地下管道非开挖技术夯管施工

1.H420型夯管锤铺设ϕ630mm钢管施工实践

（1）工程概况

海南省东方市化肥厂使用的天然气供气管道因腐蚀严重导致多处管道泄漏，不但浪费资源，而且存在着严重的隐患。加之原铺设管道供气量不能确保化肥产量日益增长的需要，故综合考虑铺设一根较大直径的新管道。

该工程铺设ϕ273mm钢管，全长4.7km，护管ϕ630mm。跨越一条河流，穿越一条国道（325国道）。由于国道两旁形成较大的地势落差，根本无法采用开挖铺设钢管。故采用夯管锤法铺设，用ϕ630mm、长32m的钢管作为护管。

施工前，结合甲方提供的地下管线资料，采用RD400型管线探测仪，查清原有地下管线只有一条长途光缆，相对路面落差4.5m，而要铺设的钢管中心线在路面以下5.7m，故比较安全。

（2）工作坑开挖及降水

根据实际情况，确定工作坑开挖成12m×20m×1.7m（长×宽×高），出土坑挖成4.0m×2.0m×1.7m（长×宽×高）。考虑如下，甲方提供螺旋钢管单根长为8m，夯管锤选用H420型，总长3m，焊接坑长1m，且施工场地较宽敞，故工作坑开挖长为12m，完全能满足施工要求。其中焊接坑比基坑深0.6m，以便焊工可以在坑里作业。出土坑宽为2m是为了便于查找钢管头。

在工作坑及出土坑的开挖中发现地层主要是砂层，中间夹有少量黏土层，且砂层中含水量丰富，易形成流砂，易坍塌，基坑的坑底很松软，必须采取降水措施。考虑到成本及工期，决定采用石子石料滤水、人工挖井下滤水管的办法，一是可以防止砂层流动；二是可以起到降水作用。具体办法如下：在工作坑周围挖深约20cm、宽30cm的槽，槽里铺平石子。同时在基坑的角落处掏挖成ϕ50cm、深1m左右的坑。挖坑动作要快，否则无法挖成坑。然后坑里面下ϕ300mm的滤水管，这样基坑周围的水经过石子石料铺成的沟槽流向滤水管，然后从滤水管里向外排水。这样就解决了工作坑里的流砂及降水问题。

滤水管里要经常排水，最初水很浑浊，排水4～5h后变清，基坑四周不再发生坍塌现象，同时基坑底面变得结实。然后再在基坑上铺设2层竹排，竹排上面铺垫20cm厚的石子石料。铺设竹排是为了防止石子下沉而造成石子上面的轨道不能保持稳定，因为夯管锤起动后震动性很大，而石子石料具有很好的减震性能。事实证明这样的设计是很有效的，在整个施工过程中轨道基本上没有发生沉降。

（3）夯管施工

1）铺设轨道。夯管锤的铺管准确度很大程度上取决于轨道的铺设是否合理，多数情况下考虑到钢管的自重，长距离铺设钢管时轨道前高后底，相差2～5m，但此工程考虑到出土坑上方有光缆，故轨道下作经验性高低调整，作水平铺设，采用经纬仪测量，保证测量误差在1m以下。当轨道铺平后上面再放槽钢，调整好槽钢后，用电焊使其和轨道焊上，上面再吊放钢管及夯管锤。

2）夯管作业。钢管的直径比夯管锤的直径大，为了保持它们同心，夯管锤要垫高10.5cm。第一根钢管夯进的速度很快，仅用了25min就夯完，空压机风压6.8～7.0MPa；第二根钢管用了1h，风压7.0～7.2MPa；第三根钢管用了30min，风压6.8～7.0MPa；第四根钢管用了65min，风压7.0～7.3M。很显然，当夯进速度较慢时工作风压会相应增高，这很可能与地层的密实性及含水量有关。该工程共夯进32m，铺设准确度较高，钢管正好从接收坑中心穿出来。

