非开挖技术毕业设计论文.docx

1、非开挖技术毕业设计论文前 言随着改革开放的不断发展，全国各地城市建设与管理力度逐渐加大，城市管线，例如电力电缆、通讯光缆、燃气、给排水管道、石油等各类管线的铺设、更换和修复工程量大量增加，消除市区道路“拉链”的困窘局面迫在眉睫。城市现代化的进程中，电力电缆已经成为城市供电网络的主要设备之一；电力通信线缆为了最大程度的避免外力破坏，降低施工成本，缩小对城市交通和景观的影响，受到非开挖技术（即通常所讲的顶管等技术）的庇护范围与日俱增。所以非开挖技术正在受到越来越多的电力企业和用户的广泛采用。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

2、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。非开挖技术措施按施工

3、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.导向钻进铺管技术(1)施工优点导向仪导向，快速高效准确；钻孔方向易控制，施工场地要求简单；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。2 遁地穿梭矛铺管(1)施工方法拉管法； 顶管法。(2)施工优点冲击力大，穿透性强；速度快，工期短；可穿越流泥流沙和卵石带；适宜各种管材。(3)适用范围适宜于铺设各类13150mm；小管径长度50m或距离较长的；

4、钢管或铸铁管最大口径可达15m最大长度可达100m。3 顶管掘进机铺管技术(1)优点高功率、高效率；采用泥水平衡掘进施工法，可进行大管径超长度施工；噪音小、无污染。(2)适用范围隧道、涵洞和大口径管道。4 顶管铺管技术(1)设备导向探测仪；导向钻机；液压顶管机。(2)施工方法导向钻孔定向；液压顶进、人工挖掘。(3)优点造价低；定向准确、精度高、安全、无噪音污染；可适用于各种地质条件；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。第1章 非开挖定向转进铺管钻机介绍1.1 非开挖定向钻进铺管钻机概念非开挖定向钻进铺管钻

5、机就是一种在不挖开路基表面从地层钻进打通一定的距离从而安装或者具有修复管道的铺管技术的等一系列的工程机械.(如图1.1)图1.1总体结构示意图 1.1.1 非开挖技术的出现 在上世纪70年代初期，美国人克林顿马丁把定向钻探技术与传统铺管技术巧妙地结合起来，发明了导向钻进铺管技术，导致了非开挖技术的一场干革命。80年代后期，地面无线跟踪导航监测系统被开发利用，使导向铺管质量大为提高，这标志着世界非开挖技术进入了一个崭新阶段。现代非开挖技术随着导航定位精度提高、施工设备能力增强、管材业的发展，铺管能力由初期的单孔单管线、短距离细管道、单一钢管铺设发展到单孔多管线、长距离粗管道的各种管材的铺设。 非

6、开挖技术具有不开挖地面、不影响交通、不影响市容、不损坏道路和植被与建筑；在开挖施工不允许的情况下，采用非开挖技术可以使施工工程量达到最大限度的经济合理，当非开挖管径越大越深其社会效益越显著；方向性好等特点。 非开挖铺管可以穿越铁路、公路、建筑、河流、飞机跑道、古迹等障碍物。它不仅服务于电力、电信、有线电视、也给煤气、给水、排水及市政建设带来巨大效益。非开挖铺管使用的主要是钢管、铸铁管、塑料管（PVC、PE等）。 非开挖技术还可利用导向钻进还可进行管棚支护、水平注浆、水平降水及污染地层处理工程，亦可利用导航仪探测地下管网。 1.1.2 非开挖施工方法 非开挖铺设地下电缆管线技术是指利用岩土钻掘手

7、段，在地表不挖槽的情况下，铺设、修复和更换地下管线的施工技术。它的核心是导向钻进、定向钻进、微型隧道掘进、气动矛、夯管法铺管技术。施工方法根据具体的工程、不同的地质和环境条件进行实地分析，合理选择科学的施工方法。非开挖技术的施工方法有百余种，但通常采用的有以下几种。 1 水平定向钻进法。 预先挖好发射坑和接收坑（也可以小角度直接从地表钻进），然后采用水平定向钻机在土体中按计划所需轨迹，钻一个先导孔，再进行回施扩孔，同时拉入需要的管道。虽然这种施工方法精度和效率较高，但施工的适用范围主要软、弱土层，某供电公司在市区电缆穿越街道、某通讯公司铺设通讯管线时较常采用。这种方法是大家在城市电力工程施工中

