导向钻进与非开挖铺管技术.docx

1、中 国 地 质 大 学 学 术 著 作 出 版 基 金 资 助导 向 钻 进 与 非 开 挖 铺 管 技 术乌 效 鸣 胡 郁 乐 李 粮 纲 编 著陈 劲 刘 国 华 王 耀 峰中 国 地 质 大 学 出 版 社编 著图 书 在 版 编 目 ( CIP ) 数 据导 向 钻 进 与 非 开 挖 铺 管 技 术 / 乌 效 鸣 , 胡 郁 乐 , 李 粮 纲 等 编 著 .武 汉 : 中 国 地 质 大 学 出 版 社 ,2004 .10ISBN 7 56 25 1958 7 .导 . 乌 胡 李 陈 刘 王 .地 下 管 线 施 工 技 术 非 开 挖 工 艺 .T U475导 向 钻 进

2、与 非 开 挖 铺 管 技 术 乌 效 鸣 胡 郁 乐 李 粮 纲 陈 劲 刘 国 华 王 耀 峰责 任 编 辑 : 徐 润 英 责 任 校 对 : 胡 义 珍出 版 发 行 : 中 国 地 质 大 学 出 版 社 ( 武 汉 市 洪 山 区 鲁 磨 路 388 号 ) 邮 编 : 430074电 话 : ( 027) 87482760 传 真 :87481537 E-ma il : cb b cug .edu .c n经 销 : 全 国 新 华 书 店 h tt p :/ / www .cugp .c n开 本 : 787 毫 米 1092 毫 米 1/ 16 字 数 : 300 千 字 印

3、 张 : 11 .5 图 版 : 6版 次 : 2004 年 10 月 第 1 版 印 次 : 2004 年 10 月 第 1 次 印 刷印 刷 : 武 汉 中 远 印 务 有 限 公 司 印 数 : 1 - 1500 册ISBN 7 56 25 1958 7/ T U 34 定 价 : 30 .00 元如 有 印 装 质 量 问 题 请 与 印 刷 厂 联 系 调 换前言非 开 挖 铺 管 技 术 是 20 世 纪 末 全 球 兴 起 的 新 技 术 方 法 。 它 以 不 污 染 环 境 、 不 影 响 交 通 、 对 地 层 结 构 破 坏 小 、 施 工 安 全 可 靠 、 周 期 短

4、 、 社 会 效 益 与 经 济 效 益 显 著 等 技 术 优 势 受 到 了 国 内 外 相 关 行 业 的 关 注 。 从 总 体 上 看 , 我 国 对 非 开 挖 技 术 的 应 用 研 究 仍 处 于 起 步 阶 段 , 与 国 外 相 比 差 距 较 大 , 但 是 随 着 我 国 经 济 的 高 速 发 展 , 非 开 挖 技 术 已 成 为 一 个 巨 大 的 产 业 。 本 书 作 者 在 国 家 “211 工 程 ”一 期 计 划 支 持 下 , 开 展 了 大 量 的 理 论 与 应 用 研 究 , 取 得 了 一 定 的 成 绩 , 在 国 内 相 关 书 籍 不 多

5、 的 状 况 下 编 著 该 书 , 旨 在 抛 砖 引 玉 , 以 期 从 事 非 开 挖 行 业 的 相 关 人 员 共 同 努 力 , 推 动 我 国 非 开 挖 事 业 的 发 展 。作 为 地 质 工 程 专 业 重 要 前 沿 之 一 , 本 书 作 者 多 年 来 一 直 在 从 事 非 开 挖 技 术 方 面 的 实 践 和 研 究 , 并 结 合 我 国 的 实 际 情 况 , 在 非 开 挖 设 备 与 机 具 、 非 开 挖 成 孔 液 、 非 开 挖 导 航 仪 、 导 航 控 制 与 规 划 软 件 以 及 工 艺 试 验 等 方 面 作 了 不 少 具 体 的 工

6、作 。 在 全 国 各 地 , 包 括 湖 北 、 广 东 、 河 南 、 湖 南 、 内 蒙 古 等 地 运 用 这 一 新 技 术 , 成 功 地 完 成 了 包 括 自 来 水 、 电 力 、 通 讯 、 热 力 、 煤 气 、 排 污 等 管 线 的 非 开 挖 铺 设 。 本 书 一 方 面 取 材 于 作 者 的 研 究 成 果 , 另 一 方 面 整 理 、 收 集 了 国 内 外 最 新 资 料 和 信 息 , 融 合 了 原 理 、 设 计 方 法 、 试 验 应 用 效 果 等 诸 方 面 的 内 容 。本 书 以 导 向 钻 进 非 开 挖 铺 管 技 术 为 重 点 ,

