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非开挖

非开挖是指利用各种岩土钻掘设备和技术手段,通过导向、定向钻进等方式在地表极小部分开挖的情况下(一般指入口和出口小面积开挖),敷设、更换和修复各种地下管线的施工新技术,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,解决了传统开挖施工对居民生活的干扰,对交通,环境,周边建筑物基础的破坏和不良影响,因此具有较高的社会经济效果。

非开挖技术源于20世纪70年代,并于90年代传入我国,目前被广泛应用于给水、排水、电力、通信、燃气等领域的新管道建设和旧管道修复,也可以应用于文物、古建筑的保护等方面。

⑴引入了管线轨迹的测量和控制;

⑵大大提高了铺管能力(长度2000m,直径3m);

⑶快速高效;

⑷增强了在复杂地层条件下施工的能力;

⑸使管道的原位修复成为可能。

施工方法

典型应用

常用管材类型

顶管法

各种大口径管道、穿越孔

混凝土、钢、铸铁

微型隧道法

小口径管道、管棚、穿越孔

混凝土、钢、铸铁

水平定向钻进

长穿越孔、水平环境井

钢、塑料

水平螺旋钻进

钢套管、穿越孔

钢套管

水平顶推钻进

压力管道、钢套管

钢、混凝土

水平回转钻进

钢套管、穿越孔、水平降水井

钢套管

冲击矛法

压力管道、电缆线、穿越孔

钢、塑料

夯管法

钢套管、穿越孔、管棚、打入桩

钢套管

潜孔锤施工法

穿越孔

铜管、混凝土管

施工方法

典型应用

常用管材类型

爆管法

各种重力和压力管道

PE、PP、PVC、GRP

胀管法

各种重力和压力管道

PE、PP、PVC、GRP

吃管法

各种重力和压力管道

PE、PP、PVC、GRP

施工方法

典型应用

常用管材类型

传统的内衬法

各种重力和压力管道

PE、PP、PVC、GRP

改进的内衬法

各种重力和压力管道

HDPE、PVC、MDPE

软衬法

各种重力和压力管道

树脂+纤维

缠绕法

各种重力管道

PE、PVC、PP、PVDF

喷涂法

各种重力和压力管道

水泥浆、树脂

灌浆法

各种重力和压力管道

水泥浆、树脂

非开挖技术措施按施工工艺可分为:导向钻进铺管技术、遁地穿梭矛铺管技术、顶管掘进机铺管技术、顶管铺管技术。

⑴施工优点

①导向仪导向,快速高效准确;

②钻孔方向易控制,施工场地要求简单;

③导向探测与管线探测相结合有效调整钻头,避开管线,适合复杂地层条件下施工。

⑵适用范围

用于铺设电力、通信、煤气和自来水管线,铺管直径、长度和材料范围较宽,适合1000mm以下管径,主要有PE管铺设和钢管铺设。

⑴施工方法

①拉管法;

顶管法

⑵施工优点

①冲击力大,穿透性强;

②速度快,工期短;

③可穿越流泥流沙和卵石带;④适宜各种管材。

⑶适用范围

①适宜于铺设各类13~150mm;

②小管径长度<50m或距离较长的;

钢管或铸铁管最大口径可达1.5m最大长度可达100m。

⑴优点

①高功率、高效率;

②采用泥水平衡掘进施工法,可进行大管径超长度施工;

③噪音小、无污染。

⑵适用范围

①隧道、涵洞和大口径管道。

⑴设备

①导向探测仪;

②导向钻机;

液压顶管机

⑵施工方法

①导向钻孔定向;

②液压顶进、人工挖掘。

⑶优点

①造价低;

②定向准确、精度高、安全、无噪音污染;

③可适用于各种地质条件;

④适用于大口径小场地各种管道施工。

⑷适用范围

①适用于铺设3000mm以内钢管、混凝土管、铸铁管、其它材质管道可采用套管法铺设。

1、顶管工作井施工,井内设集水坑,便于抽排积水;
  2、后靠背设置,工作井基础设定后,根据管道走向设置后靠背。

3、导轨安装,导轨安装牢固与准确对管子的顶进质量有较大的影响,因此导轨安装依据管径大小、管道坡度、顶进方向确定,顶进方向必须平直,标高、轴线准确。导轨可用轻型钢轨制作。
  4、顶进设备采用千斤顶,头部设刃口工具管,起切土作用并保护管道及导向作用。为防止土体坍塌,在工具管内设格栅。
  5、其它设备工作坑上方设活动式工作平台,一般采用30号槽钢作梁,上铺方木。下管采用临时吊车吊运下管,出土采用摇头扒杆。
  6、注意:顶管工作坑四周必须采用围护措施,采用彩钢瓦围护,雨帆布防护,并设醒目警示标牌。顶进时,过往车辆应减速慢行,且禁止大吨位、重载车辆通行。

