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1、摘 要摘要地下管线是城市基础设施的重要组成部分，它包括给水、排水、燃气、热力、电信、电力、工业管道等几大类，就象人体内的“神经”和“血管”，日夜担负着传递信息和输送能量的工作，是城市赖以生存和发展的物质基础，是城市高效率高质量运转的保证，被誉为城市的“生命线”。随着全球经济的持续发展、人口的迅速增长以及城市化进程的不断加快，地下管线的需求正变得越来越大，而由于人们环保意识的增强和对生活质量的关注，在地下管线工程建设中传统的开挖埋设方法正带来日益严重的问题，在这种情况下，非开挖技术(TT-Trencldess Technology)悄然兴起并得到飞速发展。顶管、水平定向钻技术更是广泛的应用到工程
2、中。目前我国经济正飞速发展，随着我国工程建设的快速发展，当前顶管、水平定向钻技术在我国有很广泛的应用，在很多工程建设方面取得了显著的成效。但是，顶管、水平定向钻施工时会对土体产生影响，使其承载力下降，会造成局部坍塌、沉降过大引发路堤变形、路面裂缝、冒浆等问题。因此，本次毕业设计中，针对以上问题，对顶管、水平定向钻技术的施工原理与工艺，对地面造成的土体扰动、地层损失及工程影响进行了分析。结合工程实例，根据施工工艺及对工程的影响，研究与地层损失及地层隆沉相关的施工参数设计；并提出一些监测控制方法及质量控制标准。关键词：顶管、水平定向钻技术、施工工艺、 地层损失、地层隆沉、参数设计、监测控制ABST
3、RACTUnderground pipelines is an important part of urban infrastructures, which includes pipelines for water supply, drainage, gas, heat, telecommunications, electricity and industrial piping, just as the bodys nerve and vessel, charged with the work of passing information and distributing energy day
4、 and night. Underground pipelines, known as the citys lifeline, are the material base for citys survival and development and guarantee for citys high quality and efficient operation, With the continued development of the global economy, rapid population growth and accelerated urban-based process, th
5、e demand for underground pipeline is becoming larger. Due to the fact that people are becoming more environmental consciousness and care more about life quality, using traditional methods in the underground pipeline project construction is facing serious problems. Under this circumstance, trenchless
6、 technology (TT-Trencldess Technology) has rise and develop rapidly. Pipe jacking, horizontal directional drilling technology has been widely applied to the projects.Chinas economy is developing rapidly as well as the construction works, pipe jacking, horizontal directional drilling technology can b