7、 包 括 了 导 向 钻 机 设 计 的 基 本 原 理 、 扩 孔 、 清 孔 与 铺 管 技 术 、 导 向 钻 进 导 航 仪 研 究 以 及 导 向 钻 进 轨 迹 设 计 与 控 制 等 内 容 , 还 涵 盖 了 非 开 挖 铺 管 国 内 外 信 息 , 各 类 其 他 非 开 挖 铺 管 方 法 , 非 开 挖 成 孔 液 与 孔 壁 稳 定 , 管 道 的 非 开 挖 修 复 、 更 换 与 防 腐 方 法 , 微 型 隧 道 铺 管 技 术 , 非 开 挖 地 质 条 件 勘 察 , 地 下 管 线 探 测 技 术 以 及 技 术 经 济 评 价 和 风 险 性 分 析 等

8、 方 面 的 内 容 。本 书 的 新 颖 之 处 主 要 反 映 在 : 全 面 地 整 理 了 直 至 21 世 纪 初 的 国 内 外 最 新 的 非 开 挖 技 术 成 果 ; 将 非 开 挖 铺 管 方 法 与 它 的 重 要 支 持 技 术 紧 密 联 系 起 来 , 对 本 质 性 问 题 进 行 了 深 入 、 细 致 的 科 学 研 究 ; 理 论 联 系 实 际 , 素 材 源 于 生 产 实 践 , 其 中 包 括 作 者 亲 自 从 事 的 研 究 内 容 , 对 非 开 挖 铺 管 有 直 接 指 导 意 义 ; 将 地 下 三 维 解 析 方 法 、 传 感 技 术

9、 和 特 殊 机 具 结 构 设 计 作 为 非 开 挖 铺 管 的 技 术 核 心 , 是 本 书 独 特 的 学 术 观 点 和 见 解 ; 本 书 内 容 涉 及 非 开 挖 铺 管 技 术 的 全 面 范 围 , 并 以 目 前 国 内 应 用 最 为 普 遍 的 导 向 钻 进 非 开 挖 铺 管 技 术 为 核 心 内 容 , 具 有 突 出 重 点 、 以 点 带 面 、 图 文 并 茂 的 写 作 特 点 。全 书 共 十 二 章 , 由 中 国 地 质 大 学 ( 武 汉 ) 的 乌 效 鸣 、 李 粮 纲 、 陈 劲 、 刘 国 华 、 王 耀 峰 和 华 中 科 技 大

10、学 博 士 后 流 动 站 研 究 人 员 胡 郁 乐 等 编 著 。 其 中 第 一 章 , 第 二 章 的 三 、 四 节 , 第 四 章 , 第 六 章 的 一 、 二 节 和 第 八 章 的 一 、 二 节 由 乌 效 鸣 执 笔 ; 第 三 章 的 一 至 五 节 , 第 五 章 , 第 六 章 的 三 、 四 节 , 第 八 章 的 三 、 六 、 七 节 和 第 九 章 , 第 十 一 章 的四 节 由 胡 郁 乐 执 笔 ; 第 三 章 的 六 、 七 节 , 第 八 章 的 四 、 五 节 和 第 十 一 章 的 一 、 二 、 三 节 由 李 粮 纲 执 笔 ; 第 十 章

11、 由 陈 劲 执 笔 ; 第 二 章 的 一 、 二 节 和 第 十 二 章 由 刘 国 华 执 笔 ; 第 七 章 由 王 耀 峰 执 笔 。本 书 可 供 地 质 工 程 及 相 关 专 业 的 研 究 人 员 、 技 术 人 员 、 管 理 人 员 使 用 , 也 可 作 为 有 关 专 业 大 学 生 和 研 究 生 的 教 学 或 研 究 参 考 书 。由 于 非 开 挖 技 术 是 一 门 发 展 中 的 技 术 , 有 许 多 理 论 和 实 践 问 题 尚 在 探 索 之 中 , 加 之 作 者 的 水 平 有 限 , 如 有 不 当 之 处 , 敬 请 读 者 给 予 批 评

12、 指 正 。编 著 者2004 年 3 月 于 武 汉目 录第 一 章 概 述 ( 1)第 一 节 非 开 挖 管 线 技 术 的 特 点 与 应 用 领 域 ( 1)第 二 节 世 界 非 开 挖 技 术 发 展 概 况 ( 2)第 三 节 我 国 非 开 挖 技 术 现 状 与 前 景 ( 4)第 四 节 非 开 挖 技 术 方 法 的 分 类 ( 6)第 五 节 非 开 挖 技 术 的 发 展 趋 势 ( 7)第 二 章 导 向 钻 进 原 理 与 轨 迹 设 计 、 控 制 ( 9)第 一 节 导 向 钻 进 的 原 理 与 方 法 ( 9)第 二 节 导 向 钻 头 力 学 分 析