8、较常见到的。这类设备目前主要是国产的，质优价廉、操作方便。 2 微型顶管法（和顶管法） 一般用于直径不超过1米的隧道。预先挖好顶管出发井和接收井，利用出发井中的主顶装置将顶管机头和后续管段逐步顶入主体，形成隧道，这种设备的顶管机头操作自动化程度高，大多采用遥控。顶管法多用于1米以上的大管经施工，主要用于污水管、排灰管等。它具有顶距长、埋深大、精度高的优点。例如发电厂的排灰管穿越公路和街面的施工，以及丘陵地带的供电电缆隧道也多采用顶管法。 3 气动冲击矛法 利用高压压缩空气将矛头从出发井顶入接收井，并形成管道。方法简单、易操作、成本低，但方向不易控制；仅适用于大楼接入和穿越道路。新建居民小区的电

9、源电缆施工有时采用。 4 夯管法 利用夯管锤将待铺设的钢管沿设计线路直接夯入地层。夯管锤的的冲击力直接作用到钢管的后端，待钢管全部夯入后，可利用压缩空气或高压水射流、螺旋钻杆等方法将钢管中的弃土排除。施工方法简单、投资少、成本低，但方向控制困难，对地层的地质有一定要求，不适宜大卵石、砾石的地层。现场施工时可顶进几十米、约2米粗的管子，多用于污水管的铺设等，电力施工的局部排灰管也有采用夯管法施工的。 5 盾构法 主要用于3米以上的大管径管道的铺设,如过江、过海等大型工程。利用盾构装置内部沿圆周方向布置的若干推进千斤顶推进隧道衬砌的反作用力；隧道衬砌采用分块的管片，在盾构推进过程中，用螺栓拼装成隧

10、道，而顶管侧采用的是预制的整体管段。盾构掘进有两种控制方式：软弱土层使用扭矩控制方式；硬岩地层采用推力控制方式。盾构设备主要靠进口、但价位较高，盾构刀具目前国内已有生产。该施工法类似顶管法，有顶管法相同的特点，目前该施工方法已由于地铁、隧道、城市污水主管线的非开挖工程，有报道可铺设达直径15米的管径。钱塘江过江煤气管线和过长江石油管线工程中得到充分利用，在我国长达4000km多的西气东输管道工程中，上述几种施工方法都得到了应用。 6 施工过程以水平定向钻孔为例，即在不开挖路面的情况下，先钻一导向孔，然后把孔径扩大，再将管线回拉或顶入孔内，完成管线铺设工作。 7 导向孔钻进 导向孔钻进利用造斜或

11、稳斜原理，在地面导航仪引导下，从A点到B点钻一个与设计轨迹尽量吻合的导向孔，平面误差100毫米。施工前对敷设电缆管线段地质了解，确定施工曲线、钻头入地角度、回扩直径和电力电缆的材质都要进行计算等。 8 扩孔 扩孔，根据铺设管线的直径、材料、地层等因素选择扩孔的最大孔径、扩孔级序和扩孔方式。一般采用逐级扩孔，最终孔径比预铺管孔径大100毫米；预埋管径以内采用排土法扩孔，以外采用挤压法成孔，以保证铺管后地面不致于沉降，不留隐患。在回扩过程中和钻进过程一样，自始之终泥浆搅拌系统要向钻头和回扩钻头提供足够的泥浆。9 回拉管线 扩孔完毕，回拉管线在条件许可的情况下，可把B点下管工作坑做到足够长，将全部管

