地下管道非开挖技术之冲击矛施工法

1.不可控向冲击矛原理

冲击矛施工时，一般先在欲铺管地段的两端挖起始工作坑和目的工作坑，坑的大小可根据矛体的大小、铺管深度、管的类型以及操作方便程度而定。将冲击矛放入起始工作坑，置于发射架之上，用瞄准器调整好矛体方向和深度，起动冲击矛，冲击矛沿着预定方向进入土层。当矛体进入土层1/2后，再用瞄准器校正矛体方向，如有偏差应及时调整。校正过程可重复数次，直至矛体完全进入土层。随着冲击矛的前进，可将直径比矛体小的管道拉入孔内。冲击矛到达目的工作坑后，卸下矛体，管道留在孔内，铺管完毕。

冲击矛铺管的方法很多，可以用冲击矛先穿孔，之后随着冲击矛后退，将管道从接收坑拉入。也可用冲击矛穿孔，用钢丝绳带动刮板扩孔并拉管。此外，冲击矛也可进行扩孔，根据地层条件，可在矛体上扩孔外套，逐级扩孔。

冲击矛一般用于铺设直径小于250mm的各种管道，如PVC、PE、HDPE钢管、电缆等。一次性铺设的长度为50m左右。主要适用于均质非富含水地层，如黏土、亚黏土等地层。目前有的冲击矛也可以在含少量的砾石层中成孔，但砾石直径应小于冲击矛外径。另外，冲击矛的矛头有多种结构形式，可根据土质条件不同选择使用。如锥形矛头适用于均质土层，台肩式矛头可在含砾石层中成孔，往复式冲击矛头能够冲碎砾石保直前进。

管线铺设的方法有以下几种：

（1）冲击矛直接拉入

这是成孔与铺管工作同时完成的方法。待铺设的管道通过锥形管接头（见图2-28）或用钢丝绳及夹具与冲击予相连接。当铺管长度较长时，可在发射坑利用紧线夹并通过钢丝绳或滑轮对铺管施加一个辅助的推力。有时，也可用一个千斤顶来提供辅助推力。

图2-28 直接拉入管道的方法

当土层的稳定性较差或施工长度较长时，为了避免孔壁的塌落，最好使用该方法。

（2）冲击矛反向拉入

当冲击矛到达目的工作坑，将待铺设的管线与冲击矛相连接。然后，旋转1/4圈压气软管，使冲击矛反向冲击而后退，同时将管线拉入孔内。也可用直接拉入法来增加辅助推力。

（3）扩孔后拉入

如果管径较大，而且土层稳定时，可先用冲击矛形成先导孔，然后在冲击矛上外加一个扩孔套，边扩孔边将待铺设的管线拉入孔内，如图2-29所示。一般扩孔套的外径与冲击矛的外径之比应小于1.6。这种方法的优点是：一种冲击矛可用于不同直径管道的铺设；贯穿先导管的钢绳在一定程度上可起到调节方向的作用，同时又可施加辅助的拉力。

图2-29 扩孔铺管的施工方法

图2-30 可控地下火箭CM-98Z

2.可控向冲击矛原理

由于非进入式不可控施工方法不能按预定的施工方向对钻孔进行控制，其应用领域受到一定的限制。因此，从20世纪70年代的下半叶开始，在世界范围内展开了对非进入式的方向可控的非开挖管道铺设技术的研究工作。

目前，已经有很多成熟的方向可控的非开挖管道铺设技术，有的是在原有不可控的施工技术的基础上发展而来的，有的是对全断面破碎顶管机或定向钻进技术的新发展。非进入可控式土层挤密工法主要包括：可控冲击矛挤密工法、可控冲击矛水平钻进技术、先导式土层挤密施工技术和土层挤密式微型隧道施工技术。(www.xing528.com)

（1）可控向冲击矛施工工法

可控向冲击矛施工法（Controllable Impact Moling）基本上和常规的冲击矛施工法相向，不同的是，可控冲击矛的前部壳体内安装了一个探头，借助于所谓的同步跟踪（Walk-O-ver）探测技术对其进行定位，可以随时确定冲击矛的方位、在地下的深度及偏转情况。目前市场上关于这类技术的产品主要有2种：Grundosteer和可控地下火箭CM-98Z。这2种施工工艺都必须完成如下2个施工步骤：①成孔过程；②回拉铺管，即在成孔之后将管道通过供应压缩空气的高压胶管或者钻杆柱拉入钻孔中。

1）Grundosteer型可控冲击矛。Grundosteer型可控冲击矛的挤密头（导向头）呈阶梯状，可以向一侧发生偏斜，要调节其施工方向时，只需在合适的位置转动刚性的压气供应胶管即可。对于壳体外径为75mm、长约1.70m的冲击矛，能铺设管道的最大直径为DN/OD63，可施工的长度40～55mm，可施工钻孔的曲率半径>27m，平均施工效率（纯钻效率）约为10m/h。

2）可控地下火箭CM-98Z。可控式地下火箭CM-98Z（见图2-30）具有一个单面偏斜的挤密钻头，通过人工的方法转动与之相连的钻杆柱或者通过一个液压推动/转动装置，将其调整到预期的位置。这种施工方法主要用于施工直径<115mm的钻孔，施工长度≤50m，可铺设管线的最大直径为DN/OD 90。

