非開挖技術綜述
發(fā)布時間：2021-10-12
非開挖技術綜述
非開挖技術是利用微開挖或不開挖的情況下對地下管線、管道和地下電纜進行敷設、修復或更換的一項科學技術。
非開挖技術產生及應用背景
隨著城市高度現代化及人民生活水平的不斷提高，城市和鄉(xiāng)村對地下管網的總體需求和依賴越來越高，地下管網已是不可缺少的生命線。目前，城市地下管網發(fā)展的規(guī)模、管線鋪設、維修和更換過程中對城市交通、環(huán)境的影響及對人們生活、工作的干擾，已成為衡量一個城市基礎設施完善程度和城市管理水平的重要標志。
傳統(tǒng)的挖槽埋管地下管線施工技術由于對地面設施及交通影響較大，使本來就擁堵的城市交通雪上加霜，同時給市民生活、工作帶來諸多不便。更有一些如：鐵路、高速公路、國道公路、省道公路、城區(qū)重要交通要道、河流、水渠、古跡保護區(qū)、農作物和環(huán)境保護區(qū)等是國家法律規(guī)定不可以開挖的。
非開挖技術應用而生，并在實施過程中得到了絕大多數城市管理者的支持和認可。
隨著城市高度現代化及人民生活水平的不斷提高，城市和鄉(xiāng)村對地下管網的總體需求和依賴越來越高，地下管網已是不可缺少的生命線。目前，城市地下管網發(fā)展的規(guī)模、管線鋪設、維修和更換過程中對城市交通、環(huán)境的影響及對人們生活、工作的干擾，已成為衡量一個城市基礎設施完善程度和城市管理水平的重要標志。
傳統(tǒng)的挖槽埋管地下管線施工技術由于對地面設施及交通影響較大，使本來就擁堵的城市交通雪上加霜，同時給市民生活、工作帶來諸多不便。更有一些如：鐵路、高速公路、國道公路、省道公路、城區(qū)重要交通要道、河流、水渠、古跡保護區(qū)、農作物和環(huán)境保護區(qū)等是國家法律規(guī)定不可以開挖的。
非開挖技術應用而生，并在實施過程中得到了絕大多數城市管理者的支持和認可。
非開挖技術應用的范圍
非開挖技術被廣泛應用于穿越公路、鐵路、建筑物、河流以及在鬧市區(qū)、古跡保護區(qū)、農作物和環(huán)境保護區(qū)等不允許或不能開挖條件下進行的石油天然氣、電力、電訊、供排水、供熱等管道的鋪設及更換、維修等作業(yè)中。
由于該技術的綜合成本低、施工周期短、環(huán)境影響小、不影響交通、施工安全性好等優(yōu)勢日益受到人們的青睞。目前，非開挖工程技術在西方發(fā)達國家已成為一項政策支持、社會提倡和企業(yè)參與的新技術產業(yè)。
自上世紀90年代中期我國引進非開挖技術以來，各種非開挖技術在國內得到了廣泛的推廣應用，已經形成一個新興產業(yè)，在國內地下管網建設中發(fā)揮著越來越重要的作用，非開挖技術的蓬勃發(fā)展將是歷史的必然。
非開挖技術的發(fā)展歷史與現狀
1、萌芽期：
上世紀70年代前。主要以頂管為主，如：人工頂管、水平工程鉆機、水平螺旋頂管機等。多由地質工程部門改裝設備施工，技術水平低、精確度差、缺乏標準化等。
2、發(fā)展期：上世紀70—90年代。
1971年美國人把定向鉆探技術與傳統(tǒng)鋪管技術結合發(fā)明了導向鉆進鋪管技術，導致非開挖技術的一場革命。
1988年日本人將地面無線跟蹤導航監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)利用，使導向鋪管質量大為提高，標志著世界“非開挖”技術進入了一個嶄新的階段。
這期間各種非開挖工藝如：微型遂道技術、頂管技術、夯管技術、氣動沖擊矛技術、水平定向鉆技術等技術大力發(fā)展并推廣動用，管道修復更新技術等各種技術被發(fā)明推廣。
3、壯大期：上世紀90年代至今
1985年成立國際非開挖技術協(xié)會，并開始每年舉辦國際性非開挖技術研討會和地區(qū)性非開挖技術推廣交流會，非開挖技術在世界各地被廣泛采用。
各種非開挖技術得到了充分利用和發(fā)展，在這個時期內被穿越技術發(fā)展外，管道修復更新技術全面發(fā)展并得到利用。
非開挖設備研發(fā)水平和市場保有量明顯提高，非開挖設備的生產表現出明顯的本地化。