13、及 理 论 模 型 (10)第 三 节 钻 孔 轨 迹 及 三 维 模 拟 (12)第 四 节 导 向 钻 进 轨 迹 设 计 (15)第 三 章 扩 孔 、 清 孔 与 铺 管 (18)第 一 节 扩 孔 的 基 本 原 理 和 工 艺 方 法 (18)第 二 节 扩 孔 钻 头 的 类 型 及 适 应 性 分 析 (20)第 三 节 扩 孔 中 的 弯 曲 问 题 (24)第 四 节 清 孔 (25)第 五 节 铺 管 (26)第 六 节 铺 管 阻 力 计 算 (28)第 七 节 复 杂 条 件 下 铺 管 顶 推 力 分 析 与 计 算 (40)第 四 章 成 孔 液 与 孔 壁 稳

14、定 (49)第 一 节 成 孔 液 的 功 用 与 类 型 (49)第 二 节 非 开 挖 水 平 孔 的 稳 定 性 分 析 (50)第 三 节 成 孔 液 性 能 参 数 (52)第 四 节 针 对 砂 、 砾 地 层 的 配 方 (59)第 五 节 土 层 中 使 用 的 成 孔 液 (60)第 六 节 硬 岩 土 成 孔 液 与 润 滑 减 阻 技 术 (63)第 七 节 一 些 特 殊 地 层 的 成 孔 液 (66)第 八 节 成 孔 液 的 设 计 、 用 量 计 算 与 配 制 (68)第 五 章 导 向 钻 机 设 计 的 基 本 原 理 (70)第 一 节 钻 机 的 功

15、能 单 元 及 实 现 方 法 (71)第 二 节 钻 机 铺 管 能 力 的 衡 量 标 准 与 设 备 的 选 择 (74)第 三 节 液 压 泵 与 液 压 马 达 的 设 计 与 选 择 (75)第 四 节 执 行 油 缸 的 设 计 计 算 (78)第 五 节 调 速 回 路 的 设 计 计 算 (79)第 六 节 钻 机 的 保 护 设 计 (81)第 六 章 导 向 钻 进 导 航 仪 (83)第 一 节 功 用 与 分 类 (83)第 二 节 有 线 式 导 航 仪 信 号 传 输 原 理 (84)第 三 节 国 内 外 常 用 非 开 挖 导 航 仪 性 能 介 绍 (86)

16、第 四 节 DXZJ 1 型 非 开 挖 导 航 仪 的 研 究 (91)第 七 章 微 型 隧 道 铺 管 技 术 (97)第 一 节 概 述 (97)第 二 节 基 本 原 理 介 绍 (99)第 三 节 施 工 工 艺 过 程 及 关 键 技 术 介 绍 ( 100)第 四 节 盾 构 技 术 在 微 型 隧 道 铺 管 中 的 应 用 ( 108)第 五 节 国 外 微 型 隧 道 铺 管 施 工 实 例 ( 111)第 八 章 其 他 非 开 挖 技 术 方 法 ( 115)第 一 节 非 开 挖 技 术 方 法 分 类 与 适 应 性 ( 115)第 二 节 冲 击 矛 ( 116

17、)第 三 节 夯 管 锤 ( 119)第 四 节 振 动 法 ( 122)第 五 节 顶 管 法 ( 123)第 六 节 跟 管 钻 进 法 ( 124)第 七 节 热 钻 法 ( 125)第 九 章 管 道 的 非 开 挖 修 复 、 更 换 与 防 腐 ( 126)第 一 节 概 述 ( 126)第 二 节 管 线 的 更 换 ( 128)第 三 节 管 线 的 修 复 ( 132)第 四 节 管 道 的 腐 蚀 、 控 制 与 选 用 ( 138)第 十 章 非 开 挖 地 质 条 件 勘 察 ( 144)第 一 节 非 开 挖 工 程 对 地 层 的 分 类 ( 144)第 二 节 岩

18、 土 的 物 理 力 学 性 质 ( 147)第 三 节 地 下 水 的 影 响 ( 150)第 四 节 勘 察 方 法 ( 152)第 十 一 章 地 下 管 线 探 测 技 术 ( 157)第 一 节 地 下 管 线 探 测 方 法 综 述 ( 157)第 二 节 地 下 管 线 定 位 与 定 深 ( 159)第 三 节 复 杂 条 件 下 管 线 探 测 ( 164)第 四 节 导 航 接 收 机 天 线 的 定 位 原 理 ( 166)第 十 二 章 技 术 经 济 评 价 和 风 险 性 分 析 ( 169)第 一 节 非 开 挖 施 工 成 本 分 析 与 经 济 评 价 ( 1

19、69)第 二 节 非 开 挖 施 工 的 风 险 分 析 ( 172)主 要 参 考 文 献 ( 175) 7 第一章 概述地 下 管 线 是 城 市 乃 至 更 广 泛 区 域 基 础 设 施 的 重 要 组 成 部 分 , 它 越 来 越 如 同 人 体 内 的 “ 神经” “血 管” 和 “肠 道” , 日 夜 担 负 着 传 达 信 息 、 输 送 能 量 和 流 通 物 质 的 工 作 , 已 逐 渐 成 为 人 们 赖 以 生 存 和 发 展 的 一 种 基 础 条 件 。 然 而 , 随 着 全 球 经 济 的 快 速 发 展 和 人 口 数 量 的 迅 速 增 长 , 城 市

