非開挖鋪設(shè)排水管道工程技術(shù)研究

張思海 （北京國(guó)道通公路設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，北京 100053）

1 引言

傳統(tǒng)的雨污水管道鋪設(shè)是開挖施工，而在基礎(chǔ)設(shè)施十分擁擠的城市內(nèi)和排水管道需穿越既有公路、鐵路時(shí)，開挖施工往往受到嚴(yán)重制約。另外隨著城市化進(jìn)程的加快，污水管道的鋪設(shè)越來越深，開挖施工隨著管道埋深的增加變得非常不經(jīng)濟(jì)。這都使得設(shè)計(jì)人員在管道的鋪設(shè)設(shè)計(jì)中尋求非開挖鋪設(shè)管道技術(shù)。

2 非開挖鋪設(shè)地下管道技術(shù)概述

非開挖鋪設(shè)地下管道技術(shù)，簡(jiǎn)稱TT技術(shù)，即Trenchless Technology，是近年發(fā)展起來的新技術(shù)。現(xiàn)代非開挖管道施工技術(shù)最早起源于美國(guó)，1896年美國(guó)太平洋鐵路公司在現(xiàn)有鐵路下采用頂進(jìn)鑄鐵管道的施工方法并隨后制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)是在1953年，在北京市市政施工中首次采用頂管法。頂管法是最早也是最普遍的非開挖施工法，主要鋪設(shè)管徑大于1.2m、小于3.0m的各種管道。隨著機(jī)械設(shè)備和巖土鉆掘技術(shù)的快速發(fā)展，非開挖鋪設(shè)管道技術(shù)由最初傳統(tǒng)的人進(jìn)式頂管技術(shù)發(fā)展出各種非人進(jìn)式、遠(yuǎn)程控制的各種頂管法（Pipe Jacking）和微型隧道（Microtunnelling）施工方法。微型隧道法主要用于鋪設(shè)管徑小于1.2m的管道，其采用各種鉆探技術(shù)與遠(yuǎn)程控制技術(shù)，使得長(zhǎng)距離小孔徑的管道鋪設(shè)成為可能[1]。與傳統(tǒng)的開挖施工相比，非開挖鋪設(shè)管道方法在埋深大于4m，繁忙路段或附近有其他地下服務(wù)設(shè)施等條件下，經(jīng)濟(jì)上具有優(yōu)越性。當(dāng)在地下水位以下或者地層易沉降的不穩(wěn)定地層施工時(shí)，這種施工方法更具有競(jìng)爭(zhēng)力。目前，非開挖鋪設(shè)管道技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，一次性鋪設(shè)的管道長(zhǎng)度在不斷刷新紀(jì)錄，對(duì)各種地層的適應(yīng)能力越來越強(qiáng)，施工速度和質(zhì)量可以得到更好的保證，已經(jīng)成為市政建設(shè)不可或缺的技術(shù)手段。

3 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)非開挖鋪設(shè)管道的影響

地層和現(xiàn)場(chǎng)勘查對(duì)任何地下工程來說都是非常重要的，地質(zhì)情況不僅影響施工成本，更關(guān)系到施工方法和設(shè)備的選擇。由于微型隧道技術(shù)實(shí)際上是包含在頂管技術(shù)中，關(guān)于頂管技術(shù)的論述對(duì)于微型隧道技術(shù)同樣適用，下面以頂管為例來闡述不同的地層對(duì)非開挖鋪設(shè)管道的影響。

3.1 砂性土

砂性土指粒徑大于0.075mm顆粒小于全重的50%并且塑性指數(shù)不大于10的土。在砂土層中頂管比在粘性土中頂管困難。砂性土層具有含水量大、摩擦阻力大，有液化現(xiàn)象和易塌方等特點(diǎn)。在管道頂進(jìn)砂土層時(shí)，砂土凝聚力差，管上土體塌落后壓在管道之上，增加管道上部的壓力，頂力隨之增大。管道施工的難易往往取決于含水量，含有飽和水的粉、細(xì)砂出現(xiàn)流砂現(xiàn)象，必須采用輔助措施封閉工作面后才能施工。如遇承壓水地層時(shí)，必須做好排水工作否則難以頂進(jìn)。在承壓水作用下的粉、細(xì)砂層，流砂現(xiàn)象嚴(yán)重，有時(shí)甚至出現(xiàn)管涌。必須封閉工作面并采取輔助措施，否則易出現(xiàn)嚴(yán)重地表沉降事故。上海4號(hào)地鐵2003年重大事故就是此原因引起的。在地下水較低、砂土孔隙比又大于0.9時(shí)，砂土呈松散狀態(tài)，稍受震動(dòng)既會(huì)失去穩(wěn)定，出現(xiàn)滑坡和塌方現(xiàn)象，必要時(shí)應(yīng)對(duì)管頂土采取灌漿加固等穩(wěn)定措施。工具管末端加裝保護(hù)罩、嚴(yán)禁超挖等也是防止出現(xiàn)塌方的必要措施[2]。

