8 地下管线微型隧道

费用的比例关系如图所示
（二）共同沟的属性
微型隧道工法 传统开挖工法
传统法中的像开槽
和道路复原这样的临时
性工作则占用了大量的
工程费用。
顶管和微型隧道技术在管道埋深越大时越具有竞争
力。在德国，7~8m的铺管深度是分界点；英国采用顶管
和微型隧道工法铺设管道的深度一般也在7~8.5m。 在繁华地段，由 于开挖法的成本过高， 从综合方面考虑，应 采用非开挖施工方案。
辅以高压水来破 碎前方障碍
（二）顶管技术和微型隧道
1. 顶管技术
顶管技术是指首先采用顶管掘进机成孔，然后将 人可进入的尺寸大小的管道从顶进工作坑顶入，以形 成连续衬砌的管道非开挖铺设技术。 对于人能进入的管道直径的定义，不同国家之间 稍有不同，但900mm是一个普遍接受的最小值。
（二）顶管技术和微型隧道
1. 顶管技术
顶进管道具有两个作用，一是支撑开挖空 间，二是作为管线构筑物。 管道可以事先在工厂预制，也可以在施工 现场的野外工厂生产；较大直径的管道必须在 施工现场进行制造。
（二）顶管技术和微型隧道
2. 微型隧道
微型隧道（Micro-tunnelling）是小直径的顶 管施工方法。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 里面安全工作。 但是，这一直径上限并不是绝对的，日本人 认为800mm的管道内径就已经足够人在里面工 作了，而欧洲人则把这一上限提高到1000mm， 特别是在长距离顶管施工中。
机的同时，人们还开发了用于旧的污水管道在线更
换的微型隧道掘进机，使得旧管道的破碎、挖掘和
更换铺设在同一施工过程中一次完成。
3. 非开挖施工与开槽施工的成本对比
采用传统的开槽法铺设管道时，若管道埋深 超过1.5～2.0m，由于需要对地层进行支护和（或） 要对地层进行降水处理，同时，需要更多的人力作 业，机械设备的生产效率受到限制。所以，施工成 本则开始大幅度增加；甚至对于埋深较浅的铺管作 业，如果管道直径超过DN 300mm，其施工成本也 会明显增加。
（一）非开挖技术
非开挖技术是一种对环境无公害的地下管线施工
技术，指利用岩土钻掘手段在地表不挖沟的情况下，
铺设、修复和更换地下管线。
非开挖技术被广泛应用于穿越公路、铁路、建筑
物、河流，以及在闹市区、古迹保护区、农田和环境
保护区等不允许或不能开挖条件下进行煤气、电力、
供排水、电讯、有线电视线路、天然气管道等的铺设、
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《地下空间利用》课程 第八章
地下管线微型隧道
西南交通大学
Southwest Jiaotong University
内 容 提 要
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概述 地下管线工程勘察与探测 微型隧道施工设备及工法 微型隧道的受力分析与设计
1
概 述
开槽
施工
顶管 施工
（一）概
述
扩孔施工
（一）概
述
螺旋排土式微型隧道工法也称为顶推钻进法或顶推钻进顶 管施工法。 其特点是：一般应用于软地层（特殊情况下也可用于坚硬
地层），施工管线通过单步或者双步施工法顶入地层。
同时，通过切削刀盘来破碎工作面并通过螺旋输送装置将 破碎下来的泥土连续地排至地表。
（一）概
述
螺旋式出土
（一）概
（二）顶管技术和微型隧道
2. 微型隧道
无论其精确的管道直径是多大，微型隧道的施工精 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。
导向油 缸和激 光导向 系统
（二）顶管技术和微型隧道
顶管技术和微型隧道的主要区别是管道直径的 大小，而不是是否采用了远程控制系统。 在研究用于新管道铺设远程控制微型隧道掘进
具体的非开挖管道铺设方法，同时还是以顶管施工
原理为基础的一些非开挖铺管技术的总称。
（二）顶管技术和微型隧道
1. 顶管技术
在施工中，通过位于第一节管道的可控顶管机
（或盾构机），可以实现直线或曲线顶进。
岩石的破碎方法可以在工作面上通过手工、机
械或者水力的方法进行分步破碎来实现，也可以通