20、化 进 程 不 断 加 快 , 原 有 管 线 的 设 计 容 量 和 运 行 能 力 已 不 能 满 足 发 展 的 要 求 , 管 线 需 要 不 断 进 行 新 建 、 改 建 和 修 复 。 如 果 采 用 传 统 的 明 挖 法 施 工 , 将 造 成 交 通 堵 塞 、 绿 地 和 园 林 毁 坏 , 有 时 还 因 为 河 道 、 水 网 、 铁 道 、 机 场 及 建 筑 物 的 存 在 , 根 本 不 允 许 开 挖 施 工 。 上 述 诸 多 弊 端 和 因 挖 挖 填 填 造 成 的 “马 路 拉 链” 现 象 , 引 起 人 们 的 不 满 。 正 是 在 这 样 的

21、背 景 下 , 孕 育 和 产 生 了 地 下 管 线 建 设 的 技 术 革 命 非 开 挖 技 术 。非 开 挖 技 术 , 即 非 开 挖 地 下 管 线 施 工 技 术 , 国 外 称 T T ( T r ench less T echnology ) 或 “ N o Dig”。 它 是 指 在 不 开 挖 地 表 的 情 况 下 , 利 用 地 质 工 程 的 技 术 手 段 , 铺 设 、 修 复 或 更 换 各 种 地 下管 道 和 电 缆 的 一 种 高 科 技 实 用 新 技 术 。第 一 节 非 开 挖 管 线 技 术 的 特 点 与 应 用 领 域目 前 国 内 外 所

22、采 用 的 主 要 非 开 挖 技 术 方 法 有 水 平 定 向 钻 进 法 、 微 型 隧 道 法 、 导 向 钻 进 法 、 夯 管 法 、 水 平 螺 旋 钻 进 法 、 顶 杆 和 顶 管 法 、 碎 管 与 吃 管 法 、 内 衬 与 喷 涂 法 等 。 可 用 来 铺 设 、 更 换 和 修 复 直 径 40mm 至 2 500mm 的 各 种 地 下 管 线 , 距 离 可 达 上 千 米 。非 开 挖 技 术 可 广 泛 应 用 于 穿 越 公 路 、 铁 路 、 建 筑 物 、 河 流 以 及 在 闹 市 区 、 古 迹 保 护 区 、 农 作 物 和 植 被 保 护 区

23、等 不 允 许 或 不 能 开 挖 条 件 下 , 对 诸 如 供 水 、 煤 气 、 石 油 天 然 气 、 污 水 、 电 力 、 电 信 电 缆 、 热 力 等 地 下 管 线 的 铺 设 、 更 换 和 修 复 。 非 开 挖 技 术 是 对 传 统 地 下 管 线 开 挖 建 设 方 法 的 一 次 革 命 , 自 正 式 进 入 工 程 施 工 市 场 至 今 , 在 较 短 的 时 期 内 , 以 其 独 到 的 技 术 特 征 与 优 势 , 以 其 对 环 境 、 城 镇 交 通 的 最 小 影 响 和 危 害 , 以 其 效 率 和 成 本 等 优 势 , 日 益 受 到

24、人 们 的 重 视 , 取 得 了 很 好 的 社 会 效 益 和 经 济 效 益 。传 统 的 地 下 管 线 施 工 方 法 是 “挖 槽 埋 管 法” 。 这 种 被 人 们 戏 称 为 “开 肠 破 肚” 的 施 工 方 法 的 主 要 缺 陷 是 对 地 上 交 通 与 环 境 的 影 响 极 大 , 使 本 来 已 经 十 分 拥 挤 的 城 市 交 通 “ 雪 上 加 霜” , 给 市 民 的 工 作 和 生 活 带 来 诸 多 不 便 。 人 们 给 这 种 做 法 起 了 个 幽 默 的 名 字 “马 路 拉 链” , 虽 然 幽 默 , 但却 是 人 们 对 开 挖 式 施

25、 工 的 无 奈 。 另 外 , 开 挖 施 工 使 道 路 的 质 量 变 差 , 寿 命 变 短 , 污 染 环 境 , 而 且 地 下 管 线 被 挖 断 的 事 故 时 有 发 生 , 经 济 损 失 巨 大 。 与 之 相 比 , 非 开 挖 铺 管 技 术 具 有 不 污 染 环境 、 不 影 响 交 通 、 对 地 层 结 构 破 坏 小 、 施 工 安 全 可 靠 、 周 期 短 、 无 须 运 输 和 堆 放 杂 土 、 成 本 低 、 社 会 效 益 与 经 济 效 益 显 著 等 优 点 , 具 体 体 现 在 以 下 几 个 方 面 :(1 ) 解 决 了 传 统 开

