非開挖技術(shù)在城市管道工程中的應(yīng)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(shù)在城市管道工程中的應(yīng)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(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，電纜管、上下水管網(wǎng)、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(fā)展，地下管線的長度持續(xù)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(shè)、更換和修復(fù)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(yōu)點(diǎn)而日益受到社會的重視。在國外，尤其是發(fā)達(dá)國家，非開挖技術(shù)的應(yīng)用已十分普遍。

1 發(fā)展歷史與應(yīng)用前景

非開挖技術(shù)雖然已有近百年的歷史，但其重大的發(fā)展始于20世紀(jì)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(jìn)一根混凝土管，從那以后，頂管法的應(yīng)用遍及美國各地。20世紀(jì)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(shè)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(jì)70年代初，日本首次出現(xiàn)了微型隧道施工法，并且相繼推出了一系列的微型頂管機(jī)。我國非開挖施工技術(shù)和設(shè)備的開發(fā)和研制工作起步較晚，至今對非開挖地下管線施工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用尚未引起足夠的重視。我國的非開挖技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展大致可分為兩個(gè)階段：1953一1985年為第一階段，即使用傳統(tǒng)的非開挖技術(shù)階段；1985年至今為第二階段，即引入現(xiàn)代非開挖技術(shù)階段。

在我國，非開挖技術(shù)的市場前景與現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)程密切相關(guān)，這為我國非開挖技術(shù)的發(fā)展提供了有利的條件，市場潛力巨大。我國已經(jīng)擁有一個(gè)相當(dāng)龐大的地下管網(wǎng)系統(tǒng)，為了避開現(xiàn)有的密集管網(wǎng)系統(tǒng)，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(yōu)越性更為顯著。隨著現(xiàn)代文明意識和環(huán)保意識的逐漸加強(qiáng)，開挖路面進(jìn)行地下管線施工導(dǎo)致的社會問題、交通問題和環(huán)境污染問題已越來越受到人們的關(guān)注。城市限制開挖施工的法規(guī)陸續(xù)出臺，其適用面將逐漸擴(kuò)展，這對非開挖技術(shù)的推廣應(yīng)用無疑會產(chǎn)生極大的推動作用。

2 非開挖技術(shù)的工程應(yīng)用

2.1 在管道鋪設(shè)中的應(yīng)用

大口徑管道的鋪設(shè)通常采用頂管法、盾構(gòu)法、隧道施工法等。小口徑管道的鋪設(shè)可以采用水平定向鉆進(jìn)法、導(dǎo)向鉆進(jìn)法、氣動矛法、夯管法、微型隧道法、頂推鉆進(jìn)法等等。

1）頂管法

頂管施工是繼盾構(gòu)施工之后而發(fā)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(xiàn)在，頂管施工作為一種常規(guī)施工工藝已被業(yè)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(yùn)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(shè)計(jì)路線上施工一定數(shù)量的小基坑作為頂管工作井，作為一段頂管的起點(diǎn)與終點(diǎn)，工作井的一面或兩面?zhèn)缺谠O(shè)有圓孔作為預(yù)制管節(jié)的出口和進(jìn)口。頂管出口孔壁對面?zhèn)葔槌袎罕?，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(hù)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(dǎo)，將預(yù)制管節(jié)按設(shè)計(jì)軸線逐節(jié)頂入土層中，直至工具頭后第一段管節(jié)的前端進(jìn)入下一工作井的進(jìn)口，這樣，就施工完一段管道的鋪設(shè)。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(shè)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(jìn)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(dǎo)向鉆進(jìn)法

導(dǎo)向鉆進(jìn)法是發(fā)展最快的一種非開挖鋪設(shè)管線施工法，它主要用于在松軟的地層鋪設(shè)長度較短的小口徑地下管線。導(dǎo)向鉆進(jìn)法的基本原理：先利用導(dǎo)向鉆機(jī)、隨鉆測量儀以及有關(guān)鉆具沿欲鋪設(shè)管線的設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)一個(gè)導(dǎo)向孔，隨后邊擴(kuò)孔邊回拉待鋪設(shè)的地下管線，導(dǎo)向鉆進(jìn)法以斜面鉆頭來控制鉆孔方向，鉆頭軌跡的監(jiān)視，一般由手持式地表探測器和孔底探頭來實(shí)現(xiàn)，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(shè)小口徑（d＜250 mm）的各種地下管線。氣動矛法施工時(shí)，在壓力的作用下氣動矛內(nèi)的活塞作往復(fù)運(yùn)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(jìn)。隨著氣動矛的前進(jìn)，將直徑比矛體小的管線拉人孔內(nèi)，完成管線鋪設(shè)。雖然已有可控制的氣動矛出現(xiàn)，但絕大多數(shù)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(yīng)用

