非开挖技术在城市管道工程中的应用

王玉杰

（郑州自来水投资控股有限公司，河南 郑州 450000）

非开挖技术在城市管道工程中的应用

王玉杰

（郑州自来水投资控股有限公司，河南 郑州 450000）

地下管线是城市基础设施的重要组成部分，电缆管、上下水管网、热力（动力）管道同地下铁道一起，被称为城市的生命线。随着社会的发展，地下管线的长度持续增加，这样地下管线施工方法的选择就变得尤为重要。目前，铺设、更换和修复地下管线的施工方法有两大类：开挖施工法和非开挖施工法。非开挖施工法因其具有开挖施工法无可比拟的优点而日益受到社会的重视。在国外，尤其是发达国家，非开挖技术的应用已十分普遍。

1 发展历史与应用前景

非开挖技术虽然已有近百年的历史，但其重大的发展始于20世纪50年代，尤其是近十几年。1896年，美国首次施工顶管法，在铁路下顶进一根混凝土管，从那以后，顶管法的应用遍及美国各地。20世纪60年代初波兰研制成功了第一台气动矛，自此气动矛和夯管施工法因其设备简单、操作方便、投资小、成本低而受到各国的青睐，至今一直是使用最广泛的一种非开挖施工法。到了20世纪70年代初，日本首次出现了微型隧道施工法，并且相继推出了一系列的微型顶管机。我国非开挖施工技术和设备的开发和研制工作起步较晚，至今对非开挖地下管线施工技术的发展和应用尚未引起足够的重视。我国的非开挖技术的应用和发展大致可分为两个阶段：1953一1985年为第一阶段，即使用传统的非开挖技术阶段；1985年至今为第二阶段，即引入现代非开挖技术阶段。

在我国，非开挖技术的市场前景与现代化建设的进程密切相关，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，为了避开现有的密集管网系统，大城市管线埋深有加大的趋势，开挖施工的成本随埋深的加大而提高，非开挖施工的优越性更为显著。随着现代文明意识和环保意识的逐渐加强，开挖路面进行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到人们的关注。城市限制开挖施工的法规陆续出台，其适用面将逐渐扩展，这对非开挖技术的推广应用无疑会产生极大的推动作用。

2 非开挖技术的工程应用

2.1 在管道铺设中的应用

大口径管道的铺设通常采用顶管法、盾构法、隧道施工法等。小口径管道的铺设可以采用水平定向钻进法、导向钻进法、气动矛法、夯管法、微型隧道法、顶推钻进法等等。

1）顶管法

顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法。我国最早采用的非开挖施工法就是顶管法。过去，顶管法作为一种特殊的施工手段，一般不轻易采用，现在，顶管施工作为一种常规施工工艺已被业主所接受。顶管施工最早主要用在下水道施工，近年来，越来越多地运用到自来水管、煤气管、动力电缆、通信电缆等许多管道的施工中。顶管施工先在管道设计路线上施工一定数量的小基坑作为顶管工作井，作为一段顶管的起点与终点，工作井的一面或两面侧壁设有圆孔作为预制管节的出口和进口。顶管出口孔壁对面侧墙为承压壁，其上安装液压千斤顶和承压垫板，千斤顶将带有切口和支护开挖装置的工具头顶出工作井出口壁，然后以工具头为先导，将预制管节按设计轴线逐节顶入土层中，直至工具头后第一段管节的前端进入下一工作井的进口，这样，就施工完一段管道的铺设。对于长距离顶管，由于主油缸的顶力不足以克服管壁四周的土体摩擦力和迎面阻力，常将管道分段，在每段之间设置由一些中继油缸组成的中继间，且在管壁四周加注减摩剂以进行长距离管道的顶推。

在施工中，顶管法主要有以下几种形式：敞开式顶管施工；泥水平衡式顶管施工；土压平衡式顶管施工；气压平衡式顶管施工。

2）导向钻进法

导向钻进法是发展最快的一种非开挖铺设管线施工法，它主要用于在松软的地层铺设长度较短的小口径地下管线。导向钻进法的基本原理：先利用导向钻机、随钻测量仪以及有关钻具沿欲铺设管线的设计轨迹钻进一个导向孔，随后边扩孔边回拉待铺设的地下管线，导向钻进法以斜面钻头来控制钻孔方向，钻头轨迹的监视，一般由手持式地表探测器和孔底探头来实现，这种方法施工速度快，能较好地控制施工方向。

3）气动矛法

气动矛法一般用于铺设小口径（d＜250 mm）的各种地下管线。气动矛法施工时，在压力的作用下气动矛内的活塞作往复运动，不断冲击矛头，矛头挤压周围的土层形成钻孔，并带动矛体前进。随着气动矛的前进，将直径比矛体小的管线拉人孔内，完成管线铺设。虽然已有可控制的气动矛出现，但绝大多数气动矛仍是不可控的，为保证施工精度，施工前的校正工作极为重要。