7、e applied to a wide range of projects in China. In many construction projects, trenchless technology has made remarkable achievements. However, pipe jacking, horizontal directional drilling construction will have impact on the soil, so soils bearing capacity declined, which will result in local coll
8、apse and excessive subsidence, the latter will lead to embankment deformation, pavement cracks, take pulp and other problems.Therefore, in this graduation thesis, I have analyzed the following problems: principles and techniques of pipe jacking and horizontal directional drilling technology, their i
9、nfluence on the ground caused by soil disturbance, soil loss and the project itself. According to some cases and the construction processs impact on the project, do some study on formation damage and Long Shen-related parameters design; and come up with some monitoring and control methods and qualit
10、y control standards.Keywords: pipe, horizontal directional drilling technology, construction technology, ground loss, formation, parameter design, monitoring and controlIII目 录目 录摘要IABSTRACTII目 录III第一章 绪论11.1 概述11.2 非开挖技术工程应用21.3 顶管穿越技术与其应用31.3.1 顶管技术施工原理与工艺31.3.2 顶管主要施工工法51.4 水平定向钻技术及其现状61.4.1 定向钻技术
11、的诞生及施工过程61.4.2 水平定向钻技术的发展及现状81.4.3 水平定向钻技术的主要优势及应用91.5 本文主要内容9第二章 顶管穿越技术工程影响分析112.1 概述112.2 非开挖顶管施工中地层移动规律112.3 顶管施工地层损失分析122.3.1地层损失的原因122.3.2 地层损失计算分析142.3.3 对比分析162.4 施工影响分析172.4.1 工程背景172.4.2地面沉降计算182.4.3地表变形影响因素分析202.5 本章小结22第三章 水平定向钻穿越技术工程影响分析243.1概述243.2 水平定向钻关键技术243.2.1 主要施工工艺243.2.2 泥浆作用机理与
12、分析273.3 施工影响分析283.3.1 孔壁失稳机理分析与判别283.3.2水平定向钻施工中地表隆起和劈裂冒浆计算分析303.4穿越高速公路工程应用分析323.4.1工程背景323.4.2隆沉与劈裂破坏判别计算分析333.5 本章小结34第四章 非开挖技术施工参数设计与质量控制354.1概述354.2非开挖技术施工参数设计354.2.1顶管技术施工参数设计354.2.2定向钻技术施工参数设计404.3 非开挖技术的质量控制标准444.3.1顶管技术质量控制标准444.3.2定向钻技术质量控制标准474.4非开挖技术监测与风险防范494.4.1顶管穿越技术质量监测494.4.2 水平定向钻质
