论文部分内容阅读
[摘 要]管道非开挖技术是指通过导向、定向钻进等手段，在地表极小部分开挖的情况下（一般指入口和出口小面积开挖），敷设、更换和修复各种地下管线的施工新技术，在油气管道的新管道建设和旧管道修复施工领域广泛应用，与开挖相比具有施工速度快、不破坏路面、不影响交通、对环境影响很小等优点。本文基于油气管道施工实例，就顶管法、夯管法、冲击矛法、振动挤土法、水平定向钻技术等非开挖铺设管道技术进行了阐述。
[关键词]油气管道施工 非开挖技术
中图分类号：TU992.05 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）44-0047-01
一、非开挖技术
管线施工传统方法是采用开挖沟槽铺管，通常适用于新区管线施工、旧路或旧路配套管线整体改造和人口密度小的地区管线施工时采用，该方法有开挖作业面大、道路交通影响大、施工周期长等不足。而非开挖水平定向钻进铺管是利用水平定向钻机以可控钻孔轨迹的施工方法，在确定的地层和深度进行钻进，通过导向系统使钻头沿着设计方向（轨迹）钻进并到达设计出口位置，所敷设的管线通过钻杆从钻孔的出土点一侧沿扩孔后的孔洞，回拉至钻杆入土点一侧的施工方法。该技术系在地表不开挖的情况下（除两头工作坑）即可铺设多种地下管线的施工新方法，尤其在不具备开挖条件的地区铺设管线，如穿越道路、河流、铁路、建筑物等地理条件时，定向钻进铺管技术更能显示出优越性和科学性。非开挖顶管铺管技术适用于直径为1.5～3.0m的大管径顶进轨迹为直线的钢管、混凝土管、铸铁管的管道施工，通常用于穿越隧道、涵洞和高速路等区域；而非开挖水平定向钻进技术适合铺设直径1.0m以内的PE管、钢管，管线的拉管轨迹通常为弧形，在地下管线复杂且场地狭小的城市区域内施工优势明显。
二、非开挖技术的优势
油气管道施工主要有开挖施工法和非开挖施工法两类，与传统的开挖施工方法相比，非开挖施工方法的主要优点是：
（1）解除了传统开挖施工对居民正常生活的干扰和对交通、环境、周边建筑基础的破坏及不良影响；
（2）增强了在复杂地层条件下施工的能力，在传统施工方法无法施工或不允许开挖施工的场合，可用非开挖技术从下方穿越铺设，并可将管线设计在工程量最小的最佳地点穿过；
（3）现代非开挖技术引入了管线轨迹的测量和控制，可以高精度地控制地下管线的铺设方向、埋深，并可使管线绕过地下障碍。
实践证明，在大多数情况下，尤其是在繁华市区或管线埋入较深时，非开挖施工是明挖施工的极好替代方法。
三、非开挖铺设管道的方式
3.1 顶管法
顶管法具体工作原理为：一系列管道在中继管和千斤顶的作用下，按照一定排列规则深入土体内部。操作流程如下：首先在需铺设两端分别掘出接收、顶进两井，之后的管道顶进工作主要在顶进井内进行。最后通过千斤顶和中继管共同作用，将一系列管道按照一定排列规则顶送到接收井。泥水和土压两种平衡操作方式是实际工程中常用的手段。通过实现顶进压力和地质压力以及水压之间的相互平衡即为土压平衡的基本原理。具体操作中依靠机械和水压的共同作用完成泥土切削工作，多余土壤则通过水力运输处理。
3.2 夯管法
夯管法的具体工作原理为：首先将夯管锤精确安置在所需工作区域，之后将钢管与之相连，钢管跟随夯管锤的打击作用一同运动，最终实现管道安置敷设工作。在这个过程中，应时刻注意两者是否保持同心状态，每节钢管在完成夯入工作之后都应检查方向是否满足要求并进行适当微调。这种工作手段的最大優势体现在可适用土质范围足够广泛，除了在沼泽环境、被较多粗大卵石覆盖地表或者岩层结构中使用受限外，在其余任何成分地质环境下均可以投入使用。工作管径尺寸跨度很大，从五十到两千毫米不等，施工极限长度在一百米左右。
