地下管道非开挖技术应用-气动夯管施工法

1.原理与工艺

夯管钻进是指用夯管锤将待铺设的钢管沿设计路线直接夯入地层，实现非开挖穿越铺管。

（1）应用领域及优缺点

夯管钻进技术适用的管径范围较大，可以是50～200mm；施工长度一股在10～80m，最大可达100m左右；除含有大量粗颗粒卵砾石的土层外，无论是含卵砾石的土层，还是含地下水的土层，均可使用该法。

夯管钻进具有对地层适应性较强；配套机具简单，操作、维修、运输、安装方便；操作简单，不要求较高的专业技术；设备投资低，铺管速度快、效率高，施工成本低；铺管准确度高，对地表干扰小，施工时不产生地面沉降等优点。但是夯管类型受到限制，一般只能用钢管，单根夯入长度受现场条件约束，焊接接口的数量影响铺管准确度，不适用于卵砾石层。

（2）气动夯管锤的工作原理及构造

气动夯管锤属于低频率、高冲击能量型的设备。通过配气机构，使得冲击活塞两端压力交替变化，进而产生往复运动不断冲击冲头进行做功。如图2-33所示，夯管锤由胶管、减震器、配气杆、气孔、气室、导气槽、冲击头组成。

图2-33 夯管锤结构示意图

1—冲击头 2—导气槽 3—气室 4—气孔 5—配气杆 6—减震器 7—胶管

（3）施工工艺

气动夯管施工前，首先将夯管锤固定在工作坑上，并精确定位。然后通过锥形接头和张紧带将夯管锤连接在钢管的后面，如图2-34所示。为了保证施工准确度，夯管锤和钢管的中心线必须在同一直线上。在夯第一节钢管时，应不断地进行检查和校正。如果一开始就发生偏斜，以后就很难修正方向。

图2-34 夯管施工法示意图

图2-35 夯管锤和钢管的连接

夯管过程中，夯管锤产生的较大冲击力直接作用于钢管的后端，通过钢管传递到最前端钢管的管靴上，克服管靴的贯入阻力和管壁（内、外壁）与土之间的摩擦阻力，将钢管夯入地层（见图2-35）。随着钢管的夯入，被切削的土芯进入钢管内，待钢管抵达目标坑后，将钢管内的土用高压气或高压水排出，而钢管则留在孔内。有时为了减少管内壁与土的摩擦阻力，在施工过程中夯入一节钢管后，间断地将管内的土排出。

每根管子的焊接要求平整，全部管子需保持在一条直线上，接头内外表面无凸出部分，并且要保证接头处能传递较大的轴向压力。

当所有的管子均夯入土层后，留在钢管内的土可用高压气或高压水排出。排土时，需将管的一端密封。当土质较疏松时，管内进土的速度会大于夯管的速度，土就会集中在夯管锤的前部。此时，可用一个两侧带开口的排上式锥形接头在夯管的过程中随时排上。对于直径大于800mm的钢管，也可以采用螺旋钻杆、高压射流或人工的方式排上。当土的阻力极大时，可以先用冲击矛形成一导向孔，然后再进行夯管施工。

2.控向技术

从夯管锤铺管的技术特点来看，尽管它的铺管准确度比不出土的水平顶管和水平螺旋钻铺管准确度高，但它仍属非控向铺管技术，因此如何预测其铺管准确度，并事先采取措施预防其偏斜是夯管锤铺管工程中的技术关键。在通常情况下，夯管锤铺管准确度与所穿越的地层、铺管长度、直径、焊缝数量有关。一般来说，地层太软或软硬不均，一次性穿越距离太长，管径太小，焊缝数量多或施工不当都会造成铺管偏差过大。在实际施工中，为提高施工质量，有效控制铺管准确度是十分必要的。特别是在一些地层条件和地下管道埋设情况比较复杂的场合，如含水较丰富的流砂地层、砂卵砾石地层、穿越空间较小等，对铺管准确度控制提出了较高的技术要求。

