非开挖施工技术总结

1、摘要本文首先介绍了非开挖技术的发展历史，然后详细介绍了定向钻进铺管技术、顶管铺管技术的施工原理和相关内容，简单介绍了盾构法、冲击矛法、夯管法、螺旋钻进法和微型隧道法的铺管施工技术。最后介绍了非开挖技术在地下管道的修复方面的施工技术。关键词：非开挖技术，定向钻进，顶管法，管道修复技术目录第一章 非开挖技术概述1§1.1非开挖技术简介1§1.2 非开挖技术的发展历程1§1.3非开挖技术的主要优势2§1.4非开挖技术的应用领域2§1.5非开挖技术的构成分类3第二章 主要的非开挖施工技术4§2.1定（导）向钻进铺管技术4地层勘察、地下建（构筑

2、物）及地下管线探测5钻进轨迹的规划与设计5钻机的选择和配制钻液5钻导向孔6回拉扩孔7铺管和管端处理7水平定向钻技术上的瓶颈7§2.2顶管铺管法8顶管施工的分类9顶管法的施工原理9顶管施工的主要工序10几种顶管机的平衡原理10顶管法施工对管型的要求10顶管施工中影响顶力的几个关键因素11顶管质量技术保证措施12顶管法与盾构法的不同12§2.3其他铺管施工方法13盾构铺管法13冲击矛铺管法13夯管锤铺管技术14螺旋钻进铺管15微型隧道15§2.4管道的修复技术17翻转内衬修复技术17牵引法修复技术182.4.3 缠绕法修复技术18内衬HDPE管法修复技术19喷涂法修复

3、技术19碎（裂）管法修复技术20第三章 非开挖技术的展望21参考文献22第一章 非开挖技术概述§1.1非开挖技术简介非开挖技术是指以最少的开挖量或不开挖的条件下铺设、更换或修复各种地下管线的一种施工新技术, 已被联合国环境保护署认定为环境友好的施工新技术。它可广泛用于穿越高速公路、铁路、建筑物、河流、湖泊, 以及在市区、古迹保护区、农作物或植被保护区等进行污水、自来水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等地下管线的施工。此外, 非开挖技术还可用于降水工程、隧道工程、基础工程以及环境治理工程等领域。尽管非开挖施工技术在国外已有百余年历史,但是大规模应用始于20世纪80年代, 先从几个发达国

4、家开始, 继而推向世界各国。在欧洲, 由于城市建设历史悠久, 城市地下管网腐蚀和破损严重, 因此非开挖管道更换和修复技术使用得最早、也最广。在日本, 为了满足污水管道施工的需要, 首先开发了小口径顶管施工(微型隧道)技术。在美国, 在油气管道和通讯电缆施工的驱动下, 水平定向(导向)钻进技术得以快速发展。据不完全统计, 目前在发达国家中, 非开挖设备制造商和材料供应商达400多家, 工程承包商达4000余家, 各种非开挖施工方法达百余种。近年来，随着我国经济建设的快速发展，现代非开挖技术在我国得到日益广泛的应用。目前，加速发展我国的非开挖技术产业的要求呼声日趋高涨，中国非开挖技术协会近来多次要

5、求国内从事技术部门来研究非开挖技术领域的科学理论，尽快地为我国在这一技术领域赶超国外先进水平提供科学依据，使我国非开挖工程技术处于接近或达到国际先进水平。事实上，现在我国经济处于高速发展阶段,用非开挖技术开挖各种工程的增长速度极快，但我国人均管道的占有量远低于西方发达国家，据1998 年的数据，我国自来水和下水道的人均占有量仅分别为0.18m/ 人和0.1m/ 人,而欧洲地区人均拥有的上、下水道则为12m/ 人。 分别是我国人均值的66.6 倍和120 倍。而城市各类管网的地下化和城市交通、通讯的立体化是未来城市建设的重要发展方向。§1.2 非开挖技术的发展历程非开挖技术自60年代初

6、开始在西方发达国家兴起，现已成为一项政府支持、社会提倡、企业参与的新技术。开挖技术是管道施工技术的一次革命。19001960年早期非开挖技术的应用。（1）尤其是二战后，美国、欧洲、日本等国的重建；（2）用于穿越铁路、公路、河流等短距离施工；（3）回转钻进（水平湿钻）、水平螺旋钻进（水平干钻）、人工顶管。19601985年现代非开挖技术的兴起和发展（1）生活水平的提高、交通的发展、传统施工方法成本的提高；（2）开发了各种非开挖铺设、更换和修复的方法和设备、奠定了现代非开挖技术的基础。1985现在现代非开挖技术的大规模应用（1）非开挖方法和设备的完善，交通、环保、法律意识的增加，成本降低、政府支持

7、；（2）形成新的产业：设备制造商（约100家）、材料供应商（约400家）、工程承包商（6000-8000多家）、咨询公司、科研院所。 我国非开挖技术的使用与发展，大体可分为两个阶段:19531985年是第一阶段，是传统非开挖技术阶段，1985后为第二阶段，为现代非开挖技术阶段。与国际非开挖协会成立一致。我国最早使用的非开挖方法是顶管法，1953年在北京首次使用，以后逐渐推广，并仍在使用。从80年代开始，水平钻机和螺旋钻机开始出现，这类设备方向不可控，钻机能力小，铺设管道直径一般在300mm以内，铺管长度在50m内。1985年开始现代非开挖技术进人中国，首先发展了顶管技术，引人了中继间顶管技术、

8、触变泥浆技术、自动测斜纠偏技术以及土压平衡和水压平衡技术，顶管直径可达3m，一次顶进长度达上千米，并且成功运用于水下施工。微型隧道方面，引进了日本ISEKI公司的Unclemole , TTC600等掘进机械。用水平钻机RB-5穿越黄河，1995年从美国Augers公司引进DD -60/R2钻机，成功穿越汉江、海河。1994年引进了美国Vermeer公司的D-10型导向钻机，完成了导向钻进铺管。气动冲击矛方面，我国吉林大学自行研制了KCM-130等可控冲击矛。很明显，我国在非开挖技术方面存在比较明显的差距，一方面是国内技术力量比较薄弱，另一方面就是市政管理部门的监管力度，1996年10月1日发

