第8章 非开挖施工

1、第八章 非开挖施工 技术 岩土工程施工-非开挖施工技术1 第一节第一节 概概 述述 非非开挖技术简述为非开挖管线工程施工技开挖技术简述为非开挖管线工程施工技 术，起源于术，起源于西方西方发达国家，称为发达国家，称为“No-Dig” No-Dig” ， 译为非开挖技术。非开挖译为非开挖技术。非开挖施工技术施工技术是指利用岩是指利用岩 土钻凿手段在地表不挖槽的情况下，在各土钻凿手段在地表不挖槽的情况下，在各类地类地 层层中进行各类用途、各类材质管线的铺设、修中进行各类用途、各类材质管线的铺设、修 复和更换复和更换等工作等工作。 岩土工程施工-非开挖施工技术2 岩土工程施工-非开挖施工技术3 一、非

2、开挖施工方法分类一、非开挖施工方法分类 非开挖施工方法很多，按其用途可分为管线铺设、管线更换和管非开挖施工方法很多，按其用途可分为管线铺设、管线更换和管 线线修复三大修复三大类。类。 ( (一一) ) 管线铺设管线铺设 （1 1）管径大于）管径大于900mm900mm的人可进入的管线铺设方法的人可进入的管线铺设方法: :顶管施工法、顶管施工法、 隧道施工法。隧道施工法。 （2 2）管径小于）管径小于900mm900mm的人不可进入管线铺设方法的人不可进入管线铺设方法: :主要有水平钻主要有水平钻 进法、水平导向钻进法、冲击矛法、夯管法、水平螺旋钻进法、顶推钻进法、水平导向钻进法、冲击矛法、夯管

3、法、水平螺旋钻进法、顶推钻 进法、冲击钻进法、小口径顶管施工法进法、冲击钻进法、小口径顶管施工法( (微型隧道法微型隧道法 ) )等等。等等。 ( (二二 ) )管线更换管线更换 管线更换有吃管法、爆管法、胀管法、抽管法管线更换有吃管法、爆管法、胀管法、抽管法 等等4 4种种。 ( (三三 ) )管线修复管线修复 管线修复有内衬法和局部修复管线修复有内衬法和局部修复2 2种。种。 内衬法内衬法: :传统内衬法、改进内衬法、软衬法、缠绕法、铰接管法、传统内衬法、改进内衬法、软衬法、缠绕法、铰接管法、 管片法。管片法。 局部修复局部修复: :灌浆法、喷涂法、化学稳定法、机器人进管修补法灌浆法、喷涂

4、法、化学稳定法、机器人进管修补法等。等。 岩土工程施工-非开挖施工技术4 二、非开挖技术与开挖施工技术相比的优点二、非开挖技术与开挖施工技术相比的优点 （1 1）可以避免开挖施工对居民正常生活的干扰，以及对交通、环境）可以避免开挖施工对居民正常生活的干扰，以及对交通、环境、 周边周边建筑基础的破坏和不良影响。建筑基础的破坏和不良影响。 （2 2）在开挖施工无法进行或不允许开挖施工的场合可用非开挖）在开挖施工无法进行或不允许开挖施工的场合可用非开挖技术。技术。 （3 3）现代非开挖技术可以高精度地控制地下管线的铺设方向）现代非开挖技术可以高精度地控制地下管线的铺设方向 （4 4）有较好的经济效益

5、和社会效益。）有较好的经济效益和社会效益。 三三、常用施工设备、常用施工设备 （1 1）管线安装设备类）管线安装设备类 ; ; （2 2）管线更换与修复设备类）管线更换与修复设备类; ; （3 3）管线替换设备）管线替换设备; ; （4 4）人员可进入管道修复设备）人员可进入管道修复设备; ; （5 5）工作井掘进设备）工作井掘进设备; ; （6 6）监控）监控 / /定位定位 / /测量仪设备类测量仪设备类; ; （7 7）测漏设备）测漏设备; ; （8 8）地理信息系统）地理信息系统; ; （9 9）腐蚀测绘仪）腐蚀测绘仪; ; （1010）清洗设备。）清洗设备。 第二节第二节 顶管法顶管