26、挖 施 工 对 人 们 正 常 生 活 和 工 作 的 干 扰 , 减 少 了 对 交 通 、 环 境 、 周 边 建 筑 物 基 础 的 破 坏 和 不 良 影 响 。(2 ) 在 传 统 方 法 无 法 施 工 或 不 允 许 开 挖 施 工 的 场 合 ( 如 穿 越 河 流 、 高 速 公 路 、 铁 路 、 机 场 跑 道 、 广 场 、 绿 地 等 ) , 可 用 非 开 挖 技 术 从 其 下 方 穿 越 铺 设 , 并 可 将 管 线 设 计 在 工 程 量 最 少 的 最 佳 位 置 穿 过 。 2 (3 ) 非 开 挖 技 术 可 以 高 精 度 地 控 制 地 下 管 线

27、 的 铺 设 方 向 、 埋 深 , 并 可 使 管 线 绕 过 未 曾 发 现 的 地 下 障 碍 物 ( 如 巨 石 和 地 下 构 筑 物 ) 及 原 有 地 下 管 线 。(4 ) 有 较 好 的 经 济 效 益 。 在 可 比 性 相 同 的 情 况 下 , 非 开 挖 管 线 铺 设 、 更 换 、 修 复 的 综 合 成 本 低 于 开 挖 法 施 工 。 从 发 展 来 看 , 由 于 原 有 的 密 集 管 网 系 统 的 存 在 , 城 市 管 线 埋 深 有 加 大 的 趋势 , 而 开 挖 施 工 的 成 本 随 埋 深 的 加 大 急 增 , 这 时 采 用 非 开

28、挖 施 工 则 更 为 经 济 。实 践 证 明 , 在 大 多 数 情 况 下 , 尤 其 是 在 繁 华 市 区 或 管 线 埋 设 较 深 地 带 , 非 开 挖 施 工 是 开 挖施 工 的 极 好 代 替 方 法 ; 在 特 殊 的 情 况 下 , 非 开 挖 施 工 更 是 一 种 唯 一 经 济 可 行 的 施 工 方 法 。随 着 非 开 挖 技 术 的 不 断 成 熟 , 施 工 技 术 和 设 备 的 不 断 完 善 , 非 开 挖 技 术 的 应 用 领 域 也 在 不 断 拓 宽 。 例 如 :(1 ) 在 受 污 染 的 地 下 水 和 地 层 中 设 置 水 平 环

29、 境 治 理 井 的 污 染 物 防 渗 治 理 工 程 ;(2) 在地铁 、 地下人行 过道、 地下车库等工 程中设置管棚 , 用以 加固软土地基 的管棚支护工 程 ; (3 ) 在 大 口 径 集 水 井 钻 进 中 水 平 辐 射 孔 的 水 平 降 水 工 程 ;(4 ) 对 边 坡 、 路 基 、 大 坝 等 钻 进 各 种 排 渗 孔 、 锚 固 孔 和 注 浆 孔 的 防 护 工 程 ; (5 ) 在 基 础 施 工 中 进 行 钢 管 ( 板 ) 桩 、 微 桩 、 土 锚 、 土 钉 等 的 施 工 ;(6 ) 瓦 斯 的 排 放 和 煤 层 气 的 开 采 ; (7 ) 钻

30、 孔 采 盐 。水 平 环 境 治 理 井 应 用 实 例 : 在 美 国 纽 约 市 肯 尼 迪 国 际 机 场 ( JF K Airpor t ) 周 边 地 区 , 由 于 存 在 空 军 基 地 的 飞 机 燃 料 库 、 地 下 燃 料 储 存 库 等 , 污 染 物 在 雨 水 的 作 用 下 向 地 下 渗 透 , 污 染 了地 下 水 和 土 壤 , 为 此 在 1996 年 , 有 关 部 门 共 钻 进 了 53 口 水 平 环 境 治 理 孔 , 总 长 度 达 9 000m , 治 理 费 近 1 700 万 美 元 。为 了 证 实 水 平 环 境 治 理 井 的 有

31、 效 性 和 经 济 性 , 美 国 能 源 部 下 属 的 桑 地 亚 国 家 实 验 室 与 一些 工 业 部 门 合 作 , 进 行 了 一 系 列 严 格 的 试 验 , 结 果 表 明 :(1 ) 水 平 环 境 治 理 井 对 治 理 沿 地 层 蔓 延 、 深 度 相 对 较 浅 ( 900导 向 钻 进 法 压 力 管 道 , 电 缆 线 , 短 跨 越 孔 钢 , 塑 料 50 350 20 300螺 旋 钻 进 法 跨 越 孔 钢 套 管 100 1 500 20 130水 平 钻 进 法 跨 越 孔 , 水 平 降 水 井 钢 管 50 300 20 50冲 击 矛 法