（1）流砂地层中夯管准确度控制技术

对于含水较丰富的流砂地层，由于受到夯管锤夯击钢管强烈震动的影响，使砂粒处于悬浮状态，丧失强度，引起地层砂土液化。这种液化现象，使得砂土在夯击震动力作用下，砂粒相互间位置产生调整，砂土趋于密实并产生下沉，造成夯入地层的钢管也随之下沉，钢管方向随之发生向下偏斜，影响钢管铺设准确度控制。在该类地层中，我们曾出现过，在不采取有效技术措施进行夯管的情况下，Φ328×8mm钢管夯入地层长29.0m，钢管下沉偏离设计轨迹深度达2.0m，根本无法满足正常使用要求，严重影响施工质量，造成所铺管道报废的损失。显然在此类地层中，用导向钻进等钻孔方法铺设非进入管道（Φ600mm以下），因成孔困难，同样具有很大的不确定性。在实际工程应用中，采取以下技术手段可取得较好的效果。

1）当所铺钢管管径较大时，在尽可能选用钢管强度和刚度均有较好可夯性的同时，为防止钢管向下倾斜，对第一节钢管管端切削护环的结构进行了改造。改造后的结构主要有以下两个特点：①切削护环在管壁外的部分只保留上面2/3的管壁周长，将下部1/3护环割除，这样增加土体对钢管的支持力，对减少钢管在夯进过程中下沉起一定的作用。②根据地层的实际情况，在第一节或以后几节钢管两侧，沿水平径线方向焊接两条宽度约为70～100mm宽的钢板（大多采用角钢），以增加钢管在该类地层中的上浮力，减少钢管下沉和穷进过程中产生旋转而发生左右偏斜。同时在具体施工中，适当增大导轨向上斜率、加快夯管夯击速度、减少地层震动时间等，都有利于减少钢管下沉与旋转。实践证明，通过采取上述措施，较好地解决了该类地层铺管准确度控制。

2）对于所铺钢管长度长、直径较小时，单一采用夯管锤夯击铺管，无论在方向控制上，还是在钢管强度与刚度方面都难以满足高准确度铺设要求。在流砂地层中采用导向钻进法和优质泥浆护壁的手段，但其施工成本将大大提高。因此，采用导向钻进与夯管锤夯击相结合的方式可以解决该类地层铺管的技术问题。

夯管锤与导向钻进相结合的多工艺非开挖铺设技术其实质是充分利用两者优点，克服二者缺点，取长补短的一种技术手段。在具体实践施工过程中，首先利用导向钻进方向可控的特点，在该类地层中，配合泥浆护壁，完成导向钻孔，并根据需要进行分级扩孔。当用导向钻机将所铺钢管拉入孔内，因坍孔等原因无法前进时，在钢管尾端用夯管锤夯击。在夯击力作用下，钢管通过震动，克服土体摩擦阻力及管端阻力，特别在砂土地层中这种现象更为明显。

（2）卵砾石地层夯管准确度控制技术

卵砾石地层一直是地下工程中公认的复杂地层，由于其自稳定性差，在非开挖地下管道施工中用导向钻进法穿越该类地层根本无法想象。通过对国内外非开挖铺管技术的经验总结认为，采用气动夯管锤铺管技术对付卵砾石地层具有极大的优越性，是解决该地层铺管的有效技术手段。为此，根据卵砾石地层的地质特点，研究设计夯管锤铺管的工艺技术及相关配套工具，解决夯管方向控制问题，是非开挖气动夯管锤铺管技术的关键。

在实践施工中，对卵砾石地层，夯管锤铺管技术同样需要解决可夯性较好（Φ325mm以上）和可夯性较差（Φ219mm以下）两种情况铺管准确度控制问题。

1）对于可夯性和刚度较好的钢管，为较好地解决夯击准确度控制和减少夯击阻力，在具体工程施工过程中，我们采取了以下措施：在第一节钢管管靴制作方面，采用特制的经过调质处理的材质为45#锻钢的切削护环，施工时将其焊接在钢管前端，其性能具有较高的硬度和好的抗冲击性。同时为减少摩擦阻力和钢管切削头的阻力，在施工工艺方面采取每夯入2～3m，及时掏空管内砂石，这样在夯击力的作用下，钢管向前运动挤压卵砾石，带动管内与管端的卵砾石震动，使原来比较密实的卵砾石层通过向管内空间移动，变得松散，并且当管端切削环遇到大直径（小于管内径）的卵砾石时，亦可通过挤压使大卵砾石活动，向管内运动，减少因直接击碎而可能出现的管道偏斜和切削环损坏等现象出现。同时因及时清理管内卵石，有效地避免了出现管端的闭塞效应，大大地减少切削卵砾石管端阻力。

