近年國內常用非開挖施工技術施工方法綜合概述

錢海峰,鄭廣寧,糜思慧

(1.吳江市城市排水管網有限公司，江蘇吳江 215200;2.上海現代建筑設計(集團)有限公司，上海 200041)

0 前言

城市地下管線的鋪設方式是工程建設技術水平的體現，是城市現代化的標志之一，也是社會文明進程的重要體現。主要有兩大類，一類開槽埋管，另一類是非開挖技術敷管。當開槽埋管施工的技術經濟性較差，或者影響周圍建（構）筑物、穿越鐵路、高速公路及河流時，則應該考慮選擇非開挖敷管的施工方法進行市政排水管道的施工。非開挖施工技術就是在不開挖（或者少開挖）地表的情況下進行鋪設、探測、維修和更新各種地下管線，解決城市管線施工中的難題。其特點在于管道施工對環境的影響程度可以降到最低，可以減少拆遷量和對交通的影響，并加快施工進度，有很大經濟和社會效益[1][2]。并且非開挖技術不開挖地面，故而被鋪設管道的上部土層未經擾動，管道的管節端不易產生段差變形，其管道壽命亦大于開挖法埋管。

作為一種極為重要的鋪設管道的工程手段，非開挖技術在國外已廣泛使用，在國內也逐漸普及。特別在最近20 a中，無論在理論上，還是在施工工藝方面，都有了突飛猛進的發展[3]。本文將主要介紹非開挖技術的施工方法及國內的部分應用實例。

1 非開挖技術的構成分類

非開挖技術可分為三大類：鋪設新管線、修復置換舊管線、探測原有管網。

（1）鋪設新管線施工技術：導向鉆進鋪管法、定向鉆進鋪管法、氣動矛鋪管法、夯管錘鋪管法、螺旋鉆進鋪管法、推擠頂進鋪管法、微型隧道鋪管法、盾構法和頂管法。

（2）修復舊管線施工技術：原位固化法、原位換管法、滑動內插法、變形再生法、局部修復法。

（3）探測地下管網：地下管線探測儀（非金屬管道探測儀、金屬管道探測儀、塑料管道探測儀、電力電信纜線探測儀和井蓋探測儀等）、供水管網監測儀（流量水壓記錄儀、漏區診斷儀、漏點定位儀等）、電信線路故障定位儀、氣體故障檢測儀、管中攝影儀、探地雷達、聲納系列。

2 非開挖技術施工方法

現代非開挖地下管線施工技術，是近年來發展起來的一項高新技術，是鉆探工程技術結合工程物探、計算機技術、巖土工程技術及新材料等技術的一項重要延伸。施工方法主要有水平導（定）向鉆進鋪管法、氣動矛鋪管法、頂管鋪管法、盾構鋪管法、無縫襯裝置換法、管道翻襯置換法和爆（碎）管襯裝置換法。其中，水平定向鉆穿越是對環境影響最小的施工方法，這項技術同時還可以為管道提供保護層，并相應減少維護費用，同時不會影響河流運輸并縮短施工期，證明是目前效率最高，成本最低的穿越施工方法[4],也是目前發展最快的一種方法[3]。所以本文以水平導（定）向鉆進鋪管法為主進行詳細介紹。

2.1 水平導（定）向鉆進鋪管法

水平定向鉆進鋪管法按預先設定的地下鋪管軌跡鉆一個小口徑先導孔，隨后在先導孔出口端的鉆桿頭部安裝擴孔器回拉擴孔，當擴孔至尺寸要求后，在擴孔器的后端連接旋轉接頭、拉管頭和管線，回拉鋪設地下管線。水平定向鉆進鋪管的施工順序依次為：地質勘探、規劃和設計鉆孔軌跡、配制鉆液、鉆先導孔、回拉擴孔、回拉鋪管、管端處理。（見圖1）

2.1.1 地層勘察、地下建（構筑物）及地下管線探測

圖1 定向鉆進鋪管示意圖

地層勘察主要是了解有關地層和地下水的情況，為選擇鉆進方法和配制鉆液提供依據。其內容包括：土層的標準分類、孔隙度、含水性、透水性，以及地下水位、基巖深度和含卵礫石情況等。可通過采用查資料、開挖和鉆探、物探等方法獲取。