由于每夯完一根钢管都要作焊接和防腐处理，故中途停止2h左右。每次起动夯管锤时，开始夯进的速度显然要慢些，过几分钟或十多分钟后夯进速度稍有增加，所以中途的焊接和防腐应在保证质量的同时，尽量缩短时间，以免钢管静止时间太长，和周围的泥砂产生很大的静止摩擦力，即所谓的“抱管”，以防造成工程事故。

3）出土。根据以往工作经验，出土前应先向钢管内进行高压注水，这样不但可以起到密封作用，同时还能起到润滑作用（因为出土是采用高压空气吹土）。由于该基坑地下水丰富，当夯完所有钢管后撤出基坑里的设备，停止滤水井的排水，基坑里几个小时后水就满了；淹没了钢管，钢管里的砂上得到充分的浸泡，故无需再高压注水。抽干基坑里的水、挖好出土坑后就可以焊上盖帽接上空压机的风管，高压排土。

经计算钢管里约有10m³的土量，出土坑长仅为4m、宽2m，而且在实际的开挖中也遇到大量的地下水，如果要提前挖好出土坑则也需要采取降水措施，故出土坑实际只提前开挖深1.0m左右、等钢管夯完后，再继续开挖，这样相应的降水措施要简单得多。同时开挖方案作了修改，采用放斜坡开挖的办法，使钢管里吹出来的泥沙顺着斜坡排出，斜坡的坡度大约8°。尽管开挖的出土坑长度增加；但开挖难度大大降低。事实证明这种设计较合理，当高压吹土时，排土较顺利，以用120min就排完土，而且钢管里土排得较干净。

（4）总结

该工程的施工较顺利，钢管铺设准确度很高，经测量偏向右边3cm（钢管为螺旋管），向下0.5cm，得到了甲方和业主的好评。该工程的关键是基坑的降水和轨道的铺设，基坑的降水因地制宜，方法简捷，但很有成效；轨道的铺设调整要耐心、细致，该工程中轨道铺设高度的调整用了1天的时间。此外，工程施工的工艺不是一成不变，应该灵活运用，在保证工程质量和施工安全的前提下，应以效率为主。

夯管技术在每个具体工程中都存在着不同的技术难点，应该根据具体的工程情况而定。比如有的工程是基坑问题，有的工程中地层的润滑问题是考虑的重点，不一而足。

在夯管锤施工中，有关夯管的阻力计算和夯管方向的控制是今后夯管锤技术发展完善的研究方向。

2.电力迁线跨广深线夯管锤铺管施工技术

夯管锤铺管是采用一个低频、大冲击功的气动冲击器，由压缩空气驱动，将钢管沿设计轨迹直接夯入地层而实现非开挖铺管。夯管锤铺管因钢管是直接跟进，因此，对沉降控制要求高及其他方法施工困难的含卵砾石地层、回填地层特别适用，同时，也适用于穿越公路、铁路、河流等。

（1）工程概况

广州市汇景新城电力迁线工程位于广深线里程为K15石牌车站旁，横穿广深线九股道，铺设4根ϕ426mm、壁厚12mm电力线钢管，单根铺管长度70m，埋深为轨面下6m。钢管铺设完成后，将通过110kV高压电缆线，要求铺管过程确保广深线行车安全，周边建筑物及铁路机车电力线铁塔、通信电缆等的安全，轨基下沉量不大于1cm。

根据地质资料，场地地层10m深度范围从上到下分别为：杂填土，层底埋深2.60～2.80m，主要由砖块、碎石、黏性土组成，稍湿，松散；细砂，层底埋深2.80～4.10m，层厚0～1.30m，灰黄色，含少量粘粒，湿，中密；粉质黏土，层底埋深4.50～10.05m，层厚1.90～5.95m，紫红色，稍湿，可塑～硬塑。

