非开挖技术综述

1、王保成 范翱翔 沈佳虹 1 非开挖技术概述 2 非开挖技术应用领域 3 非开挖施工技术 4 非开挖施工设备发展 非开挖技术是在不开非开挖技术是在不开挖或少开挖的条件下，挖或少开挖的条件下，利用地质工程等技术利用地质工程等技术手段手段( (主要是钻掘技主要是钻掘技术和物探技术术和物探技术) )对地对地下各类管线进行设计、下各类管线进行设计、铺设、修复、更换、铺设、修复、更换、探测和评估的一门新探测和评估的一门新兴的高新技术兴的高新技术 1900 - 1960 1900 - 1960 早期非开挖技术的应用早期非开挖技术的应用 尤其是二战后，美国、欧洲、日本等国的重建尤其是二战后，美国、欧洲、日本等

2、国的重建简单的方法简单的方法，用于穿越铁路、公路、河流等短距离施工，用于穿越铁路、公路、河流等短距离施工 回转钻进（水平湿钻）、水平螺旋钻进（水平干钻）、回转钻进（水平湿钻）、水平螺旋钻进（水平干钻）、人工顶管人工顶管 1960 - 1985 1960 - 1985 现代非开挖技术的兴起和发现代非开挖技术的兴起和发展展 生活水平的提高、交通的发展、传统施工方法成本的提高生活水平的提高、交通的发展、传统施工方法成本的提高替代的方法替代的方法, ,开发了各种非开挖铺设、更换和修复的方法和设备、开发了各种非开挖铺设、更换和修复的方法和设备、奠定了现代非开挖技术的基础奠定了现代非开挖技术的基础 198

3、5 - 1985 - 现在现在 现代现代非开挖技术的大规模应用非开挖技术的大规模应用 非开挖方法和设备的非开挖方法和设备的完善，交通、环保、法律完善，交通、环保、法律意识的增加，成本降低、意识的增加，成本降低、政府支持政府支持 首选的方法首选的方法（比例在（比例在10%10%左右）左右） 形成新的产业：设备形成新的产业：设备制造商（约制造商（约100100家）、材家）、材料供应商（约料供应商（约400400家）、家）、工程承包商（工程承包商（6000-80006000-8000多家）、咨询公司、科研多家）、咨询公司、科研院所院所 地下管线施工地下管线施工 各类管线（自来水、污水、雨水、石油、各

4、类管线（自来水、污水、雨水、石油、 天然气等管道，天然气等管道， 以及通讯、动力和信号等电缆线）的铺设、更换、以及通讯、动力和信号等电缆线）的铺设、更换、 修复修复 管棚支护管棚支护 地下人行过道、地铁、地下车库等工程的结构性支护地下人行过道、地铁、地下车库等工程的结构性支护 环境治理环境治理 在受污染的地下水和地层中设置水平环境治理井在受污染的地下水和地层中设置水平环境治理井 其其 它它 基础工程（钢管桩、微桩、土钉）、基础工程（钢管桩、微桩、土钉）、边坡、路基、大坝等边坡、路基、大坝等 工程（排渗孔、降水孔和注浆孔等）、以及工程（排渗孔、降水孔和注浆孔等）、以及降排水、地热降排水、地热 井

5、施工、瓦斯的排放和煤层气开发等井施工、瓦斯的排放和煤层气开发等 在管线施工时无需对路面和地表在管线施工时无需对路面和地表“开膛破肚开膛破肚”，解决了长期以来困扰城市地下管线建设工程的解决了长期以来困扰城市地下管线建设工程的难题：阻断交通、破坏环境、影响商店、医院、难题：阻断交通、破坏环境、影响商店、医院、学校和居民的正常生活和工作秩序。学校和居民的正常生活和工作秩序。 具有较好的经济效益。具有较好的经济效益。在相同情况下在相同情况下, ,非开非开挖施工的综合成本挖施工的综合成本( (直接成本直接成本+ +间接成本间接成本) )均低于开挖法施工均低于开挖法施工, ,而且管径和埋深越大而且管径和埋

