王 驰 刘志锋

燃气管网是城市基础设施的重要组成部分,是跟随城市发展而不断发展和完善的一支主动脉,主要埋设于城市各条道路的地下。按照传统,地下管线的铺设采用开槽埋管的施工技术,对地面交通影响较大,同时给市民工作、生活带来许多不便,特别在人口稠密的城市和交通拥挤的地区以及不允许开挖的地段,这个矛盾就更加突出。而非开挖技术(Trenchless Technolog,简称TT),是指在不开挖和少开挖地表的条件下探测、检查、修复、更换和铺设各种地下公用设施(管道和电缆)的任何一种技术和方法。非开挖技术起源于日本和欧美等发达国家,在国外已广泛使用并逐步成熟,20世纪80年代我国开始引进此技术和设备,现在在国内也已逐渐普及。

非开挖技术主要用于管线铺设、管线更换和管线修复三大类。管道不开槽施工方法有很多种,主要有顶管法、气动矛铺管法、夯管锤铺管法、导向钻进铺管法等。本文主要就顶管施工法和导向钻进法进行探讨。

1 顶管施工法

顶管施工法是借助于主顶油缸以及中继间的顶进力将机头和紧随其后的若干节管节顶出,穿越土层形成一道不开挖的地下管道或通道,从而达到铺设管道的目的。适用管径较大,一般不小于600 mm。

1.1 特点

1)相比开挖敷设技术,投资和工期将大大节省;2)可以降低噪声,减少粉尘,减轻对周围环境的干扰和破坏;3)只开挖工作坑和接收坑占地面积小,对地面交通干扰小;4)不影响现有管线及构筑物的使用;5)可以在很深的地下或水下敷设管道,可以安全穿越铁路、公路、河流、建筑物;6)适用大口径的管道;7)需要详细的工程地质和水文地质勘探资料;8)设备的专用性较高,工程对设备的依靠程度较大;9)地下的不确定性使其具有一定的风险性。

1.2 设备

顶管施工设备主要由顶管机、顶进设备系统、注浆系统及导轨、靠背等辅助设备组成。

1.3 施工方法

1.3.1 人员准备

其作业班的核心人员有三个:土建技术人员,负责测量、记录和全面管理;机修工,负责机头内的操作;电工,负责主顶油泵的操作。其他辅助人员为8人～10人。

1.3.2 顶管出洞

出洞要求顶管机和管道既要能从工作井内穿过出洞口进入土中并沿设计轴线顶进,又要求井外泥水不能流入井内,故要求工作井出洞口安装可靠的密封装置,一般是在洞口预埋钢环或螺栓,用钢环夹压橡胶止水圈制成。橡胶圈内径略小于管节外径,紧紧地包裹住管子外壁,阻止泥水流入井内。

出洞顶进时,一定要不断地测量,保证机头和第一节管子位置正确。出洞和初顶时,机头和后续几节管子用螺杆连成整体,这在约束导向能力很差的软土中尤为重要。

1.3.3 顶进与纠偏

顶进应与管外围注浆同步进行,其原则是先注浆,后顶进,随顶进,随注浆,以保证管外围充满泥浆套,充分发挥减阻和支承作用。顶进速度一般为3 cm/min～4 cm/min,最大不超过5 cm/min。顶进施工应严格控制前5 m管道的顶进偏差,其左右及高程偏差均不能超过0.5 cm。管道顶进到离工作井井壁50 cm时,应停止顶进,使千斤顶回程,安装下一管节并加顶铁,然后继续顶进。

纠偏是顶管的重要工作,关系到整个工程的成败。管道顶进中发现管道偏移要立即采取措施纠正。要依照“随偏随纠,在顶进过程中纠偏,一次纠偏量不能过大”的原则。顶进纠偏可采取调整纠偏千斤顶的办法,进行编组操作。如同时有高程和方向偏差,则应先纠正偏差大的一面。发生较大偏差应分析发展趋势,采用分次逐步纠正,勤调微纠。当顶管机头发生旋转时,可采取在管内的相反方向增加压重块或在中间站提供旋转纠正力矩等方法纠正。

