河南鄭州地區(qū)非開挖技術(shù)的適用性研究及應(yīng)用

余明輝　楊昌勝

摘 要：地下管網(wǎng)工程建設(shè)是市政工程建設(shè)中的重要組成部分，其工程質(zhì)量直接關(guān)系著城市的現(xiàn)代化發(fā)展。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的明挖施工會(huì)對城市造成各種負(fù)面影響，所以，參考國內(nèi)外成功應(yīng)用地鐵、管道等非開挖技術(shù)的案例，著重研究、分析了各種非開挖技術(shù)的特征。結(jié)合鄭州地區(qū)典型的工程地質(zhì)條件特征的分類，闡述了非開挖技術(shù)在鄭州地區(qū)的推廣應(yīng)用情況，并指出了鄭州地區(qū)不同地質(zhì)條件下不同非開挖技術(shù)的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：地下管網(wǎng)；非開挖技術(shù)；適用性；工程地質(zhì)條件

中圖分類號：TU992.05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.008

1 概述

非開挖施工技術(shù)（Trenchless Technology或NO-DIG）就是在地表不開溝的情況下，利用各種巖土鉆掘技術(shù)鋪設(shè)管道，更換或修復(fù)地下公用設(shè)施，最大程度地減小對人們生活造成的影響。這種技術(shù)工作效率高，不影響交通、不污染環(huán)境，而且施工時(shí)間短、投入的人力少，施工安全性也高。

市政管網(wǎng)工程是地下隱性工程，它是城市的生命線。隨著地下工程的逐漸增多和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，非開挖施工技術(shù)在進(jìn)入工程施工市場30多年的時(shí)間里，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 非開挖施工技術(shù)的發(fā)展

在發(fā)達(dá)國家，非開挖地下管線工程的施工量占管線工程總施工量的10%左右，其中，個(gè)別城市，比如德國柏林已經(jīng)達(dá)到了40%左右。1994年，美國政府批準(zhǔn)了包括非開挖施工技術(shù)在內(nèi)為期7年投資2.5億美金的“先進(jìn)鉆探和掘進(jìn)技術(shù)國家計(jì)劃”；同時(shí)，英國曼徹斯底工業(yè)大學(xué)、美國路易安娜理工大學(xué)、法國波恩大學(xué)設(shè)立了非開挖施工技術(shù)專業(yè)和相應(yīng)的研究機(jī)構(gòu)。1996年，國際非開挖技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTT）在英國倫敦宣告成立，目前，已有近30個(gè)國家和地區(qū)加入該協(xié)會(huì)，并擁有1 000多個(gè)會(huì)員，每年都會(huì)舉辦一兩次國際性技術(shù)交流和設(shè)備展覽會(huì)。

20世紀(jì)90年代，我國從國外引進(jìn)了采用非開挖施工技術(shù)所需的設(shè)備，90年代后期，我國地質(zhì)、礦產(chǎn)部門開始自主研發(fā)非開挖技術(shù)和設(shè)備，并涌現(xiàn)出了一批專門或兼營非開挖設(shè)備的施工公司。1998-04，中國非開挖技術(shù)協(xié)會(huì)在北京成立；2002年，上海市非開挖技術(shù)協(xié)會(huì)成立。北京、上海兩地管線施工已經(jīng)走在了非開挖施工技術(shù)發(fā)展的前列。

從表1中可以看出，隨著我國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，城市建設(shè)中需要鋪設(shè)大量的新管道，城市道路需要擴(kuò)寬，其他地下工程施工對管網(wǎng)造成了一定的危害，需要改造，所以，非開挖施工技術(shù)將有廣闊的應(yīng)用前景。

3 非開挖施工技術(shù)的特點(diǎn)及其適用條件

非開挖施工技術(shù)的特點(diǎn)是：①消除了傳統(tǒng)開挖施工對居民正常生活的影響，對交通、環(huán)境、周邊建筑基礎(chǔ)造成的破壞；②在無法進(jìn)行或不允許開挖施工的場合施工（比如穿越河流、湖泊、公路、鐵路、重要建筑物等），應(yīng)用非開挖技術(shù)穿越鋪設(shè)，可以將管線設(shè)計(jì)在工程量最少的地點(diǎn)；③現(xiàn)代非開挖技術(shù)可以高精度、高效率地控制地下管線的鋪設(shè)方向、埋深，從而精確繞過地下障礙；④在可比性相同的情況下，非開挖管線鋪設(shè)、更換、修復(fù)綜合技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均高于傳統(tǒng)開挖施工。

