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非开挖地下管线技术的现状及发展远景

在此背景下，加快城市地下管线的建设、改造，扩大地下管网的类别，改革地下管线铺设、修复、改善的方法，就成为现代城市基础设施建设、管理中的一个重要领域（市场）。如1992年发达国家各类管线的铺管长度达24.2万km，总投资达300亿美元；发达国家现有各类地下管线总长估计约2000万km，为更新、修复现有地下管线，每年还需投资300－500亿美元。严格讲，现代非开挖管线工程技术的出现始于70年代末，经历了初期的徘徊和艰难起步后，随着技术与装备的不断改进和完善，于80年代中该技术在发达国家才逐渐为人们认可和接受。为推动此项技术与产业的发展和应用，为促进相互间的切磋与交流，1986年在伦敦成立了国际非开挖技术协会ISTT(InternationalSocietyforTrenchlessTechnology）。现许多国家和地区均相继成立了国家或地区的非开挖技术协会，包括中国在内，现已有24个国家或地区协会参加了国际非开挖技术协会，拥有近3000名会员，发行有自己的学术刊物（月刊），成为技术交流活动和展览活动频度最高的国际行业协会之一。由于非开挖管线工程技术的日趋完善及其与开挖施工相比的优越性，目前用非开挖技术铺设管线的工程明显增加。据资料报导，在西方发达国家，近年来非开挖铺管工程量平均已占管线工程总量的10%左右，而个别城市和地区所占比例远大于此，如柏林市改造过程中，非开挖管线铺设量已占到总量的40%以上   二.非开挖技术在我国的发展历程   改革开放以来随着经济发展和城市建设的需求，在市政建设中，地下管线开挖施工所造成的对道路交通、城市绿化的干扰和破坏，已日益为人们所重视。正是由于这个原因，非开挖管线工程技术遂步在我国获得应用。其发展厉程大致可分为三个阶段。  1.前期（70年代末至80年代中）   在城市管线施工中，往往会遇到不允许开挖路面的特殊情况（如北京市东西长安街），这时工程的特殊性要求施工单位用不开挖方法铺管，从而促成了现代非开挖技术在我国的前期发展。因此类工程往往是零星的、小型的，加之工程效率要服从政治需要，效率不是主要问题，故在施工时往往具有应急性质。只考虑眼前工程需要，不考虑技术发展的规划性。如80年代初，由北京市政工程研究所与原地矿部张家口探矿机械厂、北京探矿机械厂合作研制的GP220水平工程钻机和DGJ1000水平螺旋顶管机等。   这一时期的发展以水平顶管技术为主，装备因具有应急特征，故不仅技术水平较低，而且也缺少系列化、标准化的考虑，一旦工程结束，所研制的设备也就束之高阁，并未形成新的产品进入市场，当然也更谈不上建立非开挖技术产业了。故此间的个别进展并未形成足以推动我国非开挖技术发展的动力，相反，从上到下人们对这一新技术缺乏充分认识，传统的开挖法施工束傅了人们的求变思想，加之城建管线施工缺少应有的规划和严格的管理，而我国的劳动力又十分便宜，说挖就挖，马路“拉锁化”只停留在人们口头的感叹和讽剌上，丝毫无助于开挖铺管面貌的改变，此间我国的非开挖技术和产业基本处于停滞状态。   2.技术设备引进期（80年代中至今）   随着改革开放的深入，我国的经济建设进入了持续快速发展期，城市基础设施建设的投入力度明显加大。在道路建设迅速发展的同时，各类管线特别是通信光缆、有线电视线路铺设工程量大大增加，各类跨越公路、铁路、河网、沟渠的管线工程量日趋增多。在这种情况下，各种无法采用开挖法铺管或要求采用非开挖技术铺管的工程量不断增多，适应我国经济发展的这一形势，加速发展我国的非开挖技术产业的呼声也日趋高涨。但因前期的发展并未为此时的需求打下必要的物质技术基础，故在需求增加的矛盾压力下，自80年代中期后，逐渐出现了从国外引进非开挖技术装备的高潮。

在自主创业期间，不仅在一些小型装备的自主研制开发方面取得了一些突破和可喜的成绩，而且在下述几方面也有了相当的进展和突破。

涌现出一批专门或兼营非开挖铺管和非开挖修管的施工企业（公司），而且还出现了类似山东泰安阿吉斯管线工程公司这样的中外合资施工企业。这些企业不仅是敢于用新技术闯市场的开拓者，而且也从工程市场中取得了丰厚的回报，不断发展和壮大了自己。据对十家管线铺设施工企业的统计，他们近几年的税前利润均能达到工程造价的30－50%；.在管线工程领域非开挖技术的使用取得了斐然的成绩。如据不完全统计，1998年用不同方法完成的非开挖管线铺设量已达75km，是1997年的1.56倍;而采用翻转内衬法在1998年也完成了8300延米的管线修复量,实现了非开挖修管的突破。在这些工程中包括首都机场扩建时跑道下方的管道非开挖铺设和中南海新华门外煤气管线的非开挖修补等有很大社会影响的工程。此外，1999年上海普陀区引进了德国的非开挖注浆法修复污水管道也取得了较好的效果。.社会影响不断扩大，行业协会应运而生。此间通过刊物的宣传，各类研讨会的交流，各类工程业绩和新产品成功开发的影响，使非开挖管线工程技术的先进性、优越性和加速发展的必要性逐渐为人们所接受和肯定。与此同时也日益得到有关产门的重视和支持（如原地矿部），特别是获得主管部门建设部的重视与肯定。在不断推进该项技术应用的同时，同业者深感在该行业产业化的起步阶段JGJ39-2016 托儿所幼儿园建筑设计规范.pdf，就应注意行业宏观规划、协调发展和自我约束的重要性，以避免盲目竞争和低水平重复弊端的出现。正因为来自基层的这一要求，1997年初筹建中国非开挖技术协会，并于1998年批准成立了中国地质学会非开挖专业委员会。此后又于1998年7月，在上海与国际非开挖技术协会☆☆☆R.贝利克先生进行了会商，正式签署了中国加入国际非开挖技术协会的协议，并成为第20个国家会员。此后三年又相继在上海、北京组织了第三、四、五届国际非开挖技术研讨会，为国人了解该技术并迅速扩大其影响起了应有的作用并受到业内人士的肯定。

