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非开挖技术综述
王保成 范翱翔 沈佳虹
1
非开挖技术 • 1 非开挖技术概述 • 2 非开挖技术应用领域 • 3 非开挖施工技术 • 4 非开挖施工设备发展
2
非开挖技术的定义
• 非• 开挖技术是在不开 挖或少开挖的条件下, 利用地质工程等技术 手段(主要是钻掘技术 和物探技术)对地下各 类管线进行设计、铺 设、修复、更换、探 测和评估的一门新兴 的高新技术
6
非开挖技术的优点
• 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。
7
非开挖技术的优点
• 具有较好的经济效益。 在相同情况下,非开挖 施工的综合成本(直接 成本+间接成本)均低 于开挖法施工,而且管 径和埋深越大时越明 显。部分非开挖施工 方法的直接成本甚至 低于开挖法施工(图1)。
• 适用条件 • ①管径150-1000 mm(实际上可以更大) • ②管线长度可达300 m或更长,一般为50 ~
150 m • ③管材可以是混凝土管、陶土管、玻璃钢管、
铸铁管、钢管等 • ④各种地层,包括含水地层,含卵砾石地层
(最大卵砾石块度不大于切削头直径的1/3)
16
冲击矛法
• 冲击矛因其形状似矛并以压缩空气驱动,故通常 称为气动矛。它由钢质外套和重型活塞组成。 在压气作用下,矛体内的活塞往复运动,不断冲击 矛头,矛头挤压土层成孔并带动矛体前进。欲铺 设的管线接在气动矛后,一次铺入。由于矛体与 土层摩擦力的作用以及活塞往复运动的冲击力 远大于回程时的反作用力,故气动矛可在土层中 自行移动。通过反转送气管,还可实现气动矛向 后运动。气动矛铺管法的特点是简便、易行、 效率高、成本低。
连接第二节管继续顶进。
13
小口径顶管法
根据施工方式和出渣系统的不同可分为三种:
• ①先导式小口径顶管法:先顶进先导管形成先导孔,随 后扩大先导孔,同时顶进保护套管或永久管道。
• ②螺旋式小口径顶管法:切削钻头钻进成孔,并由螺旋 钻杆排出钻屑,同时顶进保护套管或永久管道。
• ③泥浆式小口径顶管法:切削钻头钻进成孔,利用循环 浆液排出钻屑,同时顶进保护套管或永久管道。钻进时, 用水压、浆压或机械压力来平衡工作面的压力,维持工 作面的稳定。
20
• 施工图
夯管法
21
夯管法
该方法是靠一个低频、大冲击功的气动锤 (夯管锤)将欲铺设的钢管直接夯入地层。夯管锤 的工作原理与气动矛的相似,有的气动矛也可兼 做夯管锤。这两种方法的区别在于:气动矛在土 层中前进并拉入管线;而夯管锤是在土层之外 将钢管夯入土层。夯管锤夯击的是开口钢管,管 柱前端接有管靴,铺管时有土芯进入钢管。土芯 可通过压气或水以及螺旋钻掏土方法排除。
17
施工过程
冲击矛法
18
气动矛法
• 优点
– 操作简单,不要求较高的专业技术 – 投资少,施工成本低 – 对地表干扰少
• 缺点
– 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
19
气动矛法
• 适用Hale Waihona Puke Baidu件
– 管径30 - 250 mm – 管线长度20 - 80 m – 管材为PVC、PE、钢管、电缆等 – 适用于不含水的均质地层,如粘土、亚粘土等
11
水平定向(导向)钻进法
•优 点
– 对地表干扰少 – 施工速度快 – 可导向,施工精度较高(3 - 5%)
•缺 点
– 施工前要探明地下管线分布,以防触电和损坏相邻管线。
• 适用条件
– 管径为50 – 2000 mm; – 管线长度一般可达50 - 1500 m; – 管材为塑料管、钢管; – 一般适用于各类地层,主要为松软的土层
8
非开挖的施工技术
9
水平定向(导向)钻进法
• 施工方法为: 采用水平 定向钻机,首先钻进一个 较小的导向孔,然后卸下 导向钻头,换上扩孔钻头 进行反向扩孔,同时将待 铺设管线拉入钻孔中, 根据钻机的能力和待铺设 管线直径大小,有时需要 进行二次或多次扩孔后再 铺设管线
10
水平定向(导向)钻进法
14
小口径顶管法
•优 点
– 对地表的干扰(交通、噪声,振动)小 – 埋深大时施工成本比传统的方法低 – 管线的方向和坡度可精确控制(偏差在±25 mm以
内)
•缺 点
– 需对地层条件进行详细勘查,大卵砾石等障碍物会影 响施工
– 设备投资大 – 对操作人员的技术和经验要求高
15
– 需开挖两个工作坑
小口径顶管法
12
小口径顶管法