3.3 冲击矛法
冲击矛法的具体工作原理为：依靠矛头对工作区域土壤的挤压作用生成钻孔，矛体可以再钻孔内实现往复运动，该过程中的主要工作动力来源于其自身的冲击力。大致操作流程如下：首先在需铺设两端分别掘出起始工作坑和目标工作坑，经定位之后将冲击矛置于起始坑中，同时搭建临时设备起到工作辅助作用，之后在冲击力的作用下矛体冲向目标坑。在行经过程中，钢管跟随其运动进入到孔内，在行进到目标坑后拆除矛体，钢管留在钻孔之中，即铺设工作完成。冲击矛法在具体操作上又分为三种不同的形式：①直接拉入：矛体直接带动钢管同步运动完成工作；②反向拉入：先成孔再铺设，钢管是在目标坑中完成与矛体的连接，之后随矛体反向运动完成工作；③扩孔拉入：冲击矛在完成钻孔工作后加装扩孔设备，之后一面进行扩孔工作一面带动钢管运动前进完成工作。使用冲击矛法完成铺设工作的管径尺寸一般在两百毫米以下，长度范围在十到五十米之间。适用地质对象结构成分均匀，如粘土或亚粘土等。其最佳使用对象是成分结构中颗粒物大小各异，且最大不超过六十毫米，粘性物质占比不高的不含水地质环境。
3.4 振动挤土法
振动挤土法是通过挤压作用并且持续振动生成钻孔，在此过程汇总不进行排土工作，也不需要冲洗液辅助工作。大致操作流程如下：首先在管道顶部实现与振动打击锤的刚性连接，使二者成为一个整体结构。在振动锤开启工作之后，其内部结构中有一对做同步，反向圆周运动的偏心块持续运动，管道受其影响在轴向产生持续振动，在振动频率满足与区域内土体产生共振条件时，会引起土质结构中的水分流失，导致其中颗粒物相互聚合能力骤降转变成液态形式存在，此时再受到冲击作用影响，可以轻松将钢管挤入土中。
3.5 水平定向钻技术
第一、 钻向导空。导向孔为后期的铺设工作提供指引并确定方向，因此导向孔钻是首要进行的一步工作。使用小径钻杆与水平呈八到二十度夹角，有地表开始钻进，深入到既定的位置后再按照设计方案开展下一步钻进工作。钻进设计方案在制定过程中要充分考虑到设备的工作能力和钻探现场实际环境等综合影响，最终确定科学合理的钻进路径。信号发射器一般装载在钻头部位，地表以上的专用设备在接收到发射器传来的信息之后，完整实时地显示各项钻进数据（包括倾角、方向和钻入深度等数据）。分析数据后可知钻头是否按照既定的程序正常进行钻进工作，如遇偏差或其它变化应及时调整。如遇某些极端工况时，如钻进深度过深，或者无线信号传送受阻等，这时可以通过有线追踪方式来帮助完成工作。此事的各种钻探数据通过专用线缆完成传输，经计算后辅助工作人员掌控钻进工作。第二、扩孔，导向孔的孔径尺寸一般不足以满足管道计入条件，此时就需要进行扩孔工作，直至口径足以支持管道进入为止。在扩孔工作中会出现环状孔隙，这既能给路径转向留有空间，也为泥浆的流动提供条件。一般情况下，将扩孔装置由铺设终端沿导向孔反向运动至铺设始端，即可完成扩孔工作。在现实操作中，一般将导向孔尺寸扩至管径尺寸1.25到1.5倍大小。第三、回拖管线。在完成符合施工条件的扩孔工作之后，即可利用回拖管线进行下一步铺设工作。在进行铺设工作之后，须将各节管道前后连接形成整体结构。为避免管道在铺设过程中出现转动或者扭曲现象，应使用旋转接头实现已连接成整体的管道和回拖杆的连接。
四、结语
在人口稠密的区域进行油气管道施工，不仅会对周边的生产运行产生影响，而且工期持续时间长，成本居高不下。尤其是在临近城镇地区进行施工面临着诸多难题，这时非开挖施工技术已经受到越来越多的关注并且相关技术也得到稳步提升，其不但减少路面开挖，降低施工费用还能解决一些在传统开挖术不能施工的问题。
参考文献
【1】张鹏.管道施工技术[J].施工技术，2013，28（1）：43-45.