我國非開挖發(fā)展歷程
1、前期萌芽階段：上世紀90年代前
2、引進消化階段：上世紀90年代至2000年
90年代初偏重于引進頂管用的螺旋鉆機和小口徑頂管機；90年代中期集中引進氣動矛、夯管錘和小型導向鉆機主要用于通信、動力電纜穿越工程；90年代后期主要引進微型遂道機和少量大型水平定向鉆機。
3、大力發(fā)展創(chuàng)新階段：2000年至今
各種非開挖穿越技術被廣泛運用于石油、天然氣、通信、電力、供排水管道、熱力管道工程建設中，管道修復、更新技術開始利用。各種非開挖技術的穿越記錄被屢屢創(chuàng)新，達到或超過世界先進技術的記錄。
自行研制非開挖設備形成系列，并逐步取代進口設備。成立了地方性非開挖協(xié)會（上海、廣東、北京、四川），有關大學設立了非開挖課程，并開始培養(yǎng)研究生。
非開挖施工實現質和量的突破
在管道修復中，已開始實現應急性修復到預防性修復的轉變，年修復工程量正快速上升；
在水平定向鉆進和頂管施工中，解決了長距離、大口徑和復雜地層施工的難題，施工記錄不斷被刷新。
國內頂管施工有影響力的工程
2001年9月上海地道股份有限公司在江蘇省常州市完成了長 2050m、直徑 2m的鋼筋混凝土管頂管工程，是我國目前已完成的該種規(guī)格套管最長的頂管工程。
2001年8月～12月嘉興市污水處理排海工程一次頂進D1800鋼筋混凝土頂管2050米，采用泥水平衡頂管施工技術及中繼間技術，成功地解決了減阻泥漿運用和軸線控制等技術難題，用了約5個月完成全部頂進施工，創(chuàng)造了該種規(guī)格套管新的頂管施工長度記錄。 2002年9月完成西氣東輸一線穿越黃河工程，實現DN1800鋼管穿越黃河河床及主河道共計3600米，套管穿越位于地下25～27米，該工程不管從頂進長度、埋深、地質條件、及鋼管直徑在國內尚屬首次，再一次刷新長度記錄。該工程標志著我國的頂管施工水達到一個新的高度，與世界高水平日益靠近。
2008年在無錫長江引水工程中中鐵十局十公司采用國產頂管設備頂進直徑2200mm鋼管雙管同步頂進達2500米 ，又一次創(chuàng)新該規(guī)格長度記錄。
施工現場展示
1、頂管施工工藝
開放型人工掘進刃口推進工法
封密型土壓平衡機械頂管工法
封密型泥水平衡機械頂管工法
人工掘進頂管施工法即是非機械的開放式（或敞口式）頂管機，在施工時，采用手工的方法來破碎工作面的土層，破碎輔助工具主要有鎬、鍬以及沖擊錘等。破碎下來的泥土或巖石可以通過傳送帶、手推車或軌道式的運輸礦車來輸送。
人工掘進頂管施工法一般適用于穩(wěn)定性地質，在含水地層施工時，則必須采用輔助施工措施（如降水等）。在地層不能降水或降水達不到施工要求時，應該采用泥水平衡或土壓平衡頂管施工法。
土壓平衡頂管施工法是利用土壓平衡頂管掘進機進行鋼筋混凝土管道或其它管道的頂進施工，施工中利用頂管掘進機前端半封閉式土壓倉來平衡掘進面土體和地下水的壓力，同時不產生掘進面土體的超挖與欠挖，從而保持土體穩(wěn)定，能使地面的沉降與隆起保持最小的限度。
土壓平衡頂管施工法一般適合以下地質條件：干性粉砂土、流砂、中粗砂或碎石地層；當有地下水時，適合滲透系數較小、飽和含水地層中的淤泥質黏土、黏土、粉砂土或砂性土。
泥水平衡頂管施工工法是用泥水平衡頂管機施工的一種頂管施工工藝。它在施工時通過進水管向頂管機刀盤后的泥水艙內供給一定比重、一定黏度、一定壓力的混合泥漿，讓其在頂管機挖掘面上形成一層泥膜，并以泥水艙內泥水的壓力來平衡挖掘面上的土壓力和地下水壓力，同時又是通過排泥管把頂管機刀盤切削下來的土砂、碎石（需經過二次破碎）伴隨泥水循環(huán)輸送到基坑地面上的一種頂管施工方法。
2、HDD水平定向鉆技術
水平定向鉆施工技術是采用安裝于地表的鉆孔設備（水平定向鉆機），以相對于地面較小的入鉆角鉆入地層形成先導孔，然后將先導孔分級擴徑至孔徑要求，最終通過回拖敷設管道的一項技術，在施工中具有跟蹤和導向功能。
該工藝可廣泛適應于粉質性黏土、粉土、粉砂土、各種軟巖、硬巖等易成孔的地質條件，不太適應于砂卵粒石、中粗砂等不易成孔的地質條件。