三．我国的非开挖技术现状

自九十年代自主研制创业期以来，我国的非挖技术产业已有了一定的基础和发展。可以这样说，在经历了近十年的科技信息传播、宣传后，我国自己的非开挖技术产业，经历了初期的立项研制、工程示范、市场培育后，目前可以说一个新的产业维形已初步形成。其标志是：.建立了自己的装备设计、研制基地，并开发出一定数量和规格的装备。勘探技术研究所研制的GBS－20型水平定向钻机在前地矿部支持下，廊坊勘探技术研究所于1994年就立项研制定向钻机，迄今已完成GBS系列钻机中五个品种和H系列夯管锤中五个品种的研制工作。在95至99的五年中，销售各类导/定向钻机30台套，夯管锤5套、气动矛2套，此外还销售了配套钻具42套、配套附属装备16台套，创造产值近2500万元，在某种程度上可以说已成为我国非开挖管线工程用定向钻机、钻具和夯锤类设备的研制开发中心。此外，原地矿部中地装备集团及其技术中心在国家经贸委支持下，利用其自身的加工优势，在产品结构调整中，也相继通过技术转让和自主研制，生产出FDP－15型和FKW系列中的8型钻机，且至今已完成近15台套的钻机生产。除原地矿部的厂家外，目前中南冶金机械厂，宣化英格索兰公司、北京煤矿机械厂、山东探矿机械厂、石油物探局装备制造总厂等厂家也已开发出或准备开发定向钻机产品。.初具全方位研制、开发各类主要施工装备的能力。除定向钻机、夯管锤、气动矛施工装备现已有多家企业、院校和研制单位在开发，且有的已有自身系列外，对那些结构较复杂、技术含量更多的大型装备如项管机和微型隧道掘进设备，目前上海隧道工程股份有限公司、煤炭科学研究总院上海分院、上海市政工程研究院、北京中煤矿山工程公司、镇江煤矿专用设备厂等均有这方面的开发能力和经验，而且上海隧道工程股份有限公司已研制出∮600中心螺旋式小型项管机。而河南畅通管道电信工程有限公司利用自己研制的各类顶管设备，累计已完成各类电信工程近4万延米，取得了很好的效益。

进入新的世纪后，世界城市化进程也将加快，城市化趋势已不可逆转。各国政府面对人口、资源和环境的巨大压力，为确保国民经济的可持续发展，加大城市地下空间开发利用的力度，将城市相关的基础设施建造在地下，已成为未来城镇建设的重要发展方向之一，而其中首当其冲的就是城市各类管网的地下化和城市交通的立体化。此外还应看到，在经济高速发展的推动下，人们追求和渴望生活质量的提高。而生活

我国定向钻机遂年增长情况质量的内涵包括物质丰富、教育水平、安全保障和环境好坏等诸多要素。其中城镇地下管线的人均占有量及其运行状况就是衡量人们生活质量好坏的重要因素之一。基于此，改革开放以来，我国加大了地下管网建设的投入力度，使各类管道的数量以很高的速度增长。表3列出了相关数据及年增长率。从国内已使用的非开挖设备台数的统计表明,1996年仅为50台套，而到2000年已达到300多台套（其中定向钻机150台套），年均增长达80％以上。

表3，我国各类管道的历年增长状况管道类别19851990199519961997199890至98年的年增长率％城市自来水管道km2026132155872253616城市下水管道km315565778711029311281211973912594315城市供气管道km57238636786815410城市集中供热管道km3358932500343085油气输送管道km19261204022306310

值得一提的是，科技部已将非开挖技术列入“十五”计划的863高技术项目并将投入约一亿元人民币的资金（国家投入3千万元、企业投入6千万元）来研究开发非开挖技术设备，这必将进一步推动我国非开挖技术事业的发展。我们必须清醒的看到，我国地下管线增长速度虽高，但我国人均管道的占有量还远远低于西方发达国家，因而作为城市管网地下化重要的技术手段，非开挖技术的应用前景是极为广阔的。786815410城市集中供热管道km3358932500343085油气输送管道km19261204022306310值得一提的是，科技部已将非开挖技术列入“十五”计划的863高技术项目并将投入约一亿元人民币的资金（国家投入3千万元、企业投入6千万元）来研究开发非开挖技术设备，这必将进一步推动我国非开挖技术事业的发展。我们必须清醒的看到，我国地下管线增长速度虽高，但我国人均管道的占有量还远远低于西方发达国家，因而作为城市管网地下化重要的技术手段，非开挖技术的应用前景是极为广阔的。

水平定向钻穿越施工工艺介绍

1.1钻导向孔:　要根据穿越的地质情况，选择合适的钻头和导向板或地下泥浆马达，开动泥浆泵对准入土点进行钻进，钻头在钻机的推力作用下由钻机驱动旋转（或使用泥浆马达带动钻头旋转）切削地层，不断前进，每钻完一根钻杆要测量一次钻头的实际位置，以便及时调整钻头的钻进方向，保证所完成的导向孔曲线符合设计要求，如此反复，直到钻头在预定位置出土，完成整个导向孔的钻孔作业。见示意图一：钻导向孔。

 　钻机被安装在入土点一侧，从入土点开始，沿着设计好的线路，钻一条从入土点到出土点的曲线，作为预扩孔和回拖管线的引导曲线。   1.2预扩孔和回拖产品管线：　　一般情况下，使用小型钻机时，直经大于200毫米时，就要进行予扩孔，使用大型钻机时，当产品管线直径大于Dn350mm时，就需进行预扩孔，预扩孔的直径和次数，视具体的钻机型号和地质情况而定。　回拖产品管线时，先将扩孔工具和管线连接好，然后，开始回拖作业，并由钻机转盘带动钻杆旋转后退，进行扩孔回拖，产品管线在回拖过程中是不旋转的，由于扩好的孔中充满泥浆，所以产品管线在扩好的孔中是处于悬浮状态，管壁四周与孔洞之间由泥浆润滑，这样即减少了回拖阻力，又保护了管线防腐层，经过钻机多次预扩孔，最终成孔直径一般比管子直径大200mm，所以不会损伤防腐层。见示意图二：预扩孔和示意图三：回拖管线。 