地下管線探測主要是了解有關地下已有管線和其它埋設物的位置，為管線設計和鉆進軌跡設計提供依據。一般采用綜合物探法，并結合鉆探、靜力觸探、土工實驗等技術。按定位原理，綜合物探法分為：電磁法、直流電法、磁法、地震波法和紅外輻射法等。

2.1.2 鉆進軌跡的規劃與設計

鉆孔軌跡的設計主要是根據工程要求、地層條件、地形特征、地下障礙物的具體位置、鉆桿的入出土角度、鉆桿允許的曲率半徑、鉆頭的變向能力、導向監控能力和被鋪設管線的性能等，給出最佳鉆孔路線。導向孔軌跡的合理設計對管線施工的成功至關重要。

2.1.3 配制鉆液

鉆液的主要用途，除了冷卻鉆頭（冷卻和保護其內部傳感器）、潤滑鉆具外，更重要的是懸浮和攜帶鉆屑，使混合后的鉆屑成為流動的泥漿順利地排出孔外，為回拖管線提供足夠的環形空間，又可減少回拖管線的重量和阻力，而且殘留在孔中的泥漿可以起到護壁的作用。

鉆液由水、膨潤土和聚合物組成。水是鉆液的主要成份，膨潤土和聚合物通常稱為鉆液添加劑。鉆液的品質越好與鉆屑混合越適當。在不同的地質條件下，需要不同成份的鉆液。當遇到不同地層時，及時調整鉆液的性能以適應鉆孔要求。

2.1.4 鉆導向孔

鉆導向孔即根據造斜或穩斜原理，在地面導航儀引導下，按預先設計的鋪管線路，由鉆機驅動帶鍥型鉆頭的鉆桿，從A點到B點（見圖1）鉆一個與設計軌跡盡量吻合的導向孔（平面誤差100 mm）。鉆導向孔的關鍵技術是鉆機、鉆具的選擇和鉆進過程的監測和控制。要根據不同的地質條件以及工程的具體情況，選擇合適的鉆機、鉆具和鉆進方法來完成導向孔的鉆進。

鉆頭順利按設計軌跡鉆進和鉆出，其準確定位及變向控制非常重要。鉆進過程中對鉆頭的監測主要通過隨鉆測量技術來獲取孔底鉆頭的有關信息的方式完成。孔底信號的傳送方法主要有電纜法和電磁波法。電磁波法測量是在導向鉆頭中安裝發射器，通過地面接收器，測得鉆頭的深度、鴨嘴板的面向角、鉆孔頂角、鉆頭溫度和電池狀況等參數，將測得參數與鉆孔軌跡進行對比，以便及時糾正。地面接收器具有顯示與發射功能，將接收到的孔底信息無線傳送至鉆機的接收器并顯示，以便操作手能控制鉆機按正確的軌跡鉆進。電磁波法的測量范圍較小，一般在300 m以內水平發射距離，測量深度在15 m左右。目前，電磁波法在中小型鉆機上應用較多，但是必須隨鉆跟綜監控。電纜法在長距離穿越中，特別是地形復雜的工程中應用較多。優點是抗干擾能力強，不要隨鉆跟蹤；但其操作復雜，選用的信號線必須強度高（不易拉斷）、耐磨、絕緣性能好。

2.1.5 回拉擴孔

回拉擴孔過程是指在導向孔鉆成孔后，卸下鉆頭，換上適當尺寸和符合地質狀況的特殊類型的回擴鉆頭，使之能夠在拉回鉆桿的同時，又可將鉆孔擴大到所需尺寸。常采用逐級擴孔；預埋管徑以內采用排土法擴孔，以外采用擠壓法成孔，以保證鋪管后地面不致于沉降，不留隱患。回擴過程和鉆進過程一樣，自始至終泥漿攪拌系統要向鉆頭和回擴鉆頭提供足夠的泥漿。

擴孔器類型有桶式、飛旋式、刮刀式等。穿越淤泥粘土等松軟地層時，選擇桶式擴孔器較適宜，擴孔器通過旋轉，將淤泥擠壓到孔壁四周，起到很好的固孔作用；當地層較硬時，選擇飛旋或刮刀式擴孔器成孔較好。最大擴孔器尺寸常按表1考慮，也可以按鋪設管徑的1.2～1.5倍，這樣能夠保持泥漿流動暢通，保證管線能安全、順利的拖入孔中。

