淺析地下管道非開挖施工技術及其發(fā)展方向

張 浩

（中交建筑集團第六工程有限公司，重慶 401120）

0 引言

過去，城市管道的敷設大多采用露天管道安裝技術，即根據(jù)管道的長度等預先挖掘溝槽，將管道放入其中，然后進行嵌入和填埋。然而，傳統(tǒng)的施工方式會引發(fā)道路封閉、堵塞以及不必要的繞行[1]。此外，地面開挖還會造成環(huán)境污染和噪音污染。正因為這樣，非開挖施工技術一經(jīng)問世就被廣泛應用于地下管道鋪設與維修。

地下管道非開挖施工技術指的是使用各種挖掘設備和技術，在只開挖小面積土地的情況下進行地下管道的鋪設與維修。有了非開挖施工技術的支持，管道安裝與維修不會破壞周圍環(huán)境，也不會影響城市居民的正常生活，解決了傳統(tǒng)開挖施工技術對周圍環(huán)境、建筑和交通的破壞和影響。此外，非開挖施工技術還能減少能源消耗和碳排放量[2]。該技術在國內被廣泛應用于給排水、電力和通訊領域的管網(wǎng)建設與維修，并且還能有效保護古建筑。

目前，中國較流行的非開挖施工技術包括水平定向鉆進技術、頂管法和爆管法等[3]。明確各種技術的優(yōu)缺點，有利于施工人員合理選擇。因此，本文就地下管道非開挖施工技術進行詳細分析，并探討其發(fā)展方向，以供參考。

1 常用非開挖施工技術介紹

1.1 水平螺旋鉆進技術

水平螺旋鉆進技術在施工前需要準備工作坑，將螺旋鉆水平放置到工作坑中。在施工過程中，通過螺旋鉆桿將作用力傳遞到鉆頭，將前方的土壤轉移到工作坑中，如圖1所示。該方法廣泛運用于鐵路和公路等領域，也可用于環(huán)境敏感地區(qū)。水平螺旋鉆進技術可分為軌道式水平螺旋鉆進和吊架式水平螺旋鉆進兩種方法。中國地質大學于2016年研發(fā)出更先進的配套技術，以全面解決精度和效率等問題[4]。

圖1 水平螺旋鉆進施工示意圖

圖2 雙向對穿技術示意圖

水平螺旋鉆進施工工藝可分為以下四個步驟[5]：第一步，在施工前，對施工管道路段的地表設施、地質條件和地下管線等進行勘察，確定鋪設管道的可行性，并進行鉆孔軌跡規(guī)劃；第二步，根據(jù)規(guī)劃路徑，挖掘適當?shù)墓ぷ骺雍徒邮湛樱⒏鶕?jù)土質情況進行必要的加固處理，以滿足鉆進過程中的作用力要求；第三步，安裝水平螺旋鉆機，利用導向設備向既定方向推進；第四步，利用螺旋鉆桿排除鉆孔過程中產(chǎn)生的土渣，鉆機動力頭向前頂進，直到施工完成。

2008年，有學者將水平螺旋鉆進法應用于小口徑排水管工程中。該工程管道總長度為14.2km，施工路徑涉及市區(qū)道路，并且大部分管道鋪設在黏土層中。這是首次將水平螺旋鉆進法應用于鋼筋混凝土排水管工程的案例，取得了良好的效果。

1.2 水平定向鉆進技術

水平定向鉆進技術（Horizontal Directional Drilling,HDD）是一種高效、低成本且對環(huán)境影響較小的非開挖施工技術。該技術所需的設備包括鉆機、鉆具、鉆頭和推管機。水平定向鉆進技術包括電磁感應法探測技術、地下生命線工程的信息化、雙向對穿HDD技術、大口徑HDD技術等。其中，電磁感應探測技術利用目標與周圍環(huán)境的電磁差異，確定生命線的空間位置。地下生命線工程的信息化包括數(shù)據(jù)加載、編輯和輸出等功能，可以更好地實現(xiàn)管線的管理，提高管理效率。

有學者描述了水平定向鉆進技術在大口徑市政管網(wǎng)中的應用[6]。該工程位于貴州花溪區(qū)，總管線長度為1892m，管道距地面深度為12～15m，預計施工時間為4個月。施工過程包括導向孔的鉆進、分級擴孔、清孔和管道回拖等步驟以實現(xiàn)管道鋪設。在該工程中，水平定向鉆進技術相較于頂管法能夠節(jié)約133d的施工時間，同時能夠節(jié)約425萬元的成本。

雙向對穿水平定向鉆進技術用于解決長距離作業(yè)時鉆壓不足、工作效率低下的問題[7]。該技術2006年首次成功應用于錢塘江底部生命線工程，該工程管線長度為2454.15m。該技術的關鍵在于對鉆頭磁場的控制，使得兩側鉆頭能夠成功對接[8]。然而，大口徑對穿水平定向鉆進技術的難度較大，且存在較多風險，例如鉆具失效等情況。因此，該技術對鉆機、鉆頭提出了更高的要求。

