現(xiàn)代非開挖施工技術(shù)于二十世紀(jì)六十年代末起源于日本、英國(guó)和美國(guó)，由于其技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，在世界各地廣泛推廣，于1986年在倫敦成立了國(guó)際非開挖技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTT-International Society for Trenchless technology）。非開挖施工技術(shù)主要有水平定向鉆進(jìn)施工和氣動(dòng)錘施工兩種方法，并且兩種施工方法又有相結(jié)合的趨勢(shì)。而氣動(dòng)錘施工方法又可分為氣動(dòng)矛鉆進(jìn)、夯管法、碎管法等技術(shù)。
非開挖施工技術(shù)是在不開挖地表的條件下，進(jìn)行地下管線鋪設(shè)、更換和修復(fù)的一項(xiàng)施工方法，與傳統(tǒng)的開挖方法相比，具有不影響交通、不破壞地表設(shè)施、施工周期短、施工成本低、操作方便、社會(huì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)于需要在地下較深位置、地表有障礙物、地面附屬物修復(fù)困難等情況更具優(yōu)勢(shì)，目前，廣泛應(yīng)用于穿越公路、鐵路、建筑物、河流以及在城區(qū)、古跡保護(hù)區(qū)等進(jìn)行市政、供水、煤氣、電力、電訊、石油、天然氣等管線的鋪設(shè)、更新和修復(fù)等工程。
由于國(guó)外對(duì)非開挖施工技術(shù)研究較早，已形成了多種系列產(chǎn)品，具有代表性的生產(chǎn)廠家有美國(guó)的Vermeer公司、DitchWitch公司、Mchlaughlin公司，英國(guó)的MTM公司和POWERMOLE公司，德國(guó)的ESSIG公司和TRACTO-TECHNIK公司以及瑞士的Terra公司。
我國(guó)非開挖施工技術(shù)與設(shè)備的開發(fā)和研究工作起步較晚，在二十世紀(jì)八十年代后期，由于不允許開挖鋪設(shè)地下管線的工程日益增多，以及各大城市改擴(kuò)建工程的開展，開始引進(jìn)各類非開挖施工設(shè)備，并促進(jìn)了我國(guó)非開挖施工技術(shù)和設(shè)備的開發(fā)和研究工作，并成立了中國(guó)非開挖技術(shù)協(xié)會(huì)。非開挖技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展十分迅速，2004年非開挖的工程產(chǎn)值和設(shè)備的投入量都達(dá)到了40~50%的增長(zhǎng)速度，設(shè)備的國(guó)產(chǎn)率大幅提高，有些設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到了90%，年產(chǎn)值超過(guò)30億元。
一、 水平定向鉆機(jī)及施工方法
水平定向鉆進(jìn)鋪管施工方法為：采用水平定向鉆機(jī)，首先鉆進(jìn)一個(gè)較小的導(dǎo)向孔，然后卸下導(dǎo)向鉆頭，換上擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行反向擴(kuò)孔，同時(shí)將待鋪設(shè)管線拉入鉆孔中，根據(jù)鉆機(jī)的能力和待鋪設(shè)管線直徑大小，有時(shí)需要進(jìn)行二次或多次擴(kuò)孔后再鋪設(shè)管線，其施工方法如下圖。