6、深越大时越明显。部分非开时越明显。部分非开挖施工方法的直接成挖施工方法的直接成本甚至低于开挖法施本甚至低于开挖法施工工( (图图1)1)。 施工方法为：施工方法为： 采用水平采用水平定向钻机，首先钻进一个定向钻机，首先钻进一个较小的导向孔，然后卸下较小的导向孔，然后卸下导向钻头，换上扩孔钻头导向钻头，换上扩孔钻头进行反向扩孔，同时将待进行反向扩孔，同时将待铺设管线拉入钻孔中，铺设管线拉入钻孔中， 根据钻机的能力和待铺设根据钻机的能力和待铺设管线直径大小，有时需要管线直径大小，有时需要进行二次或多次扩孔后再进行二次或多次扩孔后再铺设管线铺设管线 优优 点点 对地表干扰少对地表干扰少 施工速度快施

7、工速度快 可导向，施工精度较高（可导向，施工精度较高（3 - 53 - 5） 缺缺 点点 施工前要探明地下管线分布，以防触电和损坏相邻管线。施工前要探明地下管线分布，以防触电和损坏相邻管线。 适用条件适用条件 管径为管径为50 50 2000 mm 2000 mm； 管线长度一般可达管线长度一般可达50 - 1500 m50 - 1500 m； 管材为塑料管、钢管；管材为塑料管、钢管； 一般适用于各类地层，主要为松软的土层一般适用于各类地层，主要为松软的土层 顶管法是使用得最早的一种施工方法，起源于美国。最初，顶管施工法主要用于跨越孔施工时顶进钢套管。随着技术的改进也用于无套管的情况下顶进永久

8、性公用管道，主要是重力管道。顶进施工时，首先选择工作坑的位置，开挖工作坑。然后按照管线的位置和坡度，在工作坑底部修筑基础，在基础上设置导轨，并将管节安放在导轨上。顶进前，在管端开挖导孔，再用千斤顶将管节顶入，一节管顶进去后，连接第二节管继续顶进。根据施工方式和出渣系统的不同可分为三种根据施工方式和出渣系统的不同可分为三种: : 先导式小口径顶管法：先顶进先导管形成先导孔，随先导式小口径顶管法：先顶进先导管形成先导孔，随后扩大先导孔，同时顶进保护套管或永久管道。后扩大先导孔，同时顶进保护套管或永久管道。 螺旋式小口径顶管法：切削钻头钻进成孔，并由螺旋螺旋式小口径顶管法：切削钻头钻进成孔，并由螺旋

9、钻杆排出钻屑，同时顶进保护套管或永久管道。钻杆排出钻屑，同时顶进保护套管或永久管道。 泥浆式小口径顶管法：切削钻头钻进成孔，利用循环泥浆式小口径顶管法：切削钻头钻进成孔，利用循环浆液排出钻屑，同时顶进保护套管或永久管道。钻进时，浆液排出钻屑，同时顶进保护套管或永久管道。钻进时，用水压、浆压或机械压力来平衡工作面的压力，维持工用水压、浆压或机械压力来平衡工作面的压力，维持工作面的稳定。作面的稳定。 优优 点点 对地表的干扰（交通、噪声，振动）小对地表的干扰（交通、噪声，振动）小 埋深大时施工成本比传统的方法低埋深大时施工成本比传统的方法低 管线的方向和坡度可精确控制（偏差在管线的方向和坡度可精确

10、控制（偏差在25 mm25 mm以内）以内） 缺缺 点点 需对地层条件进行详细勘查，大卵砾石等障碍物会影需对地层条件进行详细勘查，大卵砾石等障碍物会影响施工响施工 设备投资大设备投资大 对操作人员的技术和经验要求高对操作人员的技术和经验要求高 需开挖两个工作坑需开挖两个工作坑 适用条件适用条件 管径管径1501501000 mm1000 mm（实际上可以更大）（实际上可以更大） 管线长度可达管线长度可达300 m300 m或更长，一般为或更长，一般为50 50 150 150 m m 管材可以是混凝土管、陶土管、玻璃钢管、管材可以是混凝土管、陶土管、玻璃钢管、铸铁管、钢管等铸铁管、钢管等 各种