6、法 一、概述一、概述 顶管顶管施工就是借助于主顶油缸及管道间中继站等的推力，把工具施工就是借助于主顶油缸及管道间中继站等的推力，把工具管管 掘进机从工作坑内穿过土层一直推到接收坑内吊起，与此同时，掘进机从工作坑内穿过土层一直推到接收坑内吊起，与此同时，也就把也就把 紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两坑之间，这是一种非开挖的紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两坑之间，这是一种非开挖的敷设敷设 地下管道的施工方法。地下管道的施工方法。 顶管顶管分类分类 （1 1）按所顶管子口径之大小分可分为大口径）按所顶管子口径之大小分可分为大口径 、中口径、中口径 ）、小口径和）、小口径和 微型顶管微型顶管 。

7、（2 2）以推进管前工具管或掘进机的作业形式分，可分为：）以推进管前工具管或掘进机的作业形式分，可分为： 手掘手掘 式式 挤压式挤压式 机械顶管机械顶管 （3 3）以推进管的管材分可分为钢筋混凝土管顶管、钢管顶管以及及）以推进管的管材分可分为钢筋混凝土管顶管、钢管顶管以及及 它管材的顶管。它管材的顶管。 （4 4）按顶进管子轨迹的曲直分可分为直线顶管和曲线顶管）按顶进管子轨迹的曲直分可分为直线顶管和曲线顶管 。 （5 5）按工作坑和接收坑之间的距离的长短）按工作坑和接收坑之间的距离的长短 可分为普通顶管和长距可分为普通顶管和长距 离顶管。离顶管。 岩土工程施工-非开挖施工技术5 岩土工程施工-

8、非开挖施工技术6 二、顶管的基本理论二、顶管的基本理论 无论是何种形式的顶管，在施工过程中要保证地面无无论是何种形式的顶管，在施工过程中要保证地面无沉降沉降 和隆起。关键要保证顶进面土压力与掘进机头保持动平衡。和隆起。关键要保证顶进面土压力与掘进机头保持动平衡。它它有有 两方面的基本内容：第一，顶管掘进机在顶进过程中与它两方面的基本内容：第一，顶管掘进机在顶进过程中与它所所处土处土 层的地下水压力和土压力处于一种平衡状态；第二，它的排土量层的地下水压力和土压力处于一种平衡状态；第二，它的排土量 与掘进机推进所占去的土的体积也处于一种平衡状态。只有同时与掘进机推进所占去的土的体积也处于一种平衡状

9、态。只有同时 满足以上两个条件，才能算是真正的土压平衡。满足以上两个条件，才能算是真正的土压平衡。 目前目前，在顶管施工中最为流行的有三种平衡理论：，在顶管施工中最为流行的有三种平衡理论：气压平气压平 衡、泥水平衡和土压平衡理论。衡、泥水平衡和土压平衡理论。 岩土工程施工-非开挖施工技术7 三、顶管设备三、顶管设备 （一）土压平衡式顶管（一）土压平衡式顶管 1.1.单刀盘式单刀盘式 2.2.多刀盘式多刀盘式 （二）泥水平衡顶管机（二）泥水平衡顶管机 图8-1 土压平衡顶管掘进机示意图 1.切削刀盘；2.纠偏油缸；3.螺旋输送器； 4.控制台；5.泥土仓 岩土工程施工-非开挖施工技术8 四、顶管

10、施工四、顶管施工 （一）顶管施工程序（一）顶管施工程序 （二）施工前的准备（二）施工前的准备 （三）水平钻顶管施工法（三）水平钻顶管施工法 （四）逐步扩孔顶管施工法（四）逐步扩孔顶管施工法 （五）钢筋混凝土管及钢管（五）钢筋混凝土管及钢管 顶管顶管施工法施工法 图8-2 顶管施工程序 第三节第三节 气动夯管锤施工技术气动夯管锤施工技术 一、概述一、概述 （一）气动夯管锤工作过程一）气动夯管锤工作过程 气动夯管锤是一种不需要阻力支座，利用动态的冲击能将空心气动夯管锤是一种不需要阻力支座，利用动态的冲击能将空心的的 钢管钢管推入地层的机械。它实质上是一个低频，大冲击功的气动冲击器，推入地层的机械。

