第8章 非开挖施工

1、第八章 非开挖施工 技术岩土工程施工-非开挖施工技术1 第一节第一节 概概 述述 非开挖技术简述为非开挖管线工程施工技非开挖技术简述为非开挖管线工程施工技术，起源于西方发达国家，称为术，起源于西方发达国家，称为“No-Dig” No-Dig” ，译为非开挖技术。非开挖施工技术是指利用岩译为非开挖技术。非开挖施工技术是指利用岩土钻凿手段在地表不挖槽的情况下，在各类地土钻凿手段在地表不挖槽的情况下，在各类地层中进行各类用途、各类材质管线的铺设、修层中进行各类用途、各类材质管线的铺设、修复和更换等工作。复和更换等工作。 岩土工程施工-非开挖施工技术2岩土工程施工-非开挖施工技术3一、非开挖施工方法分

2、类一、非开挖施工方法分类 非开挖施工方法很多，按其用途可分为管线铺设、管线更换和管非开挖施工方法很多，按其用途可分为管线铺设、管线更换和管线修复三大类。线修复三大类。 ( (一一) ) 管线铺设管线铺设 （1 1）管径大于）管径大于900mm900mm的人可进入的管线铺设方法的人可进入的管线铺设方法: :顶管施工法、顶管施工法、隧道施工法。隧道施工法。 （2 2）管径小于）管径小于900mm900mm的人不可进入管线铺设方法的人不可进入管线铺设方法: :主要有水平钻主要有水平钻进法、水平导向钻进法、冲击矛法、夯管法、水平螺旋钻进法、顶推钻进法、水平导向钻进法、冲击矛法、夯管法、水平螺旋钻进法、

3、顶推钻进法、冲击钻进法、小口径顶管施工法进法、冲击钻进法、小口径顶管施工法( (微型隧道法微型隧道法 ) )等等。等等。 ( (二二 ) )管线更换管线更换 管线更换有吃管法、爆管法、胀管法、抽管法管线更换有吃管法、爆管法、胀管法、抽管法等等4 4种。种。 ( (三三 ) )管线修复管线修复 管线修复有内衬法和局部修复管线修复有内衬法和局部修复2 2种。种。 内衬法内衬法: :传统内衬法、改进内衬法、软衬法、缠绕法、铰接管法、传统内衬法、改进内衬法、软衬法、缠绕法、铰接管法、管片法。管片法。 局部修复局部修复: :灌浆法、喷涂法、化学稳定法、机器人进管修补法等。灌浆法、喷涂法、化学稳定法、机器

4、人进管修补法等。岩土工程施工-非开挖施工技术4二、非开挖技术与开挖施工技术相比的优点二、非开挖技术与开挖施工技术相比的优点 （1 1）可以避免开挖施工对居民正常生活的干扰，以及对交通、环境、）可以避免开挖施工对居民正常生活的干扰，以及对交通、环境、周边建筑基础的破坏和不良影响。周边建筑基础的破坏和不良影响。 （2 2）在开挖施工无法进行或不允许开挖施工的场合可用非开挖技术。）在开挖施工无法进行或不允许开挖施工的场合可用非开挖技术。 （3 3）现代非开挖技术可以高精度地控制地下管线的铺设方向）现代非开挖技术可以高精度地控制地下管线的铺设方向 （4 4）有较好的经济效益和社会效益。）有较好的经济效

5、益和社会效益。 三、常用施工设备三、常用施工设备 （1 1）管线安装设备类）管线安装设备类 ; ; （2 2）管线更换与修复设备类）管线更换与修复设备类; ; （3 3）管线替换设备）管线替换设备; ; （4 4）人员可进入管道修复设备）人员可进入管道修复设备; ; （5 5）工作井掘进设备）工作井掘进设备; ; （6 6）监控）监控 / /定位定位 / /测量仪设备类测量仪设备类; ; （7 7）测漏设备）测漏设备; ; （8 8）地理信息系统）地理信息系统; ; （9 9）腐蚀测绘仪）腐蚀测绘仪; ; （1010）清洗设备。）清洗设备。 第二节第二节 顶管法顶管法一、概述一、概述 顶管施工