表1 最大擴孔器尺寸一覽表

2.1.6 鋪管

鋪管即在擴孔完畢，在拖管坑一端的鉆桿上，在裝擴孔器與管前端利用萬向接、特制拖頭等連接牢固，啟動導向鉆機回拉鉆桿進行拖管，將預埋管線拖入孔內，完成鋪管工作。在拖管的同時加入專用防潤土進行泥漿護壁。在條件許可的情況下，可將全部管線一次性連接。

2.1.7 管端處理

鋪管完成后，采用挖掘機將擴孔器及管前端挖出，拆除擴孔器及萬向接，處理造斜段、施工檢查井，恢復路面，清理場地。

2.2 氣動矛鋪管法

氣動矛由鋼質外套(矛體)、活塞和配氣裝置組成。氣動矛鋪管法就是利用氣動矛在壓縮空氣作用下，使矛體內的活塞作往復運動，不斷沖擊矛頭，促使矛頭在土層中擠壓周圍土體，形成鉆孔并帶動矛體前進。形成鉆孔后可以直接將待鋪管道拉入，也可通過拉擴法將鉆孔擴大，來鋪設更大直徑的管道。

氣動矛技術特點：

（1）設備簡單，操作方便，投資少；

（2）可鋪設PE管、PVC管和鋼管；

（3）適用于短距離（30 m以內）、小直徑管道的穿越鋪設；

（4）適合在狹小空間內施工。

2.3 頂管鋪管法

頂管法是依靠安裝在管道頭部的鉆掘系統，不斷地切削土屑，并由出土系統將切削的土屑排出，這樣邊頂進，邊切削，邊輸送，將管道逐段向前鋪設，在頂進的過程中通過激光導向系統糾偏來調節鋪管方向。

頂管法的技術特點：

（1）噪音以及震動都很小；

（2）可以在很深的地下敷設管道；

（3）對施工周邊的影響很小；

（4）可以穿越障礙物。

2.4 盾構鋪管法

盾構法是隧道暗挖施工法的一種，它是利用盾構機前端是與盾構機體同等直徑的刀盤，在與土壤接觸時進行旋轉，并加入適量的液體，使切削下來的土與液體在刀盤旋轉的攪拌作用下，成為泥狀流塑體，然后通過螺旋輸送機送到地面。機頭前進時，在其后留出的空間里，把提前預制好的混凝土管片拼裝成環狀。

盾構法施工具有施工速度快、洞體質量比較穩定、對周圍建筑物影響較小等特點，適合在軟土地基段施工。

盾構法施工的基本條件：

（1）線位上允許建造用于盾構進出洞和出碴進料的工作井；

（2）隧道要有足夠的埋深，覆土深度宜不小于6 m；

（3）相對均質的地質條件；

（4）從經濟角度講，連續的施工長度不小于300 m。

2.5 無縫襯裝置換法

無縫襯裝置換法是一種維修管道的施工方法，是將直徑大于或等于原有管道管徑的PE管襯入管道內，所使用的PE管一般為低、中密度的薄壁聚乙烯管材。在管道襯裝前，要使原有管道的截面積減小。減小內襯管截面積的方法有兩種，一種是將PE管拉長，以減小管徑，從而減小截面積，PE管襯入后，由于不再受拉力的作用，長度將縮短，管徑將變大，復原后內襯管線將與原有管線緊緊套在一起，兩層管線之間不再需要灌水泥沙漿固定。另一種是將管道橫截面變形，可在PE管出廠前通過專用的設備將橫截面變為“U”或“C”字形，也可以在施工現場拉入PE管前將PE管沿管壁圓周方向扭曲，從而達到變形的目的。變形后的管道可以按滑（拉）入襯裝的方法由卷揚機拉入，然后再利用氣壓水壓或高溫水的作用將變形的管線復原。

