非开挖管道施工技术下课件

定向钻头1回拉扩孔器2扩孔器3U型卡其它配件4钻杆地面步行测量系统：在钻孔距离地面深度较浅（小于15 m）选用。孔内随钻测量系统：在钻孔距离地面深度大于15 m、在跟踪测量路线上有地面障碍物、周围环境有明显磁性干扰的情况下选用。5钻进时对钻头的跟踪和导航1、地面步行测量系统地面步行测量系统又称步行式跟踪测量仪，它由发射器、接收器和远程显示器组成。装在钻头上方保护壳内的发射器发送无线电信号（8~33

kHz），地面接收器接收这些信号。除了得到地下钻头位置和深度信号外，传送来的信号还包括钻头倾角、面向角、探头温度、电池状态等。这些信号可以同时转送到钻机控制台的远程显示器上，以便操作人员作出沿原方向钻进还是纠正偏斜的决定。6导向钻轨迹控制7常用的地面步行跟踪测量仪有：美国Digital

Control公司生产的Digitrak系统英国Radiodetection公司生产的Drill

Track系统美国Ditch

Witch公司生产的Subsite系统等。81、地面步行测量系统孔内随钻测量系统又称孔内磁力惯性测量仪或磁性导向仪。整个系统由孔内探头、地面信号接收器、信息处理器和显示装置组成。孔内探头安置在3 m长的无磁钻铤内，探头内有2组方向测量传感器，一组是三轴加速度计，另一组是三轴磁力计。加速度计测量地球重力矢量，磁力计测量地球磁力矢量。测出这些数据后，经过数学计算，就可以确定钻孔任一点的方位角、顶角和工具面向角；加上钻孔位置增量数据，便可计算出钻孔中各测点的X、Y、Z坐标。数据输入计算机后，软件程序能够把实时的钻头顶角、方位角和工具面向角显示在屏幕上，并且绘制出钻孔轨迹曲线。92、孔内随钻测量系统定向钻轨迹控制10使用较多的孔内随钻测量仪有：美国Sharewell公司生产的TruTracker系统Maurer公司开发的AccuNav系统112、孔内随钻测量系统管道防腐：三层PE或双层环氧粉末防腐涂层。现场补口：在现场金属表面处理后，宜采用配套的冷涂环氧漆，再采用PE热收缩带进行包覆。12穿越管道的防腐水平定（导）向钻现在是穿越河流、人口密集区、工业区、建筑群、铁路、公路等的首选施工方案。适用于地层为粘土层、粉砂层、中砂层。不适用于粒径大于100