6、就是借助于主顶油缸及管道间中继站等的推力，把工具管顶管施工就是借助于主顶油缸及管道间中继站等的推力，把工具管掘进机从工作坑内穿过土层一直推到接收坑内吊起，与此同时，也就把掘进机从工作坑内穿过土层一直推到接收坑内吊起，与此同时，也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两坑之间，这是一种非开挖的敷设紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两坑之间，这是一种非开挖的敷设地下管道的施工方法。地下管道的施工方法。 顶管分类顶管分类 （1 1）按所顶管子口径之大小分可分为大口径）按所顶管子口径之大小分可分为大口径 、中口径、中口径 ）、小口径和）、小口径和微型顶管微型顶管 。 （2 2）以推进管前工具管或掘进机的作

7、业形式分，可分为：）以推进管前工具管或掘进机的作业形式分，可分为： 手掘手掘式式 挤压式挤压式 机械顶管机械顶管 （3 3）以推进管的管材分可分为钢筋混凝土管顶管、钢管顶管以及及）以推进管的管材分可分为钢筋混凝土管顶管、钢管顶管以及及它管材的顶管。它管材的顶管。 （4 4）按顶进管子轨迹的曲直分可分为直线顶管和曲线顶管）按顶进管子轨迹的曲直分可分为直线顶管和曲线顶管 。 （5 5）按工作坑和接收坑之间的距离的长短）按工作坑和接收坑之间的距离的长短 可分为普通顶管和长距可分为普通顶管和长距离顶管。离顶管。 岩土工程施工-非开挖施工技术5岩土工程施工-非开挖施工技术6二、顶管的基本理论二、顶管的基

8、本理论 无论是何种形式的顶管，在施工过程中要保证地面无沉降无论是何种形式的顶管，在施工过程中要保证地面无沉降和隆起。关键要保证顶进面土压力与掘进机头保持动平衡。它有和隆起。关键要保证顶进面土压力与掘进机头保持动平衡。它有两方面的基本内容：第一，顶管掘进机在顶进过程中与它所处土两方面的基本内容：第一，顶管掘进机在顶进过程中与它所处土层的地下水压力和土压力处于一种平衡状态；第二，它的排土量层的地下水压力和土压力处于一种平衡状态；第二，它的排土量与掘进机推进所占去的土的体积也处于一种平衡状态。只有同时与掘进机推进所占去的土的体积也处于一种平衡状态。只有同时满足以上两个条件，才能算是真正的土压平衡。满

9、足以上两个条件，才能算是真正的土压平衡。 目前，在顶管施工中最为流行的有三种平衡理论：气压平目前，在顶管施工中最为流行的有三种平衡理论：气压平衡、泥水平衡和土压平衡理论。衡、泥水平衡和土压平衡理论。岩土工程施工-非开挖施工技术7三、顶管设备三、顶管设备 （一）土压平衡式顶管（一）土压平衡式顶管 1.1.单刀盘式单刀盘式 2.2.多刀盘式多刀盘式 （二）泥水平衡顶管机（二）泥水平衡顶管机图8-1 土压平衡顶管掘进机示意图 1.切削刀盘；2.纠偏油缸；3.螺旋输送器；4.控制台；5.泥土仓岩土工程施工-非开挖施工技术8四、顶管施工四、顶管施工（一）顶管施工程序（一）顶管施工程序（二）施工前的准备（

10、二）施工前的准备（三）水平钻顶管施工法（三）水平钻顶管施工法（四）逐步扩孔顶管施工法（四）逐步扩孔顶管施工法（五）钢筋混凝土管及钢管（五）钢筋混凝土管及钢管 顶管施工法顶管施工法 图8-2 顶管施工程序 第三节第三节 气动夯管锤施工技术气动夯管锤施工技术一、概述一、概述 （一）气动夯管锤工作过程（一）气动夯管锤工作过程 气动夯管锤是一种不需要阻力支座，利用动态的冲击能将空心的气动夯管锤是一种不需要阻力支座，利用动态的冲击能将空心的钢管推入地层的机械。它实质上是一个低频，大冲击功的气动冲击器，钢管推入地层的机械。它实质上是一个低频，大冲击功的气动冲击器，由压缩空气驱动，将所铺设的钢管沿设计路线夯