9、布实施的我国城市道路管理条例中明确规定:“新修道路5年不准挖，修复道路3年不准挖”，这也表明我们政府对市政工程施工技术要求的提高。可以预见，非开挖铺管技术必然在未来的市政工程中得到更加广泛利用，并大力发展。§1.3非开挖技术的主要优势现代非开挖地下管线施工技术，是近年来发展起来的一项高新技术，是钻探工程技术结合工程物探、计算机技术、岩土工程技术及新材料等技术的一项重要延伸。非开挖技术在国外已广泛使用，在国内也逐渐普及。与其它技术相比，非开挖技术起步较晚。但是在最近20多年中，非开挖技术无论在理论上，还是在施工工艺方面，都有了突飞猛进的发展。非开挖技术是极为重要的一种铺设管道的工程手段

10、，采用非开挖技术铺设管道具有若干得天独厚的优势。与传统的开挖施工相比，非开挖施工技术的主要优势有以下几点：（1）在管线施工时无需对路面和地表“开膛破肚”，解决了长期以来困扰城市地下管线建设工程的难题：阻断交通、破坏环境、影响商店、医院、学校和居民的正常生活和工作秩序。（2）不开挖地面就能穿越公路、铁路、河流，甚至能在建筑物底下穿过，是一种安全有效的施工技术。（3）非开挖技术不开挖地面，故而被铺设管道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。 （4）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。§1.4

11、非开挖技术的应用领域非开挖施工技术主要应用于以下几个方面：（1）地下管线施工：各类管线（自来水、污水、雨水、石油、 天然气等管道， 以及通讯、动力和信号等电缆线）的铺设、更换、 修复；（2）管棚支护：地下人行过道、地铁、地下车库等工程的结构性支护；（3）环境治理：在受污染的地下水和地层中设置水平环境治理井；（4）其它：基础工程（钢管桩、微桩、土钉）、边坡、路基、大坝等 工程（排渗孔、降水孔和注浆孔等）、以及降排水、地热 井施工、瓦斯的排放和煤层气开发等。§1.5非开挖技术的构成分类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：导向钻进铺管

12、法、定向钻进铺管法、气动矛铺管法、夯管锤铺管法、螺旋钻进铺管法、推挤顶进铺管法、微型隧道铺管法、盾构法和顶管法。（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。（3）探测地下管网：地下管线探测仪（非金属管道探测仪、金属管道探测仪、塑料管道探测仪、电力电信缆线探测仪和井盖探测仪等）、供水管网监测仪（流量水压记录仪、漏区诊断仪、漏点定位仪等）、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。第二章 主要的非开挖施工技术大口径的管道铺设的施工方法主要有盾构法和大直径顶管法；小口径的管道铺设的施工方法主要有：微型隧道法、水平螺旋钻进法、定（导）

13、向钻进法、气动矛法、夯管法和顶杆法。§2.1定（导）向钻进铺管技术水平定向钻施工是一种采用定向钻机和控向仪器，在预先确定的方向上通过导向钻进、扩孔、拉管等工艺过程实施管线敷设的非开挖施工方法。该方法是我国非开挖铺设地下管线施工方法中发展最快、技术最先进、设备最完善、应用最广泛的一种，在非开挖技术领域里占据着主导地位。由于其施工速度快、对周围环境影响小、可穿越地下障碍物和地面建造物等特点得到了广泛的应用。定向钻进是采用水射流或挤压的方式成孔。钻孔钻进由两种作用来控制，一是楔形钻头的偏压导向作用，另一个是高压水射流的偏心冲蚀作用。在地表接收钻头内探头发出的信号来实现钻孔轨迹的控制。定向钻

14、进的施工原理大致和导向钻进相同，应该说定向钻进技术和导向钻进技术之间没有严格的界限。因小型定向钻进采用的钻孔轨迹测量、控制技术与大中型的不一样，因此国际上用的分类方法是将铺设小直径、较短管线的小型定向钻进称为导向钻进，而将大中型钻进称为定向钻进。非开挖定向钻进铺管技术主要适用于松散地层,可用来铺设直径 600 mm的各类管线,铺管长度可达400500 m。一般采用干式和湿式2种方法成孔。干式成孔采用挤压钻头、冲击锤和探头室组成；湿式成孔钻具由向压喷射钻头及探头室组成。定向钻进的基本原理：按预先设定的地下铺管轨迹钻一个小口径先导孔，随后在先导孔出口端的钻杆头部安装扩孔器回拉扩孔，当扩孔至尺寸要求

15、后，在扩孔器的后端连接旋转接头、拉管头和管线，回拉铺设地下管线。技术特点：1）适用范围较广。该施工技术适用于粘土、粉土、砂土等各种土质；2）适用管材包括管径在DN40DN2000 的塑料管、PVC管、PE 管、HDPE 管、钢管、电缆、光缆等各种不同材质的工程管线；3）作业操作面小。只需挖有一定深度的作业坑就可以，钻孔过程在预先挖好的发射坑和接受坑之间进行；4）施工设备的穿越精度高，可满足管道工程的控制要求；5）在施工过程中降低了对地貌和环境的破坏。它的优势是可以灵活处理施工中遇到的地层复杂情况。在导向或扩孔过程中如遇到大块石，或其他障碍物，不能形成一条合格的孔道时，可以再换一个位置另打一条，