• 顶管法是使用得最早的一种施工方 法,起源于美国。最初,顶管施工 法主要用于跨越孔施工时顶进钢套 管。随着技术的改进也用于无套管 的情况下顶进永久性公用管道,主 要是重力管道。顶进施工时,首先 选择工作坑的位置,开挖工作坑。 然后按照管线的位置和坡度,在工 作坑底部修筑基础,在基础上设置 导轨,并将管节安放在导轨上。顶 进前,在管端开挖导孔,再用千斤 顶将管节顶入,一节管顶进去后,
3
非开挖技术的发展历程
• 1900 - 1960 —— 早期非开挖技术的应用
– 尤其是二战后,美国、欧洲、日本等国的重建
– 简单的方法,用于穿越铁路、公路、河流等短距离施工
– 回转钻进(水平湿钻)、水平螺旋钻进(水平干钻)、 人工顶管
• 1960 - 1985 —— 现代非开挖技术的兴起和发 展
– 生活水平的提高、交通的发展、传统施工方法成本的提高
5
非开挖技术的应用领域
• 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
• 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
• 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
•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
– 替代的方法,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
4
非开挖技术的发展
• 1985 - 现在 —— 现代 非开挖技术的大规模应用 — 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
— 首选的方法(比例在
10%左右) — 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(60008000多家)、咨询公司、 科研院所
王保成 范翱翔 沈佳虹
1
非开挖技术 • 1 非开挖技术概述 • 2 非开挖技术应用领域 • 3 非开挖施工技术 • 4 非开挖施工设备发展
2
非开挖技术的定义
• 非• 开挖技术是在不开 挖或少开挖的条件下, 利用地质工程等技术 手段(主要是钻掘技术 和物探技术)对地下各 类管线进行设计、铺 设、修复、更换、探 测和评估的一门新兴 的高新技术
6
非开挖技术的优点
• 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。
7
非开挖技术的优点
• 具有较好的经济效益。 在相同情况下,非开挖 施工的综合成本(直接 成本+间接成本)均低 于开挖法施工,而且管 径和埋深越大时越明 显。部分非开挖施工 方法的直接成本甚至 低于开挖法施工(图1)。
• 适用条件 • ①管径150-1000 mm(实际上可以更大) • ②管线长度可达300 m或更长,一般为50 ~
150 m • ③管材可以是混凝土管、陶土管、玻璃钢管、
铸铁管、钢管等 • ④各种地层,包括含水地层,含卵砾石地层
(最大卵砾石块度不大于切削头直径的1/3)
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冲击矛法
• 冲击矛因其形状似矛并以压缩空气驱动,故通常 称为气动矛。它由钢质外套和重型活塞组成。 在压气作用下,矛体内的活塞往复运动,不断冲击 矛头,矛头挤压土层成孔并带动矛体前进。欲铺 设的管线接在气动矛后,一次铺入。由于矛体与 土层摩擦力的作用以及活塞往复运动的冲击力 远大于回程时的反作用力,故气动矛可在土层中 自行移动。通过反转送气管,还可实现气动矛向 后运动。气动矛铺管法的特点是简便、易行、 效率高、成本低。
连接第二节管继续顶进。
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小口径顶管法
根据施工方式和出渣系统的不同可分为三种:
• ①先导式小口径顶管法:先顶进先导管形成先导孔,随 后扩大先导孔,同时顶进保护套管或永久管道。
• ②螺旋式小口径顶管法:切削钻头钻进成孔,并由螺旋 钻杆排出钻屑,同时顶进保护套管或永久管道。
• ③泥浆式小口径顶管法:切削钻头钻进成孔,利用循环 浆液排出钻屑,同时顶进保护套管或永久管道。钻进时, 用水压、浆压或机械压力来平衡工作面的压力,维持工 作面的稳定。
20
• 施工图
夯管法
21
夯管法
该方法是靠一个低频、大冲击功的气动锤 (夯管锤)将欲铺设的钢管直接夯入地层。夯管锤 的工作原理与气动矛的相似,有的气动矛也可兼 做夯管锤。这两种方法的区别在于:气动矛在土 层中前进并拉入管线;而夯管锤是在土层之外 将钢管夯入土层。夯管锤夯击的是开口钢管,管 柱前端接有管靴,铺管时有土芯进入钢管。土芯 可通过压气或水以及螺旋钻掏土方法排除。