11、入地层，实现非开挖由压缩空气驱动，将所铺设的钢管沿设计路线夯入地层，实现非开挖铺设管线。施工时，夯管锤的冲击力直接作用在钢管的后端，通过钢铺设管线。施工时，夯管锤的冲击力直接作用在钢管的后端，通过钢管传递到前端的切削管靴上切削土体，并克服土层与管体之间的摩擦管传递到前端的切削管靴上切削土体，并克服土层与管体之间的摩擦力，使钢管不断进入土层。随着钢管的前进被切削的土芯进入钢管内，力，使钢管不断进入土层。随着钢管的前进被切削的土芯进入钢管内，在第一节钢管夯入地层后，后一节钢管与其焊接在一起，如此重复，在第一节钢管夯入地层后，后一节钢管与其焊接在一起，如此重复，直到夯入最后一节钢管，待钢管全部夯到目

12、标后，取下切削管靴，用直到夯入最后一节钢管，待钢管全部夯到目标后，取下切削管靴，用压缩空气、高压水、螺旋钻、人工掏土等方式将管内土排出，钢管留压缩空气、高压水、螺旋钻、人工掏土等方式将管内土排出，钢管留在孔内，完成铺管作业，施工原理见图在孔内，完成铺管作业，施工原理见图8-38-3， 岩土工程施工-非开挖施工技术9岩土工程施工-非开挖施工技术10图8-3 夯管锤铺管施工原理图 1.压缩空气管；2.增压板；3.滑架；4.棘轮拉手；5.套插锥体；6.排土锥体；7.钢管；8.切削护环；9.钢管起始支架；10.夯管锤岩土工程施工-非开挖施工技术11（二）气动夯管锤铺管的特点（二）气动夯管锤铺管的特点

13、(1)(1)地层适用范围广地层适用范围广 (2)(2)铺管精度较高铺管精度较高 (3)(3)对地表的影响较小对地表的影响较小 (4)(4)夯管锤铺管适合较短长度的管道铺设夯管锤铺管适合较短长度的管道铺设 (5)(5)夯管锤铺管要求管道材料必须是钢管夯管锤铺管要求管道材料必须是钢管 (6)(6)投资和施工成本低投资和施工成本低 (7)(7)工作坑要求低工作坑要求低 (8)(8)穿越河流时，无须在施工中清理管内土体，无渗水现象穿越河流时，无须在施工中清理管内土体，无渗水现象 岩土工程施工-非开挖施工技术12 二、气动夯管锤的结构及工作原理二、气动夯管锤的结构及工作原理 （一）气动夯管锤的结构（一）

14、气动夯管锤的结构 气动夯管锤实质是一种以压缩空气作为动力的低频大功率冲击器，气动夯管锤实质是一种以压缩空气作为动力的低频大功率冲击器，其结构简单。其结构简单。 1 1 配气装置配气装置 2 2 活塞活塞 3 3 汽缸与外套汽缸与外套 图8-4 气动夯管锤结构图 1.机壳；2.活塞；3.活塞滑动环（一套）； 4.活塞密封圈（一套）；5.控制器管；6.控制器活塞密封圈；7.弹性缓冲垫； 8.压力支撑环；9.弧行组合环；10.保护盖岩土工程施工-非开挖施工技术13（二）气动夯管锤的工作原理（二）气动夯管锤的工作原理 气动夯管锤按其配气装置的形式是属于无阀式冲击器的，它是利气动夯管锤按其配气装置的形式

