【微课堂】非开挖技术的分类与结合到底是什么？一一揭晓

提示：点击↑上方"非开挖技术论坛"关注我！现代非开挖施工技术于二十世纪六十年代末起源于日本、...




提示：点击↑上方"非开挖技术论坛"关注我！

现代非开挖施工技术于二十世纪六十年代末起源于日本、英国和美国，由于其技术上的优势，在世界各地广泛推广，于1986年在伦敦成立了国际非开挖技术协会（ISTT-International Society for Trenchless technology）。非开挖施工技术主要有水平定向钻进施工和气动锤施工两种方法，并且两种施工方法又有相结合的趋势。而气动锤施工方法又可分为气动矛钻进、夯管法、碎管法等技术。

非开挖施工技术是在不开挖地表的条件下，进行地下管线铺设、更换和修复的一项施工方法，与传统的开挖方法相比，具有不影响交通、不破坏地表设施、施工周期短、施工成本低、操作方便、社会效益显著等优点，尤其对于需要在地下较深位置、地表有障碍物、地面附属物修复困难等情况更具优势，目前，广泛应用于穿越公路、铁路、建筑物、河流以及在城区、古迹保护区等进行市政、供水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等管线的铺设、更新和修复等工程。

由于国外对非开挖施工技术研究较早，已形成了多种系列产品，具有代表性的生产厂家有美国的Vermeer公司、DitchWitch公司、Mchlaughlin公司，英国的MTM公司和POWERMOLE公司，德国的ESSIG公司和TRACTO-TECHNIK公司以及瑞士的Terra公司。

我国非开挖施工技术与设备的开发和研究工作起步较晚，在二十世纪八十年代后期，由于不允许开挖铺设地下管线的工程日益增多，以及各大城市改扩建工程的开展，开始引进各类非开挖施工设备，并促进了我国非开挖施工技术和设备的开发和研究工作，并成立了中国非开挖技术协会。非开挖技术在我国的发展十分迅速，2004年非开挖的工程产值和设备的投入量都达到了40~50%的增长速度，设备的国产率大幅提高，有些设备的国产化率达到了90%，年产值超过30亿元。由于我国对非开挖施工技术研究起步较晚，产品系列不全，主要生产厂家有长沙中联重科、中国地址科学院勘探技术研究所和上海隧道工程股份有限公司。

一、 水平定向钻机及施工方法

水平定向钻进铺管施工方法为：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，其施工方法如下图。


图左边为水平定向钻进行导向孔钻进示意图，而图右边为扩孔和铺设管线示意图。水平定向钻具有可控制的钻进系统，能进行导向钻进。通过钻杆的旋转和一个特殊设计的楔形钻头，导向钻进过程能进行三维控制，其原理为：当钻进过程如果需要改变方同，钻杆停止旋转，将楔形钻头的楔面固定在相应的位置，将钻杆向前推进即可改变钻进方向。对于钻头的位置、钻头与地面的倾斜度、楔面角度等重要数据是通过一个电磁探测仪传送到地面上的接收仪器中。到达目的点的楔形钻头将被换成一个锥形扩孔器，在回拉钻杆时将钻孔扩大到所需直径，同时将管线带入，其扩孔钻头如下图，可实现岩石和土质地层扩孔。



定向钻机按照不同的推拉力分为6.5t、1Ot、12t、20t、20t、150t，可用于直径达600mm，一次管线铺设长度可长达350mm或数公里的管线铺设。为了满足更大管径和更长距离的管线铺设要求，有些公司正在研究更大吨位的定向钻。
定向钻机适用于均质地层的施工。当遇到卵砾石地层钻进时，一般钻机难以施工，为了解决上述施工难题，德国的TRACTO-TECHNIK公司开发了一种具有冲击功能的钻机，可以击碎钻进中的卵砾石，而对回扩时遇到大块卵砾石时，可采用图2中右边的岩石扩孔钻头。

目前在岩石中的钻进已有多种较为成熟的方法，其中中联重科研究出的KSD25型干湿两用水平定向钻机，采用气动冲击锤钻进技术，能完成硬岩导向孔钻进。但在岩石中扩孔至今仍无新的方法出现，仍然采用传统的牙轮钻具，其效率低、磨损严重、费用高。