（2）施工工艺

钢管铺设施工过程中，轨基下沉量不大于1cm，否则，要进行扣轨处理，重则将严重影响广深线行车安全，甚至导致广深线的中断，后果不堪设想。因此。选择夯管锤钢管跟进铺管可有效地控制轨基下沉量。在夯管过程中，夯管锤产生的冲击力直接作用于钢管后端，通过钢管传递到前端的管鞋上，切割土体，并克服地层与管体间的摩擦力使钢管不断进入土层。当钢管到达接收坑后，将管内的土排出，钢管铺设完成。

1）夯管锤铺管设备的选择

①夯管锤的选择。由于铺设ϕ426mm钢管，长度70m，埋深6m，将穿越粉质黏土层。在选择夯管锤型号时，既要考虑满足施工的要求，还要考虑夯管锤夯管过程中的振动力对钢轨路基的影响。施工单位选用了中国地质科学院勘探技术研究所研制的H300型夯管锤，性能参数为工作风压0.4～0.7MPa，耗风量9.0～12.0m³/min。

②空压机的选择。根据现场条件，将2台9m³空压机并联送风。

2）工作坑、接收坑的施工。工作坑尺寸：9m（长）×8m（宽）×6.8m（深）；接收坑尺寸：6m×8m×6.8m。工作坑、接收坑均采用喷锚支护。喷锚施工过程中，工作面、接收面-5m以下作素喷处理，留置铺管通道，锚杆施工时应格外小心，严防锚杆进入通道区。

3）安装导轨。喷锚支护到底后，用水准仪定出管轴线位置，同时，对坑底进行抄平，并做好标记。

首先，铺填2～4m碎石，然后按1.5m间距安放250mm×200mm×2000mm枕木，最后在枕木上安放20cm～8.5m槽钢，由于钢管轨迹设计为水平，因此，槽钢作为导向轨道，自身必须平直无弯曲。用水准仪多点测量控制槽钢的水平，捣实碎石垫层，调平槽钢后，再用2～4cm碎石将枕木和槽钢完全填平、捣实，并将槽钢固定的枕木上。

4）铺管。按工作坑长度，将ϕ426mm钢管加工为6m一根，第一根前端安装好管鞋。将第一根钢管和夯管锤安放在轨道上，用张紧器将夯管锤通过承冲锥套、出上器及夯管头夹瓦与钢管连为整体。安装完成后，检查钢管的水平、垂直位置。送风后，夯管锤即开始工作。第一根管操作上应缓慢开启注油器，控制空气量，采用“轻锤慢进”，防止钢管和齐管锤一起往复串动。钢管夯进土层40～50cm后，停锤校核钢管位置，无误后，再继续轻锤夯进2～3m，再次校钢管位置，继续采用“轻锤慢进”的方法将第一根管夯入土层。

校核导轨位置无误后，吊装第二根钢管，钢管之间采用V型剖口焊缝焊接，并用5cm×10cm同径钢管切片帮焊。焊接前，应检查两钢管的水平、垂直位置及两管的同轴情况。钢管焊接好后，夯管锤送风工作，此时，完全打开注油器气阀进入正常参数夯管。直至第二根管进入土层，校核导轨位置，吊装第三根管，再校钢管对接情况，焊接、夯管，如此循环，直至钢管进入接收坑。夯管结束后，在钢管后端加端盖密封，先向管内注水，然后，开足风力向管内送风，将管内土芯排出，检查管内无残留土时，即完成了一根钢管的铺管工作。

夯管结束后，在钢管后端加端盖密封，先向管内注水，然后，开足风力向管内送风，将管内土芯排出，检查管内无残留土时，即完成了一根钢管的铺管工作。

（3）施工中技术难题的解决措施

1）夯管方向的控制

①对于一次铺设70m长的钢管，安装导轨是非常必要的，而导轨的稳固性、方向正确性是最关键的。因此，轨基的稳固应引起足够的重视。对于硬基底，可只填碎石、并捣实，通过表2-13可以看到，采用注水后的第二根管铺设时间仅为第一根管铺管时间的1/3左右，效率提高了近3倍。