1.3 頂管法

頂管法是中國應用最廣泛的非開挖技術之一。頂管法是指利用頂鐵和軌道將管道壓入土層中，并同時將管道內的泥土挖出。當?shù)谝还?jié)管道完全進入土層后，再按照同樣的方式將第二根管道壓入土層中，并在每一節(jié)管道的連接處進行接口處理，如圖3所示。

圖3 頂管工程示意圖

頂管法根據(jù)施工方法可分為對頂法、后拉法等；根據(jù)頂管類型可分為：長大距離頂管、大管徑頂管、微型管頂管、曲線頂管等。近年來，我國在頂管法相關技術方面不斷精進，已達到世界先進水平。伍豪[9]對頂管法在長距離管道施工中的數(shù)據(jù)進行了描述，施工過程中需要計算管道的總頂力、鋼筋混凝土管道接頭的最大承載力、后座墻的穩(wěn)定性參數(shù)等。在施工前，各項參數(shù)需要進行嚴密的計算和控制，為后續(xù)工程提供有力的理論支持。在頂管法中，中繼器是長距離頂管的重要技術措施，能夠分段克服阻力，分散設備頂力，并確保所有管道所承受的頂力在可承受范圍內[10]。除了應用于管道工程，頂管法還廣泛應用于公路隧道和泄洪通道等工程。近年來，我國已經(jīng)在多個工程中采用頂管法進行施工，部分頂管法工程列舉在表2中。

表2 國內部分頂管工程

1.4 爆管法

爆管法是指將爆管工具插入需要替換的舊管道中，通過外力拉或頂?shù)姆绞綄⑴f管道撐破，使管道碎片擠入周圍土層中，同時新的管道在外力的作用下鋪設到原管道位置[11]。該方法也被稱為脹管法，施工方法如圖4所示。

圖4 爆管法工程示意圖

根據(jù)動力來源的不同，爆管法可以分為氣動爆管法、液動爆管法和切割爆管法。在施工前需要注意地質條件、管道位置和管道材質等因素[12]。 地質條件對施工影響較大，若土壤較疏松，則該方法對地面的影響較小。但是當土壤較緊密時，使用爆管法可能會導致地面隆起；土壤過于松散時，可能會導致管道塌陷。

管道的地下位置直接影響著施工的可行性和難度。當管道埋深較大時，還需要考慮管道周圍是否存在地下水以及設備動力是否充足。

爆管法會使舊管道爆破，并產(chǎn)生大量的碎片，這些碎片會進入周圍土壤中，可能對土壤環(huán)境產(chǎn)生影響。隨著舊管道破碎程度的增加，對周圍土壤的影響更小，而舊管道的材質直接影響到其破碎程度。此外，新管道的材質也會影響到管道的承重等問題。

1.5 管道修復技術

除了上述非開挖施工技術用于安裝管道外，還有其他一些非開挖施工技術用于管道維修，例如原位固化法（cured-in-place pipe）、縮徑內襯法（deformed and reformed，DR）和滑襯法（slip lining）。

原位固化法是通過倒置水（或空氣），將熱固性樹脂飽和襯墊引入舊管道，然后內襯膨脹，直到附著在舊管道上。最后通過加熱（或常溫）形成一層薄管，牢固附著在舊管上[13]。

縮徑內襯法的原理是清洗舊管道后，通過機械作用暫時減小新管道的直徑，然后將新管道插入舊管道，最后通過加熱、加壓或自然恢復原形狀和尺寸，實現(xiàn)管道修復[14]。

滑襯法是將新管道插入舊管道，然后在兩個管道之間進行灌漿[15]。

2 非開挖施工技術的發(fā)展方向

由于非開挖施工技術具有多項優(yōu)點，因此在未來仍然會被廣泛用于管道安裝[16-18]。目前，雖然非開挖施工技術具備很大的應用潛力，但是仍然存在一些亟需解決的問題，非開挖施工技術在未來的發(fā)展應著重關注以下三個方面[19-20]。

第一，盡管非開挖施工技術具有簡便快捷的特點，但相對而言費用較高，包括設備和施工過程的費用。因此，未來的發(fā)展方向之就是進一步降低施工成本，這需要技術創(chuàng)新和施工方法的優(yōu)化。

第二，地下管線的相關數(shù)據(jù)由多個部門共同管理，導致管網(wǎng)檔案分散。因此，未來發(fā)展的趨勢是實現(xiàn)管網(wǎng)管理、檢測和修復過程的信息化。

第三，在智能化方面，發(fā)展管道機器人，并利用空洞探測技術和其他技術進行管道的檢測和維修，也是未來發(fā)展的方向。

3 結束語

綜上所述，非開挖施工技術可以在不干擾周圍施工環(huán)境的情況下完成施工任務。本文對常用的非開挖施工技術進行了歸納總結，為未來城市管網(wǎng)施工時選擇合適的非開挖施工技術提供依據(jù)；還對非開挖施工技術的發(fā)展方向進行了分析，以期為相關研究人員提供思路。當前，地下管網(wǎng)的安裝和維修仍然存在較多問題，分散式管理也不利于管道的安裝和維修，高昂的費用也是制約其發(fā)展的瓶頸之一。因此，通過技術和管理創(chuàng)新進一步降低成本，實現(xiàn)信息化和智能化是非開挖施工技術持續(xù)發(fā)展的關鍵。