施工中需具備的條件：

（1）無縫襯裝需要較高的技術水平，要精確計算內襯PE的管的橫截面變化情況。

（2）PE管襯裝還需要對接熱熔焊機及特制的內襯管縮徑鋼模或扭曲鋼模等特殊的設備。

2.6 管道翻襯置換法

管道翻襯的內襯材料一般是以較柔韌的聚合物、玻璃纖維布或無紡纖維等多孔材料做骨架，混合飽和浸漬樹脂材料而成；材料的外層一般覆蓋一層隔水膜，翻轉襯入管道后，該隔水膜成為新管道的內層，主要起止水作用。翻轉過程在水壓、氣壓或卷揚機拉力的作用下，內襯材料反轉進入管道的內壁，完成后，在熱水水溫的作用下，樹脂固化，內襯材料形成堅硬的管道內壁，成為管道骨架的一部分。 這就是所謂的管道翻襯置換法。

管道翻襯置換法的特點：

（1）施工簡單，占地少，無須投入專用的設備，一次翻襯的長度可達幾百米；

（2）翻襯完成后，在支管、消火栓、閥門等處要挖工作坑進行人工開孔，也可通過專用設備開口；

（3）翻襯施工的工期較長；

（4）用于給水管道上的內襯骨架材料和樹脂是有限制的（給水管道中的水質要求較高），應加以慎重選擇。

2.7 爆（碎）管襯裝置換法

爆（碎）管襯置換法主要適用于原有管線為易脆管材，如灰口鑄鐵管等，且管道老化嚴重的情況。新管的管徑可以比原有管道管徑大，具體施工方法是將碎管設備放入舊管中，由卷揚機拉動沿舊管前進，沿途由碎管設備將舊管破碎，在碎管設備后連著擴管頭，擴管頭的管徑比原有舊管大，負責將破碎的舊管壓入到周圍的土壤中，緊跟著是內襯管線，一般為PE管材，管徑小于擴管頭，在卷揚機的拉動下拖入原有管道的管位。

施工設備有許多種，主要分為氣動碎管設備、液壓碎管設備和刀具切割碎管設備。其中刀具切割碎管設備和液壓碎管設備較為常用。（1）刀具切割碎管設備，其結構由半徑大于原有管道的切割圓周向的切割刀具構成，在切割刀具后面緊接襯裝新管。（2）液壓碎管設備，操作簡便。

碎管襯裝置換法的特點：

（1）碎管襯裝完全擺脫了PE管內襯時減小過水能力的缺點；

（2）施工工期較短，一次安裝的長度可達幾百米；

（3）在支管、消火栓、閥門等處需要局部開挖；

（4）對于埋深較淺的管線，碎管設備的震動可能會對地面造成影響。

由此可見，各種非開挖技術施工方法各有不同的特點和適用條件，表2中對水平定（導）向鉆進鋪管法、頂管鋪管法和盾構施工法進行了比較。實際應用中要根據現場情況確定合理的施工方法。

3 國內工程實例

表2 幾種鋪管非開挖技術比較一覽表

目前，我國有許多城市已采用了非開挖技術進行地下管線鋪設，如北京、上海、廣州、深圳、杭州、合肥等部份省市都已經使用，表3中給出了國內部份省市實施的定向鉆鋪管實例。

在已實施的工程實例中，管徑從Φ50 mm至Φ1 200 mm都有；管材有PE管、PVC管、鋼管和鑄鐵管等；穿越的有公路、鐵路、河流、建筑、飛機跑道等；可以鋪設的管道有電力、電信、有線電視、煤氣、給水、排水等。由此可見，定向鉆進鋪管有較大的范圍。

4 結語

與傳統的開槽埋管法相比，非開挖技術因不污染環境、不影響（或少影響）交通、施工周期短、

表3 國內定向鉆鋪管技術應用的若干實例一覽表

綜合成本低等優點，隨著社會現代文明意識和環保意識的增強，傳統的“開膛破肚”式管線施工導致的社會問題、交通問題和環境污染問題已越來越受到人們關注，這種非開挖的新技術必將得到大力應用及推廣。

[1]揚明友,陸萬雨.非開挖施工技術在二十一世紀中國管道建設中的地位和作用[J].Trenchless Technology，2002，（2～3）.

[2]高莉,陳建梅.非開挖施工技術的應用 [J].Science and Technology Innovation Herald，2009，（6）.

[3]李枝春.淺談市政工程非開挖施工技術[J].科學之友，2010，(6).

[4]董波.非開挖敷設管道施工技術城市建設理論研究（電子版）[J].ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu,2011,(20).