15、是属于无阀式冲击器的，它是利用布置在活塞和汽缸壁上的配气系统控制活塞往复运动，即活塞运动用布置在活塞和汽缸壁上的配气系统控制活塞往复运动，即活塞运动时自动配气。压缩空气由气管进入夯管锤后，进入夯管锤的内腔沿内时自动配气。压缩空气由气管进入夯管锤后，进入夯管锤的内腔沿内缸与外壳之间的环状空隙，经活塞的环腔进入下气室，推动活塞上行。缸与外壳之间的环状空隙，经活塞的环腔进入下气室，推动活塞上行。 当活塞上行至控制器管并封闭活塞进气口后，压缩空气即停止向当活塞上行至控制器管并封闭活塞进气口后，压缩空气即停止向下气室进气，这时活塞靠下气室内的压缩空气膨胀，继续推动活塞上下气室进气，这时活塞靠下气室内的压

16、缩空气膨胀，继续推动活塞上行。当活塞上行到进气口越过控制器管上方时，压缩空气即停止向下行。当活塞上行到进气口越过控制器管上方时，压缩空气即停止向下气室进气，活塞的中间环腔与进气控制器管连通，压缩空气进入活塞气室进气，活塞的中间环腔与进气控制器管连通，压缩空气进入活塞的内腔，此时，活塞也接近上死点，靠惯性再向上移动一段很小距离，的内腔，此时，活塞也接近上死点，靠惯性再向上移动一段很小距离，此时，活塞内腔聚集了很大的能量。此时，活塞内腔聚集了很大的能量。 当活塞内腔的压缩空气能量足够大时，以很大的推力驱动活塞加当活塞内腔的压缩空气能量足够大时，以很大的推力驱动活塞加速下行，将最大的冲击能量施加于夯

17、管锤外壳。由外壳传递到钢管上。速下行，将最大的冲击能量施加于夯管锤外壳。由外壳传递到钢管上。此时，压缩空气又进入活塞下部，重复以上动作。此时，压缩空气又进入活塞下部，重复以上动作。岩土工程施工-非开挖施工技术14三、施工设备及配套机具三、施工设备及配套机具 1.1.主机主机 2.2.动力系统动力系统 3.3.注油与管路系统注油与管路系统 4.4.连接固定系统连接固定系统 5.5.注浆系统注浆系统 6.6.清土系统清土系统 7 7辅助工具辅助工具四、气动夯管锤铺管工艺四、气动夯管锤铺管工艺（一）地层可夯性（一）地层可夯性1.1.夯管铺管破土机理夯管铺管破土机理 钢管在夯管锤的冲击力作用下进入钢管

18、在夯管锤的冲击力作用下进入土体中，其受力情况如下图所示。图土体中，其受力情况如下图所示。图8-58-5中中P P为钢管受到的冲击力，为钢管受到的冲击力，F1F1为钢管内、为钢管内、外壁所受的摩擦阻力和黏聚力，外壁所受的摩擦阻力和黏聚力，F2F2为管为管端阻力，端阻力，G G为钢管自重，为钢管自重，N N为土体对钢管为土体对钢管的侧向反力总和。理论上，当的侧向反力总和。理论上，当PF1+F2PF1+F2时，时，钢管就能进入土体。因此，讨论夯管锤钢管就能进入土体。因此，讨论夯管锤铺管的破土机理也就是讨论影响铺管的破土机理也就是讨论影响F1F1，F2F2的因素。的因素。 图8-5 钢管受力分析岩土工

19、程施工-非开挖施工技术152.2.土的性质对地层可夯性的影响土的性质对地层可夯性的影响 (1)(1)土的种类。随着土颗粒的增大，管鞋切削地层的阻力也就土的种类。随着土颗粒的增大，管鞋切削地层的阻力也就加大，地层可夯性就愈差；相反的，土颗粒愈细，地层可夯性愈好。加大，地层可夯性就愈差；相反的，土颗粒愈细，地层可夯性愈好。 (2)(2)土的含水量。土的含水量越大，即土越潮湿，在震动载荷土的含水量。土的含水量越大，即土越潮湿，在震动载荷作用下液化程度越好，故可夯性越好。作用下液化程度越好，故可夯性越好。 (3)(3)土的密实度。土越密实，土颗粒就越接近，土粒间的吸引土的密实度。土越密实，土颗粒就越接

