少3m處, 同時由于許多鉆機配套的設備或配件沒有規(guī)定的存放地點, 所以鉆機一側施工現(xiàn)場可由許多不規(guī)則的小塊組成, 以便節(jié)省占地面積, 現(xiàn)場盡量要平整, 堅硬, 清潔, 以便有利于進行施工。由于穿越施工時需要大量的淡水供攪拌泥漿用, 所以施工現(xiàn)場要盡量靠近水源或便于連接自來水管道的地方。

(2) 管道一側: 為便于預制成品管道,管道一側要有足夠長度的施工現(xiàn)場, 這也是要重點考慮的事情?，F(xiàn)場寬度應滿足管道施工的需要(一般為12 ～18m ) 。同樣在出土點一側也需要6m寬乘以15m長的施工現(xiàn)場?？傞L度以能夠擺放下所預制的管道為準, 在回拖前, 要將管道預制完成, 包括焊接, 通球, 試壓防腐等工序, 在回拖過程中, 不能再進行管道的連接工作, 因為回拖過程是要連續(xù)進行的, 若此時進行管道連接將可能造成地下孔洞的塌方, 極可能造成整個工程施工的失敗。^[2]

3.3　施工現(xiàn)場要求一旦施工地點確定, 應對相應區(qū)域進行勘測并繪制詳細準確的地質地貌圖紙。最終施工的精度取決于這一勘測結果的精度。

3.4　施工設計參數(shù)^[3]

(1) 覆蓋層厚度: 考慮的因素包括所穿越河流的流量特征, 季節(jié)性洪水沖刷深度,未來河道的加寬和加深, 現(xiàn)有管道和電纜的位置等因素。一旦確定了施工地點并完成地質調查, 穿越層的厚度也就確定了, 一般來說, 覆蓋層應至少是6m厚。以上僅是針對河流穿越而言的, 對于其它障礙物的穿越會有另外的要求。

(2) 鉆進角和曲率半徑: 在大多數(shù)穿越施工中, 入土角通常選擇在8°～12°之間,多數(shù)施工應首先鉆一段斜直線, 然后再鉆一段大半徑曲線。此曲線的曲率半徑由成品管線的彎曲特性決定, 隨直徑增大而增大, 鋼管道曲率半徑的拇指法則是100FT/ IN (一般取管道直徑的1000 ～1200 倍) 。斜直線將導向孔曲線按照預定的走向引導到設計的深度, 然后是一段在此深度上的長長的水平直線,然后到達向上的彎曲點再到出土點。出土角應控制在5°～12°之間, 以便于成品管道的回拖。^[4]

3.5　鉆孔施工所有的測向控向工具都包括地下測量電子設備和地面接收設備, 可以測得鉆頭所在位置的磁方位角(用于左/右控制) 和傾斜角(上/下控制) 以及鉆頭的鉆進方向。^[5]

(1) 精度: 穿越施工精度很大程度上取決于磁場的變化。例如, 大型鋼結構(橋梁, 樁基, 其它管道) 和電力線路會影響磁場讀數(shù)。而穿越出土點的導向孔目標偏差值應控制在左右3m, 長度為3m～10m的范圍內^[6]。

(2) 完工圖紙: 一般來說, 導向孔的測量和控制應在鉆導向孔時每鉆進一根鉆桿或隔9m測量計算一次。以上測量計算完成的導向孔施工圖紙承包商應向業(yè)主提供。也有采用替代方法如陀螺儀, 穿地雷達和智能清管球用來做定位工作。