2）对于可夯性较差及铺设长度较长的管道，由于钢管强度与刚性差，单一采用夯管锤夯击手段施工，无法保证铺管方向。我们知道，就现有非开挖技术来说，在卵砾石地层中铺设小直径长距离管道一直是技术难点。在这种情况下，往往用大管代替小管或绕道铺设，因此研究和解决该类地层地下管道铺设仍是非开挖管道工程施工中的技术难题。同样地导向钻进与夯管锤相结合的施工技术亦可以作为该类地层铺管的方法之一而进行尝试。

（3）铺管准确度控制施工实践

为高质量地完成管道铺设任务，在实际工程施工中，应根据工程具体情况采取了不同的技术措施。

1）长距离套管铺设准确度控制实践。对于长距离套管铺设，由于钢管长度增大，钢管整体刚度和强度变差，弯曲变形可能性增加，当管端有障碍物或地层软硬不均时，发生偏离轨迹的可能性亦增大。另外，随着钢管焊接口增多，钢管与钢管间的连接误差也增大。因此，在实际施工中，对于如何采取各种有效技术手段与措施，满足夯管铺管要求，高质量完成铺管任务是长距离铺管需要解决的主要技术内容。

①工程概况。该工程是北京市天然气进入大兴县的主管道之一，施工现场位于北京市大兴县京开路冶金液压机械厂，天然气运行管道为直径Φ529mm的钢管。京开路是北京南部的主要交通干线，车辆来往密度高，实施开挖将严重影响交通，为此要求采用非开挖铺管技术铺设管道。穿越路段从公路西侧郁花园铺入冶金液压机械厂院内，穿越距离为63.0m，路西侧为深约1.5m的排水沟，路东侧有埋深为2.0m的通信电缆沟和埋深在2.5m左右的Φ800mm的雨水管道。为了保证管道的安全穿越，设计穿越深度为路面以下4.2m（管中心），采用外径为Φ630mm的螺旋焊管。为了较好地保护钢套管，甲方要求采用外缠三布四油的防腐材料作防腐措施，并要求在夯击过程中不得损坏防腐材料。根据基坑开挖结果，夯管穿越的地层主要为粉质黏土层。

②施工技术与设备。为保证套管铺设准确度，在施工中我们采取了以下主要技术手段：

a.尽可能采用管壁较厚的钢管，最后选用12mm壁厚钢管，增加了钢管刚性和强度。

b.根据地层情况，导轨铺设斜率采取向上0.5%。

c.在进入土体的第一节钢管两侧用75mm×75mm角钢焊接了侧翅，以保证钢管的上下与左右的稳定性。为减少焊接点，增大每节钢管的长度，采取6m/节的钢管，减少了焊接点，降低人为造成的焊接误差。

d.在夯击过程中，每夯入一节钢管，都进行测量，特别是对上下、左右方向的准确度进行测量，发现误差，及时进行调整。

经过采取以上技术措施，Φ630mm钢管较准确地进入了接收坑，经检测东西方向两端方位，接收坑端下沉315mm，左右偏253mm，高准确度地完成了套管铺设任务。

由于铺设管道直径大、长度长，为此选用德国TRACTO⁃TECHNIK公司的KOLOSS350夯管锤和美国英格索兰空压机。该锤风量为16m³/min，风压为0.6～0.7MPa，冲击频率为300次/min。

2）流砂地层铺管精度控制实践。如上所述，流砂地层虽然阻力小，可夯性好，但在震动情况下，地层易发生液化，钢管方向易随土体的沉降而发生下移，准确度的控制相对比较困难。

①工程概况。总参机关事务局天然气管道铺设工程地处北京市海淀区学院南路，为市内交通较繁忙的线路之一，为此要求用非开挖铺管手段铺设天然气管道。套管穿越路线要求从路南部队北侧大门口，经过学院南路与路北人行道内已埋设的天然气管道相接，全长为38.5m。经过实地踏勘，学院南路地下分布有：通信、电力、自来水、污水、雨水等多条管线，根据各管线的埋深情况，要求套管从下底深为2.5m的Φ600mm污水管和上顶深为3.6m的Φ800mm雨水管中间穿过。经过分析论证，决定套管铺设中心线离地面深度为2.9m。