mm 砾石、卵石层、流砂层、基岩层。13适用范围水平定（导）向钻施工应用现状14水平定向钻作为无沟敷设的一种方法早在70年代在北美洲开始应用，80年代后期迅速发展。我国1985年从美国里丁·贝茨公司引进了一套RB-5水平定向钻机，1986年正式用于黄河穿越起，到目前已采用定向钻穿越了松花江、黄河、辽河、长江以及苏丹国尼罗河，共计24条大型河流穿越工程，国内的最长记录已经达到2350 m（管径为DN600 mm），最大管径为Ф1016mm，该管径下穿越的最大长度为1321 m。工程失败主要表现为回拖失败、扩孔报废。其主要原因可能是：钻机能力不够；导向孔不符合要求；预扩孔偏移量过大；孔内泥屑堆积过多；塌孔；管道进孔不顺畅；设备故障。15水平定（导）向施工注意事项选择适宜的钻机通常选择钻机所要考虑的主要参数是最大推、拉力和最大输出扭矩。一般情况下，钻机的最大回拖力应不少于管段自重的1/2。同时，应尽快采取措施，最大限度地减少回拖力。方法之一就是回拖时采用水浮法发送穿越管段。16水平定（导）向施工注意事项（2）确保导向孔质量导向孔是预扩孔的基础，导向孔的基本控制指标是出、入土角，曲线偏移和造斜段曲率半径（水平定向钻一般曲率半径以1500D为宜）。对大口径管道的水平定向穿越来说，造斜段的曲率半径应作为导向孔的重要指标加以控制。17水平定（导）向施工注意事项（3）控制预扩孔的偏移和波浪水平定向穿越的最终扩孔直径一般为管道直径的1.3~1.5倍，对于大口径管道的水平定向穿越，当穿越沿程的土质不均匀时，由于钻杆、钻具自身重力的作用，土质松软的地方下切比较多，土质坚硬的地方下切比较少，从而造成预扩孔偏移，使预扩后的穿越曲线变成波浪形。这种偏移和波浪对管道的顺利回拖是极其有害的。尽可能减小这种偏移和波浪的主要措施是选择合理的钻具和钻具组合。18水平定（导）向施工注意事项如在西气东输工程中针对当地的地质条件，采用的钻具以板式扩孔器和桶式扩孔器为主（板式扩孔器主要适用于粘土层和含砾石较多的砾土层，桶式扩孔器主要适用于含砂量较多的松软不宜成型的土层。另外，根据不同的土层要尽量控制不同的回扩速度，但回扩速度最快不宜高于1m/min），在进行较大的扩孔时辅以扶正器，较好地解决了预扩孔的偏移和波浪问题。19水平定（导）向施工注意事项（4）确保泥浆的流变性。水平定向穿越的成孔依赖于钻具对周围土壤的切削和挤压，泥浆的重要作用之一就是悬浮和携带泥屑。如果泥浆的流变性不好，其悬浮和携带泥屑的作用就会大打折扣，钻具切削下来的泥屑就可能大量地沉积在孔内，从而增加回拖阻力。为了尽可能地将孔内的泥屑清除干净，必须确保泥浆的流变性。同时，经验表明，板式扩孔器扩孔后，采用桶式扩孔器清孔整形对确保预孔质量有很大的好处20。水平定（导）向施工注意事项（5）防止塌孔孔的稳定性随着穿越地层岩性的不同存在很大差别。在粘土、亚粘土层，孔的稳定性比较好，而在粉砂、流砂和砾石层，孔的稳定性很差。防止塌孔的主要措施是：在满足管道回拖的前提下，尽可能选用较小的扩孔直径；选用适宜的钻具和钻具组合，并尽可能缩短施工周期。21水平定（导）向施工注意事项（6）妥善处理发送道（沟）妥善处理发送道（沟）对穿越成功具有重要影响。在大口径穿越施工中极易发生钻具断裂事故，除地质不均和钻具疲劳原因外，有相当一部分是因进孔不顺畅，管道强制入洞后钻具与管段不在一条轴线上，其局部薄弱环节在交变应力的作用下发生脆裂而造成的。为防止这种现象的发生，在开挖发送道（沟）时，应尽可能使发送道（沟）与管孔自然衔接。其方法是：在出土点处向前端开挖10m，向后开挖20m距离，并保证其斜度与穿越的出土角一致。22水平定（导）向施工注意事项（三）盾构隧道盾构法主要是用专门制造的盾构机及配套装置，进行地下掘进，并把地面送来钢筋混凝土预制环片拼装成管段，并连起来形成隧道。2324盾构技术适宜环境25适用于多种地质条件，包括岩石及砂、土等软地基。

优点：掘进速度快，噪音和振动较小，对地层变化适应能力较强，施工安全。可同沟敷设油、气管道和电缆，管道具有可维护性。若做复线，投资较省。

缺点：施工工艺复杂，进尺缓慢，工期较长，圆形隧道一般不小于3m，要有一定的经济掘进长度，造价相对较高。26（三）盾构隧道盾构实例27忠武线红花套长江穿越隧道工程被誉为“中国石油第一盾”红花套长江盾构穿越隧道位于宜昌市红花套一云池江段内，距三峡工程70km。隧道全长约1397m，内径为2440mm