3.2 粘性土

粘性土指塑性指數(shù)大于10的土。粘性土由于表面靜電的作用使土顆粒粘結(jié)在一起，形成粘性土體。天然含水量的粘性土對(duì)頂管有利，管前可以超挖，如果管頂粘土層足夠厚形成卸力拱，施工時(shí)可按規(guī)定縱深超挖，頂進(jìn)時(shí)所需頂力小，頂進(jìn)設(shè)備也簡(jiǎn)單。隨著含水量的增大會(huì)使工作環(huán)境惡化，可采用加大頂力克服阻力增大的現(xiàn)象。頂管在地下水以下可以采用封閉工作面和降水等方法保證施工順利進(jìn)行。

3.3 其他土層

3.3.1 軟土

軟土有高壓縮性，低滲透性和觸變性的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)極易遭到破壞，以致出現(xiàn)管道沉陷、接口錯(cuò)位等事故。應(yīng)預(yù)先采取措施，預(yù)防頂進(jìn)途中出現(xiàn)問題。

3.3.2 砂礫石層

松散的砂礫石層極易塌方，管道頂進(jìn)后對(duì)其管頂和周圍空隙要及時(shí)填實(shí)以防塌方，應(yīng)考慮頂進(jìn)前后的灌漿加固。地下水以下由于砂礫石層滲透性極大，必須降水后才能頂進(jìn)。

3.3.3 水敏感性土

水敏感性土主要指濕陷性黃土和膨脹土。水敏感性土注意施工時(shí)不得采用水力破土，管道接口保證密封，必要時(shí)采用內(nèi)加固防滲。并適當(dāng)加大管道剛度，設(shè)計(jì)時(shí)增加覆土厚度，加大管道壓力等方法防止管道破壞。

4 頂管施工技術(shù)簡(jiǎn)介

頂管施工就是借助主頂油缸以及中間繼的頂進(jìn)力，把工具管或頂管掘進(jìn)機(jī)從工作坑內(nèi)穿過土層一直頂?shù)浇邮芸觾?nèi)吊起。與此同時(shí)，把緊隨在工具管或掘進(jìn)機(jī)后的管道埋設(shè)在兩個(gè)工作坑之間。一個(gè)完整的頂管施工（如圖1所示）主要包括：工作坑和接受坑、頂管掘進(jìn)機(jī)、主頂裝置中間機(jī)、頂鐵、基坑導(dǎo)軌、后座墻、頂進(jìn)用管、輸土裝置、地面起吊設(shè)備、測(cè)量和校正系統(tǒng)以及注漿系統(tǒng)、供電照明系統(tǒng)、和通風(fēng)換氣系統(tǒng)等。根據(jù)挖掘方法不同，頂管機(jī)可分為手掘式頂管機(jī)和機(jī)械挖掘式、水力破碎式頂管機(jī)。根據(jù)工作面平衡方式的不同，頂管機(jī)可分為自然平衡式、工作面半機(jī)械平衡式、氣壓平衡式和泥水平衡式頂管機(jī)[3]。

圖1 頂管施工示意圖

4.1 手掘式頂管機(jī)

手掘式頂管機(jī)是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為普遍的頂管機(jī)，尤其是在短距離的頂管施工中，由于昂貴的機(jī)械挖掘設(shè)備一次性投入比較大，影響施工的經(jīng)濟(jì)性，普遍采用手掘式頂管施工。手掘式頂管機(jī)結(jié)構(gòu)形式主要取決于工作面對(duì)土壓力的平衡方法。工作面自然平衡手掘式頂管施工主要適用于降水后地下水位以上穩(wěn)定的粘性土層，工作面土體比較穩(wěn)定在自然情況下能夠?qū)崿F(xiàn)自支撐。工作面半自然平衡手掘式頂管施工主要是指工作面采用了網(wǎng)格或擋板等輔助土壓力平衡措施，可以在無粘性土和地層壓力高的土層內(nèi)完成作業(yè)。

4.2 機(jī)械挖掘式（水力破碎式）頂管機(jī)

在長(zhǎng)距離和深度較大的頂管施工中，常常采用機(jī)械式頂管設(shè)備，機(jī)械挖掘式頂管具有頂進(jìn)能力強(qiáng)、施工速度快、距離長(zhǎng)、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械式挖掘頂管機(jī)內(nèi)部裝有挖掘機(jī)械或刀盤，機(jī)械破碎（或水力破碎）下來的土石可以通過傳送帶或螺旋鉆桿等設(shè)備輸送至后面的運(yùn)輸設(shè)備。在頂進(jìn)過程中，只有當(dāng)所處土層地下水壓力和土壓力處于平衡狀態(tài)，并且排土量與掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)所占去的土的體積也處于一種平衡狀態(tài)時(shí)，才能使頂進(jìn)不至于產(chǎn)生地面沉陷或隆起。機(jī)械挖掘式頂管機(jī)多采用土壓平衡工作面和泥水平衡工作面，也可采用氣壓平衡工作面。

