非开挖铺设排水管道工程技术研究

张思海 （北京国道通公路设计研究院股份有限公司，北京 100053）

1 引言

传统的雨污水管道铺设是开挖施工，而在基础设施十分拥挤的城市内和排水管道需穿越既有公路、铁路时，开挖施工往往受到严重制约。另外随着城市化进程的加快，污水管道的铺设越来越深，开挖施工随着管道埋深的增加变得非常不经济。这都使得设计人员在管道的铺设设计中寻求非开挖铺设管道技术。

2 非开挖铺设地下管道技术概述

非开挖铺设地下管道技术，简称TT技术，即Trenchless Technology，是近年发展起来的新技术。现代非开挖管道施工技术最早起源于美国，1896年美国太平洋铁路公司在现有铁路下采用顶进铸铁管道的施工方法并随后制定了行业标准。我国是在1953年，在北京市市政施工中首次采用顶管法。顶管法是最早也是最普遍的非开挖施工法，主要铺设管径大于1.2m、小于3.0m的各种管道。随着机械设备和岩土钻掘技术的快速发展，非开挖铺设管道技术由最初传统的人进式顶管技术发展出各种非人进式、远程控制的各种顶管法（Pipe Jacking）和微型隧道（Microtunnelling）施工方法。微型隧道法主要用于铺设管径小于1.2m的管道，其采用各种钻探技术与远程控制技术，使得长距离小孔径的管道铺设成为可能[1]。与传统的开挖施工相比，非开挖铺设管道方法在埋深大于4m，繁忙路段或附近有其他地下服务设施等条件下，经济上具有优越性。当在地下水位以下或者地层易沉降的不稳定地层施工时，这种施工方法更具有竞争力。目前，非开挖铺设管道技术应用非常广泛，一次性铺设的管道长度在不断刷新纪录，对各种地层的适应能力越来越强，施工速度和质量可以得到更好的保证，已经成为市政建设不可或缺的技术手段。

3 地质构造对非开挖铺设管道的影响

地层和现场勘查对任何地下工程来说都是非常重要的，地质情况不仅影响施工成本，更关系到施工方法和设备的选择。由于微型隧道技术实际上是包含在顶管技术中，关于顶管技术的论述对于微型隧道技术同样适用，下面以顶管为例来阐述不同的地层对非开挖铺设管道的影响。

3.1 砂性土

砂性土指粒径大于0.075mm颗粒小于全重的50%并且塑性指数不大于10的土。在砂土层中顶管比在粘性土中顶管困难。砂性土层具有含水量大、摩擦阻力大，有液化现象和易塌方等特点。在管道顶进砂土层时，砂土凝聚力差，管上土体塌落后压在管道之上，增加管道上部的压力，顶力随之增大。管道施工的难易往往取决于含水量，含有饱和水的粉、细砂出现流砂现象，必须采用辅助措施封闭工作面后才能施工。如遇承压水地层时，必须做好排水工作否则难以顶进。在承压水作用下的粉、细砂层，流砂现象严重，有时甚至出现管涌。必须封闭工作面并采取辅助措施，否则易出现严重地表沉降事故。上海4号地铁2003年重大事故就是此原因引起的。在地下水较低、砂土孔隙比又大于0.9时，砂土呈松散状态，稍受震动既会失去稳定，出现滑坡和塌方现象，必要时应对管顶土采取灌浆加固等稳定措施。工具管末端加装保护罩、严禁超挖等也是防止出现塌方的必要措施[2]。

3.2 粘性土

粘性土指塑性指数大于10的土。粘性土由于表面静电的作用使土颗粒粘结在一起，形成粘性土体。天然含水量的粘性土对顶管有利，管前可以超挖，如果管顶粘土层足够厚形成卸力拱，施工时可按规定纵深超挖，顶进时所需顶力小，顶进设备也简单。随着含水量的增大会使工作环境恶化，可采用加大顶力克服阻力增大的现象。顶管在地下水以下可以采用封闭工作面和降水等方法保证施工顺利进行。

3.3 其他土层

3.3.1 软土

软土有高压缩性，低渗透性和触变性的特点，其结构极易遭到破坏，以致出现管道沉陷、接口错位等事故。应预先采取措施，预防顶进途中出现问题。

3.3.2 砂砾石层

松散的砂砾石层极易塌方，管道顶进后对其管顶和周围空隙要及时填实以防塌方，应考虑顶进前后的灌浆加固。地下水以下由于砂砾石层渗透性极大，必须降水后才能顶进。

3.3.3 水敏感性土

水敏感性土主要指湿陷性黄土和膨胀土。水敏感性土注意施工时不得采用水力破土，管道接口保证密封，必要时采用内加固防渗。并适当加大管道刚度，设计时增加覆土厚度，加大管道压力等方法防止管道破坏。

4 顶管施工技术简介

顶管施工就是借助主顶油缸以及中间继的顶进力，把工具管或顶管掘进机从工作坑内穿过土层一直顶到接受坑内吊起。与此同时，把紧随在工具管或掘进机后的管道埋设在两个工作坑之间。一个完整的顶管施工（如图1所示）主要包括：工作坑和接受坑、顶管掘进机、主顶装置中间机、顶铁、基坑导轨、后座墙、顶进用管、输土装置、地面起吊设备、测量和校正系统以及注浆系统、供电照明系统、和通风换气系统等。根据挖掘方法不同，顶管机可分为手掘式顶管机和机械挖掘式、水力破碎式顶管机。根据工作面平衡方式的不同，顶管机可分为自然平衡式、工作面半机械平衡式、气压平衡式和泥水平衡式顶管机[3]。