16、不会造成管材的损失。它的局限就是对施工场地有一定要求，所铺设管道的两端都必须有足够长的空地，如果有一端靠近建筑物，没有开挖下管坑的场地，就不能单独运用定向钻进完成铺管。水平定向钻进铺管的施工顺序为：地质勘探、规划和设计钻孔轨迹、配制钻液、钻先导孔、回拉扩孔、回拉铺管、管端处理。地层勘察、地下建（构筑物）及地下管线探测地层勘察主要了解有关地层和地下水的情况，为选择钻进方法和配制钻液提供依据。其内容包括：土层的标准分类、孔隙度、含水性、透水性以及地下水位、基岩深度和含卵砾石情况等。可采用查资料、开挖和钻探、物探等方法获取。地下管线探测主要了解有关地下已有管线和其它埋设物的位置，为管线设计和设计钻进

17、轨迹提供依据。一般采用综合物探法，按其定位原理分为：电磁法、直流电法、磁法、地震波法和红外辐射法等，并结合钻探、静力触探、土工实验等技术。钻进轨迹的规划与设计钻孔轨迹是指钻孔在三维空间中的存在状态，实际工作中常用钻孔的深度、顶角(或倾角)和方位角来表示钻孔轨迹上某点的空间位置。钻孔顶角：用表示，单位为度，是钻孔轨迹上某点的切线与铅垂线之间的夹角。90-称为倾角。钻孔方位角：用表示，单位为度，是钻孔轨迹上某点的切线在水平面上的投影线与正北(N)方向线之间的夹角(顺时针方向为正) 。钻孔深度：是指测点距地表的铅垂距离，单位为m。在定向钻进中还有一个很重要的参数，那就是工具面向角。工具面向角用表示，

18、单位为度，是指在与钻具垂直的平面内，造斜钻具的造斜方向与钻孔的终点方向(在钻孔弯曲平面内)间的夹角。覆盖深度：完成岩土勘察，确定了穿越的轨迹，就可确定穿越的覆盖深度。影响因素有:定向孔施工对地面道路、建筑物或河流的影响，以及对该位置已有管线的影响。推荐穿越的最小覆盖深度大于钻孔最终回扩直径的6倍以上；在穿越河床时，应在河床断面最低处5 m以下。8°20°的入出土角适用于大多数的穿越工程。对地面始钻式，入土角和出土角应分别在6°20°(取决于欲铺设管的直径) ；对坑内始钻式，入土角和出土角一般应采用0°或近似水平。进行大曲率造斜钻进前最好先钻一段

19、直线段。造斜段曲率半径是由待铺管线的弯曲特性来确定的，管径越大曲率半径越大。入土点或出土点与欲穿越的第一个障碍物之间的距离(例如道路、沟渠等)应至少大于3根钻杆的长度。与水体的最小距离应至少为56 m，以保证不发生泥浆喷涌。从钻进技术角度考虑，第一段和最后一段钻杆柱应是直线的，即没有垂直弯曲和水平弯曲，这两直线段的长度应大于10 m。导向孔轨迹设计是否合理对管线施工能否成功至关重要。钻孔轨迹的设计主要是根据工程要求、地层条件、地形特征、地下障碍物的具体位置、钻杆的入出土角度、钻杆允许的曲率半径、钻头的变向能力、导向监控能力和被铺设管线的性能等，给出最佳钻孔路线。钻机的选择和配制钻液水平定向钻机

20、无论大小，操作与用途都是相似的。一般，钻机都采用机械或液压驱动钻杆，通过钻杆对孔底钻头施加回转扭矩、给进或回拖力。对水平定向钻进穿越铺管的钻机来说，回转扭矩和回拖力是其主要参数，它们是根据工程大小及要求选择钻机的重要依据。钻液具有冷却钻头（冷却和保护其内部传感器）、润滑钻具，更重要的是可以悬浮和携带钻屑，使混合后的钻屑成为流动的泥浆顺利地排出孔外，既为回拖管线提供足够的环形空间，又可减少回拖管线的重量和阻力。残留在孔中的泥浆可以起到护壁的作用。在不同的地质条件下，需要不同成份的钻液。钻液由水、膨润土和聚合物组成。水是钻液的主要成份，膨润土和聚合物通常称为钻液添加剂。钻液的品质越好与钻屑混合越适

21、当。当遇到不同地层时，及时调整钻液的性能以适应钻孔要求。钻导向孔 钻直孔时给进加回转，造斜时只给进不回转。利用造斜或稳斜原理，在地面导航仪引导下，按预先设计的铺管线路，由钻机驱动带锲型钻头的钻杆，从A点到B点（见图2-1）钻一个与设计轨迹尽量吻合的导向孔（平面误差100毫米）。钻导向孔的关键技术是钻机、钻具的选择和钻进过程的监测和控制。要根据不同的地质条件以及工程的具体情况，选择合适的钻机、钻具和钻进方法来完成导向孔的钻进。监测与控制：在钻进导向孔时能否按设计轨迹钻进，钻头的准确定位及变向控制非常重要。钻进过程中对钻头的监测方法主要通过随钻测量技术获取孔底钻头的有关信息。孔底信号传送的方法主要

22、有：电缆法和电磁波法。电磁波法的测量范围较小，一般在300m以内水平发射距离，测量深度在15m左右。图2-1 定向钻铺管进示意图电磁波法测量的原理为：在导向钻头中安装发射器，通过地面接收器，测得钻头的深度、鸭嘴板的面向角、钻孔顶角、钻头温度和电池状况等参数，将测得参数与钻孔轨迹进行对比，以便及时纠正。地面接收器具有显示与发射功能，将接收到的孔底信息无线传送至钻机的接收器并显示，以便操作手能控制钻机按正确的轨迹钻进。目前，电磁波法在中小型钻机上应用较多，缺点是必须随钻跟综监控。电缆法在长距离穿越中，特别是地形复杂的工程中应用较多。优点是抗干扰能力强，不要随钻跟踪；但其操作复杂，选用的信号线必须强