13、量控制与风险防范514.5 本章小结52第五章 结论54致 谢55参考文献56东南大学本科毕业设计第一章 绪论1.1 概述在现代城市建设中，随着经济的发展和世界人口的日益增长，地面资源及可开发的空间越来越少，城市地上空间的拥挤程度大大增加，进而产生诸如交通拥挤、环境质量差等诸多城市问题，地面空间的利用逐渐趋于饱和。随着现代文明意识和环保意识的逐渐加强，开挖路面进行各类地下管线施工导致的社会问题，交通问题和环境污染问题已越来越受人民的关注；合理利用和开发地下空间成为解决城市问题的一条重要途径。非开挖技术（TTTrenchless Technology）以岩石钻凿隧道掘进物探等领域为背景，在现代机
14、械工程、自动控制、测控技术、断裂力学、光学等基础理论及相关技术支撑下，以主要面向地下管线建设而逐步形成的一门多学科交叉的综合技术。它涵盖近百种工艺方法，主要分为现场勘测、新建管线旧管修复或替换三大类，作为一种对环境友好的施工方法，具有综合成本最优等优势。现代非开挖施工技术是二十世纪七十年代末首先在西方发达国家推广使用的，以美国和德国发展最快，1986年，国际非开挖技术协会（ISTT-Internationa Society for Trenchless Technology)在伦敦成立，到目前为止有26个国家和地区加入了该协会，我国于1998年加入该协会成为第二十个成员国(CSTT-China
15、 Societyfor Trenchless Technology)。近年来，部分国家非开挖地下管线施工量普遍占到地下管线施工总量的10%，在大城市更高，如德国柏林市为40%，非开挖技术的应用己成为地下管线工程的一个新技术增长点。我国非开挖技术及相关设备的研究和开发起步较晚，1996年和1998年在北京召开了两次国际非开挖华南理工大学工学硕士学位论文技术研讨会，国家科委亦将“非开挖技术”列为重点推广项目，2000年国务院颁布的城市道路管理条例规定：新建路五年内不允许开挖，修复路3年内不允许开挖。可以预见，随着国家的重视，各界人士的关注和企业的参与，我国巨大的非开挖潜在市场将迅速地被挖掘出来。然
16、而，截止目前我国采用非开挖施工技术的比例还比较低，其主要原因是有关管理、设计、施工以及投资部门对这项新技术及其优越性了解不够，片面地理解施工成本，而不考虑综合成本、社会效益和环境影响等因素。近年来，随着我国基础设施和基础工业的迅速发展，石油、煤气、电力、电讯、自来水、污水等各种地下管线的需要在较长时间内都有较大的增长。这为我国非开挖技术的发展提供了有利的条件，市场潜力巨大。我国已经拥有一个相当庞大的地下管网系统，每年还有大量的新增网管。而地下管线的寿命是有限的，这也就意味着，随着现有地下管线的老化和损坏，同时又有大量的地下管线每年需要更换和修复。为了避开现有的密集管网系统，大城市管线埋深有加大
17、的趋势，开挖施工的成本随埋深的加大而提高，而非开挖施工的优越性更为显著。这些都对非开挖技术的推广应用产生极大的推动作用。1.2 非开挖技术工程应用随着工程实践的广泛应用，非开挖技术已得到长足的发展，目前工程中比较常用的非开挖穿越技术主要有以下几种。1）顶管法顶管法是使用最早的一种施工方法。最初，顶管施工法主要用于跨越孔施工时顶进钢套管，随着技术的改进也用于无套管的情况下顶进永久性公用管道，主要是重力管道。顶进施工时，首先选择工作坑的位置，开挖工作坑；然后按照管线的位置和坡度，在工作坑底部修筑基础，在基础上设置导轨，并将管节安放在导轨上；顶进前，在管端开挖导孔，再用千斤顶将管节顶入。2）导向钻进
