省時省錢的地下管線敷設技術——F?ckersperger管線敷設犁系統探秘

顧海東

省時省錢的地下管線敷設技術——F?ckersperger管線敷設犁系統探秘

顧海東

地下管道線纜的敷設是個頗為費時費力的工程，而來自德國的F?ckersperger敷設犁系統以其精妙的設計提供了一套近乎完美的解決方案，無論是敷設效率、施工質量還是經濟成本都比傳統方式優越得多。

現代社會離不開各種管道和線纜，比如自來水管道、污水管道、燃氣管道，以及電纜、通信線纜等，涉及到人們工作生活的方方面面。它們組成了一張龐大的生命之網，維系著人類社會的正常運轉。如此數量眾多的管道線纜，必須合理妥善地敷設才能有效地為人類服務。

常見的管道線纜敷設方式

由于管道和線纜的種類及用途繁多，各自有其不同的架設場合，在陸地上和海洋中均可見到它們的蹤影，其中陸地自然是占據多數。

陸地上的管線敷設可分為兩大類。一是架空敷設，以石化裝置管道和輸電線纜最為常見，具有便于施工、維修、經濟等優點，但缺點是需占用地面上的空間；另一種是地下敷設，可充分利用地表層，并不需要地面上的支撐設施。

地下敷設又可分為兩類。一是管溝敷設，管線被布設在綜合管溝中，內部配備有專用維修口、吊裝口、排水設施和監測系統等，方便維修管理，但管溝建造的成本昂貴，占地面積大，適合城市內統一規劃建設；二是直埋敷設（如圖1），它不需要砌筑地溝，具有成本低、施工進度快、占地小等優點，但對管線的腐蝕性強，且檢修困難。

事實上，陸地上大部分的管線敷設均以直埋為主，畢竟成本和施工速度都是重要的考量點。即便如此，國內的直埋敷設還是要耗費大量的人力物力和經歷繁瑣的步驟。首先得用挖掘機或人工方式在地面上開出一定深度和寬度的凹溝；然后敷設管道線纜時仍需大量勞動力參與（如圖1）；最后再重新蓋上土埋住管線又可能需要人工操作。整個敷設過程分為多個不連貫的階段，即使其中有機械輔助，還是需要大量的人員參與，施工效率和成本都無法讓人滿意，而且對環境的破壞和影響也非常明顯。

圖1　人工方式進行直埋敷設

F?ckersperger管線敷設犁系統

來自德國的F?ckersperger敷設犁技術專門針對管線的直埋敷設領域，把整個施工過程變成了流暢的一站式服務流程，省時省力，極大地提高了效率和施工質量。

1Frank F?ckersperger公司簡介

Frank F?ckersperger是一家歷史悠久的德國公司，其前身最早可追溯到1865年Johann Heinrich Müller在其家鄉創建的機械公司。直到1971年，Georg F?ckersperger開始設計制造管道線纜敷設犁，從此開創了F?ckersperger管線敷設犁這一世界知名的產品。到2004年，Georg F?ckersperger公司演變為生產數控設備的Günter F?ckersperger公司和專注于敷設犁的Frank F?ckersperger公司。Frank F?ckersperger公司在敷設犁領域不斷專研，產品推陳出新，成為該領域的佼佼者，產品遠銷世界各地。

Frank F?ckersperger公司不僅生產和銷售敷設犁產品，同時還提供完善的帶有操作人員的租賃業務，與德國內外不少土建工程和管道安裝公司、建筑工程承包商保持著業務往來。

2敷設犁系統組成

敷設犁技術并不是采用單一的設備來完成所有功能，而是包含了一系列各司其職的產品，它們組成一個分工協作的系統共同完成施工項目（如圖25）。打個簡單的比方，整個系統就像中國古代耕地的方式——用牛拉動犁來松土。

這種分離式的設計使得系統的可用性更加多樣靈活，系統各部分也可以按最有利于自身功能的方式進行設計，以達到最優化。敷設犁系統主要包含以下設備。

1. 敷設犁

整個系統的核心設備便是敷設犁，F?ckersperger擁有多種針對不同管道線纜的敷設犁，但其結構原理大體相同。

敷設犁是一輛外形奇特的車輛，車身周圍裝有4根懸臂，懸臂的末端各有一個橡膠輪胎的車輪，整輛車活像一只4條腿的大蜘蛛（如圖2、3）。通過各處的液壓裝置可以任意獨立調節4根懸臂的方向、高度以及各個車輪的轉向（如圖4），這使它幾乎可通過任何障礙，實現全地形作業。無論是傾斜的山坡、路堤或沼澤地區，還是公路鐵路沿線，甚至是淺層水域都是敷設犁的用武之地（如圖5、9、24），而其低高度的設計也適合在森林地區使用。

圖2　敷設犁前視圖

圖3　敷設犁側視圖

敷設犁擁有強大的力量，而簡潔的機械結構卻使其僅有很輕的自重，操作和維修都非常方便，也不會把土壤過度壓實。位于車輪頂部的懸掛系統使得車身與地面間留有足夠的間隙（如圖4），這在面對復雜地形時是很有利的，敷設犁甚至可以騎跨公路護欄施工（如圖5）。