圖左邊為水平定向鉆進(jìn)行導(dǎo)向孔鉆進(jìn)示意圖，而圖右邊為擴(kuò)孔和鋪設(shè)管線示意圖。水平定向鉆具有可控制的鉆進(jìn)系統(tǒng)，能進(jìn)行導(dǎo)向鉆進(jìn)。通過(guò)鉆桿的旋轉(zhuǎn)和一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的楔形鉆頭，導(dǎo)向鉆進(jìn)過(guò)程能進(jìn)行三維控制，其原理為：當(dāng)鉆進(jìn)過(guò)程如果需要改變方同，鉆桿停止旋轉(zhuǎn)，將楔形鉆頭的楔面固定在相應(yīng)的位置，將鉆桿向前推進(jìn)即可改變鉆進(jìn)方向。對(duì)于鉆頭的位置、鉆頭與地面的傾斜度、楔面角度等重要數(shù)據(jù)是通過(guò)一個(gè)電磁探測(cè)儀傳送到地面上的接收儀器中。到達(dá)目的點(diǎn)的楔形鉆頭將被換成一個(gè)錐形擴(kuò)孔器，在回拉鉆桿時(shí)將鉆孔擴(kuò)大到所需直徑，同時(shí)將管線帶入，其擴(kuò)孔鉆頭如下圖，可實(shí)現(xiàn)巖石和土質(zhì)地層擴(kuò)孔。
定向鉆機(jī)按照不同的推拉力分為6.5t、1Ot、12t、20t、20t、150t，可用于直徑達(dá)600mm，一次管線鋪設(shè)長(zhǎng)度可長(zhǎng)達(dá)350mm或數(shù)公里的管線鋪設(shè)。為了滿足更大管徑和更長(zhǎng)距離的管線鋪設(shè)要求，有些公司正在研究更大噸位的定向鉆。
定向鉆機(jī)適用于均質(zhì)地層的施工。當(dāng)遇到卵礫石地層鉆進(jìn)時(shí)，一般鉆機(jī)難以施工，為了解決上述施工難題，德國(guó)的TRACTO-TECHNIK公司開發(fā)了一種具有沖擊功能的鉆機(jī)，可以擊碎鉆進(jìn)中的卵礫石，而對(duì)回?cái)U(kuò)時(shí)遇到大塊卵礫石時(shí)，可采用圖2中右邊的巖石擴(kuò)孔鉆頭。
目前在巖石中的鉆進(jìn)已有多種較為成熟的方法，其中中聯(lián)重科研究出的KSD25型干濕兩用水平定向鉆機(jī)，采用氣動(dòng)沖擊錘鉆進(jìn)技術(shù)，能完成硬巖導(dǎo)向孔鉆進(jìn)。但在巖石中擴(kuò)孔至今仍無(wú)新的方法出現(xiàn)，仍然采用傳統(tǒng)的牙輪鉆具，其效率低、磨損嚴(yán)重、費(fèi)用高。
隨著產(chǎn)品的升級(jí)，水平定向鉆機(jī)向智能化方向發(fā)展，能實(shí)現(xiàn)智能鉆進(jìn)糾偏、智能故障診斷、自動(dòng)裝卸鉆桿、自動(dòng)錨固、自動(dòng)清泥和自動(dòng)鉆進(jìn)等功能。
二、氣動(dòng)沖擊錘及施工方法
氣動(dòng)沖擊錘結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，由一個(gè)活塞缸和一個(gè)在活塞缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)的活塞，以及其它不超過(guò)10個(gè)輔助零件組成，其工作原理為：沖擊活塞由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，撞擊活塞缸前端，活塞缸前端對(duì)活塞的反作用力使得整個(gè)沖擊錘在土層中沿沖擊方向向前運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)矛（HammerHead Mole ）、夯管錘（Pipe Ramming Systems）和碎管錘(Pipe Bursting Systems)都稱為氣動(dòng)沖擊錘，下面將對(duì)三種氣動(dòng)沖擊錘的施工方法進(jìn)行分析。
1、氣動(dòng)矛
氣動(dòng)矛的施工方法為：在壓縮空氣的作用下，氣動(dòng)矛內(nèi)的活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不斷沖擊矛頭，矛頭擠壓周圍的土層形成鉆孔，并帶動(dòng)矛體在土層中前進(jìn)；隨著氣動(dòng)矛的前進(jìn)，氣動(dòng)矛將直徑小矛體的管線拖入孔內(nèi)，完成管線鋪設(shè)。根據(jù)地質(zhì)條件的不同，可以采用氣動(dòng)矛先成孔，然后再將管線拖入孔內(nèi)，也可以邊鉆孔邊將管線拖入孔內(nèi)。
