非開挖技術在城市管道工程中的應用

王玉杰

（鄭州自來水投資控股有限公司，河南 鄭州 450000）

非開挖技術在城市管道工程中的應用

王玉杰

（鄭州自來水投資控股有限公司，河南 鄭州 450000）

地下管線是城市基礎設施的重要組成部分，電纜管、上下水管網、熱力（動力）管道同地下鐵道一起，被稱為城市的生命線。隨著社會的發展，地下管線的長度持續增加，這樣地下管線施工方法的選擇就變得尤為重要。目前，鋪設、更換和修復地下管線的施工方法有兩大類：開挖施工法和非開挖施工法。非開挖施工法因其具有開挖施工法無可比擬的優點而日益受到社會的重視。在國外，尤其是發達國家，非開挖技術的應用已十分普遍。

1 發展歷史與應用前景

非開挖技術雖然已有近百年的歷史，但其重大的發展始于20世紀50年代，尤其是近十幾年。1896年，美國首次施工頂管法，在鐵路下頂進一根混凝土管，從那以后，頂管法的應用遍及美國各地。20世紀60年代初波蘭研制成功了第一臺氣動矛，自此氣動矛和夯管施工法因其設備簡單、操作方便、投資小、成本低而受到各國的青睞，至今一直是使用最廣泛的一種非開挖施工法。到了20世紀70年代初，日本首次出現了微型隧道施工法，并且相繼推出了一系列的微型頂管機。我國非開挖施工技術和設備的開發和研制工作起步較晚，至今對非開挖地下管線施工技術的發展和應用尚未引起足夠的重視。我國的非開挖技術的應用和發展大致可分為兩個階段：1953一1985年為第一階段，即使用傳統的非開挖技術階段；1985年至今為第二階段，即引入現代非開挖技術階段。

在我國，非開挖技術的市場前景與現代化建設的進程密切相關，這為我國非開挖技術的發展提供了有利的條件，市場潛力巨大。我國已經擁有一個相當龐大的地下管網系統，為了避開現有的密集管網系統，大城市管線埋深有加大的趨勢，開挖施工的成本隨埋深的加大而提高，非開挖施工的優越性更為顯著。隨著現代文明意識和環保意識的逐漸加強，開挖路面進行地下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的關注。城市限制開挖施工的法規陸續出臺，其適用面將逐漸擴展，這對非開挖技術的推廣應用無疑會產生極大的推動作用。

2 非開挖技術的工程應用

2.1 在管道鋪設中的應用

大口徑管道的鋪設通常采用頂管法、盾構法、隧道施工法等。小口徑管道的鋪設可以采用水平定向鉆進法、導向鉆進法、氣動矛法、夯管法、微型隧道法、頂推鉆進法等等。

1）頂管法

頂管施工是繼盾構施工之后而發展起來的一種地下管道施工方法。我國最早采用的非開挖施工法就是頂管法。過去，頂管法作為一種特殊的施工手段，一般不輕易采用，現在，頂管施工作為一種常規施工工藝已被業主所接受。頂管施工最早主要用在下水道施工，近年來，越來越多地運用到自來水管、煤氣管、動力電纜、通信電纜等許多管道的施工中。頂管施工先在管道設計路線上施工一定數量的小基坑作為頂管工作井，作為一段頂管的起點與終點，工作井的一面或兩面側壁設有圓孔作為預制管節的出口和進口。頂管出口孔壁對面側墻為承壓壁，其上安裝液壓千斤頂和承壓墊板，千斤頂將帶有切口和支護開挖裝置的工具頭頂出工作井出口壁，然后以工具頭為先導，將預制管節按設計軸線逐節頂入土層中，直至工具頭后第一段管節的前端進入下一工作井的進口，這樣，就施工完一段管道的鋪設。對于長距離頂管，由于主油缸的頂力不足以克服管壁四周的土體摩擦力和迎面阻力，常將管道分段，在每段之間設置由一些中繼油缸組成的中繼間，且在管壁四周加注減摩劑以進行長距離管道的頂推。

在施工中，頂管法主要有以下幾種形式：敞開式頂管施工；泥水平衡式頂管施工；土壓平衡式頂管施工；氣壓平衡式頂管施工。

2）導向鉆進法

導向鉆進法是發展最快的一種非開挖鋪設管線施工法，它主要用于在松軟的地層鋪設長度較短的小口徑地下管線。導向鉆進法的基本原理：先利用導向鉆機、隨鉆測量儀以及有關鉆具沿欲鋪設管線的設計軌跡鉆進一個導向孔，隨后邊擴孔邊回拉待鋪設的地下管線，導向鉆進法以斜面鉆頭來控制鉆孔方向，鉆頭軌跡的監視，一般由手持式地表探測器和孔底探頭來實現，這種方法施工速度快，能較好地控制施工方向。

3）氣動矛法

氣動矛法一般用于鋪設小口徑（d＜250 mm）的各種地下管線。氣動矛法施工時，在壓力的作用下氣動矛內的活塞作往復運動，不斷沖擊矛頭，矛頭擠壓周圍的土層形成鉆孔，并帶動矛體前進。隨著氣動矛的前進，將直徑比矛體小的管線拉人孔內，完成管線鋪設。雖然已有可控制的氣動矛出現，但絕大多數氣動矛仍是不可控的，為保證施工精度，施工前的校正工作極為重要。