11、地层，包括含水地层，含卵砾石地层各种地层，包括含水地层，含卵砾石地层（最大卵砾石块度不大于切削头直径的（最大卵砾石块度不大于切削头直径的1/31/3） 冲击矛因其形状似矛并以压缩空气驱动冲击矛因其形状似矛并以压缩空气驱动, ,故通故通常称为气动矛。它由钢质外套和重型活塞组成。常称为气动矛。它由钢质外套和重型活塞组成。在压气作用下在压气作用下, ,矛体内的活塞往复运动矛体内的活塞往复运动, ,不断冲不断冲击矛头击矛头, ,矛头挤压土层成孔并带动矛体前进。欲矛头挤压土层成孔并带动矛体前进。欲铺设的管线接在气动矛后铺设的管线接在气动矛后, ,一次铺入。由于矛体一次铺入。由于矛体与土层摩擦力的作用以及

12、活塞往复运动的冲击与土层摩擦力的作用以及活塞往复运动的冲击力远大于回程时的反作用力力远大于回程时的反作用力, ,故气动矛可在土层故气动矛可在土层中自行移动。通过反转送气管中自行移动。通过反转送气管, ,还可实现气动矛还可实现气动矛向后运动。气动矛铺管法的特点是简便、易行、向后运动。气动矛铺管法的特点是简便、易行、效率高、成本低。效率高、成本低。施工过程施工过程 优点优点 操作简单，不要求较高的专业技术操作简单，不要求较高的专业技术 投资少，施工成本低投资少，施工成本低 对地表干扰少对地表干扰少 缺点缺点 地层条件变化或遇到障碍时易偏离设计方向地层条件变化或遇到障碍时易偏离设计方向 不可控制方向

13、，施工精度受到限制不可控制方向，施工精度受到限制 不适用于硬土层或含大的卵砾石层，以及含水地层不适用于硬土层或含大的卵砾石层，以及含水地层 适用条件适用条件 管径管径30 - 250 mm 管线长度管线长度20 - 80 m 管材为管材为PVC、PE、钢管、电缆等、钢管、电缆等 适用于不含水的均质地层，如粘土、亚粘土等适用于不含水的均质地层，如粘土、亚粘土等施工图 该该方法是靠一个低频、大冲击功的气动锤方法是靠一个低频、大冲击功的气动锤( (夯管锤夯管锤) )将欲将欲铺铺设的钢管直接夯入地层。夯管设的钢管直接夯入地层。夯管锤的工作原理与气动矛的相似锤的工作原理与气动矛的相似, ,有的气动矛也可

14、有的气动矛也可兼做夯管锤。这两种方法的区别在于兼做夯管锤。这两种方法的区别在于: :气动矛在气动矛在土层中前进并拉入管线；而夯管锤是在土层之土层中前进并拉入管线；而夯管锤是在土层之外将钢管夯入土层。夯管锤夯击的是开口钢管外将钢管夯入土层。夯管锤夯击的是开口钢管, ,管柱前端接有管靴管柱前端接有管靴, ,铺管时有土芯进入钢管。土铺管时有土芯进入钢管。土芯可通过压气或水以及螺旋钻掏土方法排除芯可通过压气或水以及螺旋钻掏土方法排除。 优点优点 对地表的干扰极小对地表的干扰极小 设备简单、投资少，施工成本低设备简单、投资少，施工成本低 缺点缺点 不可控制施工方向不可控制施工方向 不适用于含大卵砾石的地

15、层不适用于含大卵砾石的地层 适用范围适用范围 管径为管径为50 - 2000 mm 管线长度为管线长度为10 - 80 m 管材为钢套管管材为钢套管 适用于不含大卵砾石的各种地层，包括含水地层适用于不含大卵砾石的各种地层，包括含水地层。 爆管法是在世界范围内使用最广的一种非开挖爆管法是在世界范围内使用最广的一种非开挖管道更换工艺，典型的爆管法施工工艺是将一管道更换工艺，典型的爆管法施工工艺是将一个圆锥型的爆管工具插入到待换旧管道中并通个圆锥型的爆管工具插入到待换旧管道中并通过拉或顶驱使它通过管道并使其破裂，破碎的过拉或顶驱使它通过管道并使其破裂，破碎的管道碎片被挤入到管道周围的土体中，与此同管