氣動(dòng)矛適合在不含水的均質(zhì)地層中，如粘土、亞粘土中鋪設(shè)外徑為30~150mm，長(zhǎng)度為10~100m的鋼管、PE、PVC、電纜等管線。氣動(dòng)矛具有操作簡(jiǎn)單、裝拆方便、容易維護(hù)、施工成本低、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且具有運(yùn)動(dòng)方向正反轉(zhuǎn)功能。
氣動(dòng)矛的直徑為45~180mm，沖擊力為1.7~43噸，在加上附件的情況下，氣動(dòng)矛也適合豎直方向如地基樁的夯進(jìn)，當(dāng)配上套插錐頭也可做為夯具使用。
氣動(dòng)矛一般只能實(shí)現(xiàn)直線鉆孔，但德國(guó)的TRACTO-TECHNIK公司研制的定向氣動(dòng)矛也可實(shí)現(xiàn)定向鉆孔，其施工方法如下圖所示。定向氣動(dòng)矛借助于標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)向儀引導(dǎo)方向,傳感器置于氣動(dòng)矛前腔室內(nèi),給顯示器提供傾角及轉(zhuǎn)動(dòng)信息,而地面上的手動(dòng)定位裝置可精確跟蹤氣動(dòng)矛的傾角和深度位置。根據(jù)土壤不同結(jié)構(gòu),定向氣動(dòng)矛的最小彎曲半徑為27~30米。
2、夯管錘
夯管錘施工方法是采用夯管錘將待鋪設(shè)的鋼管沿設(shè)計(jì)路線直接夯入地層中，施工時(shí)夯管錘的沖擊力直接作用于夯管后端，通過(guò)鋼管傳遞到前端的管鞋上切削土層，并克服鋼管與地層之間的摩擦力，使鋼管不斷進(jìn)入土層，實(shí)現(xiàn)非開挖鋪設(shè)管線。
夯管錘采用護(hù)管夾頭與夯管連接，護(hù)管夾頭錐形鋼套能十分有效地將夯管錘固定在夯管上，從而不需支撐架。采用夯管錘后退功能，能十分容易將夯管錘從護(hù)管夾頭上取出。夯管錘的施工方法如下圖所示。
上圖左邊為采用護(hù)管夾頭將夯管錘穩(wěn)固地連接在夯管，并放置在夯管支架平臺(tái)上，夯管錘的沖擊載荷將夯管夯入地層中的情況。上圖右邊為采用壓縮空氣或者高壓水推動(dòng)壓力盤，將管內(nèi)土石推出管道的情況，也可采用螺旋鉆將管道內(nèi)的土石挖出。
夯管錘直徑為95~600 mm、夯擊力為23~2000噸，適用在不含大型卵礫石的各種土層中鋪設(shè)外徑為50~3500mm，長(zhǎng)度為10~80m的鋼管。夯管錘施工方法具有不需昂貴的阻力支座、裝調(diào)時(shí)間短、技術(shù)簡(jiǎn)便、只需很小的施工深度、施工成本低、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且也具有后退的功能。
夯管錘是利用動(dòng)態(tài)的沖擊能將鋼管夯入地層，夯管錘在地層變化或遇到障礙物時(shí)容易偏離方向，鉆進(jìn)的方向不可控制，軌道精度低，不適宜在大型卵礫石地層中使用。
3、碎管錘
氣動(dòng)碎管錘施工方法是采用碎管錘將原有舊管線爆裂，重新鋪設(shè)新管線的施工方法，新鋪設(shè)的管線可以等于或大于原有舊管線。
當(dāng)管道出現(xiàn)縱裂、滲漏、生成物沉積、堵塞等情況，可以采用碎管法這種既快捷又經(jīng)濟(jì)的施工方法重新鋪設(shè)管線。碎管機(jī)能更新的管線有陶瓷、不加筋混凝土、石棉水泥、塑料或鑄鐵的舊管道。
氣動(dòng)碎管錘直徑為130~600 mm，適用于污水管、排水管及氣、水等舊管道的更換，可換入同管徑或更大管徑的PVC－u（不飽和聚氯乙烯）、PS-HD（高密度聚乙烯）、Pp（聚丙烯）新管線，管線的外徑為150~1200mm，長(zhǎng)度為10~100m。碎管錘施工具有設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少、施工成本低、容易安裝和維修、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且也具有后退的功能。
三、 平定向鉆與氣動(dòng)沖擊錘組合施工
當(dāng)采用水平定向鉆單獨(dú)施工時(shí)，有時(shí)會(huì)遇到起始鉆進(jìn)困難，鉆桿、管道回拖時(shí)被泥漿粘住或被卡住等情況，經(jīng)常采用水平定向鉆與氣動(dòng)沖擊錘組合施工方法解決上述難題。在巖石、卵礫石和回添土層中鋪設(shè)管線，是非開挖施工所面臨的技術(shù)難題，采用水平定向鉆與氣動(dòng)沖擊錘回?cái)U(kuò)錘組合施工，是解決上述施工難題的有效方法。