在钻导向孔阶段，钻出的孔往往小于回拖管线的直径，为了使钻出的孔径达到回拖管线直径的1.3～1.5倍，需要用扩孔器从出土点开始向入土点将导向孔扩大至要求的直径。

地下孔经过预扩孔，达到了回拖要求之后，将钻杆、扩孔器、回拖活节和被安装管线依次连接好，从出土点开始，一边扩孔一边将管线回拖至入土点为止。 2、水平定向钻施工的特点：   2.1定向钻穿越施工具有不会阻碍交通，不会破坏绿地，植被，不会影响商店，医院，学校和居民的正常生活和工作秩序，解决了传统开挖施工对居民生活的干扰，对交通，环境，周边建筑物基础的破坏和不良影响。   2.2现代化的穿越设备的穿越精度高，易于调整敷设方向和埋深，管线弧形敷设距离长，完全可以满足设计要求埋深，并且可以使管线绕过地下的障碍物。   2.3城市管网埋深一般达到三米以下，穿越河流时，一般埋深在河床下9—18米，所以采用水平定向钻机穿越，对周围环境没有影响，不破坏地貌和环境，适应环保的各项要求。   2.4采用水平定向钻机穿越施工时，没有水上、水下作业，不影响江河通航，不损坏江河两侧堤坝及河床结构，施工不受季节限制，具有施工周期短人员少、成功率高施工安全可靠等特点。   2.5与其它施工方法比较，进出场地速度快，施工场地可以灵活调整，尤其在城市施工时可以充分显示出其优越性，并且施工占地少工程造价低，施工速度快。   2.6大型河流穿越时，由于管线埋在地层以下9—18mm，地层内部的氧及其他腐蚀性物质很少，所以起到自然防腐和保温的功用，可以保证管线运行时间更长。    3、水平定向钻机系统简介：　各种规格的水平定向钻机都是由钻机系统、动力系统、控向系统、泥浆系统、钻具及附助机具组成，它们的结构及功能介绍如下：

3.1钻机系统：是穿越设备钻进作业及回拖作业的主体，它由钻机主机、转盘等组成，钻机主机放置在钻机架上，用以完成钻进作业和回拖作业。转盘装在钻机主机前端，连接钻杆，并通过改变转盘转向和输出转速及扭矩大小，达到不同作业状态的要求。   3.2动力系统：由液压动力源和发电机组成动力源是为钻机系统提供高压液压油作为钻机的动力，发电机为配套的电气设备及施工现场照明提供电力。   3.3控向系统：控向系统是通过计算机监测和控制钻头在地下的具体位置和其它参数，引导钻头正确钻进的方向性工具，由于有该系统的控制，钻头才能按设计曲线钻进，现经常采用的有手提无线式和有线式两种形式的控向系统。   3.4泥浆系统：泥浆系统由泥浆混合搅拌罐和泥浆泵及泥浆管路组成，为钻机系统提供适合钻进工况的泥浆。   3.5钻具及辅助机具：是钻机钻进中钻孔和扩孔时所使用的各种机具。钻具主要有适合各种地质的钻杆，钻头、泥浆马达、扩孔器，切割刀等机具。辅助机具包括卡环、旋转活接头和各种管径的拖拉头。穿越施工现场布置图

 2．出土点一侧主要作为管道焊接场地，在出土点应有一块20?0M的场地作为预扩孔、回拖时接钻杆和安装其他设备时使用；在出土点之后有一条长度与穿越长度相等的管线焊接作业带。穿越实例
    大沽沙穿越钻机场地布置　1998年9月到10月之间，在天津塘沽大沽沙海河，我公司仅用45天时间完成了两条Φ219?，一条Φ426?，长度为960米的管道穿越。    大沽沙穿越焊接场地（只显示了两条管道）   水平定向钻穿越施工工艺流程图

使用水平定向钻技术穿越河流和其它障碍物的施工方法在世界范围内得到了广泛的运用。水平定向钻穿越承包商协会认为：在工程项目招投标过程中，水平定向钻承包商应设法获取尽可能多的相关信息以提出完整并具竞争力的报价，承包商在开工前应该获得以下信息，以保证日后的工作可以顺利进行，并在此条件下完成工程项目的施工，同时足够的施工前的各类信息还可以保证施工过程更安全，减少对周围环境的破坏，使工程进行的更顺利。   一、概述　A、发展与使用　水平定向钻技术最早出现在70年代，是传统的公路打孔和油田定向钻井技术的结合，这已成为目前广受欢迎的施工方法，可用于输送石油、天然气、石化产品、水、污水等物质和电力、光缆各类管道的施工。不仅应用于河流和水道的穿越，同时还广泛应用于高速公路、铁路、机场、海岸、岛屿以及密布建筑物、管道密集区等。　B、技术限制

定向钻施工技术首先应用于美国海岸地区的冲积层穿越，现在已经能够开始在粗沙、卵石、冰碛和岩石地区等复杂地质条件下进行穿越施工。最长的穿越施工已达6000英尺、管道直径为18英寸。　C、优势　事实证明：水平定向钻穿越是对环境影响最小的施工方法。这项技术同时还可以为管道提供最的保护层，并相应减少了维护费用，同时不会影响河流运输并缩短施工期，证明是目前效率最高，成本最低的穿越施工方法。　D、施工过程和技术　1、导向孔：导向孔是在水平方向按预定角度并沿预定截面钻进的孔，包括一段直斜线和一段大半径弧线。在钻导向孔的同时，承包商也许会选择并使用更大口径的钻杆（即冲洗管）来屏蔽导向钻杆。冲洗管可以起到类似导管的作用，还可以方便导向钻杆的抽回和更换钻头等工作。导向孔的方向控制由位于钻头后端的钻杆内的控制器（称为弯外壳）完成。钻进过程中钻杆是不做旋转的，需要变换方向时若将弯外壳向右定位，钻进路线即向右沿平滑曲线前进。钻孔曲线由放置在钻头后端钻杆内的电子测向仪进行测量并将测量结果传导到地面的接收仪，这些数据经过处理和计算后，以数字的形式显示在显示屏上，该电子装置主要用来监测钻杆与地球磁场的关系和倾角（钻头在地下的三维坐标），将测量到的数据与设计的数据进行对比，以便确定钻头的实际位置与设计位置的偏差，并将偏差值控制在允许的范围之内，如此循环直到钻头按照预定的导向孔曲线在预定位置出土。　2、预扩孔：导向孔完成后，要将该钻孔进行扩大到合适的直径以方便安装成品管道，此过程称为预扩孔，（依最终成孔尺寸决定扩孔次数）。例如，如需安装36英寸管线，钻孔必须扩大到48英寸或更大。通常，在钻机对岸将扩孔器连接到钻杆上，然后由钻机旋转回拖入导向孔，将导向孔扩大，同时要将大量的泥浆泵入钻孔，以保证钻孔的完整性和不塌方，并将切削下的岩屑带回到地面。　3、回拖管道：预扩孔完成以后，成品管道即可拖入钻孔。管道预制应在钻机对面的一侧完成。扩孔器一端接上钻杆另一端通过旋转接头接到成品管道上。旋转接头可以避免成品管道跟着扩孔器旋转，以保证将其顺利拖入钻孔。回拖由钻机完成，这一过程同样需要大量泥浆配合，回拖过程要连续进行直到扩孔器和成品管道自钻机一侧破土而出。   二、现场布局和设计　A、道路

