浅析地下管道非开挖施工技术及其发展方向

张 浩

（中交建筑集团第六工程有限公司，重庆 401120）

0 引言

过去，城市管道的敷设大多采用露天管道安装技术，即根据管道的长度等预先挖掘沟槽，将管道放入其中，然后进行嵌入和填埋。然而，传统的施工方式会引发道路封闭、堵塞以及不必要的绕行[1]。此外，地面开挖还会造成环境污染和噪音污染。正因为这样，非开挖施工技术一经问世就被广泛应用于地下管道铺设与维修。

地下管道非开挖施工技术指的是使用各种挖掘设备和技术，在只开挖小面积土地的情况下进行地下管道的铺设与维修。有了非开挖施工技术的支持，管道安装与维修不会破坏周围环境，也不会影响城市居民的正常生活，解决了传统开挖施工技术对周围环境、建筑和交通的破坏和影响。此外，非开挖施工技术还能减少能源消耗和碳排放量[2]。该技术在国内被广泛应用于给排水、电力和通讯领域的管网建设与维修，并且还能有效保护古建筑。

目前，中国较流行的非开挖施工技术包括水平定向钻进技术、顶管法和爆管法等[3]。明确各种技术的优缺点，有利于施工人员合理选择。因此，本文就地下管道非开挖施工技术进行详细分析，并探讨其发展方向，以供参考。

1 常用非开挖施工技术介绍

1.1 水平螺旋钻进技术

水平螺旋钻进技术在施工前需要准备工作坑，将螺旋钻水平放置到工作坑中。在施工过程中，通过螺旋钻杆将作用力传递到钻头，将前方的土壤转移到工作坑中，如图1所示。该方法广泛运用于铁路和公路等领域，也可用于环境敏感地区。水平螺旋钻进技术可分为轨道式水平螺旋钻进和吊架式水平螺旋钻进两种方法。中国地质大学于2016年研发出更先进的配套技术，以全面解决精度和效率等问题[4]。

图1 水平螺旋钻进施工示意图

图2 双向对穿技术示意图

水平螺旋钻进施工工艺可分为以下四个步骤[5]：第一步，在施工前，对施工管道路段的地表设施、地质条件和地下管线等进行勘察，确定铺设管道的可行性，并进行钻孔轨迹规划；第二步，根据规划路径，挖掘适当的工作坑和接收坑，并根据土质情况进行必要的加固处理，以满足钻进过程中的作用力要求；第三步，安装水平螺旋钻机，利用导向设备向既定方向推进；第四步，利用螺旋钻杆排除钻孔过程中产生的土渣，钻机动力头向前顶进，直到施工完成。

2008年，有学者将水平螺旋钻进法应用于小口径排水管工程中。该工程管道总长度为14.2km，施工路径涉及市区道路，并且大部分管道铺设在黏土层中。这是首次将水平螺旋钻进法应用于钢筋混凝土排水管工程的案例，取得了良好的效果。

1.2 水平定向钻进技术

水平定向钻进技术（Horizontal Directional Drilling,HDD）是一种高效、低成本且对环境影响较小的非开挖施工技术。该技术所需的设备包括钻机、钻具、钻头和推管机。水平定向钻进技术包括电磁感应法探测技术、地下生命线工程的信息化、双向对穿HDD技术、大口径HDD技术等。其中，电磁感应探测技术利用目标与周围环境的电磁差异，确定生命线的空间位置。地下生命线工程的信息化包括数据加载、编辑和输出等功能，可以更好地实现管线的管理，提高管理效率。

有学者描述了水平定向钻进技术在大口径市政管网中的应用[6]。该工程位于贵州花溪区，总管线长度为1892m，管道距地面深度为12～15m，预计施工时间为4个月。施工过程包括导向孔的钻进、分级扩孔、清孔和管道回拖等步骤以实现管道铺设。在该工程中，水平定向钻进技术相较于顶管法能够节约133d的施工时间，同时能够节约425万元的成本。

双向对穿水平定向钻进技术用于解决长距离作业时钻压不足、工作效率低下的问题[7]。该技术2006年首次成功应用于钱塘江底部生命线工程，该工程管线长度为2454.15m。该技术的关键在于对钻头磁场的控制，使得两侧钻头能够成功对接[8]。然而，大口径对穿水平定向钻进技术的难度较大，且存在较多风险，例如钻具失效等情况。因此，该技术对钻机、钻头提出了更高的要求。