4　施工實例

4.1　工程概況工程位于保定市護城河東岸, 擬沿護城河穿越環(huán)城北路、綠化帶、小區(qū)道路至環(huán)城北路改線段, 長度約為560m, 采用非開挖水平定向鋪管法施工, 管材規(guī)格為DN1200mmHDPE管, PE100級, 承壓018MPa。管道沿線兩側地表建(構) 筑物較多, 包括小區(qū)圍墻,別墅, 江北大河河護坎、綠化帶等, 且距敷設管線距離較近, 僅2m～4m。地下管線及構筑物錯縱復雜, 埋設深度不一, 主要有污水管、電力管、通信管、煤氣管道等。根據(jù)上述場地自然條件及設計要求, 本工程擬分兩次穿越, 長度分別約為265m和249m。現(xiàn)已經順利完成, 取得很大成功。

4.2　場地工程地質條件根據(jù)巖土工程勘察, 將勘探深度內土體按其特征及其物理力學性質劃分為5個工程地質單元層, 細分為9個工程地質亞層, 現(xiàn)由淺至深分述如下:

5　施工方案

5.1　施工機械設備的選用配備本工程選用美國凱斯D75 ×100水平定向鉆機。該機器拉力為36 t, 采用液壓系統(tǒng); 扭矩1400μ·m; 鉆桿為76型鉆桿, 長415m。泥漿泵為APLE ×200加侖, 配制2只, 流速為75～250L /min。^[7]

5.2　施工方案安排

根據(jù)現(xiàn)場場地限制, 本工程分兩次穿越,第一段長度約為265m, 鉆機定位于泵站西側圍墻處(圍墻須拆除) , 穿越環(huán)城北路綠化帶, 距小區(qū)南墻邊約40m出土, 避讓與其它管線碰檫,確保一定間距; 第二段長度約為249m, 鉆機定位于R1接收井邊上, 穿越小區(qū)綠化帶和小學綠化帶, 距小區(qū)南圍墻邊約90m處出土。小區(qū)與建業(yè)街之間約為300m, 管材焊接采用吊機配合安裝, 兩處管材焊接完畢后, 因位置不夠必須放在河里, 管材拖拉完成后兩牽引管之間約50m左右需開挖安裝, 采用鋼管、法蘭連接。開挖前與相關的管線單位聯(lián)系, 開挖時須保護已有管線。

5.3　方法及其質量保證措施^[8]

(1) 測量定位: 嚴格按甲方提供設計圖紙,并結合場地實際條件測量定位, 以確定挖入土坑和出土坑的位置, 為確保管位標高的準確性,采用美國生產的“月蝕”導向儀對管道定位導向。

(2) 在入土點位置各挖一個工作坑, 入土位置挖出深3m ×長3m ×寬4m; 出土位置開挖成口管發(fā)射溝坡槽, 深度約3m, 長度約25m。

(3) 鉆機就位: 鉆機定位應準確、水平、穩(wěn)固。

(4) 泥漿制備: 根據(jù)地質條件, 采用進口膨潤土, 添加純堿配制泥漿。根據(jù)現(xiàn)場地質條件, 制定泥漿馬氏粘度。按照制定的泥漿馬氏粘度, 配制泥漿。為預防房屋、河岸及河床地帶冒漿, 采用優(yōu)質鈉基膨潤土并及時根據(jù)孔內返漿情況調整泥漿泵壓力和泵排量。

6　結語

定向鉆穿越施工具有不會阻礙交通, 不會破壞綠地, 植被, 不會影響商店, 醫(yī)院, 學校和居民的正常生活和工作秩序, 解決了傳統(tǒng)開挖施工對居民生活的干擾, 對交通, 環(huán)境, 周邊建筑物基礎的破壞和不良影響。水平定向鉆穿越是對環(huán)境影響最小的施工方法。這項技術同時還可以為管道提供最的保護層, 并相應減少了維護費用, 同時不會影響河流運輸并縮短施工期, 證明是目前效率最高,成本最低的穿越施工方法。^[9]

二、盾構法施工^[10]