顶管技术(Pipejacking)表述的不但是一种具体的非开挖管道铺设方法，同时还是以顶管施工原理为基础的一些非开挖铺管技术的总称，因此必须把施工原理和具体的施工方法区分开来，不能相互混淆。   这种采用液压油缸将管段顶入由切削刀盘或掘进机形成的钻孔中构成衬砌的施工方法，除了适用于顶管工法外，也同样适用于螺旋钻进和微型隧道工法；无论是施工一个直径只有100mm的螺旋钻套管，还是顶进大的车辆交通箱涵，所采用的顶管施工原理都是一样的。    在文献中，顶管技术(PipeJacking)也被称为液压顶管技术。该施工方法的实质就是，所要顶进的管道在主顶工作站的作用下(有时需要中间站或中继站辅助)，由始发井始发，顶进至目标井。在施工中，通过位于第一节管道的可控顶管机(或盾构机)，可以实现直线或曲线顶进，一般情况下，顶管机的操作和控制可以直接在地下的工作现场由操作人员来完成，特殊情况下(如微型隧道施工技术)，也可以通过位于地表的控制台进行遥控。岩石的破碎方法可以在工作面上通过手工、机械或者水力的方法进行分步破碎来实现，也可以通过机械全断面破碎来实现。破碎下来的岩粉或泥土可以通过压力墙上的进土口进入顶管机，并通过已铺设好的管线运至地表。

若使刃脚比它相应于管子外径应有的尺寸稍大一点

若使刃脚比它相应于管子外径应有的尺寸稍大一点，就有可能降低管外壁摩阻力。这样能使上层不直接压在管体上。只要土层足够坚硬，这种方法就会取到预期的效果。而如果向管子和土层之间形成的空隙内压人支承介质，这种方法的效力更可以大大提高，并能维持一定的时间，从而足以顶进一段相当长的管路，再则，支承介质在起支承作用的同时，也可以作为润滑剂起到减少摩阻力的作用。对支承一润滑介质的要求对支承一润滑介质的要求，可以根据摩擦定律推算出来。摩擦定律概要除了不在这里讨论的滚动摩擦之外，可将摩擦区分为：a）粘附摩擦（与静摩擦相同）；b）滑动摩擦。在粘附摩擦和滑动摩擦的情况下都存在如下的关系：Ｔ＝N.μ式中N——法向力；T——切向力；μ——摩擦系数； 

摩擦系数μ是一个材料常数，与滑动面和滑动物体的表面性质有关，而却不以接触面积F的大小为转移。无量钢系数μ在粘附摩擦的情况下，一般大于滑动摩擦时的数值，因为在粘附摩擦的情况下，表面会由于经常存在的不平度而被“楔紧”。滑动摩擦又可分为：b1）干摩擦；b2）液体摩擦。在干摩擦时，滑动体和滑动面直接接触，在液体摩擦的情况下，滑动体和滑动面则被润滑介质隔开在滑动摩擦的情况下。滑动体和滑动面之间存在相对速度。在干滑动摩擦的情况下，摩擦系数μ与相对速度υ无关。在液体滑动摩擦的情况下，视在摩擦系数μ则相随滑动体和滑动面之间液体的流动阻力而变化。流动阻力则取决于液体的运动粘滞度和流动速度。根据流体动力学可知，流动阻力与流动速度的平方成正比。在两个互相接触的物体之间，起作用的是一个比压：P=N/F在液体摩擦的情况下，作用在润滑液体上的是一个流动压力：p’=f（υ2）若p=p’，物体和润滑介质便处于平衡状态。这时运动的物体就“漂浮”在滑动面上。如p＞p’，润滑介质便会从运动物体和滑动面之间的缝隙中逐渐被挤压出去，直到液体摩擦转变为干滑动摩擦为止。液体摩擦的前提在于，无论物体和滑动面都必须是不透水的。如果润滑介质能够渗人物体或滑动面，而又不以同样的数量给予补充，那么液体摩擦就会变成干摩擦。从摩擦定律得出的结论．按照摩擦定律来考虑，对于顶管施工可以得出完全明确的结论如下：a）为了保持较小的推顶力，干摩擦须以尽可能小的摩擦系数μ为前提。管子表面的光滑，能使摩擦系数降低。管子表面的机械加工和涂抹减摩剂，同样都能起到减小μ值的作用。b）在干摩擦的情况下，管子表面在推顶过程中会被周围上层磨毛，因而使摩擦系数增大。所以在项管距离较大时，一般多采取液体摩擦的方式。