2.2 在管道更换中的应用

现代城市具有由污水管道、煤气管道、动力电缆和通信电缆等组成的庞大的地下管线网络，一方面，所有管线的使用寿命都是有限的，使用一定时间就必须进行修复或更换；另一方面，随着城市的改建和扩建，原有的地下管线不能满足要求，必须进行更换，非开挖技术在管道更换中的应用主要有两种：爆管法和吃管法。

1）爆管法

又称胀管法，是使用爆管工具从管内将旧管破碎，并将碎片挤压到周围的土层，同时将新管或套管拉人，完成管道的更换工作，爆管法是在近几年才得到广泛使用的。

2）吃管法

吃管法使用经改进的微型隧道施工设备或其他的水平钻机，以旧管为导向，将旧管从端部连同周围的土层回转切削，破碎或冲击破碎的同时顶人直径相同或稍大的管道，完成管线的更换。破碎后的旧管碎片和土由螺旋钻杆排出，这种方法主要用于更换埋深较大的非加筋管道。

2.3 在管道修复中的应用

管道的修复是指采用内衬等方法来改一善旧管的流动性能和修复结构性的破坏，以延长其使用寿命。目前，国际比较常见的方法有内衬法、软衬法、喷涂法等。

1）内衬法

内衬法是在施工前将新管通过机械变形，使其端面产生变形（直径变小或改变形状），随后将其送入旧管内，最后通过加热、加压或靠自然作用使其恢复到原来的形状和尺寸，从而与旧管形成紧密的配合。

2）软辛法

在现有的旧管内壁上衬一层热固性物质，通过加热使其固化，形成与旧管紧密配合的薄衬管，而管道的过流断面几乎没有损失，但流动性能大大改善了。

3）喷涂法

喷涂法主要用于管道的防腐处理，施工时，高速回转的喷头在绞车的牵引下，一边后退一边将水泥浆液或环氧树脂均匀地喷涂在旧管道的内壁。

2.4 管道施工方法的选择

非开挖地下管道施工成功的关键是选择合适的施工方法和施工机械。管道施工方法和施工机械的选择，主要根据工程地质条件、水文地质条件、管道埋深、管道端面形状及尺寸、施工技术条件和施工技术水平及工期要求等诸多因素综合确定。例如软弱的黏土宜采用挤压冲击掘进；对于土体较松软、含水量较大的砂质粉土，可采用水冲式顶管机。施工方法与施工机械相辅相成，一定的施工方法对应着一定的施工机械。以顶管法为例，手掘式顶管法只适用于能自立的土中，采用手掘式工具头进行施；泥水式顶管法采用的是泥水平衡式工具头；土压式顶管法的适用范围最厂，可以称得是全土质型，小刀盘的土压平衡顶管机和大刀盘的土压平衡顶管机在工程中经常被采用。因此管道施工方法的选择，应根据工程地质和水文地质条件，选择合适的施工方法，采用相成的设备，在科学管理下进行信息化。

3 非开挖技术存在的几个问题

尽管我国非开挖技术和设备近年来有了很大的发展，但与发达国家相比，仍存在很多问题。

1）至今尚无明确的行业目录和行业主管部门。

2）人员组合上存在着失衡现象，缺少懂得现代管理和经营的人员，并且缺少掌握非开挖技术的施工人员。

3）对非开挖设备的开发投入不足。对于大多数的非开挖工程，设备大多采用德国、日本等发达国家的进口设备，设备国产化不够。

4）设计尺寸和施工设备没有模数化，使设备不能被充分利用，阻碍了非开挖技术的产业化。

5）目前，我国的非开挖工程主要为地下管线的铺设，随着社会经济的发展，地下管线的更换和修复工程也将会逐渐增多，应加强对管线更换和修复方面的研究。

6）在施工过程中，应尽可能地采用信息化施工。通过对工程的监测，一方面可以指导施工，实施控制，防止施工事故的发生；另一方面，为今后的工程实践提供有价值的经验和第一手资料。这一点在很多非开挖工程中还未得到充分的重视。

4 结语

对非开挖施工方法造价的评估不能单单只考虑直接成本，应综合间接成本和社会成本，考虑环境生态等方面的因素。各级主管部门应加强对非开挖技术的认识，使非开挖技术得到推广；加大设备研制的力度，吸收国内外的先进经验，使施工设计尺寸和施工设备模数化，提高设备利用率，尽快形成适合我国国情的设计规范和施工工艺。城市管线地下化，将是市政建设的一项重要内容。加大城市地下空间的开发利用，将城市的基础设施建造在地下，已成为未来发展的方向之一，非开挖技术作为高新技术产业，将在未来的城市建设中担任重要的角色。

2017-08-22