顾海东

省时省钱的地下管线敷设技术——Föckersperger管线敷设犁系统探秘

顾海东

地下管道线缆的敷设是个颇为费时费力的工程，而来自德国的Föckersperger敷设犁系统以其精妙的设计提供了一套近乎完美的解决方案，无论是敷设效率、施工质量还是经济成本都比传统方式优越得多。

现代社会离不开各种管道和线缆，比如自来水管道、污水管道、燃气管道，以及电缆、通信线缆等，涉及到人们工作生活的方方面面。它们组成了一张庞大的生命之网，维系着人类社会的正常运转。如此数量众多的管道线缆，必须合理妥善地敷设才能有效地为人类服务。

常见的管道线缆敷设方式

由于管道和线缆的种类及用途繁多，各自有其不同的架设场合，在陆地上和海洋中均可见到它们的踪影，其中陆地自然是占据多数。

陆地上的管线敷设可分为两大类。一是架空敷设，以石化装置管道和输电线缆最为常见，具有便于施工、维修、经济等优点，但缺点是需占用地面上的空间；另一种是地下敷设，可充分利用地表层，并不需要地面上的支撑设施。

地下敷设又可分为两类。一是管沟敷设，管线被布设在综合管沟中，内部配备有专用维修口、吊装口、排水设施和监测系统等，方便维修管理，但管沟建造的成本昂贵，占地面积大，适合城市内统一规划建设；二是直埋敷设（如图1），它不需要砌筑地沟，具有成本低、施工进度快、占地小等优点，但对管线的腐蚀性强，且检修困难。

事实上，陆地上大部分的管线敷设均以直埋为主，毕竟成本和施工速度都是重要的考量点。即便如此，国内的直埋敷设还是要耗费大量的人力物力和经历繁琐的步骤。首先得用挖掘机或人工方式在地面上开出一定深度和宽度的凹沟；然后敷设管道线缆时仍需大量劳动力参与（如图1）；最后再重新盖上土埋住管线又可能需要人工操作。整个敷设过程分为多个不连贯的阶段，即使其中有机械辅助，还是需要大量的人员参与，施工效率和成本都无法让人满意，而且对环境的破坏和影响也非常明显。

图1　人工方式进行直埋敷设

Föckersperger管线敷设犁系统

来自德国的Föckersperger敷设犁技术专门针对管线的直埋敷设领域，把整个施工过程变成了流畅的一站式服务流程，省时省力，极大地提高了效率和施工质量。

1Frank Föckersperger公司简介

Frank Föckersperger是一家历史悠久的德国公司，其前身最早可追溯到1865年Johann Heinrich Müller在其家乡创建的机械公司。直到1971年，Georg Föckersperger开始设计制造管道线缆敷设犁，从此开创了Föckersperger管线敷设犁这一世界知名的产品。到2004年，Georg Föckersperger公司演变为生产数控设备的Günter Föckersperger公司和专注于敷设犁的Frank Föckersperger公司。Frank Föckersperger公司在敷设犁领域不断专研，产品推陈出新，成为该领域的佼佼者，产品远销世界各地。

Frank Föckersperger公司不仅生产和销售敷设犁产品，同时还提供完善的带有操作人员的租赁业务，与德国内外不少土建工程和管道安装公司、建筑工程承包商保持着业务往来。

2敷设犁系统组成

敷设犁技术并不是采用单一的设备来完成所有功能，而是包含了一系列各司其职的产品，它们组成一个分工协作的系统共同完成施工项目（如图25）。打个简单的比方，整个系统就像中国古代耕地的方式——用牛拉动犁来松土。

这种分离式的设计使得系统的可用性更加多样灵活，系统各部分也可以按最有利于自身功能的方式进行设计，以达到最优化。敷设犁系统主要包含以下设备。

1. 敷设犁

整个系统的核心设备便是敷设犁，Föckersperger拥有多种针对不同管道线缆的敷设犁，但其结构原理大体相同。

敷设犁是一辆外形奇特的车辆，车身周围装有4根悬臂，悬臂的末端各有一个橡胶轮胎的车轮，整辆车活像一只4条腿的大蜘蛛（如图2、3）。通过各处的液压装置可以任意独立调节4根悬臂的方向、高度以及各个车轮的转向（如图4），这使它几乎可通过任何障碍，实现全地形作业。无论是倾斜的山坡、路堤或沼泽地区，还是公路铁路沿线，甚至是浅层水域都是敷设犁的用武之地（如图5、9、24），而其低高度的设计也适合在森林地区使用。

图2　敷设犁前视图

图3　敷设犁侧视图

敷设犁拥有强大的力量，而简洁的机械结构却使其仅有很轻的自重，操作和维修都非常方便，也不会把土壤过度压实。位于车轮顶部的悬挂系统使得车身与地面间留有足够的间隙（如图4），这在面对复杂地形时是很有利的，敷设犁甚至可以骑跨公路护栏施工（如图5）。