随着产品的升级，水平定向钻机向智能化方向发展，能实现智能钻进纠偏、智能故障诊断、自动装卸钻杆、自动锚固、自动清泥和自动钻进等功能。

二、气动冲击锤及施工方法

气动冲击锤结构十分简单，由一个活塞缸和一个在活塞缸内运动的活塞，以及其它不超过10个辅助零件组成，其工作原理为：冲击活塞由压缩空气驱动，撞击活塞缸前端，活塞缸前端对活塞的反作用力使得整个冲击锤在土层中沿冲击方向向前运动。气动矛（HammerHead Mole ）、夯管锤（Pipe Ramming Systems）和碎管锤(Pipe Bursting Systems)都称为气动冲击锤，下面将对三种气动冲击锤的施工方法进行分析。

1、气动矛

气动矛的施工方法为：在压缩空气的作用下，气动矛内的活塞作往复运动，不断冲击矛头，矛头挤压周围的土层形成钻孔，并带动矛体在土层中前进；随着气动矛的前进，气动矛将直径小矛体的管线拖入孔内，完成管线铺设。根据地质条件的不同，可以采用气动矛先成孔，然后再将管线拖入孔内，也可以边钻孔边将管线拖入孔内。

气动矛适合在不含水的均质地层中，如粘土、亚粘土中铺设外径为30~150mm，长度为10~100m的钢管、PE、PVC、电缆等管线。气动矛具有操作简单、装拆方便、容易维护、施工成本低、施工速度快等优点，并且具有运动方向正反转功能。

气动矛的直径为45~180mm，冲击力为1.7~43吨，在加上附件的情况下，气动矛也适合竖直方向如地基桩的夯进，当配上套插锥头也可做为夯具使用。
气动矛一般只能实现直线钻孔，但德国的TRACTO-TECHNIK公司研制的定向气动矛也可实现定向钻孔，其施工方法如下图所示。定向气动矛借助于标准的导向仪引导方向,传感器置于气动矛前腔室内,给显示器提供倾角及转动信息,而地面上的手动定位装置可精确跟踪气动矛的倾角和深度位置。根据土壤不同结构,定向气动矛的最小弯曲半径为27~30米。



     2、夯管锤
夯管锤施工方法是采用夯管锤将待铺设的钢管沿设计路线直接夯入地层中，施工时夯管锤的冲击力直接作用于夯管后端，通过钢管传递到前端的管鞋上切削土层，并克服钢管与地层之间的摩擦力，使钢管不断进入土层，实现非开挖铺设管线。
夯管锤采用护管夹头与夯管连接，护管夹头锥形钢套能十分有效地将夯管锤固定在夯管上，从而不需支撑架。采用夯管锤后退功能，能十分容易将夯管锤从护管夹头上取出。夯管锤的施工方法如下图所示。


上图左边为采用护管夹头将夯管锤稳固地连接在夯管，并放置在夯管支架平台上，夯管锤的冲击载荷将夯管夯入地层中的情况。上图右边为采用压缩空气或者高压水推动压力盘，将管内土石推出管道的情况，也可采用螺旋钻将管道内的土石挖出。
夯管锤直径为95~600 mm、夯击力为23~2000吨，适用在不含大型卵砾石的各种土层中铺设外径为50~3500mm，长度为10~80m的钢管。夯管锤施工方法具有不需昂贵的阻力支座、装调时间短、技术简便、只需很小的施工深度、施工成本低、施工速度快等优点，并且也具有后退的功能。
夯管锤是利用动态的冲击能将钢管夯入地层，夯管锤在地层变化或遇到障碍物时容易偏离方向，钻进的方向不可控制，轨道精度低，不适宜在大型卵砾石地层中使用。     3、碎管锤
气动碎管锤施工方法是采用碎管锤将原有旧管线爆裂，重新铺设新管线的施工方法，新铺设的管线可以等于或大于原有旧管线，其施工原理图如下。


