非开挖技术综述

发布时间：2021-10-12

非开挖技术综述

非开挖技术是利用微开挖或不开挖的情况下对地下管线、管道和地下电缆进行敷设、修复或更换的一项科学技术。

非开挖技术产生及应用背景

随着城市高度现代化及人民生活水平的不断提高，城市和乡村对地下管网的总体需求和依赖越来越高，地下管网已是不可缺少的生命线。目前，城市地下管网发展的规模、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线施工技术由于对地面设施及交通影响较大，使本来就拥堵的城市交通雪上加霜，同时给市民生活、工作带来诸多不便。更有一些如：铁路、高速公路、国道公路、省道公路、城区重要交通要道、河流、水渠、古迹保护区、农作物和环境保护区等是国家法律规定不可以开挖的。
           非开挖技术应用而生，并在实施过程中得到了绝大多数城市管理者的支持和认可。

随着城市高度现代化及人民生活水平的不断提高，城市和乡村对地下管网的总体需求和依赖越来越高，地下管网已是不可缺少的生命线。目前，城市地下管网发展的规模、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线施工技术由于对地面设施及交通影响较大，使本来就拥堵的城市交通雪上加霜，同时给市民生活、工作带来诸多不便。更有一些如：铁路、高速公路、国道公路、省道公路、城区重要交通要道、河流、水渠、古迹保护区、农作物和环境保护区等是国家法律规定不可以开挖的。
           非开挖技术应用而生，并在实施过程中得到了绝大多数城市管理者的支持和认可。

非开挖技术应用的范围
      非开挖技术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、农作物和环境保护区等不允许或不能开挖条件下进行的石油天然气、电力、电讯、供排水、供热等管道的铺设及更换、维修等作业中。
      由于该技术的综合成本低、施工周期短、环境影响小、不影响交通、施工安全性好等优势日益受到人们的青睐。目前，非开挖工程技术在西方发达国家已成为一项政策支持、社会提倡和企业参与的新技术产业。
      自上世纪90年代中期我国引进非开挖技术以来，各种非开挖技术在国内得到了广泛的推广应用，已经形成一个新兴产业，在国内地下管网建设中发挥着越来越重要的作用，非开挖技术的蓬勃发展将是历史的必然。
非开挖技术的发展历史与现状

1、萌芽期：
      上世纪70年代前。主要以顶管为主，如：人工顶管、水平工程钻机、水平螺旋顶管机等。多由地质工程部门改装设备施工，技术水平低、精确度差、缺乏标准化等。
2、发展期：上世纪70—90年代。
      1971年美国人把定向钻探技术与传统铺管技术结合发明了导向钻进铺管技术，导致非开挖技术的一场革命。
      1988年日本人将地面无线跟踪导航监测系统开发利用，使导向铺管质量大为提高，标志着世界“非开挖”技术进入了一个崭新的阶段。
      这期间各种非开挖工艺如：微型遂道技术、顶管技术、夯管技术、气动冲击矛技术、水平定向钻技术等技术大力发展并推广动用，管道修复更新技术等各种技术被发明推广。
3、壮大期：上世纪90年代至今
      1985年成立国际非开挖技术协会，并开始每年举办国际性非开挖技术研讨会和地区性非开挖技术推广交流会，非开挖技术在世界各地被广泛采用。
      各种非开挖技术得到了充分利用和发展，在这个时期内被穿越技术发展外，管道修复更新技术全面发展并得到利用。
      非开挖设备研发水平和市场保有量明显提高，非开挖设备的生产表现出明显的本地化。

我国非开挖发展历程

1、前期萌芽阶段：上世纪90年代前
2、引进消化阶段：上世纪90年代至2000年
      90年代初偏重于引进顶管用的螺旋钻机和小口径顶管机；90年代中期集中引进气动矛、夯管锤和小型导向钻机主要用于通信、动力电缆穿越工程；90年代后期主要引进微型遂道机和少量大型水平定向钻机。
3、大力发展创新阶段：2000年至今
      各种非开挖穿越技术被广泛运用于石油、天然气、通信、电力、供排水管道、热力管道工程建设中，管道修复、更新技术开始利用。各种非开挖技术的穿越记录被屡屡创新，达到或超过世界先进技术的记录。
     自行研制非开挖设备形成系列，并逐步取代进口设备。成立了地方性非开挖协会（上海、广东、北京、四川），有关大学设立了非开挖课程，并开始培养研究生。
非开挖施工实现质和量的突破