对软地层基底可浇注混凝土垫层，保证在夯管过程中，锤的振动力不至于引起导轨下沉。其次，应正确安装导轨，保证导轨方向的正确。

②施工过程中遵循勤测勤纠偏的原则，特别是开始的第一、二根夯管过程，要增加校的次数，哪怕发现微小的偏差，都要纠正过来，否则，出管位置将会出现较大的偏差。导轨偏差可通过调整轨基校正，入土钢管偏差可用千斤顶进行校正。

③注意夯管锤工作参数的调整，特别是第一根管，应“轻锤慢进”的夯入土层，同时，反复校准钢管方向。第一根管入土后，就基本决定了整条管的方向，切忌“重锤快进”，这样容易出现偏差。

④把好焊接关。首先，钢管端面必须平，切口平面垂直于管轴，有条件在车间切好最理想，在现场切割，可用5～10cm宽的钢带包住钢管划线，用乙炔切割后，再用打磨机打平即可。端面剖口也应处理好。

2）进行工艺改进，提高夯管效率。第一根钢管夯进至40m左右后，入土非常缓慢，小时效率为0.5m，到出管阶段仅为0.3m左右，累计夯管时间为97h。从出土器排出的土，可观测到40～70m段土层有变化，黏土含水量明显低于前段，呈硬塑状，阻力因地层原因增大了很多。

第二根管的施工中，如何进行有效减阻，将是提高夯管效率的关键。我们采用了注水减阻的方法，达到了较好的效果。用4in（ϕ106mm）水管在管鞋处向管内和管外同时注水，也可注润滑泥浆。水管每隔2m用固定环焊接固定在钢管上，水管接头处进行了技术加固，防止振脱。注水设备为UB₃型泵，压力1.5MPa。两根管的效率对比见表2-13。

表2-13 夯管锤铺管进度

（4）总结(www.xing528.com)

广州市汇景新城电力迁线跨广深线夯管锤铺管工程，由于该工程横跨广深线、高速列车运行频繁，对沉降要求高，且横跨九股车道，长为70m，施工难度大，总结以下几点经验供参考：

1）采用夯管锤工艺，有效地控制了轨基的下沉，经铁路部门观测到的数据表明：钢轨下沉了3mm，为允许值范围内，满足设计要求。夯管施工过程中，地面可感觉到较大的振动。在今后类似工程施工，特别是回填轨基的路段，当埋管深度较浅时，应考虑夯管锤产生的振动对轨基的影响。

2）仔细调查了解地层的情况，合理设计埋管位置，避免施工过程中遇到难以穿越的障碍。遇到大的障碍时，若处理不当，将会造成已铺钢管的废弃。

3）铺设长距离钢管，应安装导轨，事先严格控制方向，及时纠正偏差，避免偏差过大后，难以纠正过来，在施工过程中，重点控制导轨和钢管焊接过程中位置的校核、调整，做到“防为主，纠为辅”。

4）若场地条件允许，尽量采用长管，减少焊接次数。

5）铺设长距离钢管，做好减阻措施，提高铺管成功率，发挥设备潜能，提高项目施工的经济效益。

3.气动夯管法铺设大直径钢管

（1）工程概况

此项工程位于武汉广场的对面，穿越解放大道铺设电力套管。其主工地安排在解放大道南侧。穿越距离为65m，深度为路面以下4.2m（管中心），铺设钢管的外径为820mm。

解放大道车流量大，为混凝土路面，路面厚度20cm。穿越路段管道主要分布于慢车道和人行道上，分布规律性较强，延伸方向基本上与解放大道平行，武汉广场一侧慢车道下为埋深2.6m的污水箱，对面快车道下有埋深2.7m的给水管，其他管道的埋深在-1.3～1.7m之间。人井较少，地表障碍物较多（路灯杆、变压器、广告牌、行道树等），路面上有高架桥。