12、线一次性连接，采用前拉或后顶的方法，将预埋管线放入孔内，完成铺管工作。1.2 世界各国的发展状况1986年国际非开挖协会在伦敦成立后，有26个国家和地区会员举办了20多次专业展览，1998年4月30日中国非开挖技术协会在北京成立，会员单位包括全国各部门、各行业从事管线管理、设计、施工、制造等有关单位和专业人员。至今已经召开了9届年会，对我国非开挖行业起到了巨大的推动作用。随着我国经济的高速增长，到2005年非开挖行业取得了飞快发展。据协会的不完全统计，2005年非开挖施工行业总产值已达到67.9亿元，比2004年的48.3亿元增长了41。在四川省来看，非开挖技术的应用虽然在全国处于起步较晚，深

13、度和广度不够的状态，但经过几年来政府支持，行业推动和大力宣传也取得了可喜的进步。成都作为我省政治经济文化中心城市，在日新月异的建设中以政府为主导，行业主管部门大力推动，从建设管理上以政府行政管理手段来制止施工中的道路反复开挖现象，在成都的行业人士和施工单位也在积极地作大量的工作使得管理水平，技术能力得到了很大的提高。目前，我国在地下管线施工中大部分还是采用开挖施工方法，少数采用传统的非开挖施工方法。最近几年，采用现代的非开挖施工方法进行地下管线施工逐年增加。我国正处于经济建设突飞猛进的发展时期，石油，煤气，电力，电讯，自来水，污水等各地地下管线的施工工程量巨大。但是，我国非开挖施工技术和设备的

14、开发研制工作起步比较晚，至今对非开挖地下管线施工技术的发展和应用尚未引起足够的重视。目前我国大部分城市的管线仍采用开挖作业，这种“开肠破肚”的施工作业危害性极大，限制开挖施工的法规必将陆续出台，我国的非开挖工程市场将十分巨大。1.2.1俄罗斯非开挖铺管技术现状俄罗斯目前主要使用的非开挖铺管方法有水平孔钻进法、挤土法、顶管法及微型隧道施工法，每一类方法所采用的主要技术、适用的管径大小、施工速度、长度、地层、以及对周围环境的影响可参见表1.1。表1.1俄罗斯的各种非开挖铺管方法应用的特点评价指标水平孔钻进法挤土法顶管法微型隧道施工法主要技术水平定向钻进法 导向钻进法 螺旋钻进法滚压挤土法 振动挤土

15、法 气动冲击挤土法 滚压挤土法机械式顶管隧道盾构技术适用地层级以下土层 粘土层,砂土层级以下土层土层,岩层适用管径/mm50-142040-500529-1720250-3000使用长度/m40-6020-10060-80100-3000铺管速度/m/h1.8-5.510-600.5-1.53使用管材混凝土,钢,铸铁混凝土,钢,铸铁混凝土,钢,铸铁混凝土,钢,铸铁 环境效应泥土污染挤土,振动地面隆起成下陷泥土污染 这四类方法中，既有俄罗斯自主开发研制并有相应专利保护的挤土法，也有引进的导向钻进及微型隧道施工法，形成了国产技术和引进技术并存，国产设备与进口设备并存的局面。有时国内虽有同类设备，但

16、有关企业考虑到国外产品的某些性能，还是采用了进口设备，如1是俄罗斯著名的隧道掘进设备制造单位，其主要产品2.1，4.0， 2.6，3.6，4.0等已形成系列，共获得过20个国家专利，其中盾构方面有5项，非开挖铺管方面有2项。即使这样，公司还是在1998和1999年分别进口了德国ltau公司的RVS300AS和RVS250AS型两种微型隧道盾构掘进设备，其最主要特点是全部自动化操作和可在冬季30C的温度下工作，满足了俄罗斯劳动力少、冬季漫长、温度低的条件。水平孔钻进法、顶管法及微型隧道施工法许多文献已有介绍，在俄罗斯的使用也是大同小异，这里不在赘言，下面主要介绍俄罗斯自主开发研制并有相应专利保护