在管道修复中，已开始实现应急性修复到预防性修复的转变，年修复工程量正快速上升；
在水平定向钻进和顶管施工中，解决了长距离、大口径和复杂地层施工的难题，施工记录不断被刷新。

国内顶管施工有影响力的工程
 2001年9月上海地道股份有限公司在江苏省常州市完成了长 2050m、直径 2m的钢筋混凝土管顶管工程，是我国目前已完成的该种规格套管最长的顶管工程。
2001年8月～12月嘉兴市污水处理排海工程一次顶进D1800钢筋混凝土顶管2050米，采用泥水平衡顶管施工技术及中继间技术，成功地解决了减阻泥浆运用和轴线控制等技术难题，用了约5个月完成全部顶进施工，创造了该种规格套管新的顶管施工长度记录。 2002年9月完成西气东输一线穿越黄河工程，实现DN1800钢管穿越黄河河床及主河道共计3600米，套管穿越位于地下25～27米，该工程不管从顶进长度、埋深、地质条件、及钢管直径在国内尚属首次，再一次刷新长度记录。该工程标志着我国的顶管施工水达到一个新的高度，与世界高水平日益靠近。
2008年在无锡长江引水工程中中铁十局十公司采用国产顶管设备顶进直径2200mm钢管双管同步顶进达2500米 ，又一次创新该规格长度记录。