2.2 在管道更換中的應用

現代城市具有由污水管道、煤氣管道、動力電纜和通信電纜等組成的龐大的地下管線網絡，一方面，所有管線的使用壽命都是有限的，使用一定時間就必須進行修復或更換；另一方面，隨著城市的改建和擴建，原有的地下管線不能滿足要求，必須進行更換，非開挖技術在管道更換中的應用主要有兩種：爆管法和吃管法。

1）爆管法

又稱脹管法，是使用爆管工具從管內將舊管破碎，并將碎片擠壓到周圍的土層，同時將新管或套管拉人，完成管道的更換工作，爆管法是在近幾年才得到廣泛使用的。

2）吃管法

吃管法使用經改進的微型隧道施工設備或其他的水平鉆機，以舊管為導向，將舊管從端部連同周圍的土層回轉切削，破碎或沖擊破碎的同時頂人直徑相同或稍大的管道，完成管線的更換。破碎后的舊管碎片和土由螺旋鉆桿排出，這種方法主要用于更換埋深較大的非加筋管道。

2.3 在管道修復中的應用

管道的修復是指采用內襯等方法來改一善舊管的流動性能和修復結構性的破壞，以延長其使用壽命。目前，國際比較常見的方法有內襯法、軟襯法、噴涂法等。

1）內襯法

內襯法是在施工前將新管通過機械變形，使其端面產生變形（直徑變小或改變形狀），隨后將其送入舊管內，最后通過加熱、加壓或靠自然作用使其恢復到原來的形狀和尺寸，從而與舊管形成緊密的配合。

2）軟辛法

在現有的舊管內壁上襯一層熱固性物質，通過加熱使其固化，形成與舊管緊密配合的薄襯管，而管道的過流斷面幾乎沒有損失，但流動性能大大改善了。

3）噴涂法

噴涂法主要用于管道的防腐處理，施工時，高速回轉的噴頭在絞車的牽引下，一邊后退一邊將水泥漿液或環氧樹脂均勻地噴涂在舊管道的內壁。

2.4 管道施工方法的選擇

非開挖地下管道施工成功的關鍵是選擇合適的施工方法和施工機械。管道施工方法和施工機械的選擇，主要根據工程地質條件、水文地質條件、管道埋深、管道端面形狀及尺寸、施工技術條件和施工技術水平及工期要求等諸多因素綜合確定。例如軟弱的黏土宜采用擠壓沖擊掘進；對于土體較松軟、含水量較大的砂質粉土，可采用水沖式頂管機。施工方法與施工機械相輔相成，一定的施工方法對應著一定的施工機械。以頂管法為例，手掘式頂管法只適用于能自立的土中，采用手掘式工具頭進行施；泥水式頂管法采用的是泥水平衡式工具頭；土壓式頂管法的適用范圍最廠，可以稱得是全土質型，小刀盤的土壓平衡頂管機和大刀盤的土壓平衡頂管機在工程中經常被采用。因此管道施工方法的選擇，應根據工程地質和水文地質條件，選擇合適的施工方法，采用相成的設備，在科學管理下進行信息化。

3 非開挖技術存在的幾個問題

盡管我國非開挖技術和設備近年來有了很大的發展，但與發達國家相比，仍存在很多問題。

1）至今尚無明確的行業目錄和行業主管部門。

2）人員組合上存在著失衡現象，缺少懂得現代管理和經營的人員，并且缺少掌握非開挖技術的施工人員。

3）對非開挖設備的開發投入不足。對于大多數的非開挖工程，設備大多采用德國、日本等發達國家的進口設備，設備國產化不夠。

4）設計尺寸和施工設備沒有模數化，使設備不能被充分利用，阻礙了非開挖技術的產業化。

5）目前，我國的非開挖工程主要為地下管線的鋪設，隨著社會經濟的發展，地下管線的更換和修復工程也將會逐漸增多，應加強對管線更換和修復方面的研究。

6）在施工過程中，應盡可能地采用信息化施工。通過對工程的監測，一方面可以指導施工，實施控制，防止施工事故的發生；另一方面，為今后的工程實踐提供有價值的經驗和第一手資料。這一點在很多非開挖工程中還未得到充分的重視。

4 結語

對非開挖施工方法造價的評估不能單單只考慮直接成本，應綜合間接成本和社會成本，考慮環境生態等方面的因素。各級主管部門應加強對非開挖技術的認識，使非開挖技術得到推廣；加大設備研制的力度，吸收國內外的先進經驗，使施工設計尺寸和施工設備模數化，提高設備利用率，盡快形成適合我國國情的設計規范和施工工藝。城市管線地下化，將是市政建設的一項重要內容。加大城市地下空間的開發利用，將城市的基礎設施建造在地下，已成為未來發展的方向之一，非開挖技術作為高新技術產業，將在未來的城市建設中擔任重要的角色。

2017-08-22