20、近，土粒间的吸引力（即土的内聚力）就越大，因而切削阻力就越大；同时，土越密力（即土的内聚力）就越大，因而切削阻力就越大；同时，土越密实，土可压缩性就越差。两方面原因都使夯管时的管端阻力增大，实，土可压缩性就越差。两方面原因都使夯管时的管端阻力增大，所以土的密实度越大，可夯性越差。所以土的密实度越大，可夯性越差。岩土工程施工-非开挖施工技术16（二）气动夯管锤铺管施工过程（二）气动夯管锤铺管施工过程 1. 1.现场勘察现场勘察 2. 2.施工设计施工设计 3. 3.测量放样测量放样 4. 4.钢管准备及机型选择钢管准备及机型选择 5. 5.工作坑的构筑工作坑的构筑 6. 6.夯管锤和钢管的安装与

21、夯管锤和钢管的安装与 调整定位调整定位 7.7.夯管夯管 8. 8.下管、焊接下管、焊接 9. 9.清土与恢复场地清土与恢复场地岩土工程施工-非开挖施工技术17 钢管前端的保护环和清孔方法钢管前端的保护环和清孔方法 图8-6 套在钢管前的标准切削护环图8-7 压缩空气清土原理图1.钢管；2.密封塞；3.压力挡土板；4.保险杆岩土工程施工-非开挖施工技术18五、气动夯管锤的铺管精度问题五、气动夯管锤的铺管精度问题 通过试验，总结出如下经验公式：通过试验，总结出如下经验公式： 式中：式中： 1 1钢管在重力作用下的垂直向下偏差钢管在重力作用下的垂直向下偏差 ，m m； 2 2综合因素产生的偏差综合

22、因素产生的偏差 ，m m； k k1 1地层软硬系数地层软硬系数 ，硬地层取，硬地层取1 1，软地层取，软地层取1.11.31.11.3 k k2 2综合影响系数综合影响系数 ，取，取11.511.5 L L夯管总长夯管总长 ，m m D D钢管直径钢管直径 ，m m 六、气动夯管锤铺管的注浆润滑六、气动夯管锤铺管的注浆润滑 在多数地层中，通过注浆润滑可以大大减少地层与钢管间的摩擦在多数地层中，通过注浆润滑可以大大减少地层与钢管间的摩擦系数，减小钢管进入地层中的阻力，因而注浆润滑是提高夯管成功率系数，减小钢管进入地层中的阻力，因而注浆润滑是提高夯管成功率的一个极其重要的环节。的一个极其重要的环

23、节。 第四节第四节 导向钻进法导向钻进法 一、概述一、概述 大多数导向钻进采用冲洗液辅助破碎，钻头通常带有一个斜面，大多数导向钻进采用冲洗液辅助破碎，钻头通常带有一个斜面，因此当钻杆不停地回转时则钻出一个直孔，而当钻头朝着某个方向因此当钻杆不停地回转时则钻出一个直孔，而当钻头朝着某个方向给进而不回转时，钻孔发生偏斜。导向钻头内带有一个探头或发射给进而不回转时，钻孔发生偏斜。导向钻头内带有一个探头或发射器，探头也可以固定在钻头后面。当钻孔向前推进时，发射器发射器，探头也可以固定在钻头后面。当钻孔向前推进时，发射器发射出来的信号被地表接受器所接收和追踪，因此可以监视方向、深度出来的信号被地表接受器

24、所接收和追踪，因此可以监视方向、深度和其它参数。和其它参数。 二、钻机锚固二、钻机锚固岩土工程施工-非开挖施工技术19岩土工程施工-非开挖施工技术20三、钻头的选择依据三、钻头的选择依据 根据相应的地层情况选择合适的钻头，如在淤泥质黏土中施工，根据相应的地层情况选择合适的钻头，如在淤泥质黏土中施工，一般采用较大的钻头等。一般采用较大的钻头等。四、导向孔施工四、导向孔施工导向孔施工步骤主要为导向孔施工步骤主要为: :探头装入探头盒内；导向钻头连接到钻杆探头装入探头盒内；导向钻头连接到钻杆上；转动钻杆，测试探头发射是否正常；回转钻进上；转动钻杆，测试探头发射是否正常；回转钻进2m2m左右；开始按设