17、的挤土法。在岩土工程中使用的挤土(挤密)法由前苏联.教授于1934年首创，在许多岩土工程实践中使用，起了很大的作用。同样，在仅仅只有30多年的地下管线非开挖施工技术的发展历史中挤土(挤密)法也得到了较广泛的应用。在目前10余种非开挖铺管方法中，可按成孔时对周围岩土的影响分为：挤土法、部分挤土法和非挤土法，其中的挤土成孔铺管是一类很有特点、在俄罗斯占有很大市场分额，包括静压挤土法(小口径顶管法)、振动挤土法、气动冲击器挤土法和滚压挤土法，全部采用国产设备和机具，见表1.2。表1.2非开挖各种挤土(挤密)方法应用的特点评价指标滚压挤土法振动挤土法气动冲击挤土法滚压挤土法适宜地层粘土和亚粘土砂土,砂

18、质粘土及饱和土略软粘土,中密砂土层粘土层,砂土层适用管径/mm5005004025050230施工长度/m40-6025-5020-10050铺管速度/m/h-20-60-10-20使用管材混凝土,钢,铸铁钢管钢,塑料管混凝土,钢,铸铁 环境效应挤土效应挤土和振动效应挤土和振动效应挤土效应 2.1滚压挤土法1滚压挤土方法由俄罗斯专家发明，在1991年日内瓦新技术发明博览会上以及1995年的世界工业创新成果展览会上均获得了金奖。该方法是一种自旋转滚压挤土成孔技术，它在成孔时采用滚压器，滚压器在钻进时不排土，而是将土沿径向挤密。滚压法的优势在于它不仅可以铺设新管线，而且可以更换管道。除了施工管道孔

19、外，该方法还可以加固已有建(构)筑物地基，施工桩基孔等。滚压挤密装置如图1.1所示。驱动装置2(马达或液压马达)与工作部分的输出轴刚性连接，而该轴相对于滚轮4是偏心设置，回转轴线与滚轮的中心线在回转过程中形成了角度工作时滚轮沿螺旋线转动如图1.1(b)，旋入土中，形成钻孔并挤密孔壁。角度决定了转动滚轮步长，即偏心轴回转一周的进尺。(b)(a)图1.1滚压挤土装置1孔壁；2驱动装置；3偏心轴；4滚轮；5翼板；6电缆2.2振动挤土法振动法铺管时不使用冲洗液，可以不排土干作业成孔，容易实现非开挖施工过程的机械化，无论是完全的挤土，还是部分挤土(顶管)，虽然其使用的直径较小，但在施工速度上占有优势，所

20、以这是一种很有特点的非开挖铺管方法。目前有俄罗斯建筑部门研制的-400型和-51型非开挖铺管设备，其技术特点见1.3。表1.3非开挖振动铺管设备的主要特点评价指标-400型-51型 适宜地层砂土,砂质粘土及饱和土砂土,砂质粘土及饱和土 适用管径/mm273-426挤土:530.顶管:5301020施工长度/m17-4025-50铺管速度/m/h20-6020-60使用管材钢管钢管环境效应挤土或振动效应挤土或振动效应此外，俄罗斯的有关单位还研制了专用于顶管内取土的可自行移动的振动冲击抓斗，提高了排土效率，该抓斗结构如图1.2所示。图1.2振动冲击抓斗结构示意图1集土器；2锤头；3振动抓斗外壳；4

21、隔振弹簧 5振动器；6冲击弹簧；7电机 1.2.2美国和德国非开挖铺管技术现状在北卡罗来纳州的一项大型天然气管线铺管工程中，再一次创下了定向钻进铺管记录。该工程的施工的管线从北卡罗来纳州的伯灵顿到克莱顿，总长107 km，其中非开挖工程段长度为1831m，管径为600 mm（壁厚13mm，美国标准X-70）的钢管。该工程要穿过Everett Jordan 湖，湖面宽1515m。以往该公司曾创造过管径300mm、长1755m的定向钻进铺管记录。钻孔要从湖底以下12m 穿过，湖本身深度为11m ，地质条件为基岩，所钻岩层中砂岩占三分之一，风化花岗岩占三分之二，岩石的硬度达到2-7 MPa。因此，泥