（2）气动夯管法工作原理

气动夯管锤铺管技术是现代非开挖铺管技术的一个分支，特别适用于非开挖铺设较短距离、较大直径的钢管。本次施工使用了中国地质科学院勘探技术研究所研制的H420型气动夯管锤。

气动夯管锤实质上是一种气动冲击器，它是以压缩空气为动力。适用于钢管的非开挖铺设。在铺管过程中，夯管锤产生很大的冲击力，这个冲击力通过调节锥套、出土器和夯管头作用于钢管一端，再通过钢管传递到另一端的管靴上，切割土体，并克服地层对管体的摩擦力，使钢管不断进入土层。随着钢管前行，被切割的土芯进入钢管内。待钢管抵达目标后，将管中的土芯排出，即完成铺管。

（3）工程地质条件

通过静力触探得到施工地段的地层自上而下为：

1）黏土夹粉上层：很湿，密实，平均深度6.4m，γ=18.8kN/m³，c=29kPa，Φ=6.5°，为非液化土层，不透水层。

2）粉质黏土层：很湿，密实，平均深度9.9m，γ=19.5kN/m³，c=21.2kPa，Φ=10°，为非液化土层，不透水层。

3）粉质黏土夹粉砂层：含承压水，标贯判定液化指数为0.11～2.04，液化级别为轻微。该地段承压水位埋深0.45～1.30m，平均0.9m。夯管穿越施工的地层为黏土夹粉土层。

（4）夯管锤冲击振动的评价

由于施工线路正好穿越高架桥，并且欲铺设钢管的中心线距离桥墩有2.7m，因此有必要对施工产生的振动进行评价。勘查报告中指出平均深度9.9m以下的粉质黏土夹粉砂层具有轻微液化趋势，液化指数为0.11～2.0，均小于5，管底到-9.9m之间为非液化土层，另外夯管施工的锤击过程不是长时间的连续过程，产生的振动为间歇式的，所以不会导致施工线路上的地层产生液化流变。经计算，可以判定钢管在夯进过程中对地层的扰动范围为1.88m（以钢管的中心为轴），小于2.7m。因此施工时产生的振动不会对地表的建筑产生影响。

（5）施工设备

本次穿越施工所使用的主要设备见表2-14。

表2-14 气动夯管法铺设大直径钢管使用的主要设备

H510型气动夯管锤的主要技术参数见表2-15。

表2.15 H510型气动夯管锤技术参数

（6）夯管施工

1）工作坑开挖。夯管施工需要开挖工作坑。工作坑的开挖长度由钢管的长度、夯管锤的长度及施工场地的长度来决定。此项工程工作坑开挖长度为16m，坑底宽度2m，深度4.8m。由于承压水位浅，需要考虑工作坑的涌水问题。

坑底的隔水底板厚度H按照粉上夹粉土层开挖后的平均残留厚度与下面一层的平均厚度之和计算：

H=（6.4-4.8）+（9.9-6.4）=5.1m

土的重度_γ土按照黏土夹粉土层和粉质黏土层的加权平均值计算：

[18.8×（6.4-4.8）+19.5×（9.9-6.4）]/5.1=19.28kN/m³

由于工作坑的深度较浅，平面尺寸不大，抗力系数γ_ty，取1.0。水的重度γ_w为10kN/m³，平均承压水头高度H_w以粉质黏土层的下界计算，为9.9m。依照公式H/γ_ty≥（γ_w/γ_土）×H_w，则坑底的隔水底板厚度刚好满要求，基坑不会出现承压水突涌问题。由于地基中含水量较大，施工时采取了在工作坑一端挖集水坑，下沉箱，沿坑底四周开挖明沟向集水坑排水的措施以疏排上层滞水、地下渗水和外部降水。同时采用夯实碎石砾料对软弱地基进行固。