在作业坑开挖工程中，挖至深约为3.0m左右时，发现地层变为极不稳定的粉砂地层，地下水开始从基坑壁渗流，坑壁砂土开始向坑内滑移，坑底的饱和粉砂土在地下水作用下产生了流砂现象。坑壁失稳及坑底地下水渗流以及套管铺设轨迹正好经过地层软硬夹层，给施工增加了难度和风险。

②施工工艺及设备。为了高质量地完成施工任务，针对该类地层，我们采取了以下一些技术措施：

a.为防止基坑坍塌，首先必须做好对基坑进行支护。通过采取快速开挖至目标深度3.4m后，用具有较好防水性的纤维编织布，顺着作业坑四周围住，并将坑底的纤维编织布与四周的编织布搭接铺设，用钢管、木板等进行固定，然后用级配碎石回填至铺设导轨要求的深度。实践证明，这种临时性的基坑支护具有较好的效果。

b.为有效控制钢管夯入地层的方向，我们对钢管前端切削护环的下侧及第一、二节钢管外水平方向两侧进行了处理，在前12m的钢管两侧采用规格为75mm×75mm角钢作为侧翅。

c.为防止地层在夯击过程中自然下沉，在导轨铺设方面，采用了向上1.5%的斜率。

d.在夯击工艺方面，尽量加快夯击速度，在一定夯击频率下，增大空压机空气压力，提高夯管锤的夯击力，快速穿越目的地，减少对地层的扰动时间。

e.本工程采用德国TT公司的，HERKULES216型夯管锤，其风量9m³/min，风压0.7MPa，冲击频率340次/min。(www.xing528.com)

通过采取以上技术措施，结果准确地按要求到达了接收坑。测量结果表示南北两侧左右偏差12.0cm，上下偏差下沉26.0cm，完全满足工程设计要求。

3）卵砾石地层铺管准确度控制实践。如前所述，由于夯管锤是首先将钢管铺入地层中，然后再将管内土掏空的工艺，所以不存在地层不稳定等危险。目前在现有非进人地下管道铺设技术中，夯管锤铺管技术是解决该类地层铺管的最好方法之一。

①工程概况。武警政治部天然气管道铺设工程地处北京市丰台南路，为北京西部进京的主要交通干线，因此，必须采用非开挖的方式穿越所铺天然气套管，套管要求从路北的武警总政治部出发与路南的天然气总干线相接，穿越路面为48.0m，根据甲方提供的地下管网分布图和实地勘测结果，丰台南路下主要分布有：电力、通信、污水、雨水、自来水等多条管线。根据地下管线网的分布情况，要求套管从下底深为3.0m的污水管和上顶深为4.2m的雨水方涵中间穿越，最后决定套管穿越中心线确定为3.6m。

通过对作业坑的开挖，从2.4m以下全为级配性较好的卵砾石，卵砾石最大粒径达200mm，大于100mm粒径的卵砾石约占5%左右。设计中要求套管南北两端上下偏差不超过500mm，并要求在套管内能顺利穿一根Φ325mm的燃气运行管道。

②施工技术及设备。针对该工程地层条件复杂，穿越距离长，夯击阻力大等特点，在施工中采取了以下技术措施：

a.为保证作业坑稳定，特别是钢管始发端进入地层的坑壁土体，受夯击震动力大，若不采取支护措施，土体易造成坍方，引起地面沉降，为此在钢管入土的坑壁上进行了支护。

b.为提高管端切削护环的使用寿命，并具有较高的切削效率，采用工厂预制的材质为45#锻钢、经过调质处理的护环。

c.钢管采用传力性较好的厚壁螺旋焊管，壁厚为12mm，以增强钢管的强度和刚性。并根据场地条件，采用单节长度为6m的钢管进行对焊，同时为增强焊缝处的强度，在焊缝外用钢板进行了绑焊加固。