1.3.4 顶进出土

顶进管节的方向和标高控制,主要取决于挖土操作,顶管工作面上的挖土质量不仅影响顶进效率,更重要的是影响质量控制。因此,熟练的操作工是重要的技术力量。

挖土应本着“勤挖、勤出、勤顶”的原则操作,在该掘进机前舱安装有土压表,通过掘进机前土压的变化控制出土及顶进。

1.3.5 管道安装

套管顶进完成后即可进行燃气管道的安装工作,如为钢管将钢管均分成2节,截成6 m一根(能放入工作井内),管道用起重设备吊入井内配合安装,架在钢制的滑轮架子上,焊接完成后前拉后顶进入套管内,支架作为永久性支架留在混凝土管内。

2 导向钻进法

导向钻进法是利用导向钻杆进行地下钻进,通过回扩成型管道孔,并利用钻杆回拖拉入管道达到不开挖铺设管道的方法。适用管径较小,一般在400 mm以下。

2.1 特点

1)无需开槽,可实现穿越施工,速度快,效率高;2)导向仪导向,躲避障碍,准确率高;3)操作简便,施工安全性好;4)不用开挖操作坑,成本低,经济效益显著;5)施工场地要求简单,对周围环境影响和破坏很小;6)导向探测与管线探测相结合,适合复杂地层条件下施工;7)适合小管径的PE管施工。

2.2 设备

导向钻进设备主要由导航系统、钻机、泥浆搅拌系统和附属设备组成。

2.3 施工方法

2.3.1 人员组成

采用导向钻机铺设地下燃气管线作业面比较小,操作简单,一般只需机手1人,辅助人员4名～5名即可完成施工作业。

2.3.2 导向孔钻进

利用造斜和稳斜原理,在地面导航仪引导下,以一定角度入土钻进一定距离后又以一定角度出土,施工前要对地下资料进行详细的了解,根据地层情况,选择并设计出导向孔轨迹曲线,考虑好钻进角度和出钻角度。在钻孔时按照地质构造的不同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,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,从而可以防止钻具粘卡。钻导向孔时要求应严格按设计曲线钻进,在钻进过程中要用导向仪对钻头的状态进行实时监控,控制好钻进方向。控向设备宜采用有缆控向系统,以提高钻进的准确性。

2.3.3 扩孔

根据铺设管线的直径、材料、地层等因素选择扩孔的最大孔径、扩孔级序和扩孔方式。一般采用逐级扩孔,最终孔径比预铺管孔径大100 mm。多级扩孔时扩孔器后端仍然要连接钻杆,以便下线扩孔。在回扩过程中与钻进过程中一样,始终都要进行注浆。

2.3.4 管道回拖

扩孔完毕即可采用前拉后顶的方法进行回拖管道,拖管采用专门的回拖器,回拖拉头类型有压力密封式和专用于定向钻进的改进型拉头。回拖时扩孔器随钻杆旋转扩孔,同时采用边打泥浆边旋转回拖的方法。管道通过拉头前的旋转接头保持不旋转,在最后一级扩孔的同时管道被回拖至孔内。

3 非开挖法的经济效益分析

1)对周围环境的影响较小:传统开挖施工法对居民正常生活的干扰,对交通、环境、周边建筑物基础的破坏和不良影响较大,非开挖施工技术的应用正好解决了此矛盾。2)解决了大开挖法不能施工地段的情况:在穿越河流、湖泊、重要交通干线、重要建筑物的地下管线,大开挖技术往往无法满足施工要求,非开挖技术可从其下方穿越铺设,并可将管线设计在工程量最小的最佳地点穿过。3)经济效益和社会效益较好:在相同的情况下,非开挖管线铺设、更换、修复的成本均低于开挖施工法,且管径越大、埋深越大时越明显。4)加快了工程施工进度:非开挖技术的实施,可以加快工程进度,缩短施工周期。非开挖技术是科技发展的产物,工艺上有其先进性和优越性,在繁华市区、管线埋深较大和特殊情况下(如穿越公路、铁路、河流、建筑物等),非开挖施工法是开挖施工法极好的替代方法,兰州城市燃气管网建设中运用了该技术,取得了很好的经济效益、环境效益和社会效益。

[1] 颜纯文,D.Stein.非开挖地下管线施工技术及其应用[M].北京:地震出版社,1999.

[2] 张 伟,王 鹏.现代非开挖地下管线施工方法及适用范围[J].地质与勘探,1998,34(1):61-64.

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