目前，根據(jù)施工長度、地質(zhì)特點(diǎn)、土層特性、地下水文和周圍環(huán)境的不同，采用管線鋪設(shè)技術(shù)施工時(shí)的方法也不同，具體適用條件如表2所示。

3.1 微型隧道法

微型隧道法是激光導(dǎo)向的頂管方法，主要應(yīng)用于給水管、天然氣主管道的安裝。其施工長度為25～225 m，管徑為0.25～3 m。

3.2 水平定向鉆進(jìn)法

水平定向鉆進(jìn)法主要應(yīng)用于松軟地層鋪設(shè)長度較短的小口徑地下管線。該工藝施工速度快、定位精度高，是目前城市建設(shè)中管線穿越安裝使用率最高的工藝。

3.3 水平螺旋鉆進(jìn)法

采用水平螺旋鉆進(jìn)法，鋪管的長度一般為30～100 m，鋪管直徑為1～1.5 m，平均施工速度為12 m/h。由于輔助施工時(shí)間占總施工時(shí)間的75%～85%，所以，采用這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是在鉆進(jìn)過程中，如果地層發(fā)生變化或鉆頭被磨損，可以隨時(shí)退出螺旋鉆桿更換鉆頭。

3.4 夯管錘法

夯管錘法適用于直徑為0.6～2 m的大口徑鋼管作業(yè)。在具體施工過程中，要采取壓縮空氣或液壓的方法將管材夯入地層，然后再從管道中向外排運(yùn)渣土。這種方法的安全系數(shù)較高，適用于各種土層、砂層。

3.5 沖擊矛法

沖擊矛法一般適用于管徑在0.25 m以內(nèi)的各種地下管線。

3.6 頂管法

頂管法一般適用于1～4 m的管道施工工程。這種方法機(jī)械化程度高、方向控制精度高、埋深不限，可以實(shí)現(xiàn)曲線頂進(jìn)。

4 鄭州地區(qū)非開挖技術(shù)適應(yīng)性分析

鄭州市區(qū)位于華北平原的中南部，北臨黃河，西南依嵩山，由西南向東北傾斜，依次為丘陵崗地、波狀平原、傾斜平原，坡降比為0.3%～0.46%.該地西南部為半山區(qū)，有多條河流自山區(qū)流經(jīng)市區(qū)，而河流帶來的大量物源則形成了大面積的沖積扇體。北距鄭州市區(qū)22 km的黃河決口扇與沖積扇體交織形成市區(qū)新近沉積土層。市區(qū)西南部以沖積平原為主，東北部具有下伏沖積扇體、上覆泛濫平原的雙層沉積相結(jié)構(gòu)特征。鄭州市區(qū)的天然土層多為粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂等，它們交替或互層（夾層）出現(xiàn)。另外，部分有中粗砂層揭露，局部砂層呈透鏡體狀。在粉土、粉質(zhì)黏土中還有鈣質(zhì)結(jié)核，西南部分地區(qū)還出現(xiàn)鈣質(zhì)膠結(jié)的砂礫巖層。

根據(jù)鄭州市區(qū)巖土體的沉積特征，將城區(qū)分為沖積平原區(qū)和泛濫平原區(qū)。結(jié)合工程地質(zhì)條件的差異，將2個(gè)工程地質(zhì)區(qū)分別劃為4個(gè)亞區(qū)，即地形復(fù)雜亞區(qū)、地形平坦亞區(qū)、人工填土亞區(qū)和軟土亞區(qū)。

鄭州遠(yuǎn)景規(guī)劃到2020年，市區(qū)總?cè)丝谶_(dá)到1 500萬以上。2013-03-07，國務(wù)院正式批復(fù)了《鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)發(fā)展規(guī)劃（2013—2025年）》。隨著鄭州市各大型建設(shè)項(xiàng)目的推進(jìn)，各種燃?xì)?、電訊、電力、自來水和污水等地下管道建設(shè)項(xiàng)目越來越多。目前，鄭州市區(qū)的地下管網(wǎng)系統(tǒng)相當(dāng)龐大而復(fù)雜，每年都有大量的地下管線需要原位更換和修復(fù)。隨著人們文明意識(shí)和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，開挖路面進(jìn)行地下管線施工產(chǎn)生的社會(huì)影響、交通問題和環(huán)境污染問題備受人們的關(guān)注。因此，在鬧市區(qū)進(jìn)行地下管線的建設(shè)、原位更換，必須要采用非開挖技術(shù)。非開挖技術(shù)的使用情況如表3所示。

