国内外非开挖工程技术最新进展-马保松

马保松教授/博导中美联合非开挖工程研究中心China-U.S.JointCenterforTrenchlessR&D中美联合非开挖工程研究中心China-U.S.JointCenterforTrenchlessR&D中国地质大学(武汉)美国国家非开挖工程研究中心（路易斯安娜工业大学，TTC）美国地下设施研究与教育中心（德克萨斯大学，UTA）美国亚利桑那州立大学（ASU）美国印第安纳大学-普渡大学（IUPUI）美国合作教授/GuestProfessorsDr.MohammadNajafi美国土木工程师学会管线工程分会主席，主任Dr.RaySterling国际非开挖协会前主席，美国路易斯安娜理工大学教授Dr.TomIseley美国非开挖技术“之父”美国普渡大学教授、主任Dr.SamAriaratnam国际非开挖协会主席美国亚利桑那州立大学教授科学研究和工程技术咨询服务领域：非开挖新管道建设技术（包括水平定向钻进、顶管和微型隧道技术、夯管技术等；地下管道非开挖修复、更换技术；地下管网的安全管理与评价。人才培养：非开挖管道工程领域博士后、博士、硕士（工程硕士）、本科生和各类技术人员培训等。研究和服务领域1.马保松主编，国家工程建设行业标准《城镇排水管道非开挖修复更新工程技术规程》，2013年将由住建部批准发布，中国建筑工业出版社2.马保松主编，安徽省工程建设标准《给排水工程顶管技术规程》DB34/T1789-2012，已颁布3.马保松主编，中国工程建设标准化协会标准《水平定向钻管道穿越技术规程》（市政管道），计划于2013年颁布实施4.马保松主编，非开挖工程学,人民交通出版社，2008.115.马保松主编，顶管施工技术及验收规范,人民交通出版社，2007.26.马保松等编著，顶管和微型隧道技术,人民交通出版社，20047.马保松参编，ASCEPipeRammingManualofPractice（美国土木工程师学会夯管施工技术手册），美国土木工程师学会，2007主要成果代表性著作一、HDD技术的研究与应用1.1油气管道穿越1.2水利管道工程1.3市政管道工程（一）HDD的工程应用干线：全长4900公里，管径1219毫米，X80钢，输量300亿方/年；以中卫为界分东西两段，西段长2434公里，设计压力12兆帕，东段长2476公里，设计压力10兆帕。支干线：8条，全长约3665公里。合计投资377亿元，全长2445公里中石油集团“十二五”期间将建设油气管道5.4万公里，是“十一五”期间的两倍。河南焦作沁河穿越工程原设计：管径：1524mm（60in），穿越长度：1827m最终方案：两条1016mm（40in），穿越长度：1827m市政管道工程-HDD的重大机遇包括：市政供水、排水、燃气、热力、通讯、电力管道等。“十二五”期间我国市政管道规划在国家城镇供水、污水处理、城镇燃气“十二五”发展规划中明确提出：“十二五”期间，新建城镇供水管网18.53万公里，新建城镇污水管网15.9万公里，新建城镇燃气管网25万公里，共计68.66万公里，这其中还未包括城镇雨水管网和城镇集中供热管网建设。由此可推测，“十二五”期间，我国城镇市政管网建设量预计将达到80~90万公里（不含通信、电力、热力等）。HDD工程面临的挑战Challenges？1.地层的精确勘察及工艺与地层的适应性问题。钻孔泥浆漏失泥浆的稳定性钻进效率钻具磨损钻孔稳定6.如何预防和解决冒浆问题大型HDD面临的挑战/Challenges？大型HDD的安全施工长度和最大管道直径？如何选择最优的工艺参数，泵压、泵量、钻进速度？岩屑运移的基本规律及环空的合理流速？钻机的能力及与钻具的合理配套？如何防治地面冒浆问题？如何预防管道失效和损坏？合理的钻头结构及与地层的适应性？合理的扩孔程序设计？2.1推管机辅助技术为钻机提供额外动力定向钻机推管机为长距离的穿越提供额外的动力推管机安装在管线工地，为回拖助力。