非开挖施工技术:就是在不开挖(或者少开挖)地表的情况下进行铺设、探测、维修和更新各种地下管线,解决城市管线施工中的难题。城市地下管线的铺设方式是工程建设技术水平的体现,是城市现代化的标志之一,也是社会文明进程的重要体现。

特点:

▲不开挖地面就能穿越公路、铁路、河流,甚至能在建筑物下穿过,是一种安全有效的施工技术。

▲不开挖地面,故而被铺设管道路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。

▲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。

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:盾构法、顶管法、导向/定向钻进铺管法、气动矛铺管法、夯管锤铺管法和微型隧道铺管法等,其中顶管法应用最早。

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、局部修复法等。

3.探测地下管网:地下管线探测仪、供水管网监测仪、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、声纳系列等。

非开挖首先需要进行技术准备,其主要包括对地下管线使用现状的勘察,以准确地掌握管线及其他基础设施的分布情况;按照施工区域的地形、路线定出钻孔轴线,进行区域地形地貌的勘测与测量;对需钻孔的工作区域进行地层地质的现场勘查。再是进行施工场地的准备,对施工场地进行机械、机具等安装于堆放;开挖入射作业坑,做好支护与降水工作;进行施工机械进场工作及安装;借助导航仪进行探头导向的开展。最后是进行以开孔、造斜钻进、保直钻进为主的导向施工及包含孔径设计、分级扩孔、孔壁加固、回拉敷管的回拉扩孔的两个施工步骤。

我司常用的非开挖技术采用导向钻管法,以下以东明河顶管工程实例详细介绍导向钻管的技术。

岐江河东明大桥西侧穿越工程位于中山市东明大桥西侧,穿越地点选在东明大桥侧河道,离南岸桥支墩38m位置,两岸河堤之间宽度为112m,水深5m。由于石岐河水位受涨潮退潮影响,航道需正常通航,不能封航,因此工程采用定向钻技术,以非开挖方式进行煤气管道穿越。该工程为一条φ273×9钢管穿越,穿越长度约为280m,最大穿越深度:自然地面以下10m;钻机入土点位于河南侧,出土点位于河北侧。入土角度为10°,出土角度6°,钻进曲率半径为488m。该工程为小型穿越,定向钻技术具有相对成本较低,工期短,不阻碍交通等优点,随着工艺的不断改进,该种施工工艺在管道燃气、自来水、电力和电信部门已开始普遍使用。现以上例子介绍一下其具体操作过程及注意事项。

①《输油输气管道线路工程施工及验收规范》SY040198;

②《水平定向钻进管线铺设工程技术规范》CSTT;

③《石油天然气管道穿越工程施工及验收规范》SY/T40792003;

④《长输管道线路工程施工及验收规范》SYJ400198;

⑤《原油和天然气输送管道穿越工程设计规范穿越工程》SY/170015.198;

⑥《输气管道工程设计规范》GB5025194;

施工场地平坦,穿越地段高低不平,钻机场地位于河南侧,出土端位于河北侧。此地段交通运输较为方便,便于钻具的运输。电源采用自备发电机解决。

FDP30钻机具有优越的钻进性能,加上特制的辅助助力装置,使回拉能力达到80t,扭矩1.6万Nm。主机配有先进的液压动力系统,泵阀采用世界上最先进的力士乐产品,回转动力采用世界上最先进的波克兰电机,动力源采用进口的康明斯发动机。优良的设备加上高素质的员工,是我们顺利完成该条非开挖管线施工任务的保证。

①导向钻管法的施工工艺

地质勘察→穿越曲线设计→测量磁方位角→钻机就位→钻导向孔→扩孔→回拖→环境保护→地貌恢复

②导向钻管法的工作原理

水平导向钻机的工作原理是:在施工时,按照设计的钻孔轨迹(一般为弧形),采用可从地表钻进的钻机先钻一个近似水平的导向孔,然后在导向钻头后换上大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待铺设工作管线,然后进行反向扩孔,同时将待铺管线回拉入钻孔内,当全部钻杆被拖回时,铺管工作同时也就完成了。此工程根据地质情况计划采用分级扩孔,共分2级扩孔,再回拖管线的方法,进行穿越施工。

③设备就位、安装、调试

钻机就位前对机施工场地进行平整(20m×30m),保证设备通行及进出场。设备及材料存放场地须高出自然地面不小于15cm,推平、碾压,并设断面不小于0.3m×0.3m的边沟。打好轴线后,根据入土点、入土角度结合现场实际情况使钻机准确就位。钻机设备、泥浆设备、固控设备安装完成后,对设备进行调试、检查、测试,确保设备安全运行。控向设备仪器安装完成后,对其进行调试,确保导向孔的精度。入土端泥浆储运坑(2m×4m×2m)及出土端泥浆储运坑(2m×3m×2m)。多余泥浆由吸污车集中清运。浆储运坑(2m×4m×2m)及出土端泥浆储运坑(2m×3m×2m)。多余泥浆由吸污车集中清运。