4.2.1 土壓平衡工作面原理

土壓平衡頂管是指在頂進(jìn)過程中，利用土倉(cāng)內(nèi)的壓力和螺旋輸送機(jī)械排土來平衡地下水壓力和土壓力。與泥水平衡工作面相比，其最大的特點(diǎn)是排出的土或泥漿一般都不需要進(jìn)行泥水分離等二次處理。其基本原理是通過機(jī)頭前方的刀盤切削土體并攪拌，同時(shí)由輸土機(jī)械輸出挖出的土體。在掘進(jìn)機(jī)的機(jī)頭前方面板上裝有壓力感應(yīng)裝置，操作者通過控制輸土機(jī)的出土量和頂進(jìn)速度來控制頂進(jìn)面的壓力，和前方靜止土壓力保持一致，以防止地面沉降或隆起。

4.2.2 泥水平衡工作面原理

泥水平衡頂管是指在頂進(jìn)過程中，用水力切削泥土以及采用水力輸送棄土，同時(shí)利用泥水壓力來平衡地下水和土壓力的這一類頂管。泥水平衡頂管施工適用土質(zhì)范圍較廣，尤其適用于地下水壓力變化范圍較大的環(huán)境，其對(duì)頂管周圍土體擾動(dòng)較少。如采用泥水管輸送棄土，可以極大提高頂管工作環(huán)境的安全性，作業(yè)時(shí)速度較快。但施工時(shí)棄土的存放和運(yùn)輸相對(duì)困難，泥水處理的噪音和大量泥漿的產(chǎn)生對(duì)環(huán)境的影響較大，同時(shí)對(duì)滲透性不同的土層必須采用不同的泥漿濃度，對(duì)設(shè)備和施工技術(shù)的要求相對(duì)較高。

4.2.3 氣壓平衡工作面原理

氣壓平衡頂管是指在頂進(jìn)過程中，以一定的壓力的壓縮空氣來平衡地下水壓力，疏干地下水，從而保持挖掘面平衡的方法。這種技術(shù)適用于不適宜降水的地層，可以防止降水產(chǎn)生的地表沉降等不利因素。其最大工作空氣壓力不大于0.36MPa，并須保證地表不發(fā)生氣體泄漏。人和物頻繁進(jìn)出壓力艙門直接導(dǎo)致時(shí)間和費(fèi)用的耗費(fèi)。由于投資大，只適用于長(zhǎng)距離的頂管。

5 微型隧道技術(shù)簡(jiǎn)介

微型隧道技術(shù)是直接由鉆井技術(shù)發(fā)展起來的，主要由成孔、擴(kuò)孔、鋪設(shè)管道和輸土四個(gè)過程組成。可以完成新建管道的鋪設(shè)，也可以通過搗碎、擠入等方法對(duì)已建成管道進(jìn)行置換。不同的施工方法其施工機(jī)械可以靈活采用[4]。根據(jù)成孔方法和泥土排出方法不同，可大致分為以下幾種。

5.1 先導(dǎo)式微型隧道方法

先導(dǎo)式微型隧道方法首先進(jìn)行先導(dǎo)鉆孔鉆進(jìn)，然后進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)，在擴(kuò)孔的同時(shí)將要鋪設(shè)的管線頂推或拉入，并將先導(dǎo)鉆桿從目標(biāo)坑中頂出或拉出。先導(dǎo)鉆孔掘進(jìn)和擴(kuò)孔可采用多種方法。

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過切削刀盤來破碎工作面，并通過螺旋輸送裝置將破碎下來的泥土連續(xù)的排至地表的方法。該方法適用于較軟的地層，其控制和導(dǎo)向裝置以及對(duì)管材適應(yīng)性廣。在鋪設(shè)非鋼質(zhì)管道時(shí)，采用專門的螺旋輸送通道，這樣螺旋鉆桿和通過其輸送的泥土對(duì)于所需要施工的管道不會(huì)有荷載的作用[5]。

5.3 水力式微型隧道方法

水力式微型隧道方法是指通過切削刀盤來破碎工作面，并將破碎下來的泥土通過水力方法連續(xù)的從位于刀盤和導(dǎo)向頭后面的破碎室或泥漿室排至地表的方法。這種方法實(shí)際上屬于水平向的沖洗式回轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)。

5.4 氣排式微型隧道方法

氣排式微型隧道方法和水力式微型隧道技術(shù)的唯一區(qū)別是將沖洗介質(zhì)換成了壓縮空氣。

5.5 土擠密式微型隧道方法

土擠密式微型隧道方法是通過擠密頭和導(dǎo)向頭將土層擠密至周圍孔壁的方法，不需要輸土系統(tǒng)。

7 結(jié)束語

非開挖鋪設(shè)排水管道在以前的工程設(shè)計(jì)中，往往是由于各種條件所限制而被動(dòng)的采用。這種經(jīng)濟(jì)、安全的施工方法，只要合理的根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況作出相應(yīng)合理的設(shè)計(jì)，往往會(huì)比明挖施工得到更好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，應(yīng)在今后的設(shè)計(jì)工作中大力推廣。