车身的后部安装有犁片（如图3），犁片可以用液压方式调整插入到地面的深度和角度；而犁片与牵引用的连接件用铰链稳固地铰接在一起，即便是牵引时产生横向偏移也不会对牢固度产生影响。

图4　悬臂可任意调整高度和方向

紧挨着犁片所后方的是安装槽（如图6、22），管道和线缆便通过它埋入犁片开出的空间里（如图7）。

车身的尾部还有一些可调节的辅助结构，可以帮助限定待安装管线的位置（如图6），也可以自身挂上线缆盘直接敷设（如图10）。

敷设犁可以在一次行程中同时实现多个管道、线缆和警示带的布放（如图6、8、26），大大提高了敷设效率。

除了上述常规的敷设犁，Föckersperger还有一种专门针对大直径管道敷设的火箭犁（如图23）。其车体的结构和常规敷设犁类似，主要区别在于布放的管道被直接连接在犁片后的延伸体（称为火箭）的后面，因此就可以把管道拉进延伸体造成的空间内（如图11）。延伸体排开的空间最大直径可以达到500mm，这样就可一次将200～300m的预先接好头的管道直接在犁的带动下敷设入地下，借助于安装在延伸体后面的溜槽，还可以布放外加的缆线和警示带。火箭犁可用于敷设PE管（直径可达335mm）、软管和钢管等，由于存在牵引，管道必须具有一定的抗拉性。

图5　敷设犁跨过护栏敷设线缆　　

图6　敷设犁可同时敷设多根线缆

　图7　线缆从安装槽埋入犁出的空间

图8　敷设犁从管线运输车上抽取线缆敷设

图9　敷设犁在沼泽地区施工时四轮装上滑板　　

图10　敷设犁自带线缆盘

图11　火箭犁牵引管道敷设

2. 绞盘车

敷设犁在破开地面敷设管线时会遇到土壤巨大的阻力，依靠自身的动力显然是不够的，还需要绞盘车的牵引助力。

绞盘车一般采用MAN或Mercedes-Benz底盘（有2轴和3轴版本，如图12、13），最大功率可达480马力。一个强劲的牵引绞盘被安装在向后倾斜的台座上，可以保证牵引时缆索不会摩擦到车身。而车的尾部则装有一个巨大的双叉支撑板，可通过液压系统调整其上下位置及角度，当把支撑板插入土壤中，就可把绞盘车牢牢固定住（如图16），从而提供多达156～200 t的牵引力。另外绞盘和支撑板的基座整体也可以调整左右倾斜程度（如图14、15），这使得绞盘车无论在什么地形都能找到稳固的支撑点。比如车身不用离开道路却仍能把支撑板牢牢固定在道旁的土壤中（如图19），从而减少对环境的破坏。

图12　Mercedes-Benz底盘的绞盘车

图13　MAN底盘的绞盘车

强力的绞盘车几乎可以在任何地方工作，陡峭的斜坡、街道、停机坪、沼泽、小溪等各种类型的地形都可见到它的身影。在一些特定的场合，绞盘车也可加装一些设备，以增强其适应性，比如在松软的泥地上，可再额外增加一组宽大的后轮（如图20），以便加大接触面积，提高抓地能力。

绞盘车的所有操作都可以在驾驶室中由司机独自完成，手柄加上按钮的操作方式直观易用（如图17），而后视的摄像头则可实时回传绞盘和支撑板的工作状况（如图18），方便操作监控。

绞盘车还有橡胶履带的版本（如图21），适合沼泽等不利于轮胎式绞盘车施工的场合。

绞盘车除了能和各种敷设犁搭配使用外，还可用来牵引管道、回收设备等。

3. 管线运输车

除了少量待敷设的线缆可以直接把线缆盘挂在敷设犁的辅助支架上外（如图10），大部分情况下都需要有专门的运输车来运输管线盘，负责随时向敷设犁输送管线（如图27）。施工过程中，这些管线不用从运输车上卸下，而是直接由敷设犁一边敷设一边从运输车上抽取（如图8、25），这种流水化的作业方式，很少需要人工干预。

4. 自动埋砂车

在松软的土壤中敷设线缆时，由于敷设犁破开的地面缺口非常狭窄，敷设完成后往往无需特殊处理，一段时间后土壤裂口便会在重力和环境等的影响下像伤口那样逐渐愈合而不留痕迹；但是对于土质偏硬的岩化地区，则必须填埋犁出的空隙。Föckersperger的自动埋砂车便是专为此而设计，它可以直接连接在管线敷设犁的尾部（如图22、23），通过砂槽来保证犁出的空隙被均匀的填埋，这替代了费时费力的手工劳动。