車身的后部安裝有犁片（如圖3），犁片可以用液壓方式調整插入到地面的深度和角度；而犁片與牽引用的連接件用鉸鏈穩固地鉸接在一起，即便是牽引時產生橫向偏移也不會對牢固度產生影響。

圖4　懸臂可任意調整高度和方向

緊挨著犁片所后方的是安裝槽（如圖6、22），管道和線纜便通過它埋入犁片開出的空間里（如圖7）。

車身的尾部還有一些可調節的輔助結構，可以幫助限定待安裝管線的位置（如圖6），也可以自身掛上線纜盤直接敷設（如圖10）。

敷設犁可以在一次行程中同時實現多個管道、線纜和警示帶的布放（如圖6、8、26），大大提高了敷設效率。

除了上述常規的敷設犁，F?ckersperger還有一種專門針對大直徑管道敷設的火箭犁（如圖23）。其車體的結構和常規敷設犁類似，主要區別在于布放的管道被直接連接在犁片后的延伸體（稱為火箭）的后面，因此就可以把管道拉進延伸體造成的空間內（如圖11）。延伸體排開的空間最大直徑可以達到500mm，這樣就可一次將200～300m的預先接好頭的管道直接在犁的帶動下敷設入地下，借助于安裝在延伸體后面的溜槽，還可以布放外加的纜線和警示帶。火箭犁可用于敷設PE管（直徑可達335mm）、軟管和鋼管等，由于存在牽引，管道必須具有一定的抗拉性。

圖5　敷設犁跨過護欄敷設線纜　　

圖6　敷設犁可同時敷設多根線纜

　圖7　線纜從安裝槽埋入犁出的空間

圖8　敷設犁從管線運輸車上抽取線纜敷設

圖9　敷設犁在沼澤地區施工時四輪裝上滑板　　

圖10　敷設犁自帶線纜盤

圖11　火箭犁牽引管道敷設

2. 絞盤車

敷設犁在破開地面敷設管線時會遇到土壤巨大的阻力，依靠自身的動力顯然是不夠的，還需要絞盤車的牽引助力。

絞盤車一般采用MAN或Mercedes-Benz底盤（有2軸和3軸版本，如圖12、13），最大功率可達480馬力。一個強勁的牽引絞盤被安裝在向后傾斜的臺座上，可以保證牽引時纜索不會摩擦到車身。而車的尾部則裝有一個巨大的雙叉支撐板，可通過液壓系統調整其上下位置及角度，當把支撐板插入土壤中，就可把絞盤車牢牢固定住（如圖16），從而提供多達156～200 t的牽引力。另外絞盤和支撐板的基座整體也可以調整左右傾斜程度（如圖14、15），這使得絞盤車無論在什么地形都能找到穩固的支撐點。比如車身不用離開道路卻仍能把支撐板牢牢固定在道旁的土壤中（如圖19），從而減少對環境的破壞。

圖12　Mercedes-Benz底盤的絞盤車

圖13　MAN底盤的絞盤車

強力的絞盤車幾乎可以在任何地方工作，陡峭的斜坡、街道、停機坪、沼澤、小溪等各種類型的地形都可見到它的身影。在一些特定的場合，絞盤車也可加裝一些設備，以增強其適應性，比如在松軟的泥地上，可再額外增加一組寬大的后輪（如圖20），以便加大接觸面積，提高抓地能力。

絞盤車的所有操作都可以在駕駛室中由司機獨自完成，手柄加上按鈕的操作方式直觀易用（如圖17），而后視的攝像頭則可實時回傳絞盤和支撐板的工作狀況（如圖18），方便操作監控。

絞盤車還有橡膠履帶的版本（如圖21），適合沼澤等不利于輪胎式絞盤車施工的場合。

絞盤車除了能和各種敷設犁搭配使用外，還可用來牽引管道、回收設備等。

3. 管線運輸車

除了少量待敷設的線纜可以直接把線纜盤掛在敷設犁的輔助支架上外（如圖10），大部分情況下都需要有專門的運輸車來運輸管線盤，負責隨時向敷設犁輸送管線（如圖27）。施工過程中，這些管線不用從運輸車上卸下，而是直接由敷設犁一邊敷設一邊從運輸車上抽取（如圖8、25），這種流水化的作業方式，很少需要人工干預。

4. 自動埋砂車

在松軟的土壤中敷設線纜時，由于敷設犁破開的地面缺口非常狹窄，敷設完成后往往無需特殊處理，一段時間后土壤裂口便會在重力和環境等的影響下像傷口那樣逐漸愈合而不留痕跡；但是對于土質偏硬的巖化地區，則必須填埋犁出的空隙。F?ckersperger的自動埋砂車便是專為此而設計，它可以直接連接在管線敷設犁的尾部（如圖22、23），通過砂槽來保證犁出的空隙被均勻的填埋，這替代了費時費力的手工勞動。