施工现场展示
1、顶管施工工艺
   开放型人工掘进刃口推进工法
   封密型土压平衡机械顶管工法
   封密型泥水平衡机械顶管工法
      
   
         人工掘进顶管施工法即是非机械的开放式（或敞口式）顶管机，在施工时，采用手工的方法来破碎工作面的土层，破碎辅助工具主要有镐、锹以及冲击锤等。破碎下来的泥土或岩石可以通过传送带、手推车或轨道式的运输矿车来输送。
         人工掘进顶管施工法一般适用于稳定性地质，在含水地层施工时，则必须采用辅助施工措施（如降水等）。在地层不能降水或降水达不到施工要求时，应该采用泥水平衡或土压平衡顶管施工法。
         土压平衡顶管施工法是利用土压平衡顶管掘进机进行钢筋混凝土管道或其它管道的顶进施工，施工中利用顶管掘进机前端半封闭式土压仓来平衡掘进面土体和地下水的压力，同时不产生掘进面土体的超挖与欠挖，从而保持土体稳定，能使地面的沉降与隆起保持最小的限度。
          土压平衡顶管施工法一般适合以下地质条件：干性粉砂土、流砂、中粗砂或碎石地层；当有地下水时，适合渗透系数较小、饱和含水地层中的淤泥质黏土、黏土、粉砂土或砂性土。
         泥水平衡顶管施工工法是用泥水平衡顶管机施工的一种顶管施工工艺。它在施工时通过进水管向顶管机刀盘后的泥水舱内供给一定比重、一定黏度、一定压力的混合泥浆，让其在顶管机挖掘面上形成一层泥膜，并以泥水舱内泥水的压力来平衡挖掘面上的土压力和地下水压力，同时又是通过排泥管把顶管机刀盘切削下来的土砂、碎石（需经过二次破碎）伴随泥水循环输送到基坑地面上的一种顶管施工方法。
2、HDD水平定向钻技术
         水平定向钻施工技术是采用安装于地表的钻孔设备（水平定向钻机），以相对于地面较小的入钻角钻入地层形成先导孔，然后将先导孔分级扩径至孔径要求，最终通过回拖敷设管道的一项技术，在施工中具有跟踪和导向功能。
         该工艺可广泛适应于粉质性黏土、粉土、粉砂土、各种软岩、硬岩等易成孔的地质条件，不太适应于砂卵粒石、中粗砂等不易成孔的地质条件。
夯管施工技术
   夯管穿越技术
   管幕穿越技术
   钢管桩施工技术
   气动矛穿越技术         气动夯管锤实质上是一个低频、大冲击功的气动冲击器，它是由压缩空气驱动,将要铺设的钢管沿设计路线直接夯入地层，从而实现非开挖穿越铺管的一种铺管工具。在夯管过程中，夯管锤产生很大的冲击力，这个冲击力通过调节锥套、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上，切割土体，并克服土层与管体的摩擦力使钢管不断进入土层。随着钢管前行，被切割的土芯进入钢管内。待钢管抵达目标后，取下切削头，将管中的土芯排出，钢管留在孔内，即完成铺管。
夯管技术的优点
   夯管施工具有施工快捷；
   不会造成路面沉降；
   准直性好；
   地质适应性好：夯管施工技术几乎可以适应除硬岩以外的所有地质条件。特别适合在回填土、流砂以及淤泥等不稳定性地质条件下的穿越施工。
管道检测清洗清淤修复置换（新技术新工艺）
供水管道（压力管道）
1  检测（撒哈拉技术 -智能球）
2 提供修复方案
高压清洗，清淤清障
压力管道软衬法修复
排水管道（重力流管道）
1  检测（CCTV  QV  声纳）
2  提供修复方案
管线老化，塌陷轻微变形
      A，紫外线光固化修复技术
      B，热塑成型管道修复技术
管线老化塌陷变形严重
      A，管道原位置换技术
      B，管线新建
检查井的修复
非开挖管道修复及更新技术
管道破碎更换技术（原位更换法）
管道内衬修复技术
   内插法
   “U”型折叠内衬法
   软衬法（翻衬法）
   等径压缩内衬法
管道局部修复技术
管道原位更换技术（爆管法）
        管道原位更换技术（爆管法）是指以待更换的旧管道为导向，利用管道破碎和牵引设备将旧管破碎的同时将新管拉入或顶入的管道更换技术。
        爆管法是在更换一些旧的、不合要求的油气、给排水管道工程中得到普遍认可的一种管道非开挖在线更换方法。该工艺采用等径或超径的新管道来在线更换旧管道。当要更换的旧管道的分支较少或是需要提高其承载力时，采用爆管法工艺将获得较高的经济效益。
        为了适应不同材质、不同管径的更换需要，依据破碎管道的方式不同，常用的管道原位更换技术分为：气动碎管法、液压静拉碎管法和液压刀具碎管法。
气动爆管法
      气动报管法是利用气动锤的冲击力从旧管的内部将其破碎，并将破碎的管道碎片挤压到周围的土层中，同时将新管或套管从气动锤的后面拉入或顶入，完成管线的更换工作。
         在气动爆管法工艺中，爆管头是一个锥形的土体挤压锤，并由压缩空气驱动在180~580次/min的频率下工作。爆管头前端伴随来自于钢索的持续拉力，在气动冲击力的作用下，将旧管道一点点破碎，并同步拉入待更新的管道。
        气动爆管法适用于由脆性材料制成的管道（陶土管、混凝土管、铸铁管、PVC管）的破碎更换，新管可以是PE管、聚丙烯、陶土管和玻璃钢管等。适应管径为50~1200mm；一次性更换的关系长度最大可达300m。
         静拉力爆管法是通过施加在爆管头上的静拉力来破碎旧管道，使用钢索或钻杆穿过旧管道连接在爆管头的前端来施加静拉力。锥形的爆管头将水平的静拉力转变为垂直轴向发散的张力来破碎旧管道，并把破碎后的管道碎片挤压到周围土体中，为安装新管道提供空间，并同步将带更换新管线拉入，从而完成管道更新。
        该施工法适应于管径较小的脆性管线的更换，施工中若采用快捷拉杆，施工效率将大大提高。
        U型折叠内衬法是使用可变形的PE或PVC作为管道材料，施工前在工厂或施工现场先通过改变衬管的几何形状来减少其断面。变形管在旧管内九尾后，利用加热或加压使其膨胀，并恢复到原来的大小和形状，以确保与旧管形成紧密的配合。有时，还可以用一个机械成形装置使其恢复到原来的形状。
喷涂法管道修复技术
          当管道的结构完好，但存在局部的缺陷（如裂隙或接头损坏等）时，可考虑使用局部修复的方法。喷涂法是管道局部修复最为常见的技术之一。
         喷涂法是通过一个快速旋转的喷涂头将内衬浆液喷涂到管道内壁，在通过抹平或固化技术形成一个稳定可靠的且与旧管紧密配合的内衬。喷涂法应用最广泛的喷涂材料是混凝土和环氧树脂。
         喷涂法管道修复施工往往需要运用管道检查扫描定位技术（CCTV系统）和管道清洗技术。