23、度高（不易拉断）、耐磨、绝缘性能好。钻进导向孔时，每2 3 m应进行一次测量计算，作出实际钻孔轨迹曲线图，发现与设计轨迹有偏差，及时进行纠偏钻进。纠偏钻进是通过使用斜面钻头或定向高压水射流来实现的。纠偏钻进时，钻杆柱不转动，当钻具面向角调整到位后，钻机传到钻头的只有向前的推力，钻头斜面接触的土体被挤密，因而土体会给钻头斜面一个反作用力Q，如图2-2所示，反作用力的分力Q2 使钻头偏斜。高压水射流纠偏钻进是由2种作用来控制的，一是斜面钻头的偏压导向作用，另一个是高压水射流的定向冲蚀作用。纠偏钻进时，钻杆柱不转动，高压水射流仅向一个方向射出而冲蚀土体，同时钻头斜面上受到的反作用力使钻头方向改变，从

24、而实现定向钻进。图2-2 斜面钻头受力示意图回拉扩孔回扩过程中必须根据不同地层情况以及现场出浆状况确定回扩速度和泥浆压力，确保成孔质量。导向孔钻成孔后，卸下钻头，换上适当尺寸和符合地质状况的特殊类型的回扩钻头，使之能够在拉回钻杆的同时，又可将钻孔扩大到所需尺寸。一般采用逐级扩孔；预埋管径以内采用排土法扩孔，以外采用挤压法成孔，以保证铺管后地面不致于沉降，不留隐患。在回扩过程中和钻进过程一样，自始至终泥浆搅拌系统要向钻头和回扩钻头提供足够的泥浆。扩孔器类型有桶式、飞旋式、刮刀式等：穿越淤泥粘土等松软地层时，选择桶式扩孔器较适宜，扩孔器通过旋转，将淤泥挤压到孔壁四周，起到很好的固孔作用；当地层较硬

25、时，选择飞旋或刮刀式扩孔器成孔较好。一般要求选择的最大扩孔器尺寸按下表考虑。或按铺设管径的1.21.5倍，这样能够保持泥浆流动畅通，保证管线能安全、顺利的拖入孔中。同径铺设时，导向孔完成之后，可直接回拖铺管。终孔孔径一般应为管线外径的1.21.5 倍。不同地层应采用不同的扩孔器。分级扩孔原则：一级200mm、二级250mm、三级300mm、四级400mm、五级500mm 等。根据设计的成孔直径，由小到大分级扩孔，直至扩到工艺要求的孔径。铺管和管端处理扩孔完毕，在拖管坑一端的钻杆上，再装扩孔器与管前端通万向接、特制拖头等连接牢固，启动导向钻机回拉钻杆进行拖管，将预埋管线拖入孔内，完成铺管工作。在

26、拖管的同时加入专用防润土进行泥浆护壁。在条件许可的情况下，可将全部管线一次性连接。 当拖管结束后，采用挖掘机将扩孔器及管前端挖出，拆除扩孔器及万向接，处理造斜段，施工检查井，恢复路面，清场。水平定向钻技术上的瓶颈技术上存在的最大瓶颈在于原有地下管线的准确定位和施工后敷设管道实际管位的测量。地下管线原有基础资料不详或缺失；城市建设发展迅速，路面情况变化较大；现有的物探技术又存在不足，摸清原有地下管线的管位比较困难。尤其是对原有的非开挖施工形成的地下管线。非开挖管线深度通常超过4 m，尤其是穿越大型道路、河流时，深度达到近10 m 甚至超过20 m。由于道路拓宽改造等原因，很多道路进行了加高，管道

27、埋深也相应加深。常用的地下管线探测仪器很难将该类管道准确定位。另外，城市地下管线种类繁多，特征各不相同，单一的探测方法很难把施工区域内的地下管线完全探测清楚，而一旦有遗漏或是探测不准就给以后的施工留下隐患。这些令人担忧的状况对城市地下管线的规划管理、建设施工及地下空间的合理利用产生重大影响，近年来许多重大地下管线受损事故发生的主要原因均是非开挖管道竣工资料不准及物探成果误差大。定向钻进竣工后的管位数据原先主要依据导向仪提供的数据，由于导向仪很容易受到干扰，在特殊区域如河面很宽、周围干扰大、场地全是堆积物或障碍物无法行走等情况下，要想获得准确的导向数据是很困难的，甚至是不可能的。同时，导向仪测定

28、的数据是相对深度，而非绝对标高，受到地形地势的影响。此外，导向仪测定的数据为导向过程中钻头的深度，经过回扩、回拖工序后管道的埋深由于回扩器下沉等原因已与导向过程中的深度不同。我们需要的是管道竣工后的最终深度，这是导向仪无法提供的。§2.2顶管铺管法 顶管施工技术最早始于1896年美国的北太平洋铁路铺设工程的施工中。1948年日本第一次采用顶管施工方法，在尼崎市的铁路下顶进了一根内径600mm的铸铁管，顶距只在6米。 欧洲发达国家最早开发应用顶管法，1950年前后，英、德、日等国家相继采用。 我国较早的顶管施工约在上世纪50年代，初期主要是手掘式顶管，设备也较简陋。我国顶管技术真正较大

29、的发展是从上世纪80年代中期开始。1988年上海研制成功我国第一台土压平衡掘进机。通过近些年的大量实际施工应用和理论研究，我国的顶管施工技术持续处于高速发展状态，在某些方面已经于世界领先技术并驾齐驱。2001 年，上海隧道股份有限公司在江苏常州完成了2050m、直径2m 的钢筋混凝土顶管施工，是当时最长的顶管工程。2002 年9 月，全长3600m、埋深为23-25m、直径为1.8m 的钢制管，成功穿越黄河，无论从管路的顶进长度、下管深度、和复杂的地理环境，还是钢管直径大小在国内尚属首次。其中最长的一段长达1259m，要穿越黄河而且土质还是较厚的砂砾层，既是我国非开挖技术创新突破的关键工程，也

30、是目前世界上复杂地质条件下大直径钢管一次性顶进距离最长的顶管工程。2008 年，中铁十局十公司在长江引水工程中采用国产直径2200mm 钢管，双管齐下同步顶进2500m。这些例子表明我国的顶管施工技术已经达到了一个全新的里程碑，与世界先进水平不相伯仲。 顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。顶管施工借助于主顶油缸及管道间中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推到接收井内吊起。与此同时，也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两井之间，以期实现非开挖敷设地下管道的施工方法。