11、它实质上是一个低频，大冲击功的气动冲击器， 由压缩空气驱动，将所铺设的钢管沿设计路线夯入地层，实现非开挖由压缩空气驱动，将所铺设的钢管沿设计路线夯入地层，实现非开挖 铺设管线。施工时，夯管锤的冲击力直接作用在钢管的后端，通过钢铺设管线。施工时，夯管锤的冲击力直接作用在钢管的后端，通过钢 管传递到前端的切削管靴上切削土体，并克服土层与管体之间的摩擦管传递到前端的切削管靴上切削土体，并克服土层与管体之间的摩擦 力，使钢管不断进入土层。随着钢管的前进被切削的土芯进入力，使钢管不断进入土层。随着钢管的前进被切削的土芯进入钢管内，钢管内， 在第一节钢管夯入地层后，后一节钢管与其焊接在一起，如此在第一节钢

12、管夯入地层后，后一节钢管与其焊接在一起，如此重复，重复， 直到直到夯入最后一节钢管，待钢管全部夯到目标后，取下切削夯入最后一节钢管，待钢管全部夯到目标后，取下切削管靴管靴，用用 压缩空气压缩空气、高压水、螺旋钻、人工掏土等方式将管内土排出、高压水、螺旋钻、人工掏土等方式将管内土排出，钢管留，钢管留 在在孔内孔内，完成，完成铺管作业，施工原理见铺管作业，施工原理见图图8-38-3， 岩土工程施工-非开挖施工技术9 岩土工程施工-非开挖施工技术10 图8-3 夯管锤铺管施工原理图 1.压缩空气管；2.增压板；3.滑架；4.棘轮拉手；5.套插锥体； 6.排土锥体；7.钢管；8.切削护环；9.钢管起始

13、支架；10.夯管锤 岩土工程施工-非开挖施工技术11 （二）气动夯管锤铺管的特点（二）气动夯管锤铺管的特点 (1)(1)地层适用范围广地层适用范围广 (2)(2)铺管精度较高铺管精度较高 (3)(3)对地表的影响较小对地表的影响较小 (4)(4)夯管锤铺管适合较短长度的管道铺设夯管锤铺管适合较短长度的管道铺设 (5)(5)夯管锤铺管要求管道材料必须是钢管夯管锤铺管要求管道材料必须是钢管 (6)(6)投资和施工成本低投资和施工成本低 (7)(7)工作坑要求低工作坑要求低 (8)(8)穿越河流时，无须在施工中清理管内土体，无渗水现象穿越河流时，无须在施工中清理管内土体，无渗水现象 岩土工程施工-非

14、开挖施工技术12 二、气动夯管锤的结构及工作原理二、气动夯管锤的结构及工作原理 （一）气动夯管锤的结构（一）气动夯管锤的结构 气动夯管锤实质是一种以压缩空气作为动力的低频大功率冲击器，气动夯管锤实质是一种以压缩空气作为动力的低频大功率冲击器， 其结构简单。其结构简单。 1 1 配气装置配气装置 2 2 活塞活塞 3 3 汽缸与外套汽缸与外套 图8-4 气动夯管锤结构图 1.机壳；2.活塞；3.活塞滑动环（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.弹性缓冲垫； 8.压力支撑环；9.弧行组合环；10.保护盖 岩土工程施工-非开挖施工技术13 （二）气动夯管锤的工作

15、原理（二）气动夯管锤的工作原理 气动气动夯管锤按其配气装置的形式是属于无阀式冲击器的，它是利夯管锤按其配气装置的形式是属于无阀式冲击器的，它是利 用用布置布置在活塞和汽缸壁上的配气系统控制活塞往复运动，即活塞运动在活塞和汽缸壁上的配气系统控制活塞往复运动，即活塞运动 时时自动配自动配气。压缩空气由气管进入夯管锤后，进入夯管锤的内腔沿内气。压缩空气由气管进入夯管锤后，进入夯管锤的内腔沿内 缸与缸与外壳之间外壳之间的环状空隙，经活塞的环腔进入下气室，推动活塞上行。的环状空隙，经活塞的环腔进入下气室，推动活塞上行。 当活塞上行至控制器管并封闭活塞进气口后，压缩空气即停止向当活塞上行至控制器管并封闭活