，出发井深48，到达井深22.4m。该工程采用从德国引进的泥水加压平衡式盾

构机进行掘进施工，该设备适用于地下70m深处岩石层、卵石层

和土层等3种不同地质的施工。这是国内首次采用AVN2440DS泥水加压平衡式盾构机穿越长江，穿越隧道全程经过多种不同地质层，地下水含量丰富，且水压大；施工周期长，施工关键线路控制节点多、难度大。此次盾构穿越施工周期为15个月，2002年10月20日开工，2004年1月20日完工。28长江盾构隧道二、非开挖管道更换技术29旧管线的非开挖更换实际上是在旧管线的原位处进行更换，即以要更换的旧管为向导，在专用机具破碎旧管的同时将直径相同或稍大的新管拉入或顶入以取代旧管，完成更换作业。主要的非开挖更换技术有爆管法、吃管法、劈管法和HDD管道更换法等。（1）爆管法爆管法是在世界范围内使用较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，破碎的管道碎片被挤入到管道周围的土体里面，与此同时，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的。30爆管法31（1）爆管法32爆管法管道更换工艺根据爆管头的爆管方式的不同可以分为：气动冲击爆管、液压爆管和静拉力爆管。气动冲击爆管工艺所采用的爆管头是靠里面的气动冲击锤在压缩空气作用下进行爆管的;液压爆管工艺首先插入爆管头插入到需要替换的管道中，然后通过液压使爆管头张开从而爆裂管道;静拉力爆管工艺是靠拉力来使爆管头通过挤压破碎管道的。（1）爆管法33适用范围：破碎的旧管道类型属于脆性及塑性不大材质的管道，管径范围为：50～1200mm，替换用的新管道可以是各种材质包括

PE、PP-R、PVC等管道，半径可以等于或略大于旧管道半径，但最大不能超过旧管道半径的1.5倍；施工长度范围在100～250m；该工艺只适用于可压密的土层（因为旧管道的碎屑是被挤入到新管周围土层中）。（2）吃管法34吃管法采用切削工具将待换的旧管道碾碎，特殊设计的切屑工具可以“吃”掉管道和土层以及土层内的任何障碍物。管道碎屑通过切削头后面连接的新管道排出到地表。新的管道连接在挖掘机的后部被顶入。吃管法管道修复技术与掘进顶管在原理上基本雷同。（2）吃管法35吃管法系统一般包括一个切屑头和一个盾构体。切屑头上装有切屑齿和滚刀用来切屑管道，切屑工具安放在盾构体的边缘去切屑地层到能安装新管道所需要的直径。掘进头是圆锥型的，爆管时将其插入到要替换的管道中给管道一个张力，这样可以减少切屑齿的磨损。盾构体一般采用的是液压驱动系统。切屑头和盾构体是从装有顶进装备的始发坑进入土层的，顶进装备将给切屑头足够的力量去通过土层。如果要替换强度和硬度都较大的管道，还可以采用冲击加转的方法进行碎管。36吃管法（冲击+刀盘转动）（2）吃管法37（3）劈管法（切割法）管道切割工法是使用一个带有切割刀具的切割头将已存的管道切割开，切割刀具在钻杆或绳索施加的拉力将旧管道切割一条裂缝。切割开的管道在切割头的挤压作用下撑开，与此同时连接在切割头后面的新管道被拉入，撑开的管道包裹在新管道的周围，对新铺设的管道起到保护作用，可以增加管道的使用寿命。38（3）劈管法（切割法）39适用范围：待更换的旧管道不能是脆性的，必须具有一定的柔韧性（一般使用在钢质管道的更换中）；需要替换旧管道的半径范围是50~150mm，替换的新管道可以是各种类型的管道，但是半径不能大于旧管道的1.5倍；只适用于可压密的土层中。（4）HDD管道在线更换法（也叫回拉螺旋法）该工法首先将导向钻杆插入到已存管道中，然后一个特别设计的带有切屑齿的回拉扩孔头安装到钻杆上，扩孔头在钻机的旋转和拉力下将已存的管道破碎，管道碎屑随钻井液一同排出到地面。新的管道连接在扩孔头的后面，扩孔的同时被拉入。40适用范围：适用于埋深较浅的地层，但是只能用于管径较小、强度较低的管道更换中。41（4）HDD管道在线更换法（也叫回拉螺旋法）三、非开挖管道修复技术42非开挖管道修复技术首先兴起于石油、天然气行业的油、气管道更新修复，后来逐步应用于市政工程中的重力给水管道和排污管道的翻新改造中，并随着HDPE管等新型管材的应用而迅速推广。按内衬管材施工条件等不同而衍生了一些不同的施工技术，按其工艺主要有：内衬管滑（拉）入衬装、无缝衬装、管道翻衬等非开挖管道修复技术。（1）内衬管滑（拉）入衬装该方法是将一条新的HDPE管拉入到旧的管道中。对于小管径HDPE管，首先在工厂中用对熔焊机将HDPE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衬装的时间。对于大管径HDPE管，可将一根根的HDPE管（一般为十几米长）运到施工现场，再在管线拉入前利用热熔焊机将管道连起来，然后利用卷扬机将HDPE管拉入原有的管道。43（1）内衬管滑（拉）入衬装原有管道端部要加装HDPE管保护圈，以防HDPE管拉入时被划伤，内衬HDPE管道前端要装圆锥扩孔头，以便克服原有管线的阻力。HDPE管拉入后，为固定内衬的HDPE管，要在前后端部的原有管道与HDPE管之间灌注水泥砂浆，一次拉入的长度可达几百米。44（1）内衬管滑（拉）入衬装45一般内衬HDPE管的管径总是小于原有管道的管径，衬入HDPE管后，虽然管道的摩擦阻力系数变小，但管道的截面面积也会缩小。有资料表明，综合以上两个因素，管道的实际过流能力可能下降5-30%。（2）无缝衬装该方法类似于滑入衬装工艺，是将直径大于或等于原