31、特别对于下穿黄浦江的电力电缆工程。顶管法是一种非常有效的施工方法。顶管施工中，顶进管一般选用钢筋混凝土管和钢管，其中钢管要求没有腐蚀的情况下可以敷设。在选择顶进管材料后，要对其长度和直径进行设计和计算，一次性使用越长的管，其相对的经济成本就越低，可调控性也越高；而直径方面，由于有工人在上面施工作业，所以内径不小于500mm，然后根据顶进管所受荷载和工程性质来确定管壁厚度，进而计算出外径。顶管施工的分类（1）按所顶进的管子口径大小分：大口径、中口径、小口径和微型顶管四种。大口径多指2m以上的顶管，人可以在其中直立行走。中口径顶管的管径多为1.21.8m，人在其中需弯腰行走，大多数顶管为中口径顶管

32、。小口径顶管直径为5001000mm，人只能在其中爬行，有时甚至爬行都比较困难。微型顶管的直径通常在400mm以下，最小的只有75mm。（2）按一次顶进的长度（指顶进工作坑和接收工作坑之间的距离）分：普通距离顶管和长距离顶管。顶进距离长短的划分目前尚无明确规定，过去多指100m左右的顶管。目前，千米以上的顶管已屡见不鲜，可把500m以上的顶管称为长距离顶管。（3）按顶管机的类型分：手掘式人工顶管、挤压顶管、水射流顶管和机械顶管（泥水式、泥浆式、土压式、岩石式 ）。手掘式顶管的推进管前只是一个钢制的带刃口的管子（称为工具管），人在工具管内挖土。掘进机顶管的破土方式与盾构类似，也有机械式和半机械式

33、之分。（4）按管材分：钢筋混凝土顶管、钢管顶管、以及其他管材的顶管。（5）按顶进管子轨迹的曲直分：直线顶管和曲线顶管。顶管法的施工原理 顶管施工法是先在工作井内设置支座和安装主千斤顶，所需铺设的管道紧跟在工具管后，在主千斤顶推力的作用下工具管向土层内掘进，掘出的泥土由土泵或螺旋输送机排出或以泥浆的形式通过泥浆泵经管道排出，推进一节管道后，主千斤顶缩回，吊装上另一节管道，继续顶进。如此往复，直至管道铺设完毕。管道铺设完后，工具管从接收井吊至地面。顶管法施工原理如图2-3所示：图2-3 顶管法施工原理图顶管施工的主要工序1）顶进方法的选择：管道顶进方法的选择，应根据当地的地质勘探资料、管径、地下水

34、位、附近地上与地下建筑物、构筑物和各种设施等因素，经技术经济比较后确定，并应符合下列规定：a.在粘性土或砂性土层，且无地下水影响时，宜采用手掘式或机械挖掘式顶管法。b.在软土层且无障碍物的条件下，管顶以上土层较厚时，宜采用挤压式或网格式顶管法。c.在粘性土层中必须控制地面隆陷时，宜采用土压平衡顶管法。d.在粉砂土层中且需要控制地面隆陷时，宜采用加泥式土压平衡或泥水平衡顶管法。e.在顶进长度较短、管径小的金属管时，宜采用一次顶进的挤密土层顶管法。2）工作坑及其布置：工作坑是顶管施工操作的场所。要在坑内布置千斤顶、导轨等设施。排水管道顶进的工作坑，通常设在检查井位置。土质不稳定的工作坑壁应支设支撑

35、。为了防止工作坑地基沉降，固定导轨、使顶管位置方向准确，应在坑底修筑基础或加固地基，常采用碎石、砼或钢筋砼基础，对土质密实地基，可采用方木基础。3）管道顶进：施工时，首先选择工作坑位置，开挖工作坑。然后按照设计管线的位置和坡度，在工作坑底修筑基础，基础上设置导轨，管子安放在导轨上顶进。顶时前，在管前端开挖一个深约30- 50 厘米、断面形状与所顶管道相似的坑道，然后用千斤顶将管道顶入，经多次开挖及顶进的循环。4）顶管接口：顶管为钢管时的接口宜采用电弧焊接。管段在顶进前与已顶入的管段，在管内焊接起来，这种接口施工简单。而混凝土管的接口就较复杂。以下为钢筋混凝土管接口方法：钢筋混凝土企口插口管接口

36、处采用橡胶垫、橡胶圈及麻丝油毡等嵌缝材料。管口内侧应留有1020mm的空隙；顶紧后两管间的孔隙宜为1015mm。5）管道压浆：管道顶进完成及检查井施工完成后应对所有管线进行压浆施工，通过每节管道预留的压浆孔进行压浆，以防止管道顶进施工管顶超挖后地面出现沉降现象。几种顶管机的平衡原理泥水平衡式顶管机是在加入添加剂、膨润土、粘土以及发泡剂等使切削土塑性液化的同时，将切削刀盘切削下来的土砂用搅拌机搅拌成泥水状，使其充满开挖面与管道隔墙之间的全部开挖面，使开挖面稳定。土压平衡顶管机的基本工作原理是先由工作井中的主顶进油缸推动顶管机前进，同时刀盘旋转切削土体，切削下的土体进入密封土仓与螺旋输送机并被挤压

37、，形成一定的土压；再通过螺旋输送机的旋转，输送出切削的土体。控制螺旋输送机的出土量或顶管机前进速度，来控制密封土仓内的土压力值，使此土压力与切削面前方的静止土压力和地下水压力保持平衡，从而保证开挖面的稳定，防止地面的沉降或隆起。多功能顶管机集机械、液压、激光、电控(含PLC)、测量技术为一体，是既可在含有较大砾石、卵石等的软土中施工，又可在岩石或复杂地质条件中进行自动化非开挖地下管道施工的先进设备。顶管法施工对管型的要求管材质量是顶进施工中的个控制因素，顶管施工对接口尺寸精度要求很高，密封性能直接影响使用功能。施工中要根据不同的顶距，台理安排各娄管节。顶管法用的混凝土管骨架是螺旋形焊接的双层钢

