地下夯管技术在自来水排管地下穿越施工中的运用(发表供水协会)

内容摘要：

·冲击式夯管工作原理就是利用压缩空气为动力源，使夯管机内的活塞作循环往复运动产生冲击功，推动管道进入土层，完成地下穿越。

·冲击式夯管技术的适用范围包括：1、管道材质要求。2、基坑和推进长度。3、土质条件。

·冲击式夯管施工比液压式顶管施工周期短，有着明显的社会效益。

·冲击式夯管施工以其优良的性能，快捷的速度，低廉的成本，具有明显竞争优势。

关键词：冲击式夯管技术、地下穿越施工、应用。 一、前言

冲击式夯管技术开发于20世纪60年代。由波兰人发明了冲击式夯管机并取得了专利。后来，美国施拉姆（Schramm）公司获得了转让的专利使用权，于1967年生产了第一代冲击式微型夯管机。该机重约29kg，直径为φ150mm，长约1143mm，外型象一枚火箭。由于它可以适用于砂砾等不同土质，在沙土层中推进速度每分钟达1.2m，还能穿越152mm厚的钢筋混凝土墙。制造商给它取了个“灵巧而神奇的鼹鼠”称号。以后这种冲击式夯管机在英国、德国、日本传播开来，并进行了许多改进。我国是从1992年底开始研究冲击式夯管机，目前已经能够制造大小各种型号的冲击式夯管机，联合研制的DH620

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型冲击式夯管机重达5000kg，直径为0mm，长约4500mm，冲击功E=28000Nm。

夯管机外壳及冲击头通气槽活塞后端空腔控制阀及进气管活塞前端空腔二、工作原理

活塞通气孔端盖及排气孔冲击式夯管机的工作原理如下，（如图所示）当活塞处于图中所示的位置，活塞的后端空腔在0.6Mpa至0.7Mpa的压缩空气作用下，迅速向前打击在冲击头上。同时控制阀切换了压缩空气通道，阻止了空气排放。此时，通气孔和通气槽相连通，使活塞的前端空腔和后端空腔同时充满同样压力的压缩空气。由于压缩空气作用在活塞两个端面的面积不同，前面大而后面小，因此活塞在气压差动原理作用下向后运动。当活塞后退到接近夯管机端盖时，控制阀又自动切换，隔断了前端空腔和后端空腔的连通，同时使通气槽、通气孔和派气孔相连通，活塞前端的压缩空气迅速排放到大气中，此时活塞前端的压缩空气压力降低又使活塞迅速向前打击在冲击头上。活塞始终处在如此循环往复的动作中。所以冲击式夯管施工就是利用压缩空气为动力源，

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使夯管机内的活塞作循环往复运动产生冲击功，推动管道进入土层。 三、施工方法

冲击式夯管机有三种施工方法，第一种是用直径比所排管道外径大10%左右的夯管机（外型象火箭）在土质比较好的土层中钻一个孔道，然后通过绳索把需要排的管道拖入钻好的孔道中；或者把需要排的管道推入钻好的孔道中。第二种是选一定直径和功率的冲击式夯管机安装在需敷设的管道后，一开机就把管道推入土中，这种施工原理与打桩的基本原理相似，不过是采用水平推入。这是最常用的一种施工方法。第三种是利用冲击式夯管机破碎旧的管道以后再在破碎后的原管道空间位置上敷设新的管道，它需将夯管机的头部改装成四棱锥体，具有较强的破碎能力。由于是在旧管道的管位中施工，锥体头端部可与牵引钢丝绳连在一起，而尾部则可与准备敷设的管道连在一起，同时破碎同时敷设前进。第一、第三种施工方法只能用于小口径管道。第二种施工方法是最常用的一种施工方法，适用于各种口径，下面主要介绍的是第二种施工方法。 四、夯管的施工顺序（如图所示）

1、在需要敷设的管道路径两端开一个工作坑和接收坑。在工作坑底部敷设混凝土基础和焊接坑。

2、在混凝土基础上安装两根导轨，用仪器测定导轨方向并固定导轨。

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空压机导轨夯管机冲击环管道顶头

3、在导轨上安放一节钢管和冲击式夯管机。钢管的前端安装（焊接） 一个外径比管子略大，带有刃口的顶头。顶头的材料必须坚硬， 刃口较尖。如果遇到卵石也容易把它击碎。在钢管和冲击式夯管 机之间安放冲击环（垫铁）。通过钢丝索把钢管、冲击环、冲击式 夯管机连成一体。夯管机的能量是通过冲击环传递到钢管上而后