[关键词]油气管道施工 非开挖技术
中图分类号：TU992.05 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）44-0047-01
一、非开挖技术
管线施工传统方法是采用开挖沟槽铺管，通常适用于新区管线施工、旧路或旧路配套管线整体改造和人口密度小的地区管线施工时采用，该方法有开挖作业面大、道路交通影响大、施工周期长等不足。而非开挖水平定向钻进铺管是利用水平定向钻机以可控钻孔轨迹的施工方法，在确定的地层和深度进行钻进，通过导向系统使钻头沿着设计方向（轨迹）钻进并到达设计出口位置，所敷设的管线通过钻杆从钻孔的出土点一侧沿扩孔后的孔洞，回拉至钻杆入土点一侧的施工方法。该技术系在地表不开挖的情况下（除两头工作坑）即可铺设多种地下管线的施工新方法，尤其在不具备开挖条件的地区铺设管线，如穿越道路、河流、铁路、建筑物等地理条件时，定向钻进铺管技术更能显示出优越性和科学性。非开挖顶管铺管技术适用于直径为1.5～3.0m的大管径顶进轨迹为直线的钢管、混凝土管、铸铁管的管道施工，通常用于穿越隧道、涵洞和高速路等区域；而非开挖水平定向钻进技术适合铺设直径1.0m以内的PE管、钢管，管线的拉管轨迹通常为弧形，在地下管线复杂且场地狭小的城市区域内施工优势明显。
二、非开挖技术的优势
油气管道施工主要有开挖施工法和非开挖施工法两类，与传统的开挖施工方法相比，非开挖施工方法的主要优点是：
（1）解除了传统开挖施工对居民正常生活的干扰和对交通、环境、周边建筑基础的破坏及不良影响；
（2）增强了在复杂地层条件下施工的能力，在传统施工方法无法施工或不允许开挖施工的场合，可用非开挖技术从下方穿越铺设，并可将管线设计在工程量最小的最佳地点穿过；
（3）现代非开挖技术引入了管线轨迹的测量和控制，可以高精度地控制地下管线的铺设方向、埋深，并可使管线绕过地下障碍。
实践证明，在大多数情况下，尤其是在繁华市区或管线埋入较深时，非开挖施工是明挖施工的极好替代方法。
三、非开挖铺设管道的方式
3.1 顶管法
顶管法具体工作原理为：一系列管道在中继管和千斤顶的作用下，按照一定排列规则深入土体内部。操作流程如下：首先在需铺设两端分别掘出接收、顶进两井，之后的管道顶进工作主要在顶进井内进行。最后通过千斤顶和中继管共同作用，将一系列管道按照一定排列规则顶送到接收井。泥水和土压两种平衡操作方式是实际工程中常用的手段。通过实现顶进压力和地质压力以及水压之间的相互平衡即为土压平衡的基本原理。具体操作中依靠机械和水压的共同作用完成泥土切削工作，多余土壤则通过水力运输处理。
3.2 夯管法
夯管法的具体工作原理为：首先将夯管锤精确安置在所需工作区域，之后将钢管与之相连，钢管跟随夯管锤的打击作用一同运动，最终实现管道安置敷设工作。在这个过程中，应时刻注意两者是否保持同心状态，每节钢管在完成夯入工作之后都应检查方向是否满足要求并进行适当微调。这种工作手段的最大優势体现在可适用土质范围足够广泛，除了在沼泽环境、被较多粗大卵石覆盖地表或者岩层结构中使用受限外，在其余任何成分地质环境下均可以投入使用。工作管径尺寸跨度很大，从五十到两千毫米不等，施工极限长度在一百米左右。
3.3 冲击矛法