16、塞进气口后，压缩空气即停止向 下下气室气室进气，这时活塞靠下气室内的压缩空气膨胀，继续推动活塞上进气，这时活塞靠下气室内的压缩空气膨胀，继续推动活塞上 行行。当。当活塞上行到进气口越过控制器管上方时，压缩空气即停止向下活塞上行到进气口越过控制器管上方时，压缩空气即停止向下 气室气室进气进气，活塞的中间环腔与进气控制器管连通，压缩空气进入活塞，活塞的中间环腔与进气控制器管连通，压缩空气进入活塞 的内腔的内腔，此时，此时，活塞也接近上死点，靠惯性再向上移动一段很小距离，活塞也接近上死点，靠惯性再向上移动一段很小距离， 此时，此时，活塞活塞内腔聚集了很大的能量。内腔聚集了很大的能量。 当活塞内腔的压

17、缩空气能量足够大时，以很大的推力驱动活塞加当活塞内腔的压缩空气能量足够大时，以很大的推力驱动活塞加 速速下行下行，将最大的冲击能量施加于夯管锤外壳。由外壳传递到钢管上。，将最大的冲击能量施加于夯管锤外壳。由外壳传递到钢管上。 此时此时，压缩空气又进入活塞下部，重复以上动作。，压缩空气又进入活塞下部，重复以上动作。 岩土工程施工-非开挖施工技术14 三、施工设备及配套机具三、施工设备及配套机具 1.1.主机主机 2 2. .动力系统动力系统 3.3.注油与管路系统注油与管路系统 4 4. .连接固定系统连接固定系统 5.5.注浆系统注浆系统 6 6. .清土系统清土系统 7 7辅助工具辅助工具

18、四、气动夯管锤铺管工艺四、气动夯管锤铺管工艺 （一）地层可夯性（一）地层可夯性 1.1.夯管铺管破土机理夯管铺管破土机理 钢管在夯管锤的冲击力作用下进入钢管在夯管锤的冲击力作用下进入 土体中土体中，其，其受力情况如下图所示。受力情况如下图所示。图图8-58-5 中中P P为钢管受到为钢管受到的冲击力的冲击力，F1F1为钢管内、为钢管内、 外壁所受的外壁所受的摩擦阻力和摩擦阻力和黏聚力，黏聚力，F2F2为管为管 端阻力，端阻力，G G为钢管自重，为钢管自重，N N为土为土体对钢管体对钢管 的侧向反力总和。理论上，的侧向反力总和。理论上，当当PF1+F2PF1+F2时，时， 钢管就能进入土体。因此

19、，钢管就能进入土体。因此，讨论夯讨论夯管锤管锤 铺管的破土机理也就是讨论影响铺管的破土机理也就是讨论影响F1F1，F2F2 的因素。的因素。 图8-5 钢管受力分析 岩土工程施工-非开挖施工技术15 2.2.土的性质对地层可夯性的影响土的性质对地层可夯性的影响 (1)(1)土的种类。随着土颗粒的增大，管鞋切削地层的阻力也就土的种类。随着土颗粒的增大，管鞋切削地层的阻力也就 加大，加大，地层地层可夯性就愈差；相反的，土颗粒愈细，地层可夯性愈好。可夯性就愈差；相反的，土颗粒愈细，地层可夯性愈好。 (2)(2)土的含水量。土的含水量越大，即土越潮湿，在震动载荷土的含水量。土的含水量越大，即土越潮湿，