当管道出现纵裂、渗漏、生成物沉积、堵塞等情况，可以采用碎管法这种既快捷又经济的施工方法重新铺设管线。碎管机能更新的管线有陶瓷、不加筋混凝土、石棉水泥、塑料或铸铁的旧管道。
气动碎管锤直径为130~600 mm，适用于污水管、排水管及气、水等旧管道的更换，可换入同管径或更大管径的PVC－u（不饱和聚氯乙烯）、PS-HD（高密度聚乙烯）、Pp（聚丙烯）新管线，管线的外径为150~1200mm，长度为10~100m。碎管锤施工具有设备简单、投资少、施工成本低、容易安装和维修、施工速度快等优点，并且也具有后退的功能。
三、 平定向钻与气动冲击锤组合施工
当采用水平定向钻单独施工时，有时会遇到起始钻进困难，钻杆、管道回拖时被泥浆粘住或被卡住等情况，经常采用水平定向钻与气动冲击锤组合施工方法解决上述难题。在岩石、卵砾石和回添土层中铺设管线，是非开挖施工所面临的技术难题，采用水平定向钻与气动冲击锤回扩锤组合施工，是解决上述施工难题的有效方法。1）、水平定向钻与夯管锤组合施工
水平定向钻与夯管锤组合施工，可为水平定向钻机施工前夯入起始管道、帮助水平定向钻铺设管道、取回钻钻具、钻杆等。1、为水平定向钻机钻进施工夯入起始管道
夯管锤能帮助水平定向钻在坚硬的地层夯进一段管通，为钻进液循环准备一条通道，也可为管道回拉时准备一段没有摩擦力区域。


2、帮助水平定向钻铺设管道
将夯管锤连接在铺设管道后端，对管道后端施加冲击力，防止水平定向钻在长距离管道铺设过程中被泥浆粘住。


3、取回水平定向钻钻具
当水平定向钻铺设管道失败的情况下，将夯管捶安装于管道上，当夯管锤的冲击力施加于管道上，可以帮助水平定向钻取回被泥浆粘住的管道或钻具。


4、 帮助水平定向钻取回钻杆
采用特殊的连接机构将夯管锤与钻杆连接，夯管锤的冲击力施加于钻杆上，可以帮助水平定向钻取回被泥浆粘住的钻杆。


2、水平定向钻与气动回扩锤组合施工
在岩石、卵砾石和回添土层中铺设管线，是水平定向钻和气动冲击锤面临的技术难关，而该类工程很多。现在，每当遇到此类工程时，大部分施工单位都果断地选择放弃，少数配备了一定施工设备的施工单位承接此类工程后，往往费尽周折还未必能顺利完工，因此，尽快研制满足该类工程施工要求的配套设备是目前市场所急需的。
矿山潜孔钻机采用的潜孔冲击器也是一种气动冲击锤，其在岩石中钻孔的技术十分成熟，广泛应用矿山爆破作业中。根据潜孔钻工作原理，研制一种与水平定向钻机配套施工的气动回扩锤，由水平定向钻提供回转运动，由气动回扩锤提供冲击能，理论可以实现在岩石、卵砾中钻孔和扩孔的施工要求。目前，美国的Vermeer、国内中联重科等公司正在针对上述技术进行研究，该种新型气动回扩锤将会很快投入非开挖市场，满足用户的施工要求，其施工原理图如下。


非开挖的市场潜力是巨大的，其技术发展十分迅速，水平定向钻技术与气动冲击锤技术相结合，能满足在卵砾石、岩石等复杂地层中铺设管线，将是非开挖技术的发展方向。另外水平定向钻技术与自控技术结合，其自动化程度提高，工作更安全可靠，将是水平定向钻的发展方向。
五、结论
虽然非开挖施工技术在我国不超过三十年的历史，但以水平定向钻和气动冲击锤为代表的非开挖施工方法发展十分迅速，广泛应用于城市新管线铺设和旧管线的更换，其市场潜力不可估量，其主要发展趋势如下：
1. 设备向大型化发展，满足大管径和长距离的的管线铺设。
2. 水平定向钻机与气动冲击锤设备组合施工，满足在卵砾石、岩石等复杂地层中管线铺设。
3. 专用设备的开发，如非开挖泥浆净化回收系统，满足特殊非开挖施工要求；与自控技术结合，向知能化方向发展。

各位非开挖技术大神们，从今天开始，小编将与你们一起进行非开挖学术探讨，请大家踊跃留言哦~~

非开挖技术论坛是一个集人员求职招聘、技术交流、项目合作为一体的综合性行业论坛~~~~本微信平台致力于服务好每位非开挖技术人员，无论您遇到技术问题或是人员求职招聘问题，我们都将借助平台的力量为您提供服务。欢迎大家来电来稿！！！

投稿邮箱：75955042@qq.com

客服QQ：75955042

官方QQ群：259027563欢迎各位大神的加入（入群打广告者送出群机票一张）

    关注 非开挖技术论坛