32、压 力 管 道 , 电 缆 线 , 跨 越 孔 钢 , 塑 料 40 200 20 50夯 管 法 钢 套 管 , 跨 越 孔 , 管棚 , 打 入 桩 钢 管 50 2 000 20 80冲 击 钻 进 法 跨 越 孔 钢 管 , 混 凝 土 管 100 1 250 20 80管 线 铺 设小 口 径 顶 管 法 小 口 径 管 道 , 管 棚 , 跨 越 孔 混 凝 土 , 钢 , 铸 铁 150 900 30 300碎 管 法 各 种 重 力 和 压 力 管 道 PE , P P , P VC , GRP 100 600 230胀 管 法 各 种 重 力 和 压 力 管 道 PE , P

33、 P , P VC , GRP 150 900 200吃 管 法 各 种 重 力 和 压 力 管 道 PE , P P , P VC , GRP 100 900 180管 线 更 换抽 管 法内 衬 法 各 种 重 力 和 压 力 管 道 PE , P P , P VC , GRP 100 2 500 300改 进 的 内 衬 法 各 种 重 力 和 压 力 管 道 H D PE , P VC , MD PE 50 600 450软 衬 法 各 种 重 力 和 压 力 管 道 树 脂 + 纤 维 50 2 700 900缠 绕 法 各 种 重 力 管 道 PE , P P , P VC , P

34、 VD F 100 2 500 300喷 涂 法 各 种 重 力 和 压 力 管 道 水 泥 浆 , 树 脂 15 4 500 150非 开 挖 施 工 方 法管 线 修 复灌 浆 法 各 种 重 力 和 压 力 管 道 水 泥 浆 , 树 脂 100 600注 : P E 聚 乙 烯 , P P 聚 丙 烯 , P V C 聚 氯 乙 烯 , H D/ M DP E 高 / 中 密 聚 乙 烯 , G R P 玻 璃 纤 维 加 强 树 脂 ( 玻 璃 钢 ) , P VD F 聚 偏 二 氟 乙 烯 7 (1 ) 管 线 铺 设 。 根 据 施 工 的 管 径 分 为 两 类 : 管 径

35、900mm 的 可 进 人 管 线 铺 设 方 法 , 如 顶 管 施 工 法 、 隧 道 施 工 法 ( 即 新 奥 法 ) 等 ; 管 径 900mm 的 不 进 人 管 线 铺 设 方 法 , 主 要 有 水 平 钻 进 法 、 水 平 定 向 钻 进 法 、 冲 击 矛 法 、 夯 管 法 、 水 平 螺 旋 钻 进 法 、 顶 推 钻 进 法 、 冲 击 钻 进 法 、 小 口 径 顶 管 施 工 法 ( 微 型 隧 道 法 ) 等 等 。(2 ) 管 线 更 换 : 有 吃 管 法 、 碎 管 法 、 胀 管 法 、 抽 管 法 等 多 种 。(3 ) 管 线 修 复 : 有 内

36、衬 法 和 局 部 修 复 等 多 种 。从 学 科 领 域 看 , 作 为 一 种 新 型 的 工 程 方 法 , 非 开 挖 铺 管 施 工 依 托 于 必 要 的 基 础 工 艺 技 术 和 理 论 科 学 。 尽 管 在 非 开 挖 铺 管 工 作 中 有 多 种 不 同 的 具 体 技 术 方 法 , 每 种 方 法 有 其 自 身 的 特 点和 应 用 条 件 , 但 从 总 体 上 看 都 涉 及 到 一 些 共 性 的 、 基 础 性 的 东 西 。 这 些 相 关 工 艺 技 术 和 理 论 科 学 包 括 : 机 械 设 备 的 设 计 制 造 、 特 殊 工 具 的 研

37、制 、 地 层 岩 土 性 质 的 分 析 研 究 、 探 测 技 术 、 力 学 分 析 、 材 料 科 学 、 流 体 与 水 力 学 理 论 和 其 他 相 关 技 术 。 结 合 不 同 的 具 体 非 开 挖 铺 管 技 术 方 法 , 研究 利 用 这 些 相 关 工 艺 技 术 和 理 论 科 学 , 是 深 入 认 识 非 开 挖 铺 管 技 术 和 推 动 非 开 挖 铺 管 技 术 发展 的 根 本 。第 五 节 非 开 挖 技 术 的 发 展 趋 势(1 ) 非 开 挖 的 工 程 区 域 将 有 较 大 的 拓 宽 。 就 世 界 范 围 来 看 , 有 待 应 用 非

38、 开 挖 技 术 的 国 家 和 地 区 为 数 甚 多 ; 就 中 国 来 看 , 除 了 一 些 省 会 城 市 , 绝 大 部 分 中 、 小 城 市 和 乡 镇 都 还 未 问 津 非 开 挖 工 程 , 而 现 代 化 、 城 市 化 的 进 程 势 必 使 更 广 袤 的 地 区 很 快 接 收 这 一 新 技 术 。 美 国 2003 年 新 铺管 线 中 用 非 开 挖 铺 设 的 占 11 .7 % , 2004 年 占 15 .1 % 。 若 按 这 样 的 比 例 , 我 国 非 开 挖 铺 管 的 工程 量 还 需 大 幅 度 增 加 。(2 ) 非 开 挖 技 术 的