适合长距离、大直径和有困难地层的项目。可用于施救、支援和管道安装。为长距离的穿越提供额外的动力400吨钻机和500吨推管机500吨推管机施救2.2大直径HDD反循环技术管道直径越来越大508mm(20inch)610mm(24inch)813mm(32inch)1016mm(40inch)1219mm(48inch)1422mm(56inch)……特大井孔、超低流速、高岩屑浓度下的携砂难题西二线干管直径为1219mm，钻孔直径需要扩至1600mm超大环状间隙；产生大量的钻屑；环状空间泥浆流速非常低，甚至低到只有0.01m/s，远远小于有效排出钻屑的最小临界流速；形成特大井孔、超低流速、高岩屑浓度下的携砂难题。钻孔直径=（5~10）钻杆直径水平定向钻施工难度越来越大特大井孔、超低流速、高岩屑浓度下的携砂难题地层的窜浆问题工程风险大，由于孔内渣土很难清除干净，易造成管道回拖失败；由于孔内沉渣较多，泥浆中沙土含量较大，易造成钻具磨损严重、扩孔扭矩过大，出现卡钻和钻具折断等工程事故；需要进行多次洗孔作业，消耗大量高质量的泥浆材料；对施工工艺要求严格。反循环钻孔技术的发展联邦德国在1951年成功地采用泵吸反循环钻进法。此后钻孔的直径、深度、适用地层和应用领域不断扩大，施工技术迅速发展。如荷兰于1954～1959年钻成两口孔径7．5m、深506和512m的竖井；苏联于1960～1964年由直径3m的导向孔一次扩孔钻成直径8．75m的竖井；美国所钻大口径孔的最大深度达1960m。反循环技术的突出优越性反循环钻进泥浆在钻杆中心通道中具有较高的上返流速（可达2-4m/s），能有效地解决孔底钻进重复破碎岩屑的问题。可高效清除整个钻孔中的每一处钻渣，不留死角。反循环清渣系统使用的是沙石泵，对泥浆中的含沙量几乎没有要求，携带钻渣反出孔外的泥浆只需稍加沉淀即可重复使用。可大大减少泥浆的使用量。可大幅度降低对泵站设备配置的要求。可大大提高管道回拖的安全性。水平定向钻反循环钻进施工中不会出现泥浆窜漏和地面冒浆问题。采用反循环技术排出的岩块一种水平定向钻管道穿越反循环钻进方法及专用钻头一种孔内驱动式水平定向钻反循环扩孔钻头2.3PDC扩孔钻头的推广应用PDC扩孔钻头的优越性钻头耐磨性好，寿命长，可提高钻进速度，减少更换扩孔钻头次数。钻头坚固性好，没有牙轮、轴承等运动部件。重量比传统扩孔器轻。穿过式冲洗结构可保证钻渣有效排除和回扩施工的顺利进行。可铺设的管道直径增大，扩孔级数减少。钻顶结合技术的优越性地层适应性很广，包括水平定向钻难以施工的于松散-密实沙砾石层（50%＜砾石含量＜85%重量比）、松散-密实的卵砾石地层以及含有大量孤石或障碍物地层。一次性铺设管道，管道本身可以起到支撑作用，不用考虑因不稳定地层坍塌掉块而引起的事故。环形空间小，对上部地层影响小一次性铺设管道，施工速度快不用施工工作井(和顶管技术相比)曲线管段牵引导向简单大型HDD发展趋势1.钻机大型化：最大1000t回拖力；2.穿越距离不断创纪录：英国3900m，国内3300m3.管径不断增大：1524mm(设计)，1800mm(成功穿越，距离较短），极限？4.管道穿越深度大：兰郑长长江穿越：江底下90m5.钻具：75/8钻杆，动力扩孔器，正扩钻具、PDC扩孔器6.成孔工艺：反循环技术7.