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施工过程
冲击矛法
18
气动矛法
• 优点
– 操作简单,不要求较高的专业技术 – 投资少,施工成本低 – 对地表干扰少
• 缺点
– 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
19
气动矛法
• 适用Hale Waihona Puke Baidu件
– 管径30 - 250 mm – 管线长度20 - 80 m – 管材为PVC、PE、钢管、电缆等 – 适用于不含水的均质地层,如粘土、亚粘土等
11
水平定向(导向)钻进法
•优 点
– 对地表干扰少 – 施工速度快 – 可导向,施工精度较高(3 - 5%)
•缺 点
– 施工前要探明地下管线分布,以防触电和损坏相邻管线。
• 适用条件
– 管径为50 – 2000 mm; – 管线长度一般可达50 - 1500 m; – 管材为塑料管、钢管; – 一般适用于各类地层,主要为松软的土层
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非开挖的施工技术
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水平定向(导向)钻进法
• 施工方法为: 采用水平 定向钻机,首先钻进一个 较小的导向孔,然后卸下 导向钻头,换上扩孔钻头 进行反向扩孔,同时将待 铺设管线拉入钻孔中, 根据钻机的能力和待铺设 管线直径大小,有时需要 进行二次或多次扩孔后再 铺设管线
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水平定向(导向)钻进法
14
小口径顶管法
•优 点
– 对地表的干扰(交通、噪声,振动)小 – 埋深大时施工成本比传统的方法低 – 管线的方向和坡度可精确控制(偏差在±25 mm以
内)
•缺 点
– 需对地层条件进行详细勘查,大卵砾石等障碍物会影 响施工
– 设备投资大 – 对操作人员的技术和经验要求高
15
– 需开挖两个工作坑
小口径顶管法
12
小口径顶管法
• 顶管法是使用得最早的一种施工方 法,起源于美国。最初,顶管施工 法主要用于跨越孔施工时顶进钢套 管。随着技术的改进也用于无套管 的情况下顶进永久性公用管道,主 要是重力管道。顶进施工时,首先 选择工作坑的位置,开挖工作坑。 然后按照管线的位置和坡度,在工 作坑底部修筑基础,在基础上设置 导轨,并将管节安放在导轨上。顶 进前,在管端开挖导孔,再用千斤 顶将管节顶入,一节管顶进去后,
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非开挖技术的发展历程
• 1900 - 1960 —— 早期非开挖技术的应用
– 尤其是二战后,美国、欧洲、日本等国的重建
– 简单的方法,用于穿越铁路、公路、河流等短距离施工
– 回转钻进(水平湿钻)、水平螺旋钻进(水平干钻)、 人工顶管
• 1960 - 1985 —— 现代非开挖技术的兴起和发 展
– 生活水平的提高、交通的发展、传统施工方法成本的提高
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非开挖技术的应用领域
• 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
• 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
• 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
•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
– 替代的方法,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
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非开挖技术的发展
• 1985 - 现在 —— 现代 非开挖技术的大规模应用 — 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
— 首选的方法(比例在
10%左右) — 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(60008000多家)、咨询公司、 科研院所