22、浆马达-弯接头是唯一可选择定向钻进系统。由于花岗岩中富含铁矿，所产生和磁性干扰对钻进的定向工作极为不利。 Michels 公司 使用了5338 kN 回拖力的大型定向钻机。导向孔于1998年11月2日开钻，共扩孔两次，扩孔花了56个班次。回拖工作在1999年1月21日进行，只用了一天时间就回拖完必。维尔特（Wirth）公司生产第一台微型隧道机(如图1.3)德国维尔特（Wirth）公司首次向一家英国专业顶管公司A E Y公司提供了一台微型隧道机，用于在苏格兰的一项管线施工工程。其结构上还利用了Soltau公司(属Wirth集团)微型隧道机的导向和数据记录系统。该机型不同于常规的土压平衡式机械，它

23、采用水力的方式将岩屑排出隧洞，在地面无需对岩屑再处理就可直接运走。图1.3维尔特公司产首台微型隧道(顶管)机 岩屑由螺旋输送器从切削盘的腔室内排走，可排走直径200mm以下的岩块。超过200mm的岩块则被一定尺寸的孔眼挡在腔室外。由螺旋输送器将岩屑送到岩石破碎器中进行破碎，使岩块的直径破碎到50mm以下，然后送入输浆泵。该型顶管机适用不同地质条件下的顶进，如泥砾岩、砂岩、粉砂岩和煤系地层等。顶进时一种称为Condat的系统可向岩屑中加泡沫和聚合物。该机型也可作为土压平衡掘进机使用，这时钻下的岩屑直接由皮带输送机排出隧洞，倒入翻斗车中。应用于水平定向钻进的水力潜孔锤图1.4水力潜孔锤最近由美国G

24、eocorp 公司研制成功了一种水力潜孔锤（Mud Hammer）(图1.4)，它由钻进液驱动，直接安装在钻头的后面。该装置可产生每分钟40500 kgm 的冲击功，可钻进硬岩层和混合岩层，所需钻进液量仅为76 L /min。系统无需空气和泡沫，可在任何回拖力为10t 的定向钻机上使用。该潜孔锤可与现有的手持式定位仪配合使用，全套钻具由HydroBit型水力潜孔锤、具有减振性能的探测腔（可保护发送器不受损坏）和钻头等组成。目前可钻进直径为100mm、150mm和 200mm的导向孔。管线侧向修复系统在2000年6月德国汉堡举办的一次展示会上，德国Janssen公司展示了一种可对管线侧部接头进行

25、非开挖修复的系统(图1.5)。该公司在1994年曾接受了德国研究与技术部（Ministry of Reserch & Technology）一项非开挖管线修复的研究合同。从1980年以来，该公司已经使用过用树脂喷射技术来修复管道。根据合同，需研制一种对侧管接头内部或周围进行局部修复的专用系统。该系统可与新设计的修复小车一起使用。主系统可适合于直径200-600mm的污水管线。其长度短于原有的系统。次系统可侧向膨胀，其位于主系统中间部位有一个可伸出的活塞。侧向修复系统约400mm 长，可进入管体内。图1.5侧向修复系统 管内的修复工作通过远距离控制CCTV（闭路电视系统）上的三个可转动摄像头引导

26、该系统进入修复位置。入位后由两种成份的树脂从主系统一侧的喷咀喷出并充填损坏区，包括管壁的裂缝和四周的空隙。树脂固结约20分钟，其强度可达到240MPa（弹性模量）。喷射的密封材料穿过裂缝进入管子外部，从而稳定管线的外围，加固了管子, 防止管子进一步损坏。该系统可对主管和侧管接头同时进行修复工作。施工时水流无需改道，在地下水流量较大时仍能工作。美国制订水平定向钻进的PE管材标准。据美国定向钻进杂志2000年2月号报道，美国试验与材料协会（ASTM）近期制订了用于大型定向钻进铺管的聚乙烯（PE）管材标准，包括用于穿越定向钻进铺管的PE管。该协会官员表示，由于定向钻进作为一种PE管的铺设方法，在80