夯管施工技術
夯管穿越技術
管幕穿越技術
鋼管樁施工技術
氣動矛穿越技術 氣動夯管錘實質上是一個低頻、大沖擊功的氣動沖擊器，它是由壓縮空氣驅動,將要鋪設的鋼管沿設計路線直接夯入地層，從而實現非開挖穿越鋪管的一種鋪管工具。在夯管過程中，夯管錘產生很大的沖擊力，這個沖擊力通過調節(jié)錐套、出土器和夯管頭作用于鋼管后端，再通過鋼管傳遞到前端的切削頭上，切割土體，并克服土層與管體的摩擦力使鋼管不斷進入土層。隨著鋼管前行，被切割的土芯進入鋼管內。待鋼管抵達目標后，取下切削頭，將管中的土芯排出，鋼管留在孔內，即完成鋪管。
夯管技術的優(yōu)點
夯管施工具有施工快捷；
不會造成路面沉降；
準直性好；
地質適應性好：夯管施工技術幾乎可以適應除硬巖以外的所有地質條件。特別適合在回填土、流砂以及淤泥等不穩(wěn)定性地質條件下的穿越施工。
管道檢測清洗清淤修復置換（新技術新工藝）
供水管道（壓力管道）
1 檢測（撒哈拉技術 -智能球）
2 提供修復方案
高壓清洗，清淤清障
壓力管道軟襯法修復
排水管道（重力流管道）
1 檢測（CCTV QV 聲納）
2 提供修復方案
管線老化，塌陷輕微變形
A，紫外線光固化修復技術
B，熱塑成型管道修復技術
管線老化塌陷變形嚴重
A，管道原位置換技術
B，管線新建
檢查井的修復
非開挖管道修復及更新技術
管道破碎更換技術（原位更換法）
管道內襯修復技術
內插法
“U”型折疊內襯法
軟襯法（翻襯法）
等徑壓縮內襯法
管道局部修復技術
管道原位更換技術（爆管法）
管道原位更換技術（爆管法）是指以待更換的舊管道為導向，利用管道破碎和牽引設備將舊管破碎的同時將新管拉入或頂入的管道更換技術。
爆管法是在更換一些舊的、不合要求的油氣、給排水管道工程中得到普遍認可的一種管道非開挖在線更換方法。該工藝采用等徑或超徑的新管道來在線更換舊管道。當要更換的舊管道的分支較少或是需要提高其承載力時，采用爆管法工藝將獲得較高的經濟效益。
為了適應不同材質、不同管徑的更換需要，依據破碎管道的方式不同，常用的管道原位更換技術分為：氣動碎管法、液壓靜拉碎管法和液壓刀具碎管法。
氣動爆管法
氣動報管法是利用氣動錘的沖擊力從舊管的內部將其破碎，并將破碎的管道碎片擠壓到周圍的土層中，同時將新管或套管從氣動錘的后面拉入或頂入，完成管線的更換工作。
在氣動爆管法工藝中，爆管頭是一個錐形的土體擠壓錘，并由壓縮空氣驅動在180~580次/min的頻率下工作。爆管頭前端伴隨來自于鋼索的持續(xù)拉力，在氣動沖擊力的作用下，將舊管道一點點破碎，并同步拉入待更新的管道。
氣動爆管法適用于由脆性材料制成的管道（陶土管、混凝土管、鑄鐵管、PVC管）的破碎更換，新管可以是PE管、聚丙烯、陶土管和玻璃鋼管等。適應管徑為50~1200mm；一次性更換的關系長度最大可達300m。
靜拉力爆管法是通過施加在爆管頭上的靜拉力來破碎舊管道，使用鋼索或鉆桿穿過舊管道連接在爆管頭的前端來施加靜拉力。錐形的爆管頭將水平的靜拉力轉變?yōu)榇怪陛S向發(fā)散的張力來破碎舊管道，并把破碎后的管道碎片擠壓到周圍土體中，為安裝新管道提供空間，并同步將帶更換新管線拉入，從而完成管道更新。
該施工法適應于管徑較小的脆性管線的更換，施工中若采用快捷拉桿，施工效率將大大提高。
U型折疊內襯法是使用可變形的PE或PVC作為管道材料，施工前在工廠或施工現場先通過改變襯管的幾何形狀來減少其斷面。變形管在舊管內九尾后，利用加熱或加壓使其膨脹，并恢復到原來的大小和形狀，以確保與舊管形成緊密的配合。有時，還可以用一個機械成形裝置使其恢復到原來的形狀。
噴涂法管道修復技術
當管道的結構完好，但存在局部的缺陷（如裂隙或接頭損壞等）時，可考慮使用局部修復的方法。噴涂法是管道局部修復最為常見的技術之一。
噴涂法是通過一個快速旋轉的噴涂頭將內襯漿液噴涂到管道內壁，在通過抹平或固化技術形成一個穩(wěn)定可靠的且與舊管緊密配合的內襯。噴涂法應用最廣泛的噴涂材料是混凝土和環(huán)氧樹脂。
噴涂法管道修復施工往往需要運用管道檢查掃描定位技術（CCTV系統(tǒng)）和管道清洗技術。