5 鄭州地區(qū)應(yīng)用非開挖施工技術(shù)的工程案例

鄭州五里堡車輛段冬季供暖（供暖面積31 293 m2）擬加入市政集中供熱。在鄭州五里堡車站地區(qū)的熱源改造工程中，采用的是60 ℃（回水）～85 ℃（供水）的熱水采暖系統(tǒng)。室外供暖管網(wǎng)主干管部分至動(dòng)車所管網(wǎng)為直埋敷設(shè)，其余大部分為架空敷設(shè)。室外供暖管道采用無縫鋼管，下穿鐵路共有3處，管道直徑為DN125和DN150，采用焊接的方式連接。為了保證車站能夠按時(shí)供暖，必須在25 d內(nèi)完成工程。但是，站內(nèi)軌道多、道岔多、路基下管線多、場地復(fù)雜，所以，工程施工有一定的難度。該場地2～3.5 m為雜填土，3.5～9 m為土黏質(zhì)砂土，屬于Ⅰ類普通土，其基本承載力為80～100 kPa。另外，因?yàn)榈叵滤裆钶^大，所以，它對工程無影響。在施工過程中，使用到的導(dǎo)向鉆桿、激光靶標(biāo)和激光接收器如圖1、圖2、圖3所示。

經(jīng)過綜合分析，用D426×12 mm無縫Q235C套管（每管節(jié)長為6 m或3 m）下穿鐵路，并采用水平螺旋鉆鉆進(jìn)+鋪管技術(shù)。在施工過程中，將鐵路一側(cè)作為出發(fā)坑（11 m×6.0 m），一側(cè)作為接受坑（7 m×6.0 m），管道埋深為5.5 m，鋪管速度為12 m/h。采用水平螺旋鉆鉆進(jìn)+鋪管技術(shù)，有效避免了架空鐵路工期長、投資大等問題，還降低了水平導(dǎo)線鉆鋪管技術(shù)導(dǎo)致的檢修困難。另外，在施工過程中發(fā)現(xiàn)，頂管法、水平定向鉆法、夯管錘法、水平螺旋鉆進(jìn)法適用于軟硬土層，同時(shí)，它們也可用于水下施工。這些技術(shù)在鄭州任何地方都可以得到很好的應(yīng)用，并將更好地發(fā)揮非開挖技術(shù)的優(yōu)越性。

該項(xiàng)目是鄭州路局首次采用非開挖施工技術(shù)穿越鐵路。采用這項(xiàng)技術(shù)，既保證了車站能夠按時(shí)供暖，又為我院贏得了榮譽(yù)。

6 結(jié)束語

《城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范》的出臺(tái)使城市管線地下化成為了市政建設(shè)的重要內(nèi)容。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市地下空間的開發(fā)利用率越來越高。

目前，管道施工條件越來越復(fù)雜，管道越來越長，施工管道的口徑也越來越大。所以，非開挖施工設(shè)備將朝著大噸位的方向發(fā)展。鑒于此，各級主管部門應(yīng)加大對非開挖技術(shù)的研究力度，盡快制訂符合我國國情的設(shè)計(jì)規(guī)范和施工工藝，不斷提高信息化施工程度。尤其是下穿鐵路路基或高鐵（尤其有砟軌道高鐵橋墩工后沉降不能超過5 mm），在保證埋深的情況下，施工前要采取必要的防護(hù)措施保護(hù)路基或橋墩，并實(shí)時(shí)監(jiān)測其具體情況。另外，非開挖技術(shù)隊(duì)伍應(yīng)朝著規(guī)模化和專業(yè)化的方向發(fā)展，積極創(chuàng)新開挖施工方法，根據(jù)市場需求不斷提高非開挖技術(shù)的施工水平，以推動(dòng)其發(fā)展。

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作者簡介：余明輝（1982—），男，市政工程師，2006年畢業(yè)于四川大學(xué)土木工程專業(yè)（本科），2009年畢業(yè)中國礦業(yè)大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)（碩士），現(xiàn)主要從事城市路橋及軌道交通設(shè)計(jì)方面的工作。楊昌勝（1981—），男，市政工程師，2004年畢業(yè)于浙江大學(xué)土木工程系（本科），2009年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程系（碩士），現(xiàn)主要從事市政工程安全質(zhì)量監(jiān)督方面的工作。

〔編輯：白潔〕