27、年代后期和90年代取得了快速的发展，因此必需制订相关的标准。该标准化将有助于施工和设计人员根据回拉、土压或运输时承受的载荷选择强度合适的管材。 1.3非开挖设备简介 非开挖设备主要由以下几部分组成。 1.3.1 导航系统 用于在钻进过程中对钻头进行定位，以确定钻头的倾斜角度和钻进方向。由发射器、接收器、控制台、遥控显示器、电源等组成。目前，国外使用的雷达导航高端技术，如威猛、沟神、马克等品牌机型在国内已见使用，计算机导航技术普遍使用。 1.3.2执行部分 主机由发动机、液压系统、机载泥浆泵、动力钳、钻杆及其装卸系统等执行机构。它用于提供钻进、回拖的动力以及对钻进的控制。钻具由钻头、回扩钻头钻杆

28、等组成。不同的施工需要和不同的地质要选用不同的钻头。钻具在航道钻通以后，还要对通道回扩和牵引管线，使电缆便于穿过。 1.3.3泥浆搅拌系统 泥浆搅拌系统可增加钻头的润滑作用，降低钻进阻力和钻头的工作温度，提高管壁的强度等。由泥浆罐和高压输送泵及高压连接管构成。该技术可用来铺设直径40mm至2500mm的各种地下管线，距离可达十几米至几千米。在近年的农网、城网升压改造中电缆埋设大多采用该项技术，该项技术与传统的“挖槽埋管法”相比，具有不破坏环境、不影响交通、施工精度高、施工安全性好、周期短、成本低、社会、经济效益非常显著等优点。1.3.4非开挖技术的应用范围 非开挖技术是在不开挖或少开挖地表的情

29、况下，进行地下管线的铺设、修复置换和探测的施工技术。它是钻探和电子技术在地下管线施工领域的拓展和延伸。管线施工可分为三大类：铺设新管线、修复置换旧管线、探测原有管网。 1.4铺设新管线施工技术导向钻进法铺管法、定向钻进铺管法、气动矛铺管法、夯管锤铺管法、螺旋钻进铺管法、推挤顶进铺管法、微型隧道铺管法、盾构法和顶管法都可以在施工中采用。复杂的地质工况和流沙地层都是施工的棘手问题。老城改造中固有的其它管线对施工也带来不少干扰。1.4.1修复旧管线（与新管线铺设有区别）施工技术修复旧管线（与新管线铺设有区别）施工技术：主要利用原位固化法、原位换管法、滑动内插法、变形再生法、局部修复法。 1.4.2探

30、测地下管网探测地下管网：较多使用地下管线探测仪（非金属管道探测仪、金属管道探测仪、塑料管道探测仪、电力电信缆线探测仪和井盖探测仪等）、供水管网监测仪（流量水压记录仪、漏区诊断仪、漏点定位仪等）、电信线路故障定位仪、气体故障检测仪、管中摄影仪、探地雷达、声呐系列设备等进行地下管线探测。1.5 非开挖定向转进铺管钻机的（动力头的变速机构）的重要意义 我国正处于经济建设突飞猛进的发展时期，石油，煤气，电力，电讯，自来水，污水等各地地下管线的施工工程量巨大。但是，我国非开挖施工技术和设备的开发研制工作起步比较晚，至今对非开挖地下管线施工技术的发展和应用尚未引起足够的重视。目前我国大部分城市的管线仍采用开挖作业，这种“开肠破肚”的施工作业危害性极大，限制开挖施工的法规必将陆续出台，非开挖工程市场将十分巨大。第2章总体方案2.1 技术要求/技术指标（1）主要设计非开挖定向钻机中动力头的变速机构，要求所设计的变速箱能输出符合要求的扭矩和转速，同时还能够实现良好的密封，润滑效果；（2）设计出钻机的油路控制系统，并能通过油路控制系统完成钻机的各种动作； （3）能实现安全保护，并能有较好的油路冷却效果；主要的设计参数最大回拖力： 50KN