过机械全断面破碎来实现。
（一）概
述
根据施工中成孔的方法和泥土的排出方法不同，
可以将微型隧道工法分为以下几种类型：
（1）先导式微型隧道工法；
（2）螺旋排土式微型隧道工法；
（3）水力排土式微型隧道工法；
（4）气力排土式微型隧道工法；
（5）其他机械排土式微型隧道工法；
（6）土层挤密式微型隧道工法。
（一）概
述
Байду номын сангаас
先导式微型隧道工法也称为先导孔（钻进）施工法。在施 工过程中，管线的铺设基本上是通过两个（或者最多三个）步 骤来完成。 第一步是先导孔钻进，可以采用土层挤密式钻进方法或排 土式钻进方法； 第二步是扩孔钻进，这一过程也可以采用土层挤密式钻进 方法或排土式钻进方法来完成，施工中不需要进行导向。
稳定的地层条件；（5）在地下水位下施工；（6）地层移动具
有危害性时；（7）在环境敏感地区施工；（8）在社会敏感地
方（如花园或公园等）；（9）在工业和商业区域。
2
城市地下管线工程勘察与探测
（二）城市地下管线工程勘察的基本要求 非开挖施工时需要勘察与探测解决的岩土工程问题：
（1）软弱地基与坚硬地基交界部位，判明差异沉降导致的管线 损坏可能性； （2）查明施工地段的岩土分布状态、水文地质条件； （3）当埋管较深，需深挖辅助坑槽时，应对坑槽边坡及邻近建
（一）非开挖技术
我国现代顶管和微型隧道技术起步较晚， 设备主要依靠进口，技术水平和国外仍然有很 大的差距。但同时该技术在我国又有巨大的市 场需求，在中国管道建设即将大发展的21世 纪，该技术将具有十分广阔的应用前景。
（二）顶管技术和微型隧道
1. 顶管技术
顶管技术（Pipe Jacking）表述的不但是一种
3. 非开挖施工与开槽施工的成本对比
工程的附加费用通常由很多因素引起，但主要
因素如下：
（1）人工开挖作业量所占比例较大；
（2）需要对其他地下设施进行保护；
（3）需要对开挖的地面进行临时或永久恢复；
（4）工作空间受到限制；
（5）需要考虑车辆和行人的通行。
3. 非开挖施工与开槽施工的成本对比
采用顶管法在道路下面铺设管道时，各部分施工
经济埋深
如果下述因素中有任何两个因素占主导，则应考虑采用顶 管或者微型隧道技术。根据约克郡水务公司的经验，如果施工 深度大于等于4m，特别是管道的直径也大于等于DN 500mm 的同时，微型隧道和顶管技术特别具有竞争力。 （1）管道埋深大于或等于4m；（2）在交通流量较大的 繁忙道路下面施工；（3）上部或临近有地下管线时；（4）不
• 单步施工法（一程式）：
将生产管道跟在切削头的后面直接顶进，整个铺管
工程一次性完成。
• 双步施工法（二程式）：
先顶进一个特制的临时钢管道，在临时管道施工完
成后，再顶进永久性的生产管道来替换临时管道，并将
临时管道从接收坑中进行回收。此法优点是可以作用较 大的顶进荷载，减少对管道的损坏，同时还可以获得较 大的顶进长度。
1、垂直作用于管道轴线方向上的荷载
（一）顶进管道的受力分析
在特定的施工和使用条件下，究竟哪些荷载是 主要的，要根据具体的施工条件来确定。 在这些荷载中，有一些是比较容易确定的，比如 管道的重量、管道中所要运送的流体的重量；另外，
输水和输气管道内部所受的额外压力（正压或者负压）
也可以根据经验很方便地计算出来。
述
水力排土式微型隧道工法也称为盾构式顶管施工法。这种 施工方法的特征是：管道通过单步或者双步作业法进行顶进， 同时通过切削刀盘对机械或液压平衡的工作面进行全断面破碎， 并将破碎下来的泥土通过水力的方法，连续地从位于刀盘和导
向头后面的破碎室或泥浆室中排至地表（在其他文献中也称为
湿式排土、冲洗式排土或者泥浆式排土）；切削刀盘和导向油
图8.13 开挖地表排除障碍物
（二）螺旋排土式微型隧道工法
3、微型隧道施工中障碍物的排除方法
这里还存在着这样一种可能性，即在障碍物的前方施工一
个比较深的钻孔或者辅助工作坑，当掘进机向前推进时，恰好 可以将障碍物推入其中（见图8.14）。
图8.14
障碍物的钻孔排除祛
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微型隧道的受力分析与设计
（一）顶进管道的受力分析