④钻导向孔

本穿越工程穿越段地质条件暂按Ⅱ类土考虑,根据地层情况,选择并设计出导向孔轨迹曲线。钻导向孔的成功与否关键在于如何防止塌方的问题,故此在钻导向孔时按照地质构造的不同详细制定出合理的泥浆配比方案,规定在不同的地质情况下选用不同的泥浆配方,该工程中需加适量大分子聚合物及一些多功能处理剂,增加泥浆的粘度、降低泥浆的失水,使其性能控制在密度1.02~1.05g/cm。左右、粘度45~55s、失水10mL,以利于更好的保护孔壁,提高泥浆在孔洞中的悬浮携带能力。在造斜段使用的泥浆中添加适量的润滑剂,降低孔壁的摩擦系数,从而可以防钻具粘卡。

为保证预扩孔及回拖工作的顺利进行,钻导向孔时要求造斜段应严格按设计曲线钻进。经过对轴线及钻机就位情况进行校准,检查无误后方能开始钻进施工。探头装入探头盒后,标定、校准后再把导向钻头连接到钻杆上,转动钻杆测试探头发射信号是否正常,回转钻进2m后方可开始按照设计轨迹进行穿越。控向设备宜采用有缆控向系统,以提高钻进的准确性,导向孔完成后经检查合格后方可进行预扩孔。

⑤预扩孔及磨孔

a.预扩孔采用一台FDP30型导向钻机进行预扩孔,边扩孔边打入泥浆,视旋转压力及回拉压力逐渐加大扩孔级别。预扩孔采用导向钻机进行预扩孔,边扩孔边打入泥浆,视旋转压力及回拉压力逐渐加大扩孔级别。

b.扩孔次数需视钻机回转压力及回拖压力而定。扩孔级别如下:

使用φ320mm螺旋扩孔钻头扩一遍。

使用φ450mm螺旋扩孔钻头扩一遍。

c.扩孔前要做好泥浆循环系统的准备工作,FDP30型导向钻机配套的泥浆系统工作性能,每小时的最大工作流量为5m3,则泥浆泵每一个工作日的最大循环流量为120m3,在入土点、出土点旁各开挖一个泥浆坑,并配有清运泥浆的专用设备。保证施工现场的清洁卫生,做到文明施工。

⑥拖管

a.拖管采用专门的回拖器,同时采用边打泥浆边旋转回拖的方法。从而保证钢管防腐层不被破坏。

b.旋转分动器采用特制的结构。

c.扶正器与工作管的连接要牢固,并要求工作管与拉管器的连接要牢固、安全、密封,作到可靠。

d.采用小比重高粘度泥浆,加入适合地质结构的泥浆处理剂和管孔润滑剂等措施以减少回拖时的阻力,减小钻机工做负载。

e.在φ273×9钢管回拖前,验证扩孔后孔内是否有充足泥浆,以便回拖中起到护壁润滑作用。

f.经确认钢管焊接、防腐合格后,将钢管拖人端与回拖器连接牢固,检查所有回拖系统(含设备、工艺保障措施)是否处于最佳状态。

g.回拖前,在待回拖φ273×9钢管下,每间隔20m摆放1个托辊,并用吊车配合,以防止在回拖中擦伤钢管外壁。

h.回拖启动后,要作到平稳、匀速(回拖中不能停留),速度控制在0.08m/s。操作手时刻观察回拖压力变化,及时上报,以便采取必要措施,使钢管顺利回拖成功。

i.拖管时,大部分泥浆将循环使用,需挖两个坑暂存,一个为泥浆倒坑一个为净化好的泥浆坑。

⑦地形地貌的恢复

工作管回拖完毕后,清理现场并撤出所用施工设备,恢复场地的地形地貌。

施工过程图详见图1。

该工程的顺利完成,创造了中山市有史以来最大的以定向钻非开挖方式过河的管道煤气工程历史,将使石岐河以北的城区及港口镇居民和工商企业能够用上安全、清洁、方便及源源不断的港华代天然气,促进该地区经济快速发展,提高人民生活水平,并为天然气的到来奠定了基础。

3 结语

上述的非开挖技术,不但减少路面开挖,降低施工费用及解决一些在传统开挖术不能施工的问题,而且在修复旧管道及安装难度高的工程时;在西气东输、广东LNG工程中大规模的管道管网的铺设;天然气作为清洁环保能源的普及使用,使其在天然气置换工程时;为保证向客户供气不致大幅间断,和安装分区调压阀及管道时;在环型管网完成后,如需要更新旧有的煤气管道时,发挥了相当大的优势。非开挖技术代替土建施工(挖槽埋管法),这不但燃气施工技术上又一跃进,还体现了施工技术的高速发展和科技现代化。

图1 歧江河东明大桥西侧穿越工程穿越曲线

注:⑴本图所注单位为m;⑵曲率半径488m。最大深度10m;⑶入土点在河南侧,入土角α=10°⑷出土点在河北侧,出土角β=6°⑸水平穿越长度280m。

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