冲击矛法的具体工作原理为：依靠矛头对工作区域土壤的挤压作用生成钻孔，矛体可以再钻孔内实现往复运动，该过程中的主要工作动力来源于其自身的冲击力。大致操作流程如下：首先在需铺设两端分别掘出起始工作坑和目标工作坑，经定位之后将冲击矛置于起始坑中，同时搭建临时设备起到工作辅助作用，之后在冲击力的作用下矛体冲向目标坑。在行经过程中，钢管跟随其运动进入到孔内，在行进到目标坑后拆除矛体，钢管留在钻孔之中，即铺设工作完成。冲击矛法在具体操作上又分为三种不同的形式：①直接拉入：矛体直接带动钢管同步运动完成工作；②反向拉入：先成孔再铺设，钢管是在目标坑中完成与矛体的连接，之后随矛体反向运动完成工作；③扩孔拉入：冲击矛在完成钻孔工作后加装扩孔设备，之后一面进行扩孔工作一面带动钢管运动前进完成工作。使用冲击矛法完成铺设工作的管径尺寸一般在两百毫米以下，长度范围在十到五十米之间。适用地质对象结构成分均匀，如粘土或亚粘土等。其最佳使用对象是成分结构中颗粒物大小各异，且最大不超过六十毫米，粘性物质占比不高的不含水地质环境。
3.4 振动挤土法
振动挤土法是通过挤压作用并且持续振动生成钻孔，在此过程汇总不进行排土工作，也不需要冲洗液辅助工作。大致操作流程如下：首先在管道顶部实现与振动打击锤的刚性连接，使二者成为一个整体结构。在振动锤开启工作之后，其内部结构中有一对做同步，反向圆周运动的偏心块持续运动，管道受其影响在轴向产生持续振动，在振动频率满足与区域内土体产生共振条件时，会引起土质结构中的水分流失，导致其中颗粒物相互聚合能力骤降转变成液态形式存在，此时再受到冲击作用影响，可以轻松将钢管挤入土中。
3.5 水平定向钻技术
第一、 钻向导空。导向孔为后期的铺设工作提供指引并确定方向，因此导向孔钻是首要进行的一步工作。使用小径钻杆与水平呈八到二十度夹角，有地表开始钻进，深入到既定的位置后再按照设计方案开展下一步钻进工作。钻进设计方案在制定过程中要充分考虑到设备的工作能力和钻探现场实际环境等综合影响，最终确定科学合理的钻进路径。信号发射器一般装载在钻头部位，地表以上的专用设备在接收到发射器传来的信息之后，完整实时地显示各项钻进数据（包括倾角、方向和钻入深度等数据）。分析数据后可知钻头是否按照既定的程序正常进行钻进工作，如遇偏差或其它变化应及时调整。如遇某些极端工况时，如钻进深度过深，或者无线信号传送受阻等，这时可以通过有线追踪方式来帮助完成工作。此事的各种钻探数据通过专用线缆完成传输，经计算后辅助工作人员掌控钻进工作。第二、扩孔，导向孔的孔径尺寸一般不足以满足管道计入条件，此时就需要进行扩孔工作，直至口径足以支持管道进入为止。在扩孔工作中会出现环状孔隙，这既能给路径转向留有空间，也为泥浆的流动提供条件。一般情况下，将扩孔装置由铺设终端沿导向孔反向运动至铺设始端，即可完成扩孔工作。在现实操作中，一般将导向孔尺寸扩至管径尺寸1.25到1.5倍大小。第三、回拖管线。在完成符合施工条件的扩孔工作之后，即可利用回拖管线进行下一步铺设工作。在进行铺设工作之后，须将各节管道前后连接形成整体结构。为避免管道在铺设过程中出现转动或者扭曲现象，应使用旋转接头实现已连接成整体的管道和回拖杆的连接。
四、结语
在人口稠密的区域进行油气管道施工，不仅会对周边的生产运行产生影响，而且工期持续时间长，成本居高不下。尤其是在临近城镇地区进行施工面临着诸多难题，这时非开挖施工技术已经受到越来越多的关注并且相关技术也得到稳步提升，其不但减少路面开挖，降低施工费用还能解决一些在传统开挖术不能施工的问题。
参考文献
【1】张鹏.管道施工技术[J].施工技术，2013，28（1）：43-45.