钻孔超声波检测技术二、顶管技术的发展和应用我国的顶管工程市场需要给水排水工程：如长春伊通河18km污水管网改造项目，管径2.0-3.0m电力隧道：管径一般较大，工程规模较大，如武汉李王线7.0km顶管工程，管径2.4m；水利工程：长输油气管道穿越江河：交通隧道管幕工程：如港珠澳大桥拱北隧道管幕工程SlurryShieldsDN250toDN3500HydroShieldsDN1600toDN3500EPBShieldsDN1400toDN3500TBMShieldsDN1200toDN3500PIPEJACKINGMACHINESFORALLGEOLOGIESSPECIALPIPEJACKINGEQUIPMENTFEATURESTOENSURESUCCESSHighPrecisionNavigationSystem直接管道技术—DirectPipe一次成形开挖孔有支撑适用地层广工作井简单泥浆量少（相对于HDD）管线预先焊接、连接，实际施工时间短光缆管可一并安装无需下套管适用42”到60”钢管带PE,PP,PUR,GRP,FBE/ARO防腐层最长距离可达700m(1000m)适用地层：卵石、漂石、岩层直接铺管DIRECTPIPE®工法优点港珠澳大桥拱北隧道管幕工程拱北隧道暗挖段下穿拱北口岸限定区域，地理环境复杂，是国内第一座采用曲线管幕法施工的隧道。曲线管幕施工是拱北隧道暗挖段成功的关键。工程暗挖段采用“管幕+冻结法”施工，管幕平均长度257.927m/根。目前在国内是最长的，位于曲率半径R=885.852m～906.298m的缓和曲线和圆曲线上，φ1620mm管幕36根，一个断面共36根管道组成的管幕，国际上也罕见。采用4套德国海瑞克AVN1200系列顶管机552007.2，危地马拉，100m深塌陷，一个父亲和2个孩子遇难。排水管道过水能力不足造成雨季城市积水北京多灾多难的京广桥附近？！2006年1月4日，北京东三环京广桥主辅路发生污水管线漏水事故，造成路面塌陷。华尔街1917INFRASTRUCTUREREPORTCARD（饮用水）（废水)非开挖管道修复技术一、原位固化法（CIPP）CIPP的发展和应用原位固化法作为上世纪最值得关注的技术突破之一。自从1971年以来，全世界已经有50000km的管道采用原位固化法进行了修复。最近，通过空气翻转、蒸汽或紫外光固化的玻璃纤维内衬工艺在重力和压力管道中的得到广泛的认可。在德国，玻璃纤维内衬占了内衬施工的63%，而紫外光固化工艺在欧洲的内衬施工中占了40%。乙烯基酯树脂和环氧树脂被用来提高内衬的抗化学和温度的性能；环氧树脂一般应用于给水管道的内衬，而污水管道中则首选聚酯树脂，其占了90%的市场。在CIPP大量的市场需求，尤其是在北美，以及原有专利过期的刺激下，CIPP工艺不断发展，新技术也不断出现。DecDowney：国际非开挖技术协会前主席，2012.1“TrenchlessInt.”翻转法CIPP施工过程牵引法施工方法SAERTEX-LINER®的结构内膜（固化后去除）玻璃纤维织物外膜保护膜（防紫外线、防拉入损伤）内衬工艺流程紫外线灯架放入玻纤软管中内置在紫外线灯架上前端的CCTV摄像头监测玻纤软管固化的全过程紫外线灯二、穿插法管道修复技术Sliplining连续穿插法管段穿插法SPR雨污水管道的更新大口径圆形管和不规则形状管道更新的完美选择(800mm–5000mm)可以在带水情况下作业施工适合一定的曲度的弯头适用于重力流管道污水和雨水管道可利用现有的人孔井适用于各种不同材质的原管道的更新74SPR的基本理念SPR是由刚性PVC型材通过双锁扣螺旋缠绕在旧管内形成一条新管，并在新旧管之间通过灌浆形成的一条复合管。旧管灌浆SPR注浆(水泥浆)旧管新管(型材)(刚性PVC)新管四种螺旋缠绕管技术SPRTMPE(Ribline)SPRTMEX(Expanda)SPRTMST(Ribsteel)SPRTMSPR更新后的管道恢复使用旧管线拉杆新PVC管GRUNDOBURST400S液压动力泵站应用GRUNDOBURST进行成段PVC的安装管连接器GRUNDOBURST400G3可拆卸遥控操作系统拉杆箱液压裂管机液压动力泵站对周围土壤影响最小,例如:旧管线DN100,新管线DN100,裂管头OD145=管线周围环型膨胀尺寸只有2.25厘米临近管线最小距离=4-5x裂管头OD应用裂管法对周围土壤的影响最小1,50m1,30m1,00m1,30mG