20、在震动载荷 作用下作用下液化液化程度越好，故可夯性越好程度越好，故可夯性越好。 (3)(3)土的密实度。土越密实，土颗粒就越接近，土粒间的吸引土的密实度。土越密实，土颗粒就越接近，土粒间的吸引 力（即力（即土的土的内聚力）就越大，因而切削阻力就越大；同时，土越密内聚力）就越大，因而切削阻力就越大；同时，土越密 实，土实，土可压缩性可压缩性就越差。两方面原因都使夯管时的管端阻力增大，就越差。两方面原因都使夯管时的管端阻力增大， 所以土的密实度所以土的密实度越大越大，可夯性越差。，可夯性越差。 岩土工程施工-非开挖施工技术16 （二）气动夯管锤铺管施工过程（二）气动夯管锤铺管施工过程 1 1. .

21、现场勘察现场勘察 2.2.施工设计施工设计 3 3. .测量放样测量放样 4. 4.钢管准备及机型选择钢管准备及机型选择 5 5. .工作坑的构筑工作坑的构筑 6 6. .夯管锤和钢管夯管锤和钢管的安装与的安装与 调整定位调整定位 7 7. .夯管夯管 8 8. .下管、焊接下管、焊接 9 9. .清土与恢复场地清土与恢复场地 岩土工程施工-非开挖施工技术17 钢管前端的保护环和清孔方法钢管前端的保护环和清孔方法 图8-6 套在钢管前的标准切削护环 图8-7 压缩空气清土原理图 1.钢管；2.密封塞；3.压力挡土板；4.保险杆 岩土工程施工-非开挖施工技术18 五、气动夯管锤的铺管精度问题五、

22、气动夯管锤的铺管精度问题 通过通过试验，总结出如下经验公式：试验，总结出如下经验公式： 式中：式中： 1 1钢管在重力作用下的垂直向下偏差钢管在重力作用下的垂直向下偏差 ，m m； 2 2综合因素产生的偏差综合因素产生的偏差 ，m m； k k1 1地层软硬系数地层软硬系数 ，硬地层取，硬地层取1 1，软地层取，软地层取1.11.31.11.3 k k2 2综合影响系数综合影响系数 ，取，取11.511.5 L L夯管总长夯管总长 ，m m D D钢管直径钢管直径 ，m m 六、气动夯管锤铺管的注浆润滑六、气动夯管锤铺管的注浆润滑 在多数地层中，通过注浆润滑可以大大减少地层与钢管间的在多数地层

23、中，通过注浆润滑可以大大减少地层与钢管间的摩擦摩擦 系数系数，减小钢管进入地层中的阻力，因而注浆润滑是提高夯管成功率，减小钢管进入地层中的阻力，因而注浆润滑是提高夯管成功率 的的一个一个极其重要的环节。极其重要的环节。 第四节第四节 导向钻进法导向钻进法 一一、概述、概述 大多数大多数导向钻进采用冲洗液辅助破碎，钻头通常带有一个斜面，导向钻进采用冲洗液辅助破碎，钻头通常带有一个斜面， 因此当钻杆不停地回转时则钻出一个直孔，而当钻头朝着某个因此当钻杆不停地回转时则钻出一个直孔，而当钻头朝着某个方向方向 给给进而不回转时，钻孔发生偏斜。导向钻头内带有一个探头或进而不回转时，钻孔发生偏斜。导向钻头内

24、带有一个探头或发射发射 器器，探头也可以固定在钻头后面。当钻孔向前推进时，发射器发射，探头也可以固定在钻头后面。当钻孔向前推进时，发射器发射 出来的信号被地表接受器所接收和追踪，因此可以监视方向、深度出来的信号被地表接受器所接收和追踪，因此可以监视方向、深度 和其它参数。和其它参数。 二二、钻机锚固、钻机锚固 岩土工程施工-非开挖施工技术19 岩土工程施工-非开挖施工技术20 三、钻头的选择依据三、钻头的选择依据 根据相应的地层情况选择合适的钻头，如在淤泥质黏土中施工，根据相应的地层情况选择合适的钻头，如在淤泥质黏土中施工， 一般采用较大的钻头等。一般采用较大的钻头等。 四、导向孔施工四、导向

