非开挖技术及其应用 - 文章

非开挖技术及其应用

作者：中山港华燃气有限公司何倩恩

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现代非开挖铺管技术是指利用岩土导向、定向钻进等手段，在地表不挖槽的情况下，铺设、更换或修复各种地下管线的施工新技术。该技术社会经济效益显著，尤其可在一些无法实施开挖作业的地区铺设管线，如穿越公路、铁路、建筑物、河流、古迹保护区、闹市区、农作物及植被保护区等。该技术现已广泛用于燃气、电信和电力等工程部门。

现代的非开挖地下管线施工法自20世纪70年代陆续开始大量出现，包括：水平导向钻进、水平定向钻进、方向可控的水平螺旋钻、冲击矛、夯管锤、微型逐道、旧管更换与修复、顶管掘进机等。

现代方法与传统方法相比有以下特点：

(1)引入了管线轨迹的测量和控制；
(2)大大提高了铺管能力(长度2000m，直径3m)；
(3)快速高效；
(4)增强了在复杂地层条件下施工的能力；
(5)使管道的原位修复成为可能。

1 非开挖技术分类(按施工工艺)

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。

1．1 导向钻进铺管技术

(1)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。

(2)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。

1．2 遁地穿梭矛铺管

(1)施工方法

①拉管法； ②顶管法。

(2)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。

(3)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； ③钢管或铸铁管最大口径可达1．5m最大长度可达100m。

1．3 顶管掘进机铺管技术

(1)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。

(2)适用范围

隧道、涵洞和大口径管道。

1．4 顶管铺管技术

(1)设备

①导向探测仪；②导向钻机；③液压顶管机。

(2)施工方法

①导向钻孔定向；②液压顶进、人工挖掘。

(3)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。

(4)适用范围

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。

2 工程实例

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。

(1)工程概况

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。

(2)编制依据

①《输油输气管道线路工程施工及验收规范》SY0401—98；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／T4079—2003；④《长输管道线路工程施工及验收规范》SYJ4001—98；⑤《原油和天然气输送管道穿越工程设计规范穿越工程》SY／170015．1—98；⑥《输气管道工程设计规范》GB50251—94；

(3)现场条件

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。

(4)机械性能和相关参数

FDP—30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N·m。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。

(5)施工方法

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FDP—30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，FDP—30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。

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图1 歧江河东明大桥西侧穿越工程穿越曲线
注：(1)本图所注单位为m；(2)曲率半径488m。最大深度10m；(3)入土点在河南侧，入土角α=10°(4)出土点在河北侧，出土角β=6°(5)水平穿越长度280m。

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，并为明年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。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/6/2010)


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