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使管子前进。为了降低管道外壁摩阻力，增加推进长度，保护管 道外防护层，除了依靠外径比管道略大的顶头，使土层不直接压 在管体上，还对管道外壁涂上减摩剂。既保护了外防涂层，又增 加了冲击式夯管机效率。

4、接上输气管，输入压缩空气，开始夯管。当第一节钢管完全推入 后，再推第二节，两节钢管之间用焊接方式连接。 5、当第一节钢管进入接收坑，推进结束。

6、清除管内积土。清除管内积土有三种方法，（1）采用压气吹土，（2）采用高压水冲土，（3）采用人工清土。压气吹土就是在管道 的一端焊上一个端盖并接上气管，然后向管道内输入压缩空气， 只需几十秒钟，压缩空气就把管道内的积土整段整段地压出。高 压水冲土时，高压水把管道内的积土冲碎，碎土与水变成泥浆而 流出管外。压气吹土只限于含水量适中的粘土，而不适用于松散 的或透气性好的土壤。压气吹土和高压水冲土只适用φ800口径 以下的管道。人工清土适用于大口径管道，在推进过程中，清除 管道内的积土可以减少管道摩阻力。 五、适用范围

冲击式夯管机施工工艺和技术有它的适用范围，要充分发挥冲击式夯管机施工速度快的优势，必须对施工环境及条件、土质状况做好充分的调查。在取得第一手资料的基础上，从可行性、经济性和安全性等多方面考虑。具体的原则如下，

1、管道材质要求：进行冲击式夯管的管道需承受很大的冲击力。从

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机械强度考虑，钢管比较适用。钢管所承受的最大推力公式为 F=2100000π(D+t)t，其中F——钢管所承受的最大推力（KN）、 D——钢管的内径（m）、t——钢管的壁厚（m）。跟据设计推力， 考虑安全系数、埋地管道的腐蚀情况，管壁厚度要增加。最好采 用螺纹钢管（刚性好）。管子的各种几何尺寸必须正确，保证拼管、 焊接质量，确保管路走向精度。

2、基坑和推进长度：只要现场施工环境允许，基坑长度尺寸越长 越好。这样安放到坑内的每节管子长度增加，使在坑内焊接的环 缝次数减少。减少了坑内焊接时间就加快了施工速度。当然，每 节管子长度还要根据制造厂设备、运输车辆、吊装设备来决定。 反之基坑长度过短，就增加了坑内环缝焊接次数，就会影响施工 周期和焊接质量。推进长度既要根据管子直径大小来决定，又要 根据土质情况来决定。管子直径大，施工时管道接触土层面积大， 阻力亦大。推进长度相对短些，反之管道直径小则推进长度长些。 土质松软，对管道的阻力小，推进长度可以长些反之则相对短些。 一般来讲，管道直径在φ1000mm以内，一次推进长度在100m以 内，土质适宜的情况下，采用冲击式夯管施工工艺比较适宜。 3、土质条件：一般来讲冲击式夯管施工对土质的适应性比较强，被 敷设的管道顶头材料比较坚硬，而且带有较尖的刀刃。依靠冲击 力比较容易地破碎卵石，它适用于包括砂砾层在内的不同土质。 但是土层的密实程度对冲击式夯管影响很大，当砂土层密实度很 大；粘土层非常硬，N值大于30，内聚力C大于100Kpa时，冲

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击式夯管施工工艺就不适用了。

4、经济性和安全性：经济性主要是从适应性和可靠性两方面加以考虑。如果地下资料齐全明确，土质良好、管材适宜，推进长度适当，那么冲击式夯管施工的适应性就强。如果已有许多施工业绩和类似工程能够证明，则可靠性也好。这就反映了经济性好。反之经济就差。安全性和经济性有着不可分割的联系，经济性差，安全性也不会好。安全性好，经济性也就好，不出差错和事故，也就减少了各种赔偿和损失。