38、筋笼，离心式旋转制成。混凝土管采用立式钢模湿铸，以便使管子表面光洁度高、制造精度高。从而使顶进力由管子端面大面积承受，减小因顶进阻力过大造成的管子损坏，制造管子时，以高密度聚乙烯作为管子内衬，以破璃纤维强化塑料作为管子外衬。强化用的潦层厚度可达50mm。以增加管子的耐久性。在小口径项管施工中，因出土较难，多为一次顶进结束后再进行管内排土。因混泥土管接口处耐压及密封较差，不利于排土，所以小口径顶管多以钢管顶进为主。在大口径管道的顶管施工中，目前主要采用2种材质的管型：混凝土管和钢管。而无论采用哪种管型，因其管内空是较大，出土工作已经不成问题，关键在于如何提高顶进速度和长度，如何提高顶进准确度的问

39、题上。混凝土管因外壁粗糙，管壁较厚，摩阻力及端阻力都较大，需要的顶进力也大，从而不利于进行长距离的顶管施工。同时，因其自重大，管与管的连接多为柔性连接口，如顶进距离较长，容易使管子在轴线方向上产生较大的弯曲变形，从而使摩阻力成倍的增长。这样，既损耗大量的顶力，又因直线性不好而影响到施工质量。钢管刚不同，因其外壁阻力及端阻力较小，自重较轻，可大大降低施工所需总顶力，从而为减少中继间的数量、提高顶进长度及速度提供了保障。因钢管直线性较好，管节长短调整方便，能够满足多方面的质量要求。鉴于以上原因，目前大口径长距离的顶管施工大多数采用钢管作为首选的钢材。而中短距离的顶管施工则偏向于用混凝土管。因市场上

40、中短距离的大口径混凝土的顶管施工的项目较多，随着施工的积累，顶管施工技术相对比较成熟些。而长距离大口径的钢管项管施工项目不是很多，因此，在大口径、长距离的钢管项管施工中，有必要对其施工工艺进行进一步的研究和完善。顶管施工中影响顶力的几个关键因素顶管施工中影响顶力的因素多且复杂，既有一定的规律性，也有其特殊性，主要有以下几方面：1）土层性状：主要包括土的重度、粘聚力、内摩擦角、含砂量和地下水位。作用于管外壁的土压力与土的重度、粘聚力和内摩擦角等有关，土的含砂量大小影响管与土之间的摩擦系数，地下水位变化影响土的有效重度。因此，当上进因素改变时，作用于管外壁的摩阻力将随之改变从而影响顶力的大小。2）

41、顶管尺寸、埋深和管材摩阻力的大小与管径、管长及埋深成正比关系，同时顶管外壁粗糙度越大，则管与土间的摩擦系数就越大，从而使顶力增大。3）注裳效果：在管外壁与土之间注入润滑泥浆，能有效地避免管与土层的直接接触，对减小顶进阻力非常有效。实际注浆效果直接影响摩阻力的减小程度，据实测注浆后顶力一般可减小至注浆前的25%30%。4）施工因素：顶进过程中若停歇时间过长，则重新启动时顶力会增大，四周松土会坍落在管壁上抱实，同时水分也会从减阻浆液中离析出来，使减阻作用失效，造成顶进阻力增大。在顶进过程中管线不可避免地会偏离设计轨迹，战需进行纠偏。主要根据管外壁上不对称的土压力使管线改变方向，由此将增大顶进阻力，

42、一般在进出洞口处纠偏次数较多，阻力将明显增大。除直顶管外，目前曲线顶管也得到大量的使用。在顶管施工设计中，顶力的计算结果直接影响工作井的设计、管节强度的确定、中继环的布置以及顶进设备的选择等，如果顶力不在正常范围之内可能击因顶力过大造成后座墙顶裂、管材顶爆或因顶力过小完全顶不动等后果，因此对顶管工程的成败具有重要的影响。长距离管道的主要困难是，设置在顶进坑内的主千斤顶的推顶力有限，不足以克服管道长距离顶进时遇到的总阻力。希望增加顶管单程顶进的长度时，需要采取相关的措施，如增加主千斤顶的顶力、减少管道周边与地层的摩擦力、中途设置辅助千斤顶（中继环）、减小顶管承受的正面阻力等。目前在发展长距离顶管

43、技术的过程中，减摩和设置中继环两项措施已得到较多研究，并已成为成熟的技术。为了适应长距离顶进管道的需要，研制了中继环（又称中继间、中间站）。即在管道顶进的中途设置辅助千斤顶，靠辅助千斤顶提供的动力继续顶进管段，延长顶管的顶进长度，满足铺设长距离管道的需要。采用中继环时，管道沿全长分成若干段，在段与段之间设置中继环。中继环是一个由钢材制成的圆环，内壁上设置有一定数量的短行程千斤顶，产生的推顶力可用于推进中继环前方的管道。顶管质量技术保证措施1) 测量控制：a.首先将设计中心线做好现场转移工作。当工作坑挖好以后将中心线移到工作坑内，控制好轨道方向及管中心线，注意高程变化，在施工中，随时检查偏差情况

44、，工作坑一定要准确无误。b.工作坑内的高程控制点不得少于两个，施工测量必须做到先闭合后使用的原则。2) 顶进与接口：a.后背牢固可靠，后背计算要进行复核。b.稳轨要细心，用经纬仪找方向，用水平仪控制高程，要多次复核，各道工序（如道轨铺设、高程测设等） 必须用文字交底。c.管前挖土时，根据土质情况，应随挖随顶，最多不得超过管端30cm必须向前顶进一次。管下135度严禁超挖，管上部超挖不得大于1.5cm。3) 顶进过程测量：在顶第一节管时，以及在校正偏差的过程中，测量间隔不超过30cm，保证管道入土的位置正确，管子顶进入土层以后的正常顶进，测量间隔不宜超过100cm。a.中心测量。顶进长度在50c

