第8章 非開挖施工

第八章非開挖施工

技術(shù)

巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)1第一節(jié)概述

非開挖技術(shù)簡述為非開挖管線工程施工技術(shù)，起源于西方發(fā)達(dá)國家，稱為“No-Dig”，譯為非開挖技術(shù)。非開挖施工技術(shù)是指利用巖土鉆鑿手段在地表不挖槽的情況下，在各類地層中進(jìn)行各類用途、各類材質(zhì)管線的鋪設(shè)、修復(fù)和更換等工作。巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)2巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)3一、非開挖施工方法分類非開挖施工方法很多，按其用途可分為管線鋪設(shè)、管線更換和管線修復(fù)三大類。(一)管線鋪設(shè)（1）管徑大于φ900mm的人可進(jìn)入的管線鋪設(shè)方法:頂管施工法、隧道施工法。（2）管徑小于φ900mm的人不可進(jìn)入管線鋪設(shè)方法:主要有水平鉆進(jìn)法、水平導(dǎo)向鉆進(jìn)法、沖擊矛法、夯管法、水平螺旋鉆進(jìn)法、頂推鉆進(jìn)法、沖擊鉆進(jìn)法、小口徑頂管施工法(微型隧道法)等等。(二)管線更換管線更換有吃管法、爆管法、脹管法、抽管法等4種。

(三)管線修復(fù)管線修復(fù)有內(nèi)襯法和局部修復(fù)2種。內(nèi)襯法:傳統(tǒng)內(nèi)襯法、改進(jìn)內(nèi)襯法、軟襯法、纏繞法、鉸接管法、管片法。局部修復(fù):灌漿法、噴涂法、化學(xué)穩(wěn)定法、機(jī)器人進(jìn)管修補(bǔ)法等。巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)4二、非開挖技術(shù)與開挖施工技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)

（1）可以避免開挖施工對居民正常生活的干擾，以及對交通、環(huán)境、周邊建筑基礎(chǔ)的破壞和不良影響。（2）在開挖施工無法進(jìn)行或不允許開挖施工的場合可用非開挖技術(shù)。（3）現(xiàn)代非開挖技術(shù)可以高精度地控制地下管線的鋪設(shè)方向（4）有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。三、常用施工設(shè)備（1）管線安裝設(shè)備類;

（2）管線更換與修復(fù)設(shè)備類;

（3）管線替換設(shè)備;

（4）人員可進(jìn)入管道修復(fù)設(shè)備;

（5）工作井掘進(jìn)設(shè)備;

（6）監(jiān)控/定位/測量儀設(shè)備類;

（7）測漏設(shè)備;

（8）地理信息系統(tǒng);

（9）腐蝕測繪儀;

（10）清洗設(shè)備。第二節(jié)頂管法一、概述

頂管施工就是借助于主頂油缸及管道間中繼站等的推力，把工具管掘進(jìn)機(jī)從工作坑內(nèi)穿過土層一直推到接收坑內(nèi)吊起，與此同時，也就把緊隨工具管或掘進(jìn)機(jī)后的管道埋設(shè)在兩坑之間，這是一種非開挖的敷設(shè)地下管道的施工方法。

頂管分類（1）按所頂管子口徑之大小分可分為大口徑、中口徑）、小口徑和微型頂管。（2）以推進(jìn)管前工具管或掘進(jìn)機(jī)的作業(yè)形式分，可分為：①手掘式②擠壓式③機(jī)械頂管（3）以推進(jìn)管的管材分可分為鋼筋混凝土管頂管、鋼管頂管以及及它管材的頂管。（4）按頂進(jìn)管子軌跡的曲直分可分為直線頂管和曲線頂管。（5）按工作坑和接收坑之間的距離的長短可分為普通頂管和長距離頂管。巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)5巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)6二、頂管的基本理論

無論是何種形式的頂管，在施工過程中要保證地面無沉降和隆起。關(guān)鍵要保證頂進(jìn)面土壓力與掘進(jìn)機(jī)頭保持動平衡。它有兩方面的基本內(nèi)容：第一，頂管掘進(jìn)機(jī)在頂進(jìn)過程中與它所處土層的地下水壓力和土壓力處于一種平衡狀態(tài)；第二，它的排土量與掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)所占去的土的體積也處于一種平衡狀態(tài)。只有同時滿足以上兩個條件，才能算是真正的土壓平衡。目前，在頂管施工中最為流行的有三種平衡理論：氣壓平衡、泥水平衡和土壓平衡理論。巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)7三、頂管設(shè)備