管径的薄壁HDPE管通过多极缩径机将管道直径缩小（10%左右），在一定的牵引力和牵引速度下拉入主管道。由于

HDPE管具有变形后能自动恢复原始物理形状的特点，撤消拉力后恢复到原来的直径，与外管紧紧的粘合在一起而无需灌入砂浆固定。46（2）无缝衬装47该方法的关键是要在衬装前将内衬管的截面积缩小。截面的变形可以是弹性的或是半永久塑性的，变形管的复原可以是自然的或是通过注入外界的高压或高温介质而使其复原。（2）无缝衬装48变形的方法为:①将HDPE管拉长（在管壁厚度不变的情况下，当某种HDPE管被拉长4%时则管径将缩小6%），衬入后，由于不再受拉力的作用而使管长缩短、管径变大，从而达到无缝贴衬的目的；②将管道横截面变形（HDPE管在生产时被挤压），再通过专用的设备将管道横截面变为“U”或“C”形，也可以在现场将HDPE管沿管壁圆周方向扭曲变形，然后进行衬装并利用水压、高温水或高压蒸汽的作用将变形的管道复原。49（2）无缝衬装缩径机挤压变形（U形）（2）无缝衬装50管道原位进行修复，无需全线开挖，特别适用于埋设在重要的地面设施（如建筑物、重要的交通干线、河流湖泊等）下的旧管道修复，一次施工长度1000~1500m；适用于DN100~DN1000的各种材质的管道；施工成本低，修复一条旧管道的成本约为新建管道的50%左右；内衬HDPE管后的管道具有良好的整体性能，具备了主管道

“外能抗冲击，内能承压力”和HDPE衬管“耐腐蚀、耐磨损、耐高温、不结垢、长寿命”的特性；管线寿命长，修复后的管道使用寿命可达50年。（3）管道翻衬该工艺技术是采用较柔韧