为了避免对环境造成的破坏，自动埋砂车并不直接在填埋的轨迹上运作，而是在侧面的路径上工作。这对于公路边的敷设作业而言，埋砂车完全可以行驶在公路上填埋路边的空隙。这项技术的使用，减少了环境破坏，使施工者的修复工作大为缩减。

5. 敷设犁运输拖车

敷设犁的运输转场也非常方便，一部3轴的全挂拖车便是它的座驾，此时绞盘车可用来充当拖车的牵引车（如图30）。

敷设犁灵活的悬臂结构在上下拖车时又大发神威。以上车为例，首先敷设犁调整悬臂方向使两侧轮间距大于拖车的宽度，并且车身底部高于拖车承载面，这样就可以把敷设犁直接开到拖车的正上方（如图2 8）；然后依次抬起4根悬臂把车轮放置在拖车上（如图29），收拢体型后固定在拖车上便大功告成。简直就像一只大蜘蛛自己爬到了拖车上！

图14　支撑板基座可大幅度左右倾斜

图15　放下状态倾斜的支撑板

图16　放下支撑板的绞盘车

图17　可通过手柄和按钮等操作绞盘车　　

图18　驾驶室中通过摄像头可观察后方情况

图19　绞盘车的支撑板斜插入侧面土壤中

图20　松软土地上绞盘车加装后轮

图21　橡胶履带的绞盘车

3工作流程

Föckersperger敷设犁系统的工作流程非常流畅，一气呵成。

对于常规敷设犁而言，到达施工场地后，绞盘车的绞索需要和敷设犁上的连接件固定在一起，有必要的话，管线运输车和自动埋砂车也各自就位（如图22、25）；然后犁片以管线所要求的埋深插入预先挖好的起始井中；接着绞盘车行驶到敷设犁前方一段距离，选择合适的位置旋下支撑板插入土壤固定（如图24）；在绞盘车绞盘牵引力的拉动下，敷设犁的犁片排开土壤并依靠自重维持在起始的深度，同时与其连接的可纵横移动的安装槽使得槽沟底部平滑，以此方式可在所需埋深处获得敷设管线的空间，从随行的管线运输车处输送过来的管线则源源不断地经由安装槽敷设入刚刚形成的沟槽底部（如图22），且对管线不会造成外力拉扯；而敷设完管线后留下的空间则可由挂在后方的自动埋砂车依序填埋；当敷设犁前进到靠近绞盘车时，绞盘车收起支撑板，前行一段距离后再重新放下支撑板，于是下一轮敷设过程再次开始，周而复始，直到所有管线都敷设完成。

火箭犁的工作流程基本类似（如图23），在此不再赘述。

图22　常规敷设犁施工原理图

图23　火箭犁施工原理图

图24　工作中的绞盘车和敷设犁

图26　敷设型在敷设线缆时间上警示带

图27　管线运输车　　

图28　敷设犁行驶到拖车的正上方

图29　敷设犁爬上拖车

图30　绞盘车牵引拖车运输敷设犁

4功能特点

Föckersperger敷设犁系统与常规敷设方法相比，有着巨大的优势。

一是拥有极高的敷设效率和施工质量。敷设犁一天便内可安全敷设5 000 m的管道或线缆，而且能保证优秀的施工质量。为了确保敷设位置和深度的精确性，还动用了GPS和激光定位技术随时监控，以修正误差。

二是经济成本大为缩减。整个系统超高的产能大大缩短了施工周期，高度自动化的操作又可节省大量的劳动力成本，燃料消耗也比常规方式减少90%，总体可比传统方式节省50%的成本。

三是生态环境保护非常到位。敷设时所需的工作空间远小于传统方式；相关设备施工时尽可能地不直接行驶在敷设路线上（如图5、19、24），可有效减少土壤压实和对植被的破坏；敷设犁在破开土壤时无需表土剥离，不同深度的土壤不会混合（如图26），也不需要改变地下水位，施工后的痕迹很快就会消失。

四是应用范围的多样性。敷设犁的方法尤其适合于农村地区需要长距离敷设管线的地方，同样也适用于较短的距离或通过地形复杂的区域。敷设犁可灵活调节的悬臂系统使其即便在陡峭的斜坡或小型近岸水域甚至低于地下水位的情况仍可游刃有余（如图9、24）。它能敷设的管线种类也非常丰富，电话线、光缆、电缆、自来水管、下水道、天然气管道等均能轻松应付。

结语

化零为整是很多产品设计常用的手段，这有利于一物多用和功能的集成，但它并非万能良药。而Föckersperger管线敷设犁系统的设计则让人耳目一新。它摒弃了大而全的一体化设计，反其道而行之，采用化整为零的方法 ，反而使得各部分功能最优化，使用方式也更具多样性。此外，该系统对环境保护所作的诸多贴心设计同样是非常值得我们借鉴学习的。

2016-06-28