為了避免對環境造成的破壞，自動埋砂車并不直接在填埋的軌跡上運作，而是在側面的路徑上工作。這對于公路邊的敷設作業而言，埋砂車完全可以行駛在公路上填埋路邊的空隙。這項技術的使用，減少了環境破壞，使施工者的修復工作大為縮減。

5. 敷設犁運輸拖車

敷設犁的運輸轉場也非常方便，一部3軸的全掛拖車便是它的座駕，此時絞盤車可用來充當拖車的牽引車（如圖30）。

敷設犁靈活的懸臂結構在上下拖車時又大發神威。以上車為例，首先敷設犁調整懸臂方向使兩側輪間距大于拖車的寬度，并且車身底部高于拖車承載面，這樣就可以把敷設犁直接開到拖車的正上方（如圖2 8）；然后依次抬起4根懸臂把車輪放置在拖車上（如圖29），收攏體型后固定在拖車上便大功告成。簡直就像一只大蜘蛛自己爬到了拖車上！

圖14　支撐板基座可大幅度左右傾斜

圖15　放下狀態傾斜的支撐板

圖16　放下支撐板的絞盤車

圖17　可通過手柄和按鈕等操作絞盤車　　

圖18　駕駛室中通過攝像頭可觀察后方情況

圖19　絞盤車的支撐板斜插入側面土壤中

圖20　松軟土地上絞盤車加裝后輪

圖21　橡膠履帶的絞盤車

3工作流程

F?ckersperger敷設犁系統的工作流程非常流暢，一氣呵成。

對于常規敷設犁而言，到達施工場地后，絞盤車的絞索需要和敷設犁上的連接件固定在一起，有必要的話，管線運輸車和自動埋砂車也各自就位（如圖22、25）；然后犁片以管線所要求的埋深插入預先挖好的起始井中；接著絞盤車行駛到敷設犁前方一段距離，選擇合適的位置旋下支撐板插入土壤固定（如圖24）；在絞盤車絞盤牽引力的拉動下，敷設犁的犁片排開土壤并依靠自重維持在起始的深度，同時與其連接的可縱橫移動的安裝槽使得槽溝底部平滑，以此方式可在所需埋深處獲得敷設管線的空間，從隨行的管線運輸車處輸送過來的管線則源源不斷地經由安裝槽敷設入剛剛形成的溝槽底部（如圖22），且對管線不會造成外力拉扯；而敷設完管線后留下的空間則可由掛在后方的自動埋砂車依序填埋；當敷設犁前進到靠近絞盤車時，絞盤車收起支撐板，前行一段距離后再重新放下支撐板，于是下一輪敷設過程再次開始，周而復始，直到所有管線都敷設完成。

火箭犁的工作流程基本類似（如圖23），在此不再贅述。

圖22　常規敷設犁施工原理圖

圖23　火箭犁施工原理圖

圖24　工作中的絞盤車和敷設犁

圖26　敷設型在敷設線纜時間上警示帶

圖27　管線運輸車　　

圖28　敷設犁行駛到拖車的正上方

圖29　敷設犁爬上拖車

圖30　絞盤車牽引拖車運輸敷設犁

4功能特點

F?ckersperger敷設犁系統與常規敷設方法相比，有著巨大的優勢。

一是擁有極高的敷設效率和施工質量。敷設犁一天便內可安全敷設5 000 m的管道或線纜，而且能保證優秀的施工質量。為了確保敷設位置和深度的精確性，還動用了GPS和激光定位技術隨時監控，以修正誤差。

二是經濟成本大為縮減。整個系統超高的產能大大縮短了施工周期，高度自動化的操作又可節省大量的勞動力成本，燃料消耗也比常規方式減少90%，總體可比傳統方式節省50%的成本。

三是生態環境保護非常到位。敷設時所需的工作空間遠小于傳統方式；相關設備施工時盡可能地不直接行駛在敷設路線上（如圖5、19、24），可有效減少土壤壓實和對植被的破壞；敷設犁在破開土壤時無需表土剝離，不同深度的土壤不會混合（如圖26），也不需要改變地下水位，施工后的痕跡很快就會消失。

四是應用范圍的多樣性。敷設犁的方法尤其適合于農村地區需要長距離敷設管線的地方，同樣也適用于較短的距離或通過地形復雜的區域。敷設犁可靈活調節的懸臂系統使其即便在陡峭的斜坡或小型近岸水域甚至低于地下水位的情況仍可游刃有余（如圖9、24）。它能敷設的管線種類也非常豐富，電話線、光纜、電纜、自來水管、下水道、天然氣管道等均能輕松應付。

結語

化零為整是很多產品設計常用的手段，這有利于一物多用和功能的集成，但它并非萬能良藥。而F?ckersperger管線敷設犁系統的設計則讓人耳目一新。它摒棄了大而全的一體化設計，反其道而行之，采用化整為零的方法 ，反而使得各部分功能最優化，使用方式也更具多樣性。此外，該系統對環境保護所作的諸多貼心設計同樣是非常值得我們借鑒學習的。

2016-06-28