所以实施冲击式夯管施工，只有在充分了解环境状况、各种条件后，通过分析，最终确定施工方案。 六、经济、社会效益比较

随着城市建设规模不断扩大和城市建设的飞速发展，全国各地铁路网、公路网、高速公路网的建成，许多城区内已经无法采用开槽埋管施工工艺，同时大量的过路管不允许采用开槽埋管施工。这就必须采用非开挖工艺和技术，这也促进了各类非开挖技术的迅速发展。一般的地下穿越排管施工采用液压顶管方法。近年来，随着冲击式夯管技术在施工实践中不断发展和完善，其优良的施工性能和低廉的施工成本越来越受到业主和施工单位的青睐。下面我们将冲击式夯管和液压式顶管两种施工方法进行比较。 1、施工周期

我们以φ1000mm 钢管，地下穿越80m，采用一般的板桩基坑为例，从设备进场、挖坑开始到管道两端接拢，工作坑复土完成。采用

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冲击式夯管施工周期共12天，采用液压式顶管施工周期则需要35天。冲击式夯管施工周期只有液压式顶管施工周期的三分之一。具体分析如下。

a、工作坑的制作：采用冲击式夯管施工，工作坑制作简单，不需要后靠墙，养护时间短，只需要3天。采用液压式顶管施工，工作坑制作要求高、复杂，需要制作厚实的后靠墙，养护时间长，需要15至28天。

b、机器设备安装：采用冲击式夯管施工，设备简单，安装方便。采用液压式顶管施工，设备复杂，安装烦琐。

c、推进速度：采用冲击式夯管施工，推进速度快，一节钢管可以连续一口气推进土层。80m钢管（包栝焊接）5天推进完毕。采用液压式顶管施工，推进速度慢，由于油缸行程短，一次一次加垫铁推进，效率低，80m钢管（包括焊接）要15天完成。 d、出土：采用冲击式夯管施工用压气吹土或高压水冲土，集中处理效率高。采用液压式顶管施工如果是顶一段管出一段土，效率低。 上述分析可以看出，冲击式夯管比液压式顶管施工周期明显短。这加快了施工现场的环境利用和环境恢复，对周边环境影响小，有着明显的社会效益。 2、施工成本

我们仍然以φ1000mm 钢管，地下穿越80m，采用一般的板桩基坑为例：

a、采用冲击式夯管施工，施工成本需要27万元（不包栝管材费）。

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其中设备投入10万元，人工投入5万元，基坑材料费投入7万元，其他辅助材料费投入5万元。

b、采用液压式顶管施工，施工成本需要45万元（不包栝管材费）。其中设备投入20万元，人工投入5万元，基坑材料费投入15万元，其他辅助材料费投入5万元。

从上面分析，液压式顶管施工成本在设备投入、基坑材料费投入两方面都大于冲击式夯管施工成本。下面附上液压式顶管施工和冲击式夯管施工的基坑土建费对照表。基坑深度参数，以地下管道管顶离地表3米左右为准（附表仅供参考）。

液压式夯管施工土建费 冲击式夯管施工土建费 （万元） （万元） φ1000 15 7 Ф1200 20 9 Ф1400 30 15 Ф1600 36 18 Ф1800 46 20 Ф2000 50 24 Ф2200 60 27

通过施工周期和成本的比较，冲击式夯管施工工艺，以其优良的施工性能，快捷的施工速度，低廉的成本价格，具有明显的市场竞争优势。

在自来水排管施工中，推广和使用冲击式夯管施工技术和工艺，做了大量的工作。与同济大合研制了冲击式夯管机，配置了辅助设备，成立了专业施工队伍。进行了多次技术试验和技术练兵。在排

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管施工中，多次使用冲击式夯管施工技术和工艺完成了地下穿越，取得了成绩，积累了宝贵的施工经验。例如，在江苏昆山地区，完成了φ800×36m,φ1000×80m，φ800×40m，φ800×42m四次过路地下穿越。在常州地区完成了φ600×60m，φ600×50m, φ60×48m, φ800×55m, φ800×50m，五次过路地下穿越。在上海沪闵路、虹梅路附近，完成φ1800×25m，外环线、沪南公路附近，完成φ1200×60m，两次地下穿越。

对于自来水排管施工行业来讲，需排的管道直径不会很大，埋地也不会太深，管材选择钢管情况很多。经常会碰到需要穿越道路而不能开槽埋管的施工，一般道路路幅也不会很宽。采用冲击式夯管施工工艺是一个非常适应可行施工的方法。在今后包括供水行业在内的各种地下排管施工中，采用冲击式夯管施工完成管道地下穿越，有着广泛的前景。

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