39、 工 程 服 务 目 标 会 更 多 。 事 实 上 , 非 开 挖 已 经 把 “浅 地 层 水 平 钻 进” 纳 入 为 自 己 的 服 务 领 地 。 这 样 , 不 仅 前 面 提 到 的 目 前 非 开 挖 工 程 的 一 些 主 要 目 标 , 而 且 更 多 的 地 质 工 程 或 岩 土 工 程 项 目 也 是 非 开 挖 技 术 的 服 务 对 象 。 与 国 外 发 达 国 家 相 比 , 我 国 还 会 在 环 境 治 理井 、 排 渗 孔 、 管 棚 工 程 、 锚 固 与 注 浆 、 集 水 井 辐 射 和 对 接 孔 、 浅 层 气 与 浅 层 可 溶 性 矿 产

40、开 采 等 更 广 泛 的 领 域 展 开 非 开 挖 技 术 的 应 用 。(3 ) 在 我 国 , 非 开 挖 管 道 修 复 与 更 换 技 术 刚 刚 起 步 , 2003 年 全 国 的 工 程 量 达 180km , 比 2002 年 的 35km 增 加 了 4 倍 。 正 呈 迅 猛 上 升 势 头 。 据 近 期 美 国 权 威 杂 志 报 道 , 美 国 2004 年 在 旧 管 线 修 复 中 用 非 开 挖 修 复 的 占 了 64 % ( 污 水 管 ) 和 20 % ( 自 来 水 管 ) 。 与 之 相 比 , 我 国 在 旧 管 线 修 复 中 非 开 挖 技

41、术 的 使 用 比 例 要 低 得 多 。 从 我 国 已 有 地 下 管 线 庞 大 的 数 量 和 非 开 挖 管 线 修 复 与 更 换 的 技 术 经 济 效 果 分 析 , 预 计 大 量 的 旧 管 线 的 非 开 挖 修 复 和 更 换 工 程 将 很 快 开 展 起 来 。(4 ) 不 同 种 类 的 非 开 挖 设 备 的 研 发 和 生 产 , 在 少 数 发 达 国 家 已 进 入 系 列 化 , 如 美 国 的 定 / 导向 钻 机 和 日 本 的 微 型 隧 道 机 等 。 我 国 近 十 年 来 非 开 挖 设 备 的 国 产 化 速 度 显 著 加 快 , 尤 其

42、 在 水 平 定 / 导 向 钻 机 的 研 发 上 十 分 突 出 , 微 型 隧 道 顶 管 机 也 呈 上 升 趋 势 , 这 对 提 高 非 开 挖 设 备 的 性 价 比 , 促 进 我 国 非 开 挖 事 业 蓬 勃 发 展 意 义 重 大 。 但 目 前 国 产 设 备 的 系 列 化 程 度 不 高 , 表 现 为“中 间 大 , 两 头 小” 。 集 中 国 内 优 势 企 业 力 量 , 研 发 过 江 河 与 长 距 离 穿 越 工 程 的 大 型 设 备 是 一 个 尖 端 方 向 。 而 微 小 型 和 可 拆 性 好 的 设 备 更 是 国 内 市 场 看 好 的

43、研 发 趋 势 , 因 为 许 多 工 程 的 场 地 受 到 严 格 限 制 , 例 如 城 市 拥 挤 的 街 巷 、 陡 峭 的 边 坡 和 隐 蔽 的 竖 井 等 。 另 外 , 除 定 / 导 向 钻 机 和 微 型 隧 道 机 外 , 其 他 非 开 挖 工 法 设 备 ( 如 夯 管 锤 、 气 动 矛 、 控 向 螺 旋 机 、 管 道 修 复 机 、 管 道 更 换 机 等 ) 的 国 产 化 进 程 需 要 加 快 , 数 量 需 要 增 多 。 8 (5 ) 现 代 非 开 挖 工 程 的 核 心 技 术 是 导 向 测 试 与 控 制 。 由 国 外 少 数 公 司 研

44、 制 生 产 的 一 些 专用 于 非 开 挖 工 程 的 测 控 仪 器 ( 如 无 线 导 向 钻 进 仪 、 有 线 导 向 钻 进 仪 、 螺 旋 钻 控 向 器 、 微 遂 顶 管 可 控 向 装 置 等 ) 是 近 十 几 年 来 非 开 挖 技 术 水 平 提 高 、 非 开 挖 工 程 量 显 著 增 加 的 关 键 所 在 。 导 向 仪 器 的 研 制 在 我 国 初 露 端 睨 , 今 后 一 段 时 间 是 这 方 面 技 术 继 续 发 展 的 重 要 时 期 。 从 趋 势 上 : 对 于 地 下 发 射 无 线 技 术 , 需 增 大 仪 器 的 稳 定 性 尤