現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)，一方面，所有管線的使用壽命都是有限的，使用一定時(shí)間就必須進(jìn)行修復(fù)或更換；另一方面，隨著城市的改建和擴(kuò)建，原有的地下管線不能滿足要求，必須進(jìn)行更換，非開挖技術(shù)在管道更換中的應(yīng)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(nèi)將舊管破碎，并將碎片擠壓到周圍的土層，同時(shí)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(jīng)改進(jìn)的微型隧道施工設(shè)備或其他的水平鉆機(jī)，以舊管為導(dǎo)向，將舊管從端部連同周圍的土層回轉(zhuǎn)切削，破碎或沖擊破碎的同時(shí)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(fù)中的應(yīng)用

管道的修復(fù)是指采用內(nèi)襯等方法來改一善舊管的流動性能和修復(fù)結(jié)構(gòu)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(nèi)襯法、軟襯法、噴涂法等。

1）內(nèi)襯法

內(nèi)襯法是在施工前將新管通過機(jī)械變形，使其端面產(chǎn)生變形（直徑變小或改變形狀），隨后將其送入舊管內(nèi)，最后通過加熱、加壓或靠自然作用使其恢復(fù)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(xiàn)有的舊管內(nèi)壁上襯一層熱固性物質(zhì)，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(shí)，高速回轉(zhuǎn)的噴頭在絞車的牽引下，一邊后退一邊將水泥漿液或環(huán)氧樹脂均勻地噴涂在舊管道的內(nèi)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(guān)鍵是選擇合適的施工方法和施工機(jī)械。管道施工方法和施工機(jī)械的選擇，主要根據(jù)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、管道埋深、管道端面形狀及尺寸、施工技術(shù)條件和施工技術(shù)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(jìn)；對于土體較松軟、含水量較大的砂質(zhì)粉土，可采用水沖式頂管機(jī)。施工方法與施工機(jī)械相輔相成，一定的施工方法對應(yīng)著一定的施工機(jī)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(jìn)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(zhì)型，小刀盤的土壓平衡頂管機(jī)和大刀盤的土壓平衡頂管機(jī)在工程中經(jīng)常被采用。因此管道施工方法的選擇，應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，選擇合適的施工方法，采用相成的設(shè)備，在科學(xué)管理下進(jìn)行信息化。

3 非開挖技術(shù)存在的幾個(gè)問題

盡管我國非開挖技術(shù)和設(shè)備近年來有了很大的發(fā)展，但與發(fā)達(dá)國家相比，仍存在很多問題。

1）至今尚無明確的行業(yè)目錄和行業(yè)主管部門。

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

3）對非開挖設(shè)備的開發(fā)投入不足。對于大多數(shù)的非開挖工程，設(shè)備大多采用德國、日本等發(fā)達(dá)國家的進(jìn)口設(shè)備，設(shè)備國產(chǎn)化不夠。

4）設(shè)計(jì)尺寸和施工設(shè)備沒有模數(shù)化，使設(shè)備不能被充分利用，阻礙了非開挖技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

5）目前，我國的非開挖工程主要為地下管線的鋪設(shè)，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地下管線的更換和修復(fù)工程也將會逐漸增多，應(yīng)加強(qiáng)對管線更換和修復(fù)方面的研究。

6）在施工過程中，應(yīng)盡可能地采用信息化施工。通過對工程的監(jiān)測，一方面可以指導(dǎo)施工，實(shí)施控制，防止施工事故的發(fā)生；另一方面，為今后的工程實(shí)踐提供有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)和第一手資料。這一點(diǎn)在很多非開挖工程中還未得到充分的重視。

4 結(jié)語

對非開挖施工方法造價(jià)的評估不能單單只考慮直接成本，應(yīng)綜合間接成本和社會成本，考慮環(huán)境生態(tài)等方面的因素。各級主管部門應(yīng)加強(qiáng)對非開挖技術(shù)的認(rèn)識，使非開挖技術(shù)得到推廣；加大設(shè)備研制的力度，吸收國內(nèi)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，使施工設(shè)計(jì)尺寸和施工設(shè)備模數(shù)化，提高設(shè)備利用率，盡快形成適合我國國情的設(shè)計(jì)規(guī)范和施工工藝。城市管線地下化，將是市政建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。加大城市地下空間的開發(fā)利用，將城市的基礎(chǔ)設(shè)施建造在地下，已成為未來發(fā)展的方向之一，非開挖技術(shù)作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，將在未來的城市建設(shè)中擔(dān)任重要的角色。

2017-08-22