18、(Guided Boring)铺管法采用方向可控和以水射流破土为主的钻进技术，使用地表放置的钻机，按设计轨迹钻一个导孔，然后在扩孔和回拉的同时铺入管线。采用带斜面的钻头，通过对其回转状态的控制，进行钻孔方向的调控。该方法适用于在松软地层中进行较小型的管线铺设。常见铺管直径在350mm以内，铺管长度在300m以内，铺管深度在15m以内。3）水平定向钻进(Horizontal Directional Drilling)铺管法方法施工原理同导向钻进铺管法，与其不同之处是采用螺杆马达和弯接头来进行定向钻进，通过弯接头的转与不转来实现造斜和保直钻进。该方法主要用于中、大型河流或较大规模障碍的管线穿越。最
19、大铺管直径可达1.2m，铺管长度可达1.5km，深度可达60m，且适用于各种类型地层。4）顶杆(Rod Pushing)铺管法采用该方法施工时，接在小直径钻杆前端的钻头在顶推力作用下挤开土层成孔；待钻头在另一端的工作坑中出露后，换接扩孔器扩孔，然后拉入工作管线。该方法简单易行、占地少、施工成本低，但只适合于在土层中铺设小直径和短距离的水平管线，一般用来铺设直径200mm以下、一次铺管长度20m以内的各种管线。表1-1 典型土层条件下适应的非开挖施工方法土层条件顶管水平钻进微型隧道螺旋钻进定向钻进导向钻进顶推钻进气动矛法夯管极软到软粘土层？中硬到硬粘土层坚硬的粘土层高度风化页岩？松散砂层？中到致
20、密的砂层(地下水位以上)？中到致密的砂层(地下水位以下)？含卵砾石的地层(50-100mm)？含卵砾石的地层(100-150mm)？风化的岩层坚硬的土层？微风化和未风化岩层？注: 表示为适用；？表示为改进后适用；表示为不适用。除以上介绍的常用技术之外，非开挖技术还包括冲击矛铺管法、夯管铺管法、水平螺旋钻铺管法、微型隧道铺管法等施工方法，每种施工方法都有各自的适用范围和局限性，所适用的管径、管材、施工长度、岩土条件等各有所不同，见表1-1。由表可见，非开挖技术中顶管技术和水平定向钻技术应用较为广泛。因此，本文主要针对顶管技术和水平定向钻技术的应用和影响，尤其是其在穿越公路工程中的应用进行分析研究
21、。1.3 顶管穿越技术与其应用顶管技术作为一种不开槽施工方法，自1896年美国北太平洋铁路公司铺设穿越铁路路线的铸铁管道以来，随着顶管机性能的改进，顶管法设计和施工技术理论也在不断完善；由于其技术优势突出在世界范围得到广泛的应用，其施工技术施工工艺也得到了很大的发展。1.3.1 顶管技术施工原理与工艺顶管施工是利用主顶油缸和管道间的中继环的推力，把工具管从始发工作井内推入土层并顶到接收井内吊起，而随工具管推进的预制管节则埋设在两工作井之间。所谓顶管施工工艺是指从机械设备开始进入场地到顶进全部结束的整个过程，管道顶进施工可分为以下四个阶段:工作井和接收井的制作；工具管出洞；后续管道顶进；工具管入
22、洞。 1) 工作坑和接收坑的制作工作井和接收井的形式多样，一般有钢板桩、沉井、地下连续墙以及SMW法等多种形式，根据顶进型式可将工作井与接收井制成圆形与矩形。始发工作井用以安装顶进设备和承受主千斤顶的反作用力，工具管和后续管节被吊入始发工作井并从这里向接收工作井顶进。接收工作井则用以接收工具管并由此吊出，有些接收井也作下次顶进时的工作井。一般工作井要比接收井坚固得多，表面尺寸也较大。 图1-1 顶管工作井与顶管出洞2) 工具管出洞在顶管施工过程中，工具管的出洞具有较大的难度和不确定性，应根据实际情况采取相应的措施。由于工具管外径设计时小于洞口直径，地下水与泥浆就会由此空隙流入工作井内，因而会引
23、起洞口上部土体的塌陷，影响周围建筑的安全。在地下水含量丰富的地区，工具管出洞前应先对周围地层的地下水作降水处理，或对出洞口附近的土体进行加固处理，防止出洞时土体的大量流失。为了确保工具管安全出洞，尽量避免泥水流失而造成地面塌陷，可在洞口附近一定范围内采用高压旋喷、注浆、冻结、深井降水等加固施工措施。而后在工作井壁面出洞口的预留位置上凿除封门处的混凝土或砖墙，将工具管机头顶入凿出的洞口，同时机头前端刀盘转动切削井壁上剩余的混凝土及土体，顶进过程开始。 图1-2 加设后续管与顶管入洞3) 后续管道顶进工具管机头顶入后，钢筋混凝土管节随后陆续放入，同时进行定向测量，根据测量结果随时对顶进机头进行纠偏