45、m 范围内，可采用垂球拉线的方法，要求两垂球的间距尽量拉大，用水平尺测量头一节管前端的中心偏差，一次顶进50cm，采用经纬仪测量。b.高程测量。用水准仪及特制高程尺，根据工作坑内设置的水准高程点标高（设两个），测头一节管前端与后端管内底高程，掌握头一节管的走向趋势，测量后应与工作坑内另一水准点闭合。顶管法与盾构法的不同1）盾构法的衬砌为管片，且每环管片要在盾构机的盾尾进行拼装，拼装好后一般不会再移动；顶管法的衬砌为管节，且每环管节是一次预制成功的，由顶进装置依次顶进，直至第一节管节到达接收井位置。2）盾构法施工的盾构千斤顶布置在盾构机的支撑环外沿，而顶管法施工的主顶进装置布置在工作井内，如果顶

46、力不足要加设中继间。3）盾构千斤顶活塞的前端必须安装顶块，顶块必须采用球面接头，在顶块与管片的接触面上安装橡胶或柔性材料的垫板。顶管法的主顶千斤顶的行程长短不能一次将管节顶到位时，必须在千斤顶缩回后在中间加垫块或几块顶铁。4）盾构机内有拼装管片的拼装机，而顶管机内没有。5）盾构法主要用于大断面城市地下隧道、水工隧道、公路隧道的施工；顶管法主要适用于断面稍小一些的城市地下管线的铺设。§2.3其他铺管施工方法 盾构铺管法盾构法是隧道暗挖施工法的一种，它是利用盾构机前端是与盾构机体同等直径的刀盘，在与土壤接触时进行旋转，并加入适量的液体，使切削下来的土与液体在刀盘旋转的搅拌作用下，成为泥状

47、流塑体，通过螺旋输送机送到地面。机头前进后，在机后留出的空间里，把提前预制好的混凝土管片拼装成环状。盾构法施工具有施工速度快、洞体质量比较稳定、对周围建筑物影响较小等特点，适合在软土地基段施工。盾构法施工的基本条件：（1）线位上允许建造用于盾构进出洞和出碴进料的工作井；（2）隧道要有足够的埋深，覆土深度宜不小于6m；（3）相对均质的地质条件；（4）从经济角度讲，连续的施工长度不小于300m。随着国际上盾构技术的日趋完善以及国内对盾构技术的需求加大, 盾构的发展逐渐趋向于微型化和超大型化、形式多样化、高度自动化和高适应性。在这一背景下, 大量的盾构法施工新技术应运而生这些新技术主要反映在以下几个

48、方面：（1）施工断面从常规的单圆形向双圆形、三圆形、方形、矩形及复合断面发展。（2）施工的新技术, 包括进出洞技术、地中对接技术、长距离施工、急曲线施工、扩径盾构施工法、球体盾构施工法等。（3）盾构刀盘参数优化等。（4）隧道衬砌新技术, 包括压注混凝土衬砌、管片自动化组装、管片接头等技术、管片接缝防渗技术。（5）盾构隧道运营期的加固处理。冲击矛铺管法冲击矛是以其形状而得名，它采用挤密成孔，与潜孔锤相似。冲击矛通常由压缩空气驱动，近年来也开始使用液动（压）驱动式冲击矛。冲击矛的钻进方法有钻杆式和无钻杆式两种。无钻杆式钻进又称为自行式钻进，它由压气驱动活塞冲锤往复运动冲击钻头打入地层，靠冲击器外壳

49、与土层的摩擦力作用向前钻进划后退，将土体排向周边并挤密，形成一管道通道，也可以根据实际需要逐级扩孔，将电缆直接拉入。气动冲击器的直径一般在45250mm之间，可施工的钻孔长度与冲击器的型号、冲击力、管线的直径、类型以及地层条件有关，一般孔长在3050m之间，最长可达80m。用冲击矛铺管，一般先在欲铺管线地段的两端挖发射坑和接收坑，坑的大小根据矛体大小、铺管深度、管的类型以及操作方法而定，由于不用钻机和钻杆导向，因经开孔时，将冲击矛放入发射坑，置于导向加压机构发射架上，用瞄准器调整好矛体的方向和深度，启动冲击矛，冲击矛沿着预定方向进人土层。当矛体进人土层1/2后，再用瞄准器校正矛体方向，如有偏差

50、应及时调整，如图2-4所示。校正过程可以重复数次，直至矛体完全进人土层。随着冲击矛前进，可将直径比矛体小的管线用钢丝绳拉人孔内。冲击矛到达接收坑后，卸下矛体，管线留在孔内，铺管完毕。图2-4 冲击矛工作示意图冲击矛适用于均质非富水地层，如粘土、亚粘土等，也可用于含卵砾石层。在含水地层，冲击振动使矛体与地层接触周围发生“液化”，摩擦力降低，冲击矛无法前进，或进尺缓慢，矛头下沉，解决的办法是加钻杆，加压给进推人。其铺管直径小于250mm的PVC、PE、HDPE等，一次性长度为020m。为了防止挤密地表隆起，要距地表深度大于冲击矛体直径的10倍。图2-5 冲击矛结构示意图气动矛法的优点是操作简单，不

51、要求较高的专业技术，投资少，成本低；缺点是地层条件变化或遇到障碍时易偏离设计方向不可控制方向，施工精度受到限制不适用于硬土层或含大的卵砾石层，以及含水地层。夯管锤铺管技术夯管锤是指用由压缩空气驱动的夯管锤将要铺设的钢管沿设计的路线直接夯人地层，实现非开挖穿越铺管。夯管锤实际上是一个低频、大冲击功的冲击器。在夯管的过程中，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人土层。随着钢管前行，被切割的土体芯进人钢管内，待钢管抵达目标后，取下切削头，将管中的土心排出，钢管留在孔内，即完成铺管。