（二）顶进力的分析计算
微型隧道和顶管技术中的顶进力（Jacking Loads）是在施 工中推进整个管道系统和相关机械设备向前运动的力，需要克服
顶进中的各种阻力（摩阻力、工具管前端的迎面阻力或称为贯入
克风）。
（二）螺旋排土式微型隧道工法 3、微型隧道施工中障碍物的排除方法
在任何情况下，如果通过所采用的施工方法无法将所遇到 的障碍物破碎，则必须通过下述方法来进行排除： （1）从外部进入排除障碍物，即从地表进入。 （2）从内部进入排除障碍物，即从掘进机的破碎室进入。
对于非进人式的非开挖
管线施工技术，其障碍物的 排除方法只能是首先进行开 挖，然后从地表进入将障碍 物排除（见图8.13）。
勘探孔的深度要求
取样和测试要求
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微型隧道施工设备及工法
微型隧道施工过程中，从顶进工作坑开始，在顶进工作站
（特殊情况下也可以采用中继站）的作用下，将要铺设的管道
通过目标井顶出；与此同时，采用一个非进人式、远程控制的 微型隧道掘进机对工作面进行挤密或者全断面破碎。
（一）概
述
微型隧道掘进机
微型隧道的施工过程一般有两种：
缸的动力装置直接安装于掘进机中。
（一）概
述
气力排土式微型隧道工法的特点是：管道可以进行单步或 者双步施工法顶进；在管道顶进的同时，利用切削刀盘对机械 和土压平衡的工作面进行全面破碎，并通过冲洗介质——空 气——连续地将破碎下来的泥土排出。
从结构和工作原理来看，该工法和水力排土式微型隧道工
法的唯一区别是将冲洗介质换成了空气。其排土系统可以分为
筑物的稳定性进行分析评价
（4）地下水对工程有影响时，选择适宜排水方法，对可能产生
的流沙、潜蚀、管涌等问题落实防治措施；
（5）强震区进行地震效应分析； （6）判明环境水和土对管材的腐蚀性，必要时采取措施； （7）查明地下埋设物的类型、埋深、位置，以免施工时损坏。
（二）城市地下管线工程勘察的基本要求
勘探孔的布置要求
式主要有地层中沉积的卵砾石、孤石、漂石、树根、树桩或者遗留在
地层中的建筑物的残墙断壁等。 在遇到不可预见的障碍物时，为了排除障碍物则必须中断施工； 情况严重时还必须拆换原有的施工设备，甚至导致已完成的施工孔段 报废。
（二）螺旋排土式微型隧道工法
3、微型隧道施工中障碍物的排除方法
通常可以通过下述方法来判断施工中遇到了障碍物： ①施工中顶进力突然上升； ②刀盘回转有被阻断现象并伴随有掘进机转动偏斜； ③施工效率下降； ④可以通过声响来判断（如果在刀盘和导向头中安装了麦
（一）概
述
土层挤密式微型隧道工法的特点是：管道采用单步施工法； 在顶进管道时，通过挤密头和导向头将土层挤密至周围的孔壁，
不需要输土系统。
（二）螺旋排土式微型隧道工法 3、微型隧道施工中障碍物的排除方法
从施工技术方面来看，障碍物可以分为如下两类：不可排除的
障碍物和可以排除的障碍物。
在非开挖施工中，不可排除的障碍物被视为不可逾越的障碍， 只有通过改变原定的施工方案将其绕过。这类障碍物一般为铺设于地 下的各类供应管道、排污管道、地下建筑物以及建筑物的基础等 对于可排除的障碍物，可以理解为地层的不均质性，其表现形
更换和修复。
（一）非开挖技术
据统计，全世界每年有100万km的地下管线需要
新建，总投资超过300亿美元；而发达国家现有各类地
下管线总长约2000万km，为更新、修复这些地下管
线，每年还需投资300亿～350亿美元。
我国每年需铺设的管线长度包括上水管5000km、 下水管3000km、电讯管线26000km，此外还有 30000km的管道急需更新和修复。
两种类型：抽吸式和压入式。
（一）概
述
所谓的“其他机械排土式微型隧道工法”，其特点是：在 顶进管道的同时，通过切削刀盘将工作面破碎；并采用上述机
械方法之外的其他方法，将泥土连续或非连续地排至地表。
例如，瑞典的Lundby工法即是这类施工方法的代表。该工 法的基本原理是：顶进管道的前端是敞开的（没有碎岩工具的 敞口式掘进机），为了减小摩擦阻力，将进入工具管的泥土定 期地通过一个铲土装置输送至始发井，然后利用一个特殊的槽 式机械抓斗排出地表。