（一）土壓平衡式頂管

1.單刀盤式

2.多刀盤式（二）泥水平衡頂管機(jī)圖8-1土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)示意圖1.切削刀盤；2.糾偏油缸；3.螺旋輸送器；4.控制臺；5.泥土倉巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)8四、頂管施工（一）頂管施工程序（二）施工前的準(zhǔn)備（三）水平鉆頂管施工法（四）逐步擴(kuò)孔頂管施工法（五）鋼筋混凝土管及鋼管

頂管施工法圖8-2頂管施工程序第三節(jié)氣動夯管錘施工技術(shù)一、概述

（一）氣動夯管錘工作過程氣動夯管錘是一種不需要阻力支座，利用動態(tài)的沖擊能將空心的鋼管推入地層的機(jī)械。它實(shí)質(zhì)上是一個低頻，大沖擊功的氣動沖擊器，由壓縮空氣驅(qū)動，將所鋪設(shè)的鋼管沿設(shè)計(jì)路線夯入地層，實(shí)現(xiàn)非開挖鋪設(shè)管線。施工時，夯管錘的沖擊力直接作用在鋼管的后端，通過鋼管傳遞到前端的切削管靴上切削土體，并克服土層與管體之間的摩擦力，使鋼管不斷進(jìn)入土層。隨著鋼管的前進(jìn)被切削的土芯進(jìn)入鋼管內(nèi)，在第一節(jié)鋼管夯入地層后，后一節(jié)鋼管與其焊接在一起，如此重復(fù)，直到夯入最后一節(jié)鋼管，待鋼管全部夯到目標(biāo)后，取下切削管靴，用壓縮空氣、高壓水、螺旋鉆、人工掏土等方式將管內(nèi)土排出，鋼管留在孔內(nèi)，完成鋪管作業(yè)，施工原理見圖8-3，巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)9巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)10圖8-3夯管錘鋪管施工原理圖

1.壓縮空氣管；2.增壓板；3.滑架；4.棘輪拉手；5.套插錐體；6.排土錐體；7.鋼管；8.切削護(hù)環(huán)；9.鋼管起始支架；10.夯管錘巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)11（二）氣動夯管錘鋪管的特點(diǎn)

(1)地層適用范圍廣

(2)鋪管精度較高

(3)對地表的影響較小

(4)夯管錘鋪管適合較短長度的管道鋪設(shè)

(5)夯管錘鋪管要求管道材料必須是鋼管

(6)投資和施工成本低

(7)工作坑要求低

(8)穿越河流時，無須在施工中清理管內(nèi)土體，無滲水現(xiàn)象巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)12

二、氣動夯管錘的結(jié)構(gòu)及工作原理

（一）氣動夯管錘的結(jié)構(gòu)氣動夯管錘實(shí)質(zhì)是一種以壓縮空氣作為動力的低頻大功率沖擊器，其結(jié)構(gòu)簡單。1配氣裝置

2活塞

3汽缸與外套圖8-4氣動夯管錘結(jié)構(gòu)圖1.機(jī)殼；2.活塞；3.活塞滑動環(huán)（一套）；4.活塞密封圈（一套）；5.控制器管；6.控制器活塞密封圈；7.彈性緩沖墊；

8.壓力支撐環(huán)；9.弧行組合環(huán)；10.保護(hù)蓋巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)13（二）氣動夯管錘的工作原理