45、其 是 抗 外 界 环 境 干 扰 的 能 力 ; 对 于 有 线 技 术 , 将 更 侧 重 于 便 利 施 工 操 作 的 信 号 传 输 系 统 的 研 发 ; 地 下 器 具 参 数 的 测 试 与 随 钻 控 制 的 智 能化 联 系 将 提 高 到 新 水 平 ; 某 些 更 新 的 非 开 挖 测 控 方 法 有 望 问 世 。(6 ) 钻 具 的 研 制 。 “ 工 欲 善 其 事 , 必 先 利 其 器” , 非 开 挖 钻 具 除 在 材 料 ( 钻 头 ) 、 材 质 ( 钻 杆 ) 上 有 新 的 突 破 外 , 钻 具 的 结 构 形 式 及 与 系 统 的 接 口

46、形 式 也 在 不 断 拓 展 。 近 年 来 配 套 不 同 工 艺 方法 的 新 型 钻 具 , 如 可 控 冲 击 器 、 振 动 冲 抓 器 、 硬 岩 钻 具 和 热 熔 钻 具 等 相 继 问 世 。 这 些 新 型 、 高 效 的 非 开 挖 器 具 可 以 分 别 适 应 不 同 情 况 的 复 杂 地 层 条 件 ( 如 流 沙 、 淤 质 土 、 硬 岩 层 ) 或 特 殊 的 技 术 与 施 工 环 境 条 件 。 从 趋 势 上 看 , 钻 具 向 多 元 化 、 特 色 化 发 展 。(7 ) 非 开 挖 成 孔 液 在 排 碴 、 护 孔 、 润 滑 、 水 力 导

47、 向 等 诸 多 方 面 起 重 要 作 用 。 然 而 , 目 前 非 开 挖 工 程 中 对 成 孔 液 的 合 理 应 用 重 视 不 够 , 尤 其 在 一 些 复 杂 地 段 ( 如 水 敏 粘 土 、 流 砂 、 坚 硬 层 、 高 摩 阻 段 、 严 重 漏 失 层 、 长 距 离 和 陡 曲 段 ) , 往 往 造 成 垮 孔 、 地 面 塌 陷 、 铺 管 遇 阻 、 施 工 速 度 很 慢 等 严 重 后 果 。 因 此 , 需 根 据 地 层 特 点 对 症 下 药 地 研 发 、 设 计 和 调 配 相 应 的 成 孔 液 , 以 保 障 高 效 、 安 全 的 非 开

48、 挖 施 工 。(8 ) 与 非 开 挖 工 程 的 施 工 和 非 开 挖 装 备 的 开 发 相 比 , 非 开 挖 工 程 的 科 学 理 论 分 析 与 计 算 还 相 对 滞 后 , 主 要 靠 经 验 施 工 是 目 前 的 现 状 。 一 些 相 关 的 力 学 数 理 模 型 、 量 化 计 算 公 式 以 及 软 件 程 序 的 研 究 、 开 发 和 应 用 亟 待 跟 上 , 例 如 导 向 头 动 力 学 分 析 方 法 、 钻 孔 轨 迹 三 维 控 制 模 型 、 水 平 孔 孔 壁 稳 定 性 分 析 公 式 、 顶 拉 管 阻 力 计 算 算 法 、 施 工 综

49、 合 优 化 软 件 程 序 等 等 。 产 生 这 些 具 有 共 性 的 科 学 理 论 指 导 , 对 实 际 非 开 挖 施 工 的 优 化 、 提 高 效 率 和 质 量 、 保 证 安 全 具 有 重 要 意 义 。 9 第二章 导向钻进原理与轨迹设计、控制第 一 节 导 向 钻 进 的 原 理 与 方 法非 开 挖 导 向 钻 进 的 成 孔 方 式 一 般 分 为 两 种 : 干 式 和 湿 式 。 干 式 钻 具 由 挤 压 钻 头 、 探 头 室 和 冲 击 锤 组 成 , 靠 冲 击 挤 压 成 孔 , 不 排 土 。 湿 式 钻 具 由 射 流 钻 头 和 探 头 室 组 成 , 以 高 压 水 射 流 切割 土 层 , 有 时 辅 以 顶 驱 式 冲 击 动 力 头 以 破 碎 大 块 卵 石 和 硬 土 层 , 这 是 目 前 使 用 最 多 的 成 孔 方式 。 两 种 成 孔 方 式 均 以 斜 面 钻 头 来 控 制 钻 孔 方 向 。 若 同 时 给 进 和 回 转 钻 杆 柱 , 斜 面 失 去 方 向性 , 实 现 保 直 钻 进 ; 若 只 给 进 而 不 回 转