而巴伐利亚矿层却只含有膨胀性能较差的钙膨润土。但钙蒙脱土有一个特性，亦即其中化合的钙离子可以用钠离子来置换。通过这样的离子交换，钙膨润土的性能会有很大的变化，从而被赋予钠膨润上的优良特性。由于销膨润土和通过钠离子置换而活化的钙膨润土——也叫作活性膨润土——能够最大程度地满足顶管施工中提出的要求，因而下面的讨论便以这两种膨润土为基础。化学分析表明，膨润土中大约有56％的二氧化硅和20％的氧化铝，二者共同构成了蒙脱土上晶体的基本物质。与此相对应，矿物组成中也有75％的蒙脱土。筛分析也很值得注意，根据筛分析，膨润土中粒径小于0.025毫米的占55％。膨润土加水搅拌即成悬浮液，这里对水质的要求和拌制混凝土时一样。判断膨润土悬浮液是否适于用作支承一润滑介质的标准在于它的物理特性。而对后者起决定作用的，主要是悬浮液中的膨润土含量。表2中按照每立方米制成悬浮液中含有30、40、60和80公斤膨润上的四种情况，分别列出了各种悬浮液的主要参数。首先从容重的数据中可以看出，膨润土含量对容重的影响不大。在我们所考察的试样上，容重大致变化于1020到1050公斤/米3之间，因此只是稍高于纯水的容重。所以膨润土悬浮液也可以在水下顶管施工中用作支承润滑介质，无需顾虑悬浮液因容重不同而流失，故而对膨润土悬浮液来说，容重并不是一个重要的判断标准。　　反之，流变极限测量结果都表明，无论在运动状态或是静置状态下，悬浮液中的膨润土含量都对流变极限有很大的影响。正如事先的考虑所预见到的，流限在运动状态下达到了下限值。观察表2可以看出，膨润上含量从每立方米30公斤增加到60公斤时，亦即在膨润上含量增大一倍的情况下，运动流限从22.4克（力）／厘米2上升到204克（力）／厘米2，因此也就是提高到大约9倍，当膨润土含量从40公斤／米3增加到80公斤／米3时，同样也是在增大一倍的情况下，可以看到大致相同的比率。这时运动流限从44.6克（力）／厘米2上升到439克（力)/厘米2，亦即增大到10倍左右

膨润土悬浮液在疏松土层中的应用在无粘性的疏松土层中以及在粘性很小的土壤中，例如在砂砾土中，若不采取其它辅助措施，土层由于本身极不稳定，以致在刃脚推进之后立刻就会坍落在管壁上。所以对这类土壤来说，膨润土悬浮液的支承作用尤其具有重要意义。为了起到这种支承作用，先决条件是要尽可能准确地掌握膨润土悬浮液在砂砾上中的特性。膨润上悬浮液将渗入土层的孔隙内，充满孔隙，并继续在其中流动。流速取决于孔隙的横断面与悬浮液的流变特性，同时也取决于压浆压力。因此为了在同样的压浆压力下达到相同的渗入深度，在孔隙横断面很小的细粒土层中便需要低流限的悬浮液，面孔隙横断面较大的粒粒土层则需要高流限的悬浮液。在克服流动阻力的过程中，压浆压力随着渗人深度的增加而成比例地衰减，所以相应每一种压浆压力，都有一个完全确定的渗人深度。为了便于了解渗入过程，可以把上层看作是一条条许多毛细管的总和。图7显示了一条圆形横断面的毛细管中的流动过程。这样的一条毛细管必然会对其中穿流的流动介质、在这里即是对膨润上悬浮液产生一个阻力W。W=τ.U.l=τ.2.r.π.l为了克服这一阻力便需要一个压力：P＝p.F＝p.r2.π只要P＞W，毛细管中的介质便向前流动。一当流动阻力大到与作用于介质的压力P相等，即。W=P流动过程即停止。由此可知平衡条件为τ.2.r.π.l=P.r2.π或(τ.2.l)/r=p根据这一关系式可以算出流动长度，换言之亦即渗入深度l=(r.p)/(2.τ)由此可见，渗入深度与毛细管的直径和压浆压力成正比，与悬浮液的流限成反比。只要悬浮液在毛细管中流动，它便处于流动状态，因而对悬浮液起作用的便是运动流限。这时悬浮液便具有溶胶的稠度。但一当悬浮液达到可能的渗入深度之后静止下来，只须经过一个很短的时间，它的流限便达到静止数值。于是悬浮液就变成了凝胶。由于静止状态下的流限高达流动状态下的10倍，因而在这种情况下膨润土悬浮液便象泥浆那样地充满着土层的孔隙。这样在管体四周的土层中就形成了一层密实而有承载能力的环套，其厚度即相当于悬浮液的渗入深度现在，如果在这一环套和顶进管之间保持一个相当于土压力的悬浮液压力，于是悬浮液使承受着全部的土压力，致使土压力不再直接地，而是经由悬浮

作为使摩阻力降低到最小限度的先决条件，最佳支承作用的取得须具备下列前提：1．在设计时以及在推顶过程中准确地查明土层情况，并根据筛分曲线详尽地掌握土层的颗粒分布；2．计算出土压力，从而确定膨润上悬浮液的压人压力；3．按基本粒径确定膨润土悬浮液的混合比，并经常进行检验，4．正确地制备膨润土悬浮液;5．保证在全部顶进管路上和全部顶进时间内都有膨润上悬浮液压入。其中最重要的一点，是必须求得正确的混合比。此外必须注意，悬浮液稳定极限大约是每立方米悬浮液至少含40公斤膨润上。这一理论计算结果在实际施工中须仔细加以核验。必须特别指出的是，膨润土含量过低、因而也就是流限过低的悬浮液起不到支承和润滑作用，因为这样的悬浮液会毫无阻力地或只受到很小阻力地流散到土层中去，因而不可能在管体周围形成一个支承环带。在基本粒径为10毫米的情况下，要求悬浮液的膨润土含量为60公斤／米3左右，在基本粒径为20毫米的情况下，要求悬浮液的膨润上含量为80公斤／米3左右，反之，在基本粒径为2毫米时。悬浮液的膨润上含量为40公斤／米3即已足够．但滑动阻力与运动流限成正比