25、左右；开始按设计轨迹施工；导向孔完成。计轨迹施工；导向孔完成。五、扩孔施工五、扩孔施工 扩孔是将导向孔孔径扩大至所铺设的管径以上，以减小铺管时的扩孔是将导向孔孔径扩大至所铺设的管径以上，以减小铺管时的阻力。阻力。 第五节第五节 振动法敷设管道技术振动法敷设管道技术一一 、水平振动沉管与土的相互作用机理、水平振动沉管与土的相互作用机理 目前使用最广泛的是弹塑性模型，在确定桩土分离的可能性、最目前使用最广泛的是弹塑性模型，在确定桩土分离的可能性、最小振幅、沉管压力等等方面，这种模型具有很重要的实际意义。这个小振幅、沉管压力等等方面，这种模型具有很重要的实际意义。这个模型的特点是在沉管与无质量的单元

26、土体间假定为理想状态下的弹簧，模型的特点是在沉管与无质量的单元土体间假定为理想状态下的弹簧，如果作用在单元土体上的力高于其移动阻力，则单元土体可以移动。如果作用在单元土体上的力高于其移动阻力，则单元土体可以移动。沉管时土的动阻力变化为非线性函数，表现为黏弹塑性的特点。黏度沉管时土的动阻力变化为非线性函数，表现为黏弹塑性的特点。黏度这个分项阻力在沉管滑动时表现出来，它与振动速度之间是非线性关这个分项阻力在沉管滑动时表现出来，它与振动速度之间是非线性关系。在试验中通过对摩擦力的测量证实了采用弹塑性模型是合理的。系。在试验中通过对摩擦力的测量证实了采用弹塑性模型是合理的。岩土工程施工-非开挖施工技术

27、21岩土工程施工-非开挖施工技术22振动挤土效应实际是确定在一定管径下的挤土半径大小，振动挤土效应实际是确定在一定管径下的挤土半径大小，建议采用以下的经验公式来估算：建议采用以下的经验公式来估算：式中：式中： d dz z估算的挤土半径估算的挤土半径 m m、0 0分别表示土的天然状态下的干容重分别表示土的天然状态下的干容重 和与挤土器接触处土的最大干容重和与挤土器接触处土的最大干容重 d d0 0表示挤土器的半径表示挤土器的半径 k k取决于土质条件、挤土方法等取决于土质条件、挤土方法等 岩土工程施工-非开挖施工技术23二二 、非开挖铺管施工中使用的振动设备和工具、非开挖铺管施工中使用的振动

28、设备和工具 ( (一一) ) 振动铺管设备振动铺管设备 将振动打桩锤将振动打桩锤6 6设于被铺设的管设于被铺设的管8 8的上部与管刚性连接，当启动的上部与管刚性连接，当启动振动锤时，锤内两组对称的偏心块振动锤时，锤内两组对称的偏心块1212通过齿轮控制做相反方向但同通过齿轮控制做相反方向但同步的回转运动，转动时产生的惯性离心力的垂直分力相互抵消，水步的回转运动，转动时产生的惯性离心力的垂直分力相互抵消，水平分力大小相等、方向相同，相互叠加，从而产生忽前忽后周期性平分力大小相等、方向相同，相互叠加，从而产生忽前忽后周期性的激振力，使沉管沿管轴线方向产生振动，当管的振动频率与周围的激振力，使沉管沿管轴线方向产生振动，当管的振动频率与周围土的自振频率一致时，土体发生共振，土中的结合水释放出来成为土的自振频率一致时，土体发生共振，土中的结合水释放出来成为自由水，呈现液化状态，土体对管表面的摩阻力、端阻力均大为降自由水，呈现液化状态，土体对管表面的