24、，控制管道顶进方向。对于长距离顶管，当后部千斤顶顶力不够时，需要使用中继间，并在管壁周围注浆以减小摩阻力。管道的顶进过程是顶管施工的主要组成部分，它可以分为以下几个部分：注浆减阻；随着顶进距离的增加，千斤顶所需的推进力也成比例增加。为了增加顶进距离，必须有效地减小管道侧壁与土体间的摩阻力。这时在两者之间注入润滑浆液能够有效地减小摩擦阻力。在长距离和曲线顶管中，注浆减摩是极其重要的环节。中继环使用：增加顶进距离的方法除注浆减阻外，还有提高管材的抗压强度和使用中继环等。但注浆减摩和提高管材的抗压强度都有限度，当超过限度时，效果就不明显，这时必须采用中继环进行接力传递。正面推力控制：施工用工具管不同
25、，控制管道正面推力所采用的方法不同。土压平衡式是利用仓内土压力与外面土压力差来控制正面推力；而泥水平衡式则是利用仓内泥水压力与外面土压力差来控制正面推力的。定向测量及纠偏：在顶进过程中由于各种不确定因素，管道会偏离预定的线路，这时需要对管道顶进的轨迹进行定向测量。一般实际施工中是利用纠偏千斤顶进行纠偏操作。4) 工具管入洞工具管到达接收井前，在有些情况下，对周围土层也要做相应的处理。随后凿去接收井壁面进洞口封门处的混凝土或砖墙，将工具管顶进接收井，顶进过程结束。工具管全部进接收井后，即吊起，并先封闭进洞口处管道与井壁间的缝隙，再依次拆除中继间，随后封闭出洞口处管道与图1-3 顶管施工流程图井壁
26、间的缝隙。顶管施工流程图见图1-3所示。1.3.2 顶管主要施工工法顶管施工工法大概分为土压式、泥水式、手掘式、气压式等几种。1） 手掘式平衡顶管施工手掘式顶管施工，又叫人工顶管施工，是指在工程地质条件允许的条件下，先通过人工开挖提供管道穿越的孔线，再把管道从管线穿过的施工方式。手掘式顶管掘进方法是最早应用的一种掘进方法，由于它在特定的土质条件下和采用一定的辅助施工措施后便具有施工操作简便，设备少，施工成本低，施工进度快等一些优点，所以，至今仍然被应用。不过现在的手掘顶管掘进机的设备和工艺较原先己经有了很大的改进。手掘式顶管掘进机工艺与其他顶管有相似之处，所不同的是采用人工挖土，是一种敞开式的
27、顶管工艺。因此要防止发生有毒、有害气体的中毒现象。另外，还要防止涌水现象。2） 土压式平衡顶管施工土压式平衡顶管施工的主要特征是在施工过程中，利用土仓内的压力和螺旋出土器出土来平衡顶管机前的土压力和地下水压力。它有两方面的基本内容：第一，顶管机在顶进过程中与它所处土层的地下水压力和土压力处于一种平衡状态；第二，顶管机螺旋出土器的排土量与顶管机推进所占去的土的体积也处于一种平衡状态。土压式平衡顶管施工主要采用螺旋出土器将土排到推土小车里面，然后再运到工作井将其吊起。与泥水平衡顶管相比，最大的特点是排出的土或泥浆一般都不需要再进行泥水分离等二次处理。3） 泥水式平衡顶管施工泥水式平衡顶管施工的主要
28、特征是在施工过程中，利用进排泥浆管道在顶管机泥水仓内建立的泥水压力来平衡顶管机前的土压力和地下水压力，泥水式平衡顶管施工采用泥浆泵进行排土。在泥水平衡顶管施工中，要使挖掘面上保持稳定，就必须在泥水仓中充满一定压力的泥水，泥水在挖掘面上可以形成一层不透水的泥膜，以阻止泥水向挖掘面里面渗透。同时，该泥水本身又有一定的压力，因此它就可以用来平衡地下水压力和土压力，这就是泥水平衡顶管最基本的原理。如果从输土泥浆的浓度来区分，又可把泥水平衡顶管分为普通泥水顶管、浓泥水顶管和泥浆式顶管三种。普通泥水顶管的输土泥水相对密度在1.031.30之间，而且完全呈液体状态；浓泥水顶管的泥水相对密度在1.301.80
29、之间，多呈泥浆状态，流动性好；泥浆式顶管则是介于泥水式和土压式顶管施工之间，由泥水式向土压式过渡的一种顶管施工。4） 气压式平衡顶管施工气压式顶管施工就是以一定压力的压缩空气来平衡地下水压力、疏干地下水，从而保持挖掘面稳定的一种顶管施工方法。表1-2 几种形式顶管机的适用范围工具管形式内径（mm）覆土厚度（m）适用土质环境危害泥水平衡式80024003m 且1.3D地下水位以下的粘性土、砂性土;渗透系数大于1地层位移小土压平衡式80040003m 且1.5D地下水位以下的粘性土、砂性粘、粉土地层位移小三段双铰型160040003m 且1.5D淤泥质土、粘性土、碎石土、砾石层地层位移中等挤压式1