 盾構是集地下掘進和襯砌為一體的施工設備，廣泛應用于地下給水排水管溝、地下隧道、水下隧道、水工隧洞、城市地下綜合管廊等工程。

盾構為一鋼制殼體，稱盾構殼體。主要有3部分組成，按掘進方向：前部為切削環(huán)，中部為支撐環(huán)，尾部為襯砌環(huán)。切削環(huán)作為保護罩，在環(huán)內安裝挖土設備，或人工在切削環(huán)內挖土和出土。切削環(huán)還可對工作面起支撐作用。切削環(huán)前言為挖土工作面。在支撐環(huán)內安裝液壓千斤頂?shù)韧七M機構。在襯砌坑內襯砌砌塊，設有襯砌機構。當砌玩一環(huán)砌塊后，以已砌好的砌塊做后備，由支撐環(huán)內的千斤頂頂進盾構本身，開始下一循環(huán)的挖土和襯砌。

盾構法和頂管法的相比有下列特點：頂管法中被頂管道既起掘進空間的支護作用，有事構筑物的本身。頂管法與盾構法在這一雙重功能上是同的，所不同的是頂管法頂入土中的是管段，而盾構法接長的是以管片拼裝而成的管片，拼裝處是盾構的后部。兩者相比，頂管法適合較小的管徑，管道的整體性好，剛度大。盾構適合于較大的管徑，管徑越大越顯示其優(yōu)越性。

盾構施工時，又盾構前景定將盾構推進。在同一土層內所需施工頂力為一常值，向一個方向掘進長度不受頂大小的限制，鋪設單位長度管夠所需要的訂立較掘進頂管要少。盾構施工不需要結實的后背，長距離掘進也不需要泥漿套、中繼間等附加設備。

盾構斷面可以做成任何形狀：圓形、矩形、方形、多邊形、橢圓形、馬蹄形等。采用最多的為圓形斷面。

安裝不同的掘進機構，盾構可在巖層、砂卵石層、密實砂層、粘土層、流砂層、淤泥層中掘進。

由于盾構的機動性，盾構法施工可以實現(xiàn)曲線頂進。

（一）盾構的尺寸確定^[11]

盾構外殼厚度按彈性圓環(huán)設計

盾構外形D可由下式確定：

D=d+2（h+x+t） 其中d：管段竣工內徑；h：一次襯砌和襯砌的總厚度；x：襯砌塊與盾殼間的空隙量；t：盾構的外殼厚度

X=ML[L1] /D[L2] ₀ L：砌塊環(huán)上定點能轉動的最大水平距離；M：襯砌環(huán)遮蓋部分的襯砌長度；D₀ ：砌塊環(huán)外徑。

盾構全長L為：L=切削環(huán)長度+支撐環(huán)長度+襯砌換長度

(二)盾構千斤頂及其頂力計算

盾構千斤頂采用液壓傳動。為了避免壓壞砌塊，應將總頂力分散，每個千斤頂?shù)挠喠⑤^小而千斤頂數(shù)目較多。千斤頂?shù)捻敵搪源笥谄鰤K的寬度。

盾構在頂進時的阻力可根據(jù)盾構的形式和構造確定。頂進阻力R可由盾構外殼與土的摩擦力、盾構內壁與砌塊環(huán)的摩擦力、盾構切削環(huán)切入土層的切土阻力、盾構自重產生的摩擦力、開挖面支撐阻力或閉腔擠壓盾構土層正面阻力相加而得。

掘進是，盾構的水平軸上部頂力較大，下部頂力較小，千斤頂根據(jù)這種情況不知，稱等分布置。不考慮受力情況，沿全圓周等間距不知，稱不等分布置。

每個千斤頂?shù)挠凸茼毎惭b閥門，以便單個控制。同時，還將全部千斤頂分成若干組，按組進行控制。

（三）盾構的分類和構造

確定盾構形式時，要考慮到掘進地段的土質、施工段長度、地面情況、管廊形狀、管廊用途、工期等因素。

根據(jù)挖掘形式，盾構可分為手工挖掘盾構、半機械化盾構和機械化盾構。根據(jù)且血環(huán)與工作面的關系，可分開放式或密閉式。當土質較差，應在工作面上進行全斷面或部分斷面的支撐。當土質為松散的粉砂、細砂、液化土等，為了保持工作面穩(wěn)定，應采用密閉式盾構。當需要對工作面進行支撐時，可采用如氣壓盾構，水泥壓力盾構、土壓平衡盾構等。