1）、水平定向鉆與夯管錘組合施工
水平定向鉆與夯管錘組合施工，可為水平定向鉆機(jī)施工前夯入起始管道、幫助水平定向鉆鋪設(shè)管道、取回鉆鉆具、鉆桿等。
1、為水平定向鉆機(jī)鉆進(jìn)施工夯入起始管道
夯管錘能幫助水平定向鉆在堅(jiān)硬的地層夯進(jìn)一段管通，為鉆進(jìn)液循環(huán)準(zhǔn)備一條通道，也可為管道回拉時(shí)準(zhǔn)備一段沒(méi)有摩擦力區(qū)域。
2、幫助水平定向鉆鋪設(shè)管道
將夯管錘連接在鋪設(shè)管道后端，對(duì)管道后端施加沖擊力，防止水平定向鉆在長(zhǎng)距離管道鋪設(shè)過(guò)程中被泥漿粘住。
3、取回水平定向鉆鉆具
當(dāng)水平定向鉆鋪設(shè)管道失敗的情況下，將夯管捶安裝于管道上，當(dāng)夯管錘的沖擊力施加于管道上，可以幫助水平定向鉆取回被泥漿粘住的管道或鉆具。
4、 幫助水平定向鉆取回鉆桿
采用特殊的連接機(jī)構(gòu)將夯管錘與鉆桿連接，夯管錘的沖擊力施加于鉆桿上，可以幫助水平定向鉆取回被泥漿粘住的鉆桿。
2、水平定向鉆與氣動(dòng)回?cái)U(kuò)錘組合施工
在巖石、卵礫石和回添土層中鋪設(shè)管線，是水平定向鉆和氣動(dòng)沖擊錘面臨的技術(shù)難關(guān)，而該類工程很多�，F(xiàn)在，每當(dāng)遇到此類工程時(shí)，大部分施工單位都果斷地選擇放棄，少數(shù)配備了一定施工設(shè)備的施工單位承接此類工程后，往往費(fèi)盡周折還未必能順利完工，因此，盡快研制滿足該類工程施工要求的配套設(shè)備是目前市場(chǎng)所急需的。
礦山潛孔鉆機(jī)采用的潛孔沖擊器也是一種氣動(dòng)沖擊錘，其在巖石中鉆孔的技術(shù)十分成熟，廣泛應(yīng)用礦山爆破作業(yè)中。根據(jù)潛孔鉆工作原理，研制一種與水平定向鉆機(jī)配套施工的氣動(dòng)回?cái)U(kuò)錘，由水平定向鉆提供回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由氣動(dòng)回?cái)U(kuò)錘提供沖擊能，理論可以實(shí)現(xiàn)在巖石、卵礫中鉆孔和擴(kuò)孔的施工要求。目前，美國(guó)的Vermeer、國(guó)內(nèi)中聯(lián)重科等公司正在針對(duì)上述技術(shù)進(jìn)行研究，該種新型氣動(dòng)回?cái)U(kuò)錘將會(huì)很快投入非開挖市場(chǎng)，滿足用戶的施工要求。
非開挖的市場(chǎng)潛力是巨大的，其技術(shù)發(fā)展十分迅速，水平定向鉆技術(shù)與氣動(dòng)沖擊錘技術(shù)相結(jié)合，能滿足在卵礫石、巖石等復(fù)雜地層中鋪設(shè)管線，將是非開挖技術(shù)的發(fā)展方向。另外水平定向鉆技術(shù)與自控技術(shù)結(jié)合，其自動(dòng)化程度提高，工作更安全可靠，將是水平定向鉆的發(fā)展方向。
五、結(jié)論
雖然非開挖施工技術(shù)在我國(guó)歷史時(shí)間不長(zhǎng)，但以水平定向鉆和氣動(dòng)沖擊錘為代表的非開挖施工方法發(fā)展十分迅速，廣泛應(yīng)用于城市新管線鋪設(shè)和舊管線的更換，其市場(chǎng)潛力不可估量，其主要發(fā)展趨勢(shì)如下：
1. 設(shè)備向大型化發(fā)展，滿足大管徑和長(zhǎng)距離的的管線鋪設(shè)。
2. 水平定向鉆機(jī)與氣動(dòng)沖擊錘設(shè)備組合施工，滿足在卵礫石、巖石等復(fù)雜地層中管線鋪設(shè)。
3. 專用設(shè)備的開發(fā)，如非開挖泥漿凈化回收系統(tǒng)，滿足特殊非開挖施工要求；與自控技術(shù)結(jié)合，向智能化方向發(fā)展。
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