验算基坑边坡的稳定性，以黏土夹粉土层的参数进行计算。

地层的垂直自立高度：Z₀=[2c/tan（45°-Φ/2）-q₀]×1/γ

其中地面超载q₀=10kPa，则而Z₀=2.92m，，由于开挖深度为4.8m，故采用钢板桩对基坑进行防护。

2）施工过程。夯管施工的基本工艺流程为：测量放线→开挖工作坑→铺设导轨→测高程及方向→钢管、夯管锤就位→复测高程及方向→慢速夯管→校核高程及方向→全速夯管至接收坑→清除土芯→回填工作坑工程结束。

①导轨的铺设。夯管法铺设管道，导轨的铺设是极其重要的，它对管道的铺设准确度起决定性的作用。轨道采用32#槽钢一条，长度为16m，轨道高度就是槽钢的腿宽度为9cm。自集水坑向后，每间隔1.5m铺设一根长1.8m的20#槽钢，其方向与28#槽钢垂直，并且将槽钢的腿镶入工作坑底部。

用经纬仪测量，使轨道的走向与目标点在一条直线上。由于工作坑的前端基础比较松软，后端坚实，导轨会产生不均匀沉降，适当预设导轨的下沉量。调整轨道呈向上2‰的坡度。将槽钢的交叉部位用电焊点上。待钢管和夯管锤就位，并且夯管锤慢速冲击数次后，再测量钢管的水平度，如果满足向上坡度在0～2‰之内，就可以将槽钢的交叉部位点焊牢固，使轨道在夯进工作时不产生水平位移，这样完成导轨的铺设。

②管靴的制作。为了防止钢管切土的管口发生变形，同时减少土层对钢管的摩擦力，第一根钢管的前端要焊接管靴。将厚度为10mm、宽为150mm的钢带焊接于钢管的前端，并距离钢管的管口1～2cm。焊接牢固后，用气割将管口和钢带割出30°左右的坡口，并适当修磨平整。

③夯进施工。在夯管锤下垫拖架，调整夯管锤的方向，使之与钢管保持在同一轴线上。夯管锤前端装出土器、调节锥套，钢管管口内装夯管头，用张紧器将夯管锤、出土器、调节锥套、夯管头和钢管紧固在一起，再用风管连接夯管锤、注油器和空压机，至此设备安装完毕。

起动空压机，打开注油器处的进气阀，缓慢起动夯管锤。夯管锤在较低的频率下打击钢管，同时调节张紧器，使其胀紧。钢管缓慢地切入地层。待钢管被夯入地层10～20cm后，关闭进气阀，停止夯管锤的工作，测量钢管的水平度和走向，进行局部调整。在确定准确度无误差后，继续慢速夯进10cm，进行第二次校正测量，如此进行多次测量校正，以保证水平度在误差范围之内。当夯进0.5m后，由于钢管内外壁受到土层的摩擦力，行进已经平稳，不再产生窜动，调整进气阀门，中速夯进1～2m，然后全部打开进气阀门，全速夯进钢管。第一根钢管被打入地层后，焊接第二根钢管，继续夯管工作。夯管锤工作时，通过注油器向夯管锤的腔体内注入润滑油，减小内部的摩擦。

在钢管夯入的过程中，管靴切削的土层进入钢管内，形成土芯。由于夯管锤的高频冲击，钢管内的土松动并逐渐向夯管锤一端运动，部分土芯从出土器窗口排出。夯管完成后，采用人工清土，将土芯清除干净，完成管道铺设。

（7）总结

实践表明，夯管法具有一套完备的施工工艺，通过制订科学的施工方案，可以高质量地完成管道的铺设施工。夯管结束后测量钢管两端，在水平方向和垂直方向上偏差不大于10cm。当铺设较长距离的管道时，可针对不同的地质条件，加注不同类型的泥浆，以避免发生抱管的现象，同时由于泥浆的减阻润滑作用，可以减小地层对钢管管壁的摩擦力，对提高夯进速度具有一定的作用。