30、00016003m 且1.5D软塑、流塑状粘性土或软塑、流塑状粘性土夹薄层粉沙地层位移较大网格式100024003m 且1.5D同上地层位移较大1.4 水平定向钻技术及其现状1.4.1 定向钻技术的诞生及施工过程 HDD(Horizontal Directional Drilling)技术，即水平定(导)向钻进技术，一直是非开挖技术领域占据主导地位并且发展最快的一种技术，它是利用专门的水平定(导)向钻机以可控钻孔轨迹的方式，在不同地层和深度进行钻进并通过监测和控制手段抵达设计位置而铺设地下管线的施工方法。定向钻进和导向钻进之间并没有严格的界限。由于小型定向钻进设备的结构和性能、轨迹的测量控制与
31、大中型的有所区别，国际上通用的分类方法是将直径较小、穿越较短的小型定向钻进称为导向钻进，而将直径较大、穿越较长的大中型定向钻进称为定向钻进。本文也不加以严格区分，统一用水平定向钻进(HDD)来表示。HDD技术起源于石油钻探中的垂直定向钻进。早在20世纪六七十年代，在已发展的石油钻探导向钻进技术与微型隧道施工技术之间，人们一直想寻找一种既可以在地下曲线钻进又不需太大孔径的水平管线敷设施工机械。1971年，Titan公司的美国工程师Martin Cherrington创造性地改造了一台石油钻探机，将石油定向钻井技术和传统的管线施工方法有机地结合在一起，发明了一种倒拱形定向钻进方法，从而诞生了一种新
32、的可在地下曲线前进的管线施工技术HDD技术。典型的HDD铺管作业可以分为导向孔施工、分级扩孔以及管线回拖三个阶段。1） 钻导向孔 要根据穿越的地质情况，选择合适的钻头和导向板或地下泥浆马达，开动泥浆泵对准入土点进行钻进，钻头在钻机的推力作用下由钻机驱动旋转（或使用泥浆马达带动钻头旋转）切削地层，不断前进，每钻完一根钻杆要测量一次钻头的实际位置，以便及时调整钻头的钻进方向，保证所完成的导向孔曲线符合设计要求，如此反复，直到钻头在预定位置出土，完成整个导向孔的钻孔作业。见示意图1-4钻导向孔。钻机被安装在入土点一侧，从入土点开始，沿着设计好的线路，钻一条从入土点到出土点的曲线，作为预扩孔和回拖管线
33、的引导曲线。图1-4 水平定向钻导向孔施工2） 预扩孔和回拖产品管线：一般情况下，使用小型钻机时，直径大于200毫米时，就要进行预扩孔，使用大型钻机时，当产品管线直径大于DN350mm时，就需进行预扩孔，预扩孔的直径和次数，视具体的钻机型号和地质情况而定。回拖产品管线时，先将扩孔工具和管线连接好，然后开始回拖作业，并由钻机转盘带动钻杆旋转后退，进行扩孔回拖，产品管线在回拖过程中是不旋转的，由于扩好的孔中充满泥浆，所以产品管线在扩好的孔中是处于悬浮状态，管壁四周与孔洞之间由泥浆润滑，这样即减少了回拖阻力，又保护了管线防腐层，经过钻机多次预扩孔，最终成孔直径一般比管子直径大200mm，所以不会损伤
34、防腐层。见示意图1-5预扩孔和示意图1-6回拖管线。图1-5 水平定向钻预扩孔施工图1-6 水平定向钻管道回拖施工在钻导向孔阶段，钻出的孔往往小于回拖管线的直径，为了使钻出的孔径达到回拖管线直径的1.31.5倍，需要用扩孔器从出土点开始向入土点将导向孔扩大至要求的直径。地下孔经过预扩孔，达到了回拖要求之后，将钻杆、扩孔器、回拖活节和被安装管线依次连接好，从出土点开始，一边扩孔一边将管线回拖至入土点为止。1.4.2 水平定向钻技术的发展及现状水平定向钻技术的出现不仅导致了现代非开挖技术的崛起，也一直是非开挖领域中占据主导地位的技术。从其发展历史来看，其大致可以分为四个不同的阶段：1）起步阶段(2
35、0世纪70年代)早在20世纪60年代，AT&T贝尔实验室就致力于可控向和可跟踪的水平钻进工具的研制，集中试验了压缩空气驱动的冲击式钻具，包括斜面钻头、钻具后端起导向作用的活动节以及铰链等工具体，但都没有达到商业化应用的程度。1971年才由Martin Cherrington第一次成功地实现定向钻进铺设管线，这也标志着HDD技术的诞生。此后，利用HDD铺管技术在美国完成多次穿越施工。2）改进阶段(1980年1984年)这一时期，由于美国地下电力和天然气产业的蓬勃发展，美国的电力研究所(EPRI-Electric Power Research Institute)在液射流技术的地下钻进方法方面投入