运动流限在每立方米悬浮液中含：40公斤膨润上时为44.6克（力）／厘米260公斤膨润土时为204克（力）／厘米280公斤膨润土时为439克（力）／厘米2这就是说，在每立方米悬浮液中含膨润土60公斤时，运动流限几乎为40公斤／米3情况下的5倍，而在每立方米悬浮液中含膨润土80公斤时，则已经高达含量为40公斤／米3时的10倍。这就意味着，如果悬浮液中的膨润上含量在全部推顶距离上保持不变，那么对粗粒土壤来说，由于需要悬浮液的膨润土含量较高以保证支素作用，故而推顶阻力以及因之所需的推顶力就会比细粒土壤的情况下更大一些。但孔隙～旦被膨润上悬浮液充满，并因而形成支撑环带时，于是粗粗土壤的状况也就无异于细粒土壤了。因而在这种情况下，为了在推顶过程中支承土层，悬浮液中的膨润土只需要达到稳定极限所要求的最小含量40公斤／米3即可。因此,在粗粒土壤的情况下，只是直接在刃脚之后压入相应于基本粒径的高含量膨润上悬浮液，而在全部后续管路上则可使用稠度低得多的悬浮液。这样便可以大大降低推顶阻力，或者也可以说是在相同的推顶力下加长推顶距离。同时还可以借此节省膨润土，并减少中继顶压站的数目。为此采用两套膨润土配拌设备附带两台压浆泵和两套管路所需的额外费用，在管径较大和推顶距离较长的情况下一般是值得的！压浆时须注意，压出的膨润上悬浮液要尽可能均匀地分布在整个管体外围，以便能够围绕整个管体形成所需的环带。因此，压浆赖以进行的注射喷口要均匀地配置在整个管壁圆周上。注射喷口的间距或数量须取决于土壤允许膨润上向四外扩散的程度。在渗透性很小的土壤中，例如密实的矿土和砂砾上，间距就必须缩小一些，在疏松的砾石土中，间距则可以相应地加大。注射喷管即可以在整个管壁圆周上与一条环管连接，也可以分组连接，在分组连接时，一般是上半固联成一组，下半圈另成一组。为使膨润土尽快地起作用，应尽量靠近刃脚尾部进行压浆。所以压浆最好是直接从刃脚后的第一节管子中开始。但实践证明，在压浆压力较高的情况下，膨润土将均匀地沿着管子周围扩散，也就是说，即向后扩散，也向前扩散。因此便存在着膨润上悬浮液沿刃脚向前流动、并且又在切削刃上流出来的危险。 在纠偏量颇大的情况下，有可能造成刃脚和第一节管子之间的密封损坏，或者在刃脚分成两个部分情况下，则是造成切削段和顶压段之间的密封损坏，于是膨润上悬浮液就会从这些地方渗人工作空间。根据这一理由，膨润上在刃脚后第二节管子中开始压入比较适宜。膨润土悬浮液经由注射喷口压人的压力应相随所遇土层的压力而变化。在膨润土泵上，除了这一压力之外，还会受到一直通向注射喷口的膨润上管道的阻力。膨润上管道中的压力损失，由于假设条件并不可靠而且经常变化，故而计算很难准确，因此，对于必须准确地与上压力高度保持一致的压浆压力，便有必要直接在注射喷口上进行连续的测量。压浆压力调得过高可能是有害的。这时膨润上悬浮液会从注射喷口中涌出，在管口周围形成一个高度压缩区。这样就有可能形成栓塞，阻碍膨润上悬浮液的继续流出和扩散。如果一次注入的膨润上能在管子周围的土层中保持不变，那么只要直接在刃脚之后注入一次就足够了。然而十分明显，在推顶过程中，膨润土由于流散到土层中去而有所消耗。鉴于此，对后续管路也必须补充压人膨润上，以使管子和上层之间空隙中的膨润上悬浮液压力能够在顶进管路的全部长度上保持与土压力一致。注浆孔的间距主要取决于土层的性质、膨润土悬浮液的流变特性、刃脚的控上量和推顶速度。在许多已完成的工程中，注射喷口的间距是2节管子到5节管子以上。注浆孔的实际需要数量，只有在施工中才能知道。为了确保即使在最不利的场合下亦能提供所需数量的注浆孔，似乎最好是尽可能每隔2节管子即留出一些压浆孔。另方面当然也要考虑到，所有注浆孔在顶管结束后必须拆除和封闭。这需相当大的一笔费用，所以一开始即应力求间距适当。这一点在很大程度上也取决于施工公司的经验。膨润上的压人技术在很大程度上仍然要依靠经验，然而实际经验多半也是可以找到理论根据的。尽管就某种场合来说，随着管子的推进同时在管子整个圆周上和管路全部长度上均匀地压浆证明是相宜的，而在另一些场合下，正确的方法则又可能是分段压浆。例如现已得知，在管子下半部，膨润土在顶进过程中比静止状态下更容易流出，而上半部的压浆则是在管路静止的情况下更容易进行。因此最好是将管子下半部的注浆孔和上半部的注浆孔分别组合起来。这种半侧压出的原因在于，静止状态的管道以其全部很大的重量沉落于底部。这样便在管道的顶部形成了小空隙，或者至少是形成了一个压力较低的区域。因而在这种状态下，膨润土在管顶处比在管底部更容易流出。反之，在顶压力和浮力同时作用下，管道有向上拱起的倾向。这时管道离地升起，于是管底下方便形成了一个低压区，致使膨润土更加容易渗入其中并均匀地散开。