图1 顶管施工示意图

4.1 手掘式顶管机

手掘式顶管机是目前国内应用最为普遍的顶管机，尤其是在短距离的顶管施工中，由于昂贵的机械挖掘设备一次性投入比较大，影响施工的经济性，普遍采用手掘式顶管施工。手掘式顶管机结构形式主要取决于工作面对土压力的平衡方法。工作面自然平衡手掘式顶管施工主要适用于降水后地下水位以上稳定的粘性土层，工作面土体比较稳定在自然情况下能够实现自支撑。工作面半自然平衡手掘式顶管施工主要是指工作面采用了网格或挡板等辅助土压力平衡措施，可以在无粘性土和地层压力高的土层内完成作业。

4.2 机械挖掘式（水力破碎式）顶管机

在长距离和深度较大的顶管施工中，常常采用机械式顶管设备，机械挖掘式顶管具有顶进能力强、施工速度快、距离长、自动化程度高的优点。机械式挖掘顶管机内部装有挖掘机械或刀盘，机械破碎（或水力破碎）下来的土石可以通过传送带或螺旋钻杆等设备输送至后面的运输设备。在顶进过程中，只有当所处土层地下水压力和土压力处于平衡状态，并且排土量与掘进机顶进所占去的土的体积也处于一种平衡状态时，才能使顶进不至于产生地面沉陷或隆起。机械挖掘式顶管机多采用土压平衡工作面和泥水平衡工作面，也可采用气压平衡工作面。

4.2.1 土压平衡工作面原理

土压平衡顶管是指在顶进过程中，利用土仓内的压力和螺旋输送机械排土来平衡地下水压力和土压力。与泥水平衡工作面相比，其最大的特点是排出的土或泥浆一般都不需要进行泥水分离等二次处理。其基本原理是通过机头前方的刀盘切削土体并搅拌，同时由输土机械输出挖出的土体。在掘进机的机头前方面板上装有压力感应装置，操作者通过控制输土机的出土量和顶进速度来控制顶进面的压力，和前方静止土压力保持一致，以防止地面沉降或隆起。

4.2.2 泥水平衡工作面原理

泥水平衡顶管是指在顶进过程中，用水力切削泥土以及采用水力输送弃土，同时利用泥水压力来平衡地下水和土压力的这一类顶管。泥水平衡顶管施工适用土质范围较广，尤其适用于地下水压力变化范围较大的环境，其对顶管周围土体扰动较少。如采用泥水管输送弃土，可以极大提高顶管工作环境的安全性，作业时速度较快。但施工时弃土的存放和运输相对困难，泥水处理的噪音和大量泥浆的产生对环境的影响较大，同时对渗透性不同的土层必须采用不同的泥浆浓度，对设备和施工技术的要求相对较高。

4.2.3 气压平衡工作面原理

气压平衡顶管是指在顶进过程中，以一定的压力的压缩空气来平衡地下水压力，疏干地下水，从而保持挖掘面平衡的方法。这种技术适用于不适宜降水的地层，可以防止降水产生的地表沉降等不利因素。其最大工作空气压力不大于0.36MPa，并须保证地表不发生气体泄漏。人和物频繁进出压力舱门直接导致时间和费用的耗费。由于投资大，只适用于长距离的顶管。

5 微型隧道技术简介

微型隧道技术是直接由钻井技术发展起来的，主要由成孔、扩孔、铺设管道和输土四个过程组成。可以完成新建管道的铺设，也可以通过捣碎、挤入等方法对已建成管道进行置换。不同的施工方法其施工机械可以灵活采用[4]。根据成孔方法和泥土排出方法不同，可大致分为以下几种。

5.1 先导式微型隧道方法

先导式微型隧道方法首先进行先导钻孔钻进，然后进行扩孔钻进，在扩孔的同时将要铺设的管线顶推或拉入，并将先导钻杆从目标坑中顶出或拉出。先导钻孔掘进和扩孔可采用多种方法。

5.2 螺旋排土式微型隧道方法

螺旋排土式微型隧道方法是指通过切削刀盘来破碎工作面，并通过螺旋输送装置将破碎下来的泥土连续的排至地表的方法。该方法适用于较软的地层，其控制和导向装置以及对管材适应性广。在铺设非钢质管道时，采用专门的螺旋输送通道，这样螺旋钻杆和通过其输送的泥土对于所需要施工的管道不会有荷载的作用[5]。

5.3 水力式微型隧道方法

水力式微型隧道方法是指通过切削刀盘来破碎工作面，并将破碎下来的泥土通过水力方法连续的从位于刀盘和导向头后面的破碎室或泥浆室排至地表的方法。这种方法实际上属于水平向的冲洗式回转钻井技术。

5.4 气排式微型隧道方法

气排式微型隧道方法和水力式微型隧道技术的唯一区别是将冲洗介质换成了压缩空气。

5.5 土挤密式微型隧道方法

土挤密式微型隧道方法是通过挤密头和导向头将土层挤密至周围孔壁的方法，不需要输土系统。

7 结束语

非开挖铺设排水管道在以前的工程设计中，往往是由于各种条件所限制而被动的采用。这种经济、安全的施工方法，只要合理的根据实际地质情况作出相应合理的设计，往往会比明挖施工得到更好的经济和社会效益，应在今后的设计工作中大力推广。