1.3 顶管法

顶管法是中国应用最广泛的非开挖技术之一。顶管法是指利用顶铁和轨道将管道压入土层中，并同时将管道内的泥土挖出。当第一节管道完全进入土层后，再按照同样的方式将第二根管道压入土层中，并在每一节管道的连接处进行接口处理，如图3所示。

图3 顶管工程示意图

顶管法根据施工方法可分为对顶法、后拉法等；根据顶管类型可分为：长大距离顶管、大管径顶管、微型管顶管、曲线顶管等。近年来，我国在顶管法相关技术方面不断精进，已达到世界先进水平。伍豪[9]对顶管法在长距离管道施工中的数据进行了描述，施工过程中需要计算管道的总顶力、钢筋混凝土管道接头的最大承载力、后座墙的稳定性参数等。在施工前，各项参数需要进行严密的计算和控制，为后续工程提供有力的理论支持。在顶管法中，中继器是长距离顶管的重要技术措施，能够分段克服阻力，分散设备顶力，并确保所有管道所承受的顶力在可承受范围内[10]。除了应用于管道工程，顶管法还广泛应用于公路隧道和泄洪通道等工程。近年来，我国已经在多个工程中采用顶管法进行施工，部分顶管法工程列举在表2中。

表2 国内部分顶管工程

1.4 爆管法

爆管法是指将爆管工具插入需要替换的旧管道中，通过外力拉或顶的方式将旧管道撑破，使管道碎片挤入周围土层中，同时新的管道在外力的作用下铺设到原管道位置[11]。该方法也被称为胀管法，施工方法如图4所示。

图4 爆管法工程示意图

根据动力来源的不同，爆管法可以分为气动爆管法、液动爆管法和切割爆管法。在施工前需要注意地质条件、管道位置和管道材质等因素[12]。 地质条件对施工影响较大，若土壤较疏松，则该方法对地面的影响较小。但是当土壤较紧密时，使用爆管法可能会导致地面隆起；土壤过于松散时，可能会导致管道塌陷。

管道的地下位置直接影响着施工的可行性和难度。当管道埋深较大时，还需要考虑管道周围是否存在地下水以及设备动力是否充足。

爆管法会使旧管道爆破，并产生大量的碎片，这些碎片会进入周围土壤中，可能对土壤环境产生影响。随着旧管道破碎程度的增加，对周围土壤的影响更小，而旧管道的材质直接影响到其破碎程度。此外，新管道的材质也会影响到管道的承重等问题。

1.5 管道修复技术

除了上述非开挖施工技术用于安装管道外，还有其他一些非开挖施工技术用于管道维修，例如原位固化法（cured-in-place pipe）、缩径内衬法（deformed and reformed，DR）和滑衬法（slip lining）。

原位固化法是通过倒置水（或空气），将热固性树脂饱和衬垫引入旧管道，然后内衬膨胀，直到附着在旧管道上。最后通过加热（或常温）形成一层薄管，牢固附着在旧管上[13]。

缩径内衬法的原理是清洗旧管道后，通过机械作用暂时减小新管道的直径，然后将新管道插入旧管道，最后通过加热、加压或自然恢复原形状和尺寸，实现管道修复[14]。

滑衬法是将新管道插入旧管道，然后在两个管道之间进行灌浆[15]。

2 非开挖施工技术的发展方向

由于非开挖施工技术具有多项优点，因此在未来仍然会被广泛用于管道安装[16-18]。目前，虽然非开挖施工技术具备很大的应用潜力，但是仍然存在一些亟需解决的问题，非开挖施工技术在未来的发展应着重关注以下三个方面[19-20]。

第一，尽管非开挖施工技术具有简便快捷的特点，但相对而言费用较高，包括设备和施工过程的费用。因此，未来的发展方向之就是进一步降低施工成本，这需要技术创新和施工方法的优化。

第二，地下管线的相关数据由多个部门共同管理，导致管网档案分散。因此，未来发展的趋势是实现管网管理、检测和修复过程的信息化。

第三，在智能化方面，发展管道机器人，并利用空洞探测技术和其他技术进行管道的检测和维修，也是未来发展的方向。

3 结束语

综上所述，非开挖施工技术可以在不干扰周围施工环境的情况下完成施工任务。本文对常用的非开挖施工技术进行了归纳总结，为未来城市管网施工时选择合适的非开挖施工技术提供依据；还对非开挖施工技术的发展方向进行了分析，以期为相关研究人员提供思路。当前，地下管网的安装和维修仍然存在较多问题，分散式管理也不利于管道的安装和维修，高昂的费用也是制约其发展的瓶颈之一。因此，通过技术和管理创新进一步降低成本，实现信息化和智能化是非开挖施工技术持续发展的关键。