36、了大量的研究，并于1983年研制成功了射流钻掘器。这种钻进工具主要是利用高压水射流来达到排开土体的目的，目前的定向钻进技术仍然沿用了这种施工工艺。3）发展阶段(1985年1994年) 这期间，美国许多科研机构对定向钻进系统和精确定位系统的结合方式进行了大量的研究，实现了精确定位系统、斜面钻头和液射流技术的结合，形成目前定向钻进技术的雏形。其中Utilx(FlowMole)公司1985年推出的Guide Drill Tunnelling System被看作第一台具有现代意义上实际应用价值的定向钻机。4）多样化阶段(1995年现在)从90年代中期开始，经过前一阶段的实践检验，HDD技术己成为优选的
37、非开挖管线施工手段，HDD系统的生产和应用开始产生飞跃。技术的不断革新，不仅使水平定向钻机呈现多样化和系列化，可靠性大大提高，而且使施工技术日臻完善，施工成本大幅度下降。目前，西方发达国家有几十家著名的生产HDD系统的公司，如美国的Augers公司、DitchWitch公司、Vermeer公司，英国的Powermole公司、SteveVick公司，德国的FlowTex公司、Tracto-Technik公司，意大利的Tecniwell公司，瑞士的Terra公司等，这些公司的产品覆盖从微型到超大型钻机的所有规格，基本上垄断了国际市场。同时，用水平定向钻进工艺进行管线铺设的工程量也在不断增加。据估计
38、，仅在美国和加拿大，每年用定向钻进工艺铺设的地下管线总长度就达610022500km，占全部地下管线工程量的10以上。预计21世纪初，将有3040的地下管线会用该技术铺设。与国外相比，我国的非开挖定向钻进施工还处于起步和推广阶段。从20世纪80年代中后期起，由于不允许开挖铺设地下管线的工程量日益增多，且重要性日趋加大，不得不通过引进国外设备进行非开挖施工，以解燃眉之急。近年来，国家大力发展基础设施建设，其中包括西气东输、西电东送、南水北调等多项重大工程，在这些工程中将涉及到大量油气、电力和供水管线的过河、横穿铁路、公路和建筑物的工程，非开挖管线工程量大幅增加，HDD技术将在这些工程中大显身手。
39、1.4.3 水平定向钻技术的主要优势及应用HDD技术的诞生，导致了管线铺设领域的一次技术性革命，其主要优势为：(1) 不开挖路面，避免开挖施工对居民正常生活的干扰，以及对交通、环境、周边建筑的破坏和不良影响，提高了城市建设的文明程度。(2) 不开挖施工，使得无法开挖(河流、建筑、重要交通干线)和不宜开挖(主干道、闹市区、古迹、重要场所)地段的铺管得以实施。(3) 定向钻进可以按最短的合理路径穿越河流、湖泊、铁路、公路、城市建筑物等，避免了管道绕行，施工效率高，节约材料消耗，降低施工费用。(4) 水平定向钻进铺管技术可以高精度地控制地下管线的铺设方向、埋深，实现曲线钻进，并可使管线绕过地下障碍。
40、(5) 有较好的经济效益和社会效益，在可比性相同的情况下，非开挖管线铺设的综合经济效益和社会效益均低于开挖施工，管径越大、埋深越大时越明显。由于HDD技术日益成熟的技术和突出的优点，其应用范围也在不断拓宽。目前不仅在非开挖领域实现管线的铺设，而且还可用于地矿、冶金、石油等领域用来实现地下的地质勘探及资源开采。此外，在各种地基处理和环保工程中也得到广泛的应用，例如：利用水平钻孔灌浆法加固道路或机场跑道下面的地基；用水平钻孔降排地下水；抽出垃圾堆放场的沼气或油库地基中的渗漏油；污染区域的土层监测和取样等。1.5 本文主要内容在城市市政管道工程和地下隧道工程中，采用顶管法施工较开挖沟槽法等挖法对周围
41、环境影响相对较小。在埋深较大、交通干线附近和周围环境对位移地下水有严格限制的地段采用顶管法施工也较为安全和经济。然而，顶管法施工是由机头切削土体后开挖，再由工作井中千斤顶顶进，因此对机头前方一定土体产生强烈的扰动作用，土体先处于卸载状态，而后随着千斤顶的顶进机头前方土体处于挤压状态。由于机头工具管的管径大于后续管节直径，会产生地层损失，管节周围土体处于卸载状态，产生应力松弛。同时由于顶管的顶进，在管壁与上体接触面上产生摩擦阻力。由于这些力的共同作用，在顶管周围产生不同的应力区。这些附加应力在土中会产生上体位移和变形。如果施工各参数控制得当，则这些变形和位移会很小；如果参数控制不好，会产生较大的