（2）可控向冲击矛水平钻进法

可控向冲击矛水平钻进法是一种潜孔锤冲击回转和土层挤密相结合的施工方法，在施工过程中，破碎下来的泥土不是被输送至地表，而是直接挤密至周围的孔壁。这种工法所用的钻机（见图2-31）在结构上类似于冲击回转潜孔钻机，其回转头安装于一个滑架上。在使用中，潜孔锤即是一个改装了的冲击矛，其前部配备一个偏斜的挤密钻头，冲击矛的后面和钻杆柱相连，通过钻杆传递钻进过程中所需的顶推力和回转运动。

图2-31 冲击挤密锤水平钻进用钻机

该工法的实施过程和水平定向钻进方法相同主要过程包括先导孔钻进、扩扎钻进和拉入法铺设管线。该工法不但在先导孔施工中，而且在扩孔（或多级扩孔）钻进中，都要采用土层挤密的作用原理。

1）第一步：先导孔钻进。在确定好要铺设管线的轨迹之后即可开始先导孔的钻进，钻机的安装有两种形式：一是将钻机直接定位于地表，钻孔倾角为5°～15°；另一种方法是将钻机安装于始发工作坑中。对于第一种安装形式，钻进工作首先从地表的入射点开始，当达到预定深度后，进行水平钻进直至目标点。驱动冲击矛工作所需的压缩空气通过中空的钻杆柱供应。

2）第二步：扩孔钻进。在扩孔钻进阶段，通过一次或多次的钻杆柱在钻孔中的回拉，完成扩孔钻进工作（钻孔最大可扩至ϕ250mm）。这里可以采用一个经过改进的冲击矛（扩孔冲击锤）来辅助进行扩孔，即在钻孔的终点或者目标工作坑中将该扩孔冲击锤连接在钻杆柱上，通过钻机将其回拉至钻孔的起点，同时完成扩孔工作。如果第一次扩孔即能满足所要铺设管道的直径要求，则可以通过一个抗弯抗扭接头将管道直接连接于扩孔冲击锤的后面同步拉入钻孔；如果还需要进一步扩孔时，则应同步拉入下次扩孔要采用的钻杆柱，其上应事先连接好下次扩孔所需的扩孔套管和扩孔冲击锤。

3）第三步：管线拉入。在最后一次扩孔时，即将要铺设的管道连接于扩孔冲击锤的后面，从目标点（或目标坑）拉入钻孔。这种冲击矛水平钻进工法所需的基本施工机具包括：钻进滑架或钻机、导向或定位系统、冲击矛及钻杆、扩孔冲击锤和扩孔套管、驱动装置、空压机和配套的高压胶管，有时还需要一套供水系统（包括水箱、水泵和供水管道等）。

根据钻机（或钻进滑架）的大小，可选用0.5、1.0、2.0或3.0等不同长度的钻杆；驱动冲击矛（冲击频率最大为1000次/min）或者扩孔冲击锤的空压机的工作压力应在7～12bar（0.7～1.2MPa）之间，要求的供气量最小应为2.8m³/min。在干性地层施工时，为了通过疏松土层提高施工效率以及通过润滑孔壁减小施工中的摩擦力，可以向压缩空气中注入少量的水（≤4.70L/min）。这里的水可以通过冲击矛或扩孔锤的喷嘴喷出。

该工法原则上适用于干性的或者潮湿的可挤密性松散地层，可施工钻孔直径达250mm，可铺设长度≤100m、最大直径为DN/OD 180的单根或多根管道。当采用2.0m长、外径为44mm的标准钻杆时，可以施工曲率半径20m的钻孔。施工中采用电磁Walk-Over测试技术对管道的方向进行监控，允许的施工深度为5m，根据管道所处的深度不同，其测量准确度在垂直方向上为20～30mm，在水平方向约为50mm。在采用钻机滑架进行施工时，所需工作坑的大小根据所用钻杆的长度而定，对于1.0m长的钻杆，工作坑的尺寸应为1.65m×1.00m；当采用0.5m长钻杆时，工作坑的尺寸则需要1.12m×1.00m。根据ATV-A125，当覆土厚度<1.0m或<DN/OD（顶管机外径）时，可能会发生严重的地表沉降，并且也不能排除最初发生地表隆起的可能性。因此，为了避免可能造成的损失，应尽可能选择较大的覆土厚度。

（3）先导式土层挤密施工技术

这里以Acemole PC 10 MP法为例来介绍，该工法的特点是：无论在先导孔钻进阶段，还是在随后的扩孔施工阶段，其施工原理都是按照土层挤密原理来进行的。

1）先导孔钻进。在始发工作井中安装好顶进工作站之后，即可开始先导孔的钻进，先导钻杆柱由先导钻杆（直径100mm）和在液压作用下可以伸出的挤密头和导向头组成。

2）扩孔钻进。在挤密头到达目标井之后，进行第二步的非导向式扩孔工作，采用扩孔器按照土层挤密的原理将先导孔扩大至所需的直径，在扩孔的同时，借助于顶进工作站将通过管接头连接在扩孔器后面的要铺设的管道顶入预定位置。在扩孔过程中，先导钻杆对扩孔器具有导向作用，并被逐节顶出目标井进行回收。

Acemole PC 10 MP工法适用的管道直径为DN/ID 300～400，适用的地层为可挤密的软地层（即N<15的砂质或黏土质地层），施工的管道深度一般在2～4m，可施工的长度达100m，可施工钻孔的曲率半径>150m。