52、如图2-6所示。图2-6 夯管锤铺管示意图夯管锤铺管只能用于铺设钢管，钢管间的连接由现场焊接来完成，一般是夯人一段，焊接一段。根据铺管现场具体条件，来确定段长度，如果条件许可，应尽可能用长的管段，以便减少焊接造成的铺设偏差。由于钢管要承受较大的冲击力，因此用做夯管的钢管一般为无缝钢管，且壁厚也有一定要求，如果夯管距离超过40m，壁厚应增加250%。夯管铺管管径范围为2002000mm，不同地层和夯管锤，一次性铺管长度达1080m。夯管法的优点是设备简单，施工成本低；缺点是不可控制施工方向，不适用于含大卵砾石的地层。螺旋钻进铺管用该方法铺管施工时，螺旋钻机水平安放在预先挖好的工作坑内，依靠螺旋钻

53、杆向钻头传递钻压、扭矩并排除土屑，螺旋钻杆外为钢管套，用来铺设管道，由钻机的顶管油缸向前顶进，钢管间采用焊接方法进行连接。水平螺旋钻进示意图如图2-7所示。2-7 水平螺旋钻进示意图微型隧道微型隧道铺管技术诞生于日本。1975年，日本的Komatsu公司推出了世界上第一台微型隧道铺管设备。1980年，德国政府出资研究开发用于排污管施工的微型隧道铺管技术。1984年，美国引进日本设备施工了第一个微型隧道铺管项目。如今，日本和德国在该项目上处于世界领先地位，日本拥有顶管和微型隧道设备超过2000台，铺管长度约1300km，而在德国，柏林市新铺的排污管道有40%采用这种方法。据初步统计，欧洲采用顶管

54、和微型隧道技术铺设的排污管道长达几百公里。微型隧道技术(Microtunnelling)为小直径的顶管施工方法，指的是非进人式、远程控制的地下管道铺设方法。微型隧道所适用的管道内直径小于900mm，这一管道直径通常被认为无法保障人在里面安全地工作。因此，在顶进过程中，不可能或者禁止派工作人员进入工作面工作。微型隧道施工精度要求都比较高，通常采用地表遥控的方法来施工事先确定了方位和水平高度的管道，施工中工作面的掘进、泥沙的排运和掘进机的导向等全部采用远程控制。这类施工方法又被称为“遥控小直径顶管技术(Remote Small-Bore Jacking)”。微型隧道的施工过程如图2-8所示。图2-

55、8 微型隧道施工过程微型隧道技术对于施工埋深大于4m的重力排水管道、繁忙的路段或者附近有其它地下管线设施等条件下，具有一定优越性。另外，在环境较敏感的地区，或者采用开挖法将会造成一定社会成本(如对社会及公众带来干扰，影响局部的商业活动等)，微型隧道技术都具有很强的竞争力。微型隧道主要应用领域在于铺设重力排水管道，其他形式的管道也可以采用此法，但应用比例还不大；在某些施工条件下，微型隧道可能是在交叉路口铺设排水管道的有效方法。微型隧道技术现在可以成功地用于绝大部分地层，包括坚硬地层、极不稳定的淤泥层和地下水位较高的砂层等。其切削刀盘和其它设备在结构上不但能够满足在高地下水位无粘性土层中施工的要求

56、，也能够处理混合类地层（如含有鹅卵石的砂层等）。但是微型隧道直径较小，同时采用的又是远程控制作业方法，所以对地层的敏感性较大；当地层条件变化较快或遇到障碍物时 (如含有大块孤石和漂石的粘土层)，微型隧道施工则不能进行。和传统的开挖施工法比较，微型隧道施工法又有它的优势。对于在地下水位较高或具有沉降危险的不稳定地层进行开槽施工，必须对地层进行良好的支撑、稳定和降水处理，其施工成本是比较高的。§2.4管道的修复技术传统的开挖修复施工简单、直接施工成本低，但由于给排水管道的修复是在城市内进行，采用开挖修复法会对车辆及行人交通造成影响，在施工过程中工人存在较大的安全风险，并会对附近商业活动和

57、附近居民生活、道路寿命、附近设施等造成影响，甚至造成严重的环境污染，种种负面影响使得开挖修复法在极不利于给排水管道的修复，受到来自社会、环境、经济等各方面的限制。非开挖修复技术是在地表不开槽的情况下探测、检查、铺设、更换或修复各种地下管道的技术。非开挖修复技术对环境、交通等影响极小，同时施工周期短、综合成本低、社会效益高，因此被广泛应用于城市给排水管道修复、油田输送管道、天然气输送管道之中，被各界广泛关注和深入研究。目前，全世界有超过五十种非开挖修复技术被实际应用于管道修复工程中，给排水管道的非开挖修复技术，按使用年限分类有临时非开挖修复和长效非开挖修复；按修复时机分有抢险型非开挖修复和预防型

58、非开挖修复；按修复目的分有结构性非开挖修复、防腐蚀性非开挖修复和防渗漏非开挖修复；按修复位置分有局部非开挖修复和整体非开挖修复。在我国，目前通常采用按修复位置分类的方法， 将非开挖修复技术分为局部非开挖修复和整体非开挖修复两种。整体非开挖修复技术是一种基于井间整段管的非开挖修复技术，采用整体非开挖修复的方法，可以有效的起到防腐、防渗，增加管道结构强度的目的。整体看来，整体非开挖修复技术是当前非开挖修复技术的主流。整体非开挖修复技术修复后，管道内的内衬管和旧管之间的结构，可分为自立管、复合管、双层管三种构造，从而可分为自立管、复合管、双层管三种不同的整体非开挖修复技术。自立管不用考虑旧管道的强度，而只考虑内衬管自身的承受能力，此内衬管需要能够承受外部压力，要求能够具有同新管相当的耐久度和负载能力。在自立管非开挖修复设计时，通常按埋管时管道所随的荷载来计算并设计内衬管。复合管整体非开挖修