d.为减少夯击阻力，避免出现管端闭塞效应，在夯击过程中，采取每夯入3.5m，对钢管内的土芯进行一次清理，减少管端及管内的土体阻力。

e.导轨铺设斜率为向上0.5%，同时在夯击过程中，经常进行上下斜率和左右方位的测量，发现偏差，及时用千斤顶和手拉葫芦等工具对钢管进行纠偏。

f.本工程采用了德国TT公司制造的Koloss350大功率夯管锤，以保障钢管顺利到达接收坑。

实践证明，采取了上述技术措施后，Φ426mm钢管在卵砾石地层中夯入48.0m，两端上下偏差为32.0cm，左右偏差为19.0cm，完全满足了设计要求，高质量地完成了施工任务。

3.气动夯管施工注意问题

（1）气动夯管锤铺管准确度

在利用气动夯管锤铺管的过程中难免出现方向偏差。目前导致方向偏差的主要原因有：安装导轨出现偏差；导轨用料匹配不当，不能很好地稳固住钢管；承载导轨的地基不稳，导致在夯管时地基下沉，出现偏差；钢管本身刚性小，在夯进过程中出现弯曲现象；钢管段间焊接不正确；地层软硬不均，管道与地层界面斜交；遇到障碍物；管道直径与长度匹配不当或其他原因。

针对以上原因，在管道施工前应正确分析可能出现的铺管偏差，通过采取技术措施是否能达到设计要求，从而决定是否用夯管锤铺管技术施工。一旦决定用夯管锤铺管技术施工，可采取以下技术措施来提高铺管准确度：

1）导轨地基要坚固稳定，铺设的管道越长，地基的稳定性越重要。一般情况下，较软地层可用建筑粗石料进行加固。要求较高的工程可用混凝土进行加固。

2）可用重型槽钢、工字钢作导轨，但作导轨的型钢应调直。大直径钢管（Φ800mm以上）可用两根轻钢轨作导轨。钢轨安装要平直，并根据钢管可能的偏斜趋势适当上扬或下倾一定角度，以抵消一部分可能的偏斜。一般地，在软地层中钢管容易向下偏斜，在软地层中钢管容易向下偏斜。

3）尽量用更高钢级的钢管作夯管锤铺管用，钢管本身应平直，钢管的厚度要符合表2-10中的规定，以达到既有效传递冲击力而钢管本身又不变形的目的。

4）钢管段间焊接时，要确保两管段在一条直线上，采用对称焊接以减小焊接变形。在工作坑长度允许的情况下尽量用较长的管段，以减小焊缝数量，从而减少因焊接而偏斜的可能性。

5）施工前对地层情况的勘察要尽量仔细，弄清地层类型及障碍物的类型和位置，制定相应的处理措施。如地层含卵砾石或其他可击碎的障碍物，应在钢管夯入头安装特制的切削头，以防管头变形而影响铺管准确度。

6）铺管长度要与钢管直径相匹配（见表2-10）。设计准确度要求高时，尽量用较大的管径和较短的铺管长度。设计准确度要求不高时，较小的管径也可用于较长的铺管长度。

7）对于大直径钢管（管径大于800mm），如发现方向偏斜，可采取人工纠偏的方法来校正管道。人工纠偏是在需要纠偏时，先清除管内的土，再由人进入管道内的切削头处，利用超挖和欠挖，或改变切削头形状进行纠偏。

8）对于较长的管道，可用导向钻进法先钻一导向孔，并将孔径扩大到接近待铺管道的直径，再从该孔夯管，即可确保铺管准确度。

（2）气动夯管锤的选用

夯管工程中正确选用夯管锤非常重要，如果夯管锤选择合适，既可以使铺管工作顺利，又能降低施工成本。选择夯管锤时应综合考虑所穿地层、铺管长度和铺管直径三个因素。对于易夯入地层，可选用较小直径的夯管锤铺设较大直径或较长距离的管道。对于难夯入地层，必须选用较大直径的夯管锤铺设较小直径或较短距离的管道。

实际工程中以平均铺管速度2～5m/h的标准选用夯管锤，对降低铺管成本来说比较理想。图2-36以此标准绘制出BH系列夯管锤适用铺管直径和单次铺管长度曲线，参考地层为亚黏土地层，工程中可参考此图选用夯管锤。