16、道碎片被挤入到管道周围的土体中，与此同时，接在爆管头后面的新管道也通过拉或推的时，接在爆管头后面的新管道也通过拉或推的方法铺设。大部分的管道安装都是采用拉力的方法铺设。大部分的管道安装都是采用拉力的方法铺设的。方法铺设的。 优优 点点 可保持或增加原管的设计能力（直径可扩大可保持或增加原管的设计能力（直径可扩大150%150%） 施工速度快，对地表的干扰少施工速度快，对地表的干扰少 可利用现有的工作井可利用现有的工作井 缺缺 点点 旧管埋深较浅或在不可压密的地层中时，可能引起地旧管埋深较浅或在不可压密的地层中时，可能引起地表隆起表隆起 可能损坏邻近的管线可能损坏邻近的管线 不适合于弯管的更换不

17、适合于弯管的更换 分支管的连结需开挖进行分支管的连结需开挖进行 适用范围适用范围 管径为管径为5050- -1200mm1200mm 管线长度一般为管线长度一般为250 m250 m 适用于由脆性材料制成的管道（陶土管、混适用于由脆性材料制成的管道（陶土管、混凝土管、铸铁管）的更换，新管可以是凝土管、铸铁管）的更换，新管可以是PEPE管、管、聚丙烯、陶土管和玻璃钢管等聚丙烯、陶土管和玻璃钢管等 该方法是将一条新的该方法是将一条新的HDPEHDPE管拉入到旧的管道中，对于小管拉入到旧的管道中，对于小管径管径HDPEHDPE管，首先在工厂中用对熔焊机将管，首先在工厂中用对熔焊机将HDPEHDPE管

18、焊接好，管焊接好，利用管道盘轮运到施工现场，这样可以极大的减少拉入利用管道盘轮运到施工现场，这样可以极大的减少拉入衬装的时间。对于大管径衬装的时间。对于大管径HDPEHDPE管，可将一根根的管，可将一根根的HDPEHDPE管管（一般为十几米长）运到施工现场，再在管线拉入前利（一般为十几米长）运到施工现场，再在管线拉入前利用对熔焊机将管道连起来。然后利用卷扬机将用对熔焊机将管道连起来。然后利用卷扬机将HDPEHDPE管拉管拉入原有的管道。原有管道端部要加装入原有的管道。原有管道端部要加装HDPEHDPE管保护圈，以管保护圈，以防防HDPEHDPE管拉入时被化伤，内衬管拉入时被化伤，内衬HDPEH

19、DPE管道前端要装圆锥扩管道前端要装圆锥扩孔头，以便克服原有管线的孔头，以便克服原有管线的阻力阻力HDPEHDPE管拉入后，为固定管拉入后，为固定内衬的内衬的HDPEHDPE管，要在前后端部的原有管道与管，要在前后端部的原有管道与HDPEHDPE管之间管之间灌注水泥砂浆，一次拉入的长度可达几百米。灌注水泥砂浆，一次拉入的长度可达几百米。 优优 点点 不需灌浆，施工速度快不需灌浆，施工速度快 过流断面的损失很小过流断面的损失很小 可适应大曲率半径的弯管可适应大曲率半径的弯管 缺缺 点点 支管接头需开挖进行支管接头需开挖进行 旧管的结构破坏会导致施工困难旧管的结构破坏会导致施工困难 适用范围适用范围 管径为管径为50 - 1200 mm 管线长度可达管线长度可达1000 m 适合各类管道的修复适合各类管道的修复 小口径顶管机小口径顶管机 高精度高精度 (25 mm)、长距离顶进（、长距离顶进（500m或更长）或更长） 小型化小型化(最小管径为最小管径为100mm，可在，可在1.5 m的井内或的井内或1.2m的管内施的管内施工工) 适用各种地层适用各种地层(含水层、卵砾石地层含水层、卵砾石地层)、各种口径、各种口径(一机多用一机多用)、各种管材、各种管材 曲线顶进（单一曲线曲线顶进（单一曲线符合