如果顶进管路被中继顶压站分成若干段，那么每次总是只有一个管路段受到推顶，其余各段则保持不动。这时宜于仅向被推顶的管路段内压人膨润上悬浮液TCECS508-2018 居住区电动汽车充电设施技术规程，而对于静止不动的管路段，则停止压送。此外，膨润土的压人要与中继顶压站的动作协调一致，这一点可以通过手动或远距离自动控制的方式来实现。特别要注意的是，膨润土悬浮液沿着管壁运动的方向不得与管路推顶方向相反，否则，由于管子和悬浮液的逆向运动，悬浮液非但起不到润滑介质的作用，却反而起了制动介质的作用。结果便会大大增加推顶阻力。如果只在顶进管路的前区压人膨润土，就会发生逆向运动，因为在这种情况下悬浮液便不得不向后流动。所以正确做法是，悬浮液的补压始终要保持从后向前的方向。在无粘性的疏松土层中，例如对于有流动倾向的矿土以及滚动的砾石上来说，可能十分重要的是，在第一节管子推入土层后立即开始压人膨润土悬浮液，以便在管子周围形成支承环带，从而不引起干摩擦。同样重要的是，对所有后续的管子来说，一但管子离开顶压坑，都要补压膨润土。然而为使悬浮液不能立即又在进口处向外流出，便需要设置如图12所示的弹性滑动密封，否则悬浮液的流出不仅要弄脏工作坑，而且也会破坏支承压力的形成。顶进管在膨润土悬浮液中受到的浮力只要顶进管在整个圆周上被膨润土悬浮液所包围，浮力定律便对它有效，即使悬浮液层的厚度很小也同样如此。在钢筋混凝土管情况下，浮力均为管子自重的1．4倍。在石棉水泥管情况下，浮力甚至高达管子自重的2.9倍。这样，只要通过正确地压人膨润土悬浮液，从而在土层中围绕顶进管形成一个支承环带，并保持悬浮液压力等于土压力，于是管子就会在膨润土悬浮液中漂浮起来。为此必需的前提在于悬浮液应是液体状态的，亦即呈现为表观流限相应较低的溶胶状态。在悬浮液的膨润土含量低到接近运动状态下的稳定极限时，这个条件便能得到满足。浮力可使管外壁摩阻力减小，因为管底部由于自重产生的法向力减少了。这一效果首先会对大直径管子的长距离推顶产生有利的影响。

引言　现代非开挖铺管技术是指利用岩土导向、定向钻进等手段，在地表不挖槽的情况下，铺设、更换或修复各种地下管线的施工新技术。该技术社会经济效益显著，尤其可在一些无法实施开挖作业的地区铺设管线，如穿越公路、铁路、建筑物、河流、古迹保护区、闹市区、农作物及植被保护区等。该技术现已广泛用于燃气、电信和电力等工程部门。　现代的非开挖地下管线施工法自20世纪70年代陆续开始大量出现，包括：水平导向钻进、水平定向钻进、方向可控的水平螺旋钻、冲击矛、夯管锤、微型逐道、旧管更换与修复、顶管掘进机等。　　现代方法与传统方法相比有以下特点：　　(1)引入了管线轨迹的测量和控制；　　(2)大大提高了铺管能力(长度2000m，直径3m)；　　(3)快速高效；　　(4)增强了在复杂地层条件下施工的能力；　　(5)使管道的原位修复成为可能。

1非开挖技术分类(按施工工艺)  非开挖技术措施按施工工艺可分为：导向钻进铺管技术、遁地穿梭矛铺管技术、顶管掘进机铺管技术、顶管铺管技术。1．1导向钻进铺管技术　　(1)施工优点　　①导向仪导向，快速高效准确；②钻孔方向易控制，施工场地要求简单；③导向探测与管线探测相结合有效调整钻头，避开管线，适合复杂地层条件下施工。　　(2)适用范围　　用于铺设电力、通信、煤气和自来水管线，铺管直径、长度和材料范围较宽，适合1000mm以下管径，主要有PE管铺设和钢管铺设。

1．2遁地穿梭矛铺管　　(1)施工方法　　①拉管法；②顶管法。　　(2)施工优点　　①冲击力大，穿透性强；②速度快，工期短；③可穿越流泥流沙和卵石带；④适宜各种管材。　　(3)适用范围　　①适宜于铺设各类13～150mm；②小管径长度＜50m或距离较长的；③钢管或铸铁管最大口径可达1．5m最大长度可达100m。1．3顶管掘进机铺管技术　　(1)优点　　①高功率、高效率；②采用泥水平衡掘进施工法，可进行大管径超长度施工；③噪音小、无污染。　　(2)适用范围　　隧道、涵洞和大口径管道。1．4顶管铺管技术　　(1)设备　　①导向探测仪；②导向钻机；③液压顶管机。　　(2)施工方法　　①导向钻孔定向；②液压顶进、人工挖掘。　　(3)优点　　①造价低；②定向准确、精度高、安全、无噪音污染；③可适用于各种地质条件；④适用于大口径小场地各种管道施工。　　(4)适用范围　　适用于铺设3000mm以内钢管、混凝土管、铸铁管、其它材质管道可采用套管法铺设。

2工程实例　我司常用的非开挖技术采用导向钻管法，以下以东明河顶管工程实例详细介绍导向钻管的技术。　(1)工程概况　岐江河东明大桥西侧穿越工程位于中山市东明大桥西侧，穿越地点选在东明大桥侧河道，离南岸桥支墩38m位置，两岸河堤之间宽度为112m，水深5m。由于石岐河水位受涨潮退潮影响，航道需正常通航，不能封航，因此工程采用定向钻技术，以非开挖方式进行煤气管道穿越。该工程为一条φ273?钢管穿越，穿越长度约为280m，最大穿越深度：自然地面以下10m；钻机入土点位于河南侧，出土点位于河北侧。入土角度为10埃鐾两嵌?埃杲拾刖段?88m。该工程为小型穿越，定向钻技术具有相对成本较低，工期短，不阻碍交通等优点，随着工艺的不断改进，该种施工工艺在管道燃气、自来水、电力和电信部门已开始普遍使用。现以上例子介绍一下其具体操作过程及注意事项