图2-36 BH系列夯管锤适用铺管直径和单次铺管长度曲线

（3）对钢管性能的要求

气动夯管锤只能进行钢管的夯进施工。钢管可以是纵向或螺旋焊管、无缝钢管。钢管内外壁可用与钢管结合力大的材料进行防腐处理，如环氧粉末喷涂、玻璃钢防腐等。由于夯管锤铺管利用钢管传递冲击力，因此对钢管的壁厚有一定的要求（见表2-10），当所用钢管的壁厚小于要求的最小壁厚时，需加强钢管端部和接缝处，以防钢管端部和接缝处被打裂。

表2-10 夯管锤铺管要求的钢管最小壁厚（20#钢管）

（4）提高夯管锤铺管效率的措施

1）注浆润滑。在多数地层中，通过注浆润滑可以大大减小地层与钢管间的摩擦系数，减小钢管进入地层中的阻力，因而注浆润滑是提高夯管效率的一个极重要的手段。注浆的目的就是要使润滑浆液在钢管的内外周形成一个比较完整的浆套，使土体与钢管之间的干摩擦转化为湿润摩擦，并使湿润摩擦在夯管过程中一直保持。地层情况多种多样，如何保证润滑浆液不渗透到地层中是技术的关键。这个问题主要由采用不同的浆液材料和处理剂来解决，目前常用的铺管注浆材料有两类：一类是以膨润土为主，适用于砂土层中注浆润滑；另一类则是人工合成的高分子造浆材料，主要适合于黏性土层中注浆润滑。

2）管道外表涂蜡。石蜡对金属有较好的亲合力，能较长时间地维持在钢管与土层之间从而减小钢管外壁与土层间的摩擦系数，起到减阻的作用。

3）切削头。在钢管入土的一端焊上特制的切削头，不仅起到保护管头不变形的作用，切削头的楔形头还将土层对管端的阻力减到最小，同时通过内外凸出管壁的结构减小管壁与土层的摩擦。

4）管内出土。在夯管的过程中，如发现夯进速度越来越慢，最后慢到小于2m/h时，应考虑排除管内积土后再夯进，一般都能大大提高夯进速度。排土的方法可以是人工排土、螺旋排土等。

5）如采用上述方法均不能有效提高铺管效率，说明管壁摩擦力和管端阻力相对夯管锤的冲击力来说太大，此时可换用较大一级的夯管锤。

6）其他方法凡是能够减小管壁摩擦力和管端阻力的均能提高夯进速度，进而提高铺管效率。比如事先用其他方法把铺管路由处的土搅松，并在搅松后的土内注入泥浆，也可大大提高铺管效率。

（5）夯管结束后管内排土问题

夯管结束后需将钢管内的存土清除出去。清土的方法有多种，常用的有气压排土法、水压排土法、螺旋钻排土法、人工清土法和替管排土法。

气压排土法最简单，适用于非进人管道（Φ800mm以下）的清土，凡是能用气排土的管道尽量用气压排土。其做法是：将管的一端掏空0.5～1m深，置清土球于管内，用封盖封住管端，向管内注入适量的水，然后连接送风管道，送入压缩空气，管内土芯即在空气压力作用下排出管外（见图2-37）。用此法必须注意的是清土球和封盖应具有良好的密封性，注水有助于提高清土球的密封性能。使用较高的空气压力能使土芯更快速地排出。使用此法应注意安全，土芯的迅速排出对靠近的物品和人员可能造成损害。

图2-37 清除土芯

1）水压排土法。水压排土的装置和做法同气压排土相似，只是用高压水代替压缩空气提供排土压力。因为高压水的压力比压缩空气的压力大得多，因而排土力也大得多。而且水不具压缩性，排土时要安全得多。在气压排土不成功时，可尝试换用水压排土法。

2）螺旋钻排土法。螺旋钻排上法是作为气压、水压排土法的一种补充方法，主要用于小直径管道的排上。

3）人工排土法。人工排土法是大管径管道（≥600mm）常用的一种排土方法，虽然排土效率较低，但安全可靠、成本低。

该法是在管道夯进完成以后，在含土管道的后部连接空管继续夯进，直至空管将含土管全部替换出来为止。该方法成本较高，主要适用于其他方法排土均失败的时候。