25、孔施工 导向孔施工步骤主要为导向孔施工步骤主要为: :探头装入探头盒内；导向钻头连接到钻杆探头装入探头盒内；导向钻头连接到钻杆 上；转动钻杆，测试探头发射是否正常；回转钻进上；转动钻杆，测试探头发射是否正常；回转钻进2m2m左右；开始按设左右；开始按设 计轨迹施工；导向孔完成。计轨迹施工；导向孔完成。 五、扩孔施工五、扩孔施工 扩孔扩孔是将导向孔孔径扩大至所铺设的管径以上，以减小铺管时的是将导向孔孔径扩大至所铺设的管径以上，以减小铺管时的 阻力。阻力。 第五节第五节 振动法敷设管道技术振动法敷设管道技术 一一 、水平振动沉管与土的相互作用机理、水平振动沉管与土的相互作用机理 目前目前使用最广泛

26、的是弹塑性模型，在确定桩土分离的可能性、最使用最广泛的是弹塑性模型，在确定桩土分离的可能性、最 小振幅、沉管压力等等方面，这种模型具有很重要的实际意义。这个小振幅、沉管压力等等方面，这种模型具有很重要的实际意义。这个 模型的特点是在沉管与无质量的单元土体间假定为理想状态下的弹簧，模型的特点是在沉管与无质量的单元土体间假定为理想状态下的弹簧， 如果作用在单元土体上的力高于其移动阻力，则单元土体可以移动。如果作用在单元土体上的力高于其移动阻力，则单元土体可以移动。 沉管时土的动阻力变化为非线性函数，表现为黏弹塑性的特点。黏度沉管时土的动阻力变化为非线性函数，表现为黏弹塑性的特点。黏度 这个分项阻力

27、在沉管滑动时表现出来，它与振动速度之间是非线性关这个分项阻力在沉管滑动时表现出来，它与振动速度之间是非线性关 系。在试验中通过对摩擦力的测量证实了采用弹塑性模型是合理的。系。在试验中通过对摩擦力的测量证实了采用弹塑性模型是合理的。 岩土工程施工-非开挖施工技术21 岩土工程施工-非开挖施工技术22 振动振动挤土效应实际是确定在一定管径下的挤土半径大小，挤土效应实际是确定在一定管径下的挤土半径大小， 建议采用以下的经验公式来估算：建议采用以下的经验公式来估算： 式中：式中： d dz z估算的挤土半径估算的挤土半径 m m、0 0分别表示土的天然状态下的干容重分别表示土的天然状态下的干容重 和和

28、与挤土器接触处土的最大干容重与挤土器接触处土的最大干容重 d d0 0表示挤土器的半径表示挤土器的半径 kk取决于土质条件、挤土方法等取决于土质条件、挤土方法等 岩土工程施工-非开挖施工技术23 二二 、非开挖铺管施工中使用的振动设备和工具、非开挖铺管施工中使用的振动设备和工具 ( (一一) ) 振动铺管设备振动铺管设备 将振动打桩锤将振动打桩锤6 6设于被铺设的管设于被铺设的管8 8的上部与管刚性连接，当启动的上部与管刚性连接，当启动 振动锤振动锤时，锤内两组对称的偏心块时，锤内两组对称的偏心块1212通过齿轮控制做相反方向但同通过齿轮控制做相反方向但同 步的步的回转回转运动，转动时产生的惯性离心力的垂直分力相互抵消，水运动，转动时产生的惯性离心力的垂直分力相互抵消，水 平分力平分力大小相等大小相等、方向相同，相互叠加，从而产生忽前忽后周期性、方向相同，相互叠加，从而产生忽前忽后周期性 的激振力的激振力，使，使沉管沿管轴线方向产生振动，当管的振动频率与周围沉管沿管轴线方向产生振动，当管的振动频率与周围 土的自振土的自振频率一致频率一致时，土体发生共振，土中的结合水释放出来成为时，土体发生共振，土中的结合水释放出来成为 自由水，呈现自由水，呈现液化液化状态，土体对管表面的摩阻力、端阻力均大为降状态，土体对管表面的