氣動夯管錘按其配氣裝置的形式是屬于無閥式?jīng)_擊器的，它是利用布置在活塞和汽缸壁上的配氣系統(tǒng)控制活塞往復(fù)運(yùn)動，即活塞運(yùn)動時自動配氣。壓縮空氣由氣管進(jìn)入夯管錘后，進(jìn)入夯管錘的內(nèi)腔沿內(nèi)缸與外殼之間的環(huán)狀空隙，經(jīng)活塞的環(huán)腔進(jìn)入下氣室，推動活塞上行。當(dāng)活塞上行至控制器管并封閉活塞進(jìn)氣口后，壓縮空氣即停止向下氣室進(jìn)氣，這時活塞靠下氣室內(nèi)的壓縮空氣膨脹，繼續(xù)推動活塞上行。當(dāng)活塞上行到進(jìn)氣口越過控制器管上方時，壓縮空氣即停止向下氣室進(jìn)氣，活塞的中間環(huán)腔與進(jìn)氣控制器管連通，壓縮空氣進(jìn)入活塞的內(nèi)腔，此時，活塞也接近上死點(diǎn)，靠慣性再向上移動一段很小距離，此時，活塞內(nèi)腔聚集了很大的能量。當(dāng)活塞內(nèi)腔的壓縮空氣能量足夠大時，以很大的推力驅(qū)動活塞加速下行，將最大的沖擊能量施加于夯管錘外殼。由外殼傳遞到鋼管上。此時，壓縮空氣又進(jìn)入活塞下部，重復(fù)以上動作。巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)14三、施工設(shè)備及配套機(jī)具

1.主機(jī)2.動力系統(tǒng)

3.注油與管路系統(tǒng)4.連接固定系統(tǒng)

5.注漿系統(tǒng)6.清土系統(tǒng)

7．輔助工具四、氣動夯管錘鋪管工藝（一）地層可夯性1.夯管鋪管破土機(jī)理鋼管在夯管錘的沖擊力作用下進(jìn)入土體中，其受力情況如下圖所示。圖8-5中P為鋼管受到的沖擊力，F(xiàn)1為鋼管內(nèi)、外壁所受的摩擦阻力和黏聚力，F(xiàn)2為管端阻力，G為鋼管自重，N為土體對鋼管的側(cè)向反力總和。理論上，當(dāng)P>F1+F2時，鋼管就能進(jìn)入土體。因此，討論夯管錘鋪管的破土機(jī)理也就是討論影響F1，F(xiàn)2的因素。圖8-5鋼管受力分析巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)152.土的性質(zhì)對地層可夯性的影響

(1)土的種類。隨著土顆粒的增大，管鞋切削地層的阻力也就加大，地層可夯性就愈差；相反的，土顆粒愈細(xì)，地層可夯性愈好。

(2)土的含水量。土的含水量越大，即土越潮濕，在震動載荷作用下液化程度越好，故可夯性越好。

(3)土的密實(shí)度。土越密實(shí)，土顆粒就越接近，土粒間的吸引力（即土的內(nèi)聚力）就越大，因而切削阻力就越大；同時，土越密實(shí)，土可壓縮性就越差。兩方面原因都使夯管時的管端阻力增大，所以土的密實(shí)度越大，可夯性越差。巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)16（二）氣動夯管錘鋪管施工過程

1.現(xiàn)場勘察

2.施工設(shè)計(jì)3.測量放樣4.鋼管準(zhǔn)備及機(jī)型選擇5.工作坑的構(gòu)筑6.夯管錘和鋼管的安裝與

調(diào)整定位

7.夯管8.下管、焊接9.清土與恢復(fù)場地巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)17

鋼管前端的保護(hù)環(huán)和清孔方法圖8-6套在鋼管前的標(biāo)準(zhǔn)切削護(hù)環(huán)圖8-7壓縮空氣清土原理圖1.鋼管；2.密封塞；3.壓力擋土板；4.保險桿巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)18五、氣動夯管錘的鋪管精度問題

通過試驗(yàn)，總結(jié)出如下經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：

δ1—鋼管在重力作用下的垂直向下偏差，m；

δ2—綜合因素產(chǎn)生的偏差，m；

k1—地層軟硬系數(shù)，硬地層取1，軟地層取1.1—1.3

k2—綜合影響系數(shù)，取1—1.5L—夯管總長，mD—鋼管直徑，m

六、氣動夯管錘鋪管的注漿潤滑

在多數(shù)地層中，通過注漿潤滑可以大大減少地層與鋼管間的摩擦系數(shù)，減小鋼管進(jìn)入地層中的阻力，因而注漿潤滑是提高夯管成功率的一個極其重要的環(huán)節(jié)。第四節(jié)導(dǎo)向鉆進(jìn)法一、概述