（四）盾構施工要點^[12]

給排水管道或管廊采用盾構施工過程時應做好下列工作：盾構的選型、制作和安裝；工作坑的設計；管片的制作、運輸；現(xiàn)場勘查；盾構始頂；挖土與頂進；襯砌與注漿等?，F(xiàn)概要介紹如下：

1、      下放和始頂(見附圖1、2、8)

2、      整體盾構可用起重設備下放到起點井，類似頂管施工時下管。大直徑盾構難以進行整體搬運時，可在現(xiàn)場組裝或在工作坑內裝配。

3、      盾構下放至工作坑導軌后，自起點井開始至完全沒入土中的這一段距離，稱為盾構的始頂。盾構始頂需借另外的千斤頂頂進。（見附圖4）

4、      盾構從起點井進入土層時，起點井壁挖口土方很容易坍塌，也可對土層進行局部加固。（見附圖5）

5、      盾構千斤頂以已七號的砌塊環(huán)作為支撐結構而推薦盾構。在一般情況下，砌塊環(huán)長度約為30-50m，才足以支撐盾構千斤頂。在此之前，應設立臨時支撐結構。通常做法是：盾構沒入土中后，在起點井后背與盾構襯砌環(huán)內，各設置一個其外形和內徑均與砌塊環(huán)的外徑與內徑相同的圓形木塊。在兩木環(huán)之間砌半圓形的砌塊換，而在木環(huán)水平直徑以上的用圓木支撐。（見附圖4）

6、      盾構掘進的挖土及頂進（見附圖3）

盾構掘進的挖土方法取決于土的性質和地下水情況，手挖盾構適用于比較密實的土層。工人在切削環(huán)保護罩內挖土，工作面形成鍋底形，一次挖深一般等于砌塊的寬度。為了保證坑道形狀正確，減少與砌塊間的空隙，貼近盾殼的土應由切削環(huán)切下，厚度約10-15cm。在工作中不能直立的松散土層中掘進時，將盾構刃腳先切入工作面，然后工人在保護罩切削環(huán)內挖土。根據(jù)土質條件，進行局部挖土。局部挖出的工作面應設支撐。局部挖掘從頂部開始，當盾構刃腳難于先切入工作面，如砂礫石層，可以先挖后頂，但必須嚴格控制每次掘進的縱深。

盾構推進是，應確保前方土體的穩(wěn)定，在軟土地層，應柑橘質構類型采取不同的正面支護方法；盾構推進軸線應按設計要求控制質量，推進中每環(huán)測量一次；糾偏時應在推進中組不進行；盾構頂進應在砌塊襯砌后立即進行。

推進速度應根據(jù)地質、埋深、地面的建筑設施及地面的隆陷值等情況，而確定，通常為50mm/min

盾構推進中，遇有需要停止推進切間隙時間較長時，必須做好正面封閉、盾尾密封并及時處理；在拼裝管片或盾構推進停歇是，應采取防止盾構后退的措施；當推進中盾構旋裝時，采取糾正的措施。彎道、變坡掘進和校正誤差時，應使用部分千斤頂。

根據(jù)盾構選型，施工現(xiàn)場環(huán)境，土方可以由斗車、礦車、皮帶或泥漿等方式運出。（五）盾構法施工的給水排水管道質量驗收標準^[10]

注：圓環(huán)變形等于圓環(huán)水平及垂直直徑差值與標準內徑的比值。

 [L1]砌塊環(huán)上定點能轉動的最大水平距離與襯砌換覆蓋部分的襯砌長度的乘積

 [L2]砌塊環(huán)外徑