(2)编制依据　①《输油输气管道线路工程施工及验收规范》SY0401—98；②《水平定向钻进管线铺设工程技术规范》CSTT；③《石油天然气管道穿越工程施工及验收规范》SY／T4079—2003；④《长输管道线路工程施工及验收规范》SYJ4001—98；⑤《原油和天然气输送管道穿越工程设计规范穿越工程》SY／170015．1—98；⑥《输气管道工程设计规范》GB50251—94；　(3)现场条件　施工场地平坦，穿越地段高低不平，钻机场地位于河南侧，出土端位于河北侧。此地段交通运输较为方便，便于钻具的运输。电源采用自备发电机解决。　(4)机械性能和相关参数　FDP—30钻机具有优越的钻进性能，加上特制的辅助助力装置，使回拉能力达到80t，扭矩1．6万N.m。主机配有先进的液压动力系统，泵阀采用世界上最先进的力士乐产品，回转动力采用世界上最先进的波克兰电机，动力源采用进口的康明斯发动机。优良的设备加上高素质的员工，是我们顺利完成该条非开挖管线施工任务的保证。　(5)施工方法　①导向钻管法的施工工艺　地质勘察→穿越曲线设计→测量磁方位角→钻机就位→钻导向孔→扩孔→回拖→环境保护→地貌恢复　②导向钻管法的工作原理　水平导向钻机的工作原理是：在施工时，按照设计的钻孔轨迹(一般为弧形)，采用可从地表钻进的钻机先钻一个近似水平的导向孔，然后在导向钻头后换上大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待铺设工作管线，然后进行反向扩孔，同时将待铺管线回拉入钻孔内，当全部钻杆被拖回时，铺管工作同时也就完成了。此工程根据地质情况计划采用分级扩孔，共分2级扩孔，再回拖管线的方法，进行穿越施工。　③设备就位、安装、调试　钻机就位前对机施工场地进行平整(20m?0m)，保证设备通行及进出场。设备及材料存放场地须高出自然地面不小于15cm，推平、碾压，并设断面不小于0．3m?．3m的边沟。打好轴线后，根据入土点、入土角度结合现场实际情况使钻机准确就位。钻机设备、泥浆设备、固控设备安装完成后，对设备进行调试、检查、测试，确保设备安全运行。控向设备仪器安装完成后，对其进行调试，确保导向孔的精度。入土端泥浆储运坑(2m?m?m)及出土端泥浆储运坑(2m?m?m)。多余泥浆由吸污车集中清运。浆储运坑(2m?m?m)及出土端泥浆储运坑(2m?m?m)。多余泥浆由吸污车集中清运。　④钻导向孔　本穿越工程穿越段地质条件暂按Ⅱ类土考虑，根据地层情况，选择并设计出导向孔轨迹曲线。钻导向孔的成功与否关键在于如何防止塌方的问题，故此在钻导向孔时按照地质构造的不同详细制定出合理的泥浆配比方案，规定在不同的地质情况下选用不同的泥浆配方，该工程中需加适量大分子聚合物及一些多功能处理剂，增加泥浆的粘度、降低泥浆的失水，使其性能控制在密度1．02～1．05g／cm。左右、粘度45～55s、失水10mL，以利于更好的保护孔壁，提高泥浆在孔洞中的悬浮携带能力。在造斜段使用的泥浆中添加适量的润滑剂，降低孔壁的摩擦系数，从而可以防钻具粘卡。　为保证预扩孔及回拖工作的顺利进行，钻导向孔时要求造斜段应严格按设计曲线钻进。经过对轴线及钻机就位情况进行校准，检查无误后方能开始钻进施工。探头装入探头盒后，标定、校准后再把导向钻头连接到钻杆上，转动钻杆测试探头发射信号是否正常，回转钻进2m后方可开始按照设计轨迹进行穿越。控向设备宜采用有缆控向系统，以提高钻进的准确性，导向孔完成后经检查合格后方可进行预扩孔。　⑤预扩孔及磨孔　a．预扩孔采用一台FDP—30型导向钻机进行预扩孔，边扩孔边打入泥浆，视旋转压力及回拉压力逐渐加大扩孔级别。预扩孔采用导向钻机进行预扩孔，边扩孔边打入泥浆，视旋转压力及回拉压力逐渐加大扩孔级别。　b．扩孔次数需视钻机回转压力及回拖压力而定。扩孔级别如下：

使用φ320mm螺旋扩孔钻头扩一遍。　　使用φ450mm螺旋扩孔钻头扩一遍。　c．扩孔前要做好泥浆循环系统的准备工作，FDP—30型导向钻机配套的泥浆系统工作性能，每小时的最大工作流量为5m3，则泥浆泵每一个工作日的最大循环流量为120m3，在入土点、出土点旁各开挖一个泥浆坑，并配有清运泥浆的专用设备。保证施工现场的清洁卫生，做到文明施工。　⑥拖管　a．拖管采用专门的回拖器，同时采用边打泥浆边旋转回拖的方法。从而保证钢管防腐层不被破坏。　b．旋转分动器采用特制的结构。　c．扶正器与工作管的连接要牢固，并要求工作管与拉管器的连接要牢固、安全、密封，作到可靠。　d．采用小比重高粘度泥浆，加入适合地质结构的泥浆处理剂和管孔润滑剂等措施以减少回拖时的阻力，减小钻机工做负载。　e．在φ273?钢管回拖前，验证扩孔后孔内是否有充足泥浆，以便回拖中起到护壁润滑作用。　f．经确认钢管焊接、防腐合格后，将钢管拖人端与回拖器连接牢固，检查所有回拖系统(含设备、工艺保障措施)是否处于最佳状态。　g．回拖前，在待回拖φ273?钢管下，每间隔20m摆放1个托辊，并用吊车配合，以防止在回拖中擦伤钢管外壁。　h．回拖启动后，要作到平稳、匀速(回拖中不能停留)，速度控制在0．08m／s。操作手时刻观察回拖压力变化，及时上报外脚手架工程专项施工方案(带图)，以便采取必要措施，使钢管顺利回拖成功。　i．拖管时，大部分泥浆将循环使用，需挖两个坑暂存，一个为泥浆倒坑一个为净化好的泥浆坑。　⑦地形地貌的恢复　工作管回拖完毕后，清理现场并撤出所用施工设备，恢复场地的地形地貌。　施工过程图详见图1。　该工程的顺利完成，创造了中山市有史以来最大的以定向钻非开挖方式过河的管道煤气工程历史，将使石岐河以北的城区及港口镇居民和工商企业能够用上安全、清洁、方便及源源不断的港华代天然气，促进该地区经济快速发展，提高人民生活水平，并为明年天然气的到来奠定了基础。

3结语　上述的非开挖技术，不但减少路面开挖，降低施工费用及解决一些在传统开挖术不能施工的问题，而且在修复旧管道及安装难度高的工程时；在西气东输、广东LNG工程中大规模的管道管网的铺设；天然气作为清洁环保能源的普及使用，使其在天然气置换工程时；为保证向客户供气不致大幅间断，和安装分区调压阀及管道时；在环型管网完成后，如需要更新旧有的煤气管道时，发挥了相当大的优势。非开挖技术代替土建施工(挖槽埋管法)，这不但燃气施工技术上又一跃进，还体现了施工技术的高速发展和科技现代化。