大多數(shù)導(dǎo)向鉆進(jìn)采用沖洗液輔助破碎，鉆頭通常帶有一個斜面，因此當(dāng)鉆桿不停地回轉(zhuǎn)時則鉆出一個直孔，而當(dāng)鉆頭朝著某個方向給進(jìn)而不回轉(zhuǎn)時，鉆孔發(fā)生偏斜。導(dǎo)向鉆頭內(nèi)帶有一個探頭或發(fā)射器，探頭也可以固定在鉆頭后面。當(dāng)鉆孔向前推進(jìn)時，發(fā)射器發(fā)射出來的信號被地表接受器所接收和追蹤，因此可以監(jiān)視方向、深度和其它參數(shù)。二、鉆機(jī)錨固巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)19巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)20三、鉆頭的選擇依據(jù)根據(jù)相應(yīng)的地層情況選擇合適的鉆頭，如在淤泥質(zhì)黏土中施工，一般采用較大的鉆頭等。四、導(dǎo)向孔施工

導(dǎo)向孔施工步驟主要為:探頭裝入探頭盒內(nèi)；導(dǎo)向鉆頭連接到鉆桿上；轉(zhuǎn)動鉆桿，測試探頭發(fā)射是否正常；回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)2m左右；開始按設(shè)計(jì)軌跡施工；導(dǎo)向孔完成。五、擴(kuò)孔施工

擴(kuò)孔是將導(dǎo)向孔孔徑擴(kuò)大至所鋪設(shè)的管徑以上，以減小鋪管時的阻力。第五節(jié)振動法敷設(shè)管道技術(shù)一、水平振動沉管與土的相互作用機(jī)理

目前使用最廣泛的是彈塑性模型，在確定樁土分離的可能性、最小振幅、沉管壓力等等方面，這種模型具有很重要的實(shí)際意義。這個模型的特點(diǎn)是在沉管與無質(zhì)量的單元土體間假定為理想狀態(tài)下的彈簧，如果作用在單元土體上的力高于其移動阻力，則單元土體可以移動。沉管時土的動阻力變化為非線性函數(shù)，表現(xiàn)為黏彈塑性的特點(diǎn)。黏度這個分項(xiàng)阻力在沉管滑動時表現(xiàn)出來，它與振動速度之間是非線性關(guān)系。在試驗(yàn)中通過對摩擦力的測量證實(shí)了采用彈塑性模型是合理的。巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)21巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)22

振動擠土效應(yīng)實(shí)際是確定在一定管徑下的擠土半徑大小，建議采用以下的經(jīng)驗(yàn)公式來估算：式中：

dz—估算的擠土半徑

γm、γ0—分別表示土的天然狀態(tài)下的干容重

和與擠土器接觸處土的最大干容重

d0—表示擠土器的半徑

k—取決于土質(zhì)條件、擠土方法等巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)23二、非開挖鋪管施工中使用的振動設(shè)備和工具

(一)振動鋪管設(shè)備將振動打樁錘6設(shè)于被鋪設(shè)的管8的上部與管剛性連接，當(dāng)啟動振動錘時，錘內(nèi)兩組對稱的偏心塊12通過齒輪控制做相反方向但同步的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的慣性離心力的垂直分力相互抵消，水平分力大小相等、方向相同，相互疊加，從而產(chǎn)生忽前忽后周期性的激振力，使沉管沿管軸線方向產(chǎn)生振動，當(dāng)管的振動頻率與周圍土的自振頻率一致時，土體發(fā)生共振，土中的結(jié)合水釋放出來成為自由水，呈現(xiàn)液化狀態(tài)，土體對管表面的摩阻力、端阻力均大為降低；同時由錘頭11和砧子13相撞產(chǎn)生沖擊力，由于沖擊力使沉管有很高的振動速度，在管上產(chǎn)生很大的沖擊力將鋼管被擠入到土中預(yù)定深度。巖土工程施工-非開挖施工技術(shù)24圖8-8非開挖振動鋪管裝置示意圖1.擠密鉆頭；2.換向升降機(jī)；3.固定架；4.滑道；5.