42、土体位移，直至地表，对地下和地面以上构筑物产生很大影响，严重时会引起这些构筑物的破坏。目前，我国虽然已经引进并发展一些较为先进的非开挖技术，如水平定向钻进技术；但对于水平定向钻进技术的工程应用研究，仍多集中于定向钻轨迹测量与监测方面，对定向钻施工过程中孔壁的稳定性及其对周边环境影响的分析仍不多见也还需要进一步从理论上加以研究，以便采取措施来保持钻孔稳定以及保护设备和管线安全。综上所述，顶管、定向钻施工不仅要保证施工本身的安全与稳定，还应该有效的控制周围的地层隆沉以对周围环境的保护，将施工的影响降低到最低程度。在施工过程中，由于施工扰动作用，会使建筑建筑结构产生不同程度的破坏，从而影响管线周围的
43、建(构)筑物、道路、管线以及设备等的正常使用。据此，本文拟对以下内容进行分析研究。1、基于目前国内外顶管穿越技术的现有资料，就顶管穿越技术中土层扰动机理，以及施工过程中土层变形一般规律进行分析； 2、针对顶管穿越工程中对地表变形的影响，结合已有计算方法和经验公式，对顶管施工地表变形进行分析，并结合依托工程对顶管穿越高速公路工程的影响进行分析；3、由于水平定向钻技术是一种比较新的非开挖技术，本文结合国内现有文献对水平定向钻技术在工程应用过程中的关键技术进行了分析，并结合工程实例对其施工中地表隆沉进行了分析，给出了地表隆沉的判别方法，分析了注浆压力的工程影响；4、基于工程实践，对顶管穿越技术和水平
44、定向钻技术施工参数的设计进行归纳总结，并对两种技术工程应用中质量控制与标准进行了分析。57第二章 顶管穿越技术工程影响分析2.1 概述近年来我国城市建设在大规模快速发展，大量管网及地下交通隧道等地下工程不断在新建、扩建和维修。对人口集中、地面建筑物和地下管线十分密集、地面交通拥挤的繁华城区来说，传统的明挖埋管方法逐渐受到限制；而采用顶管施工，对在建筑物、河道、道路及已有地铁线路下穿过更显示出极大优越性。同时，可持续发展的战略要求和人们对环保的日益重视，也使得非开挖顶管施工技术越来越受到欢迎。因此，采用顶管技术成为地下管道铺设施工的一个重要途径。2.2 非开挖顶管施工中地层移动规律顶管施工引起地
45、层移动及地面沉降的因素相当复杂，并且受很多地下环境不确定因素的影响，特别是地层条件复杂时，施工技术影响也很大。因此，对这些因素加以定量的评价是困难的，用实验来完全模拟不同地层条件、不同施工工况下土体位移目前还难以实现，很难得到确切数据。只能根据实际监测及理论分析结果模清其沉降发展规律以采取相应施工方法，以减小地面沉降产生的环境危害。通过对顶管顶进施工过程中地表移动的观测，结果表明沿推进纵向轴线所产生的地表沉降发展的一般规律与盾构施工引起地表纵向变形的规律相似如图2-1所示。可以分为三个阶段，即工具管前部变形阶段、施工沉降阶段和土体固结沉降阶段。图2-1 地表变形的规律 (1)工具管前部土体变形
46、阶段当工具管离测点较远时，由于刀盘的切削搅拌、振动，会对土体产生扰动。在扰动作用下，土体中的水和气会被排出，土体颗粒产生相对移动，土体产生一定的压缩，地面会出现微小的沉降。隆起沉降随着工具管距离的靠近，土体受到千斤顶的挤压作用，有向前向上的移动趋势，导致地面有微量的隆起，若支护力不足，工具管前方的土体向后向下运动，则地表出现下沉。(2)施工沉降阶段在施工阶段，工具管通过测点时，两侧的土体受到挤压向外移动。由于后续管节的直径比工具管的直径要小。所以，当工具管尾部通过后，管道周围的土体要向管壁移动，以填补后续管节外围的间隙，这样就会引起土体移动，这一阶段地表将会出现较大的沉降。为保持土层稳定及减小摩阻力，施工过程中必须在管节外周注浆，并保持适当的注浆压力。可见，这部分土层位移与间隙的大小、注浆压力、注浆方法、浆液性质等因素有关。(3)土体固结沉降阶段当顶管线路贯通后，由于在施工过程中对土体的扰动，由于孔隙水压力消散产生主固结沉降与土体骨架蠕变产生的次固结沉降。当然，如果在施工后能及时二次注浆换填，这部分沉降是很小的。从上述分析不难看到，顶管施工引起的各种地层损失都将引发地面沉降。正如在前面已提到的，产生地层移动的主要因素是施工过程中产生的各种地层损失，根据随机介质理论，土体为弥补这部分地层损失必然发生地层移动，因而会产生地面沉