非開(kāi)挖施工技術(shù)在市政管道施工中的應(yīng)用研究

路冬

（邢臺(tái)路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北 邢臺(tái)054000）

1 引言

采用傳統(tǒng)的開(kāi)挖式施工模式敷設(shè)管道會(huì)消耗大量的人力、物力、財(cái)力，并且施工周期長(zhǎng)，會(huì)影響施工區(qū)域內(nèi)居民的日?；顒?dòng)，影響交通以及商業(yè)的發(fā)展。而非開(kāi)挖施工技術(shù)在市政管道施工中，相對(duì)于傳統(tǒng)的模式，所消耗的人力、物力、財(cái)力會(huì)大大減少，施工簡(jiǎn)單，施工周期短，對(duì)城市居民的影響較小。并且非開(kāi)挖施工技術(shù)對(duì)土層造成的影響較小，在一定程度上保護(hù)了城市的土壤結(jié)構(gòu)[1]。相對(duì)于傳統(tǒng)的施工技術(shù)，非開(kāi)挖施工技術(shù)不僅能取得較大的經(jīng)濟(jì)效益，而且還能取得巨大的社會(huì)收益，有利于城市化進(jìn)程的快速發(fā)展。在城市化的發(fā)展中，市政管道建設(shè)是一項(xiàng)重要的項(xiàng)目。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)市政管道施工的要求，保證市政管道的耐用性。在施工前，必須對(duì)項(xiàng)目開(kāi)展的各個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行完整的設(shè)計(jì)，同時(shí)，必須加強(qiáng)對(duì)施工人員的技術(shù)培訓(xùn)，保證施工人員熟悉整個(gè)施工過(guò)程，這樣才能使非開(kāi)挖技術(shù)施工應(yīng)用具有成熟性與可靠性[2]。

2 非開(kāi)挖技術(shù)的工程應(yīng)用

市政管道工程中應(yīng)用到的非開(kāi)挖施工技術(shù)主要包括舊市政管線的修復(fù)與置換和新市政管線的敷設(shè)。舊市政管線敷設(shè)涉及的施工技術(shù)主要包括纏繞法、變形再生法、原位置置換管道法以及固化法等。新市政管線敷設(shè)涉及的施工技術(shù)主要有水平定向鉆進(jìn)法、新管頂進(jìn)法、微型隧道法以及夯管法等。

2.1 非開(kāi)挖技術(shù)在市政新管線敷設(shè)工程中的應(yīng)用

2.1.1 水平定向鉆進(jìn)法施工

水平定向鉆進(jìn)法施工工藝可實(shí)現(xiàn)快速敷設(shè)市政地下管線且不需開(kāi)挖工作井。該施工工藝的核心技術(shù)是將控向技術(shù)和鉆探技術(shù)進(jìn)行完美結(jié)合，形成一種現(xiàn)代化的非開(kāi)挖施工技術(shù)。水平定向鉆進(jìn)法施工技術(shù)是非開(kāi)挖施工技術(shù)中應(yīng)用較為廣泛的一種技術(shù)。水平定向鉆進(jìn)法施工原理是先利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)功能預(yù)先設(shè)計(jì)好市政管線的敷設(shè)路線，然后將帶有楔形鉆頭的鉆桿在鉆機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下從地面鉆進(jìn)目的地，鉆進(jìn)過(guò)程中按照設(shè)計(jì)路線避開(kāi)地下其他管線以及障礙物。當(dāng)楔形鉆頭鉆至指定位置后，將楔形鉆頭換成尺寸符合設(shè)計(jì)要求的回程擴(kuò)孔器，回程擴(kuò)孔器的尺寸以滿足鉆桿拉回且保證需要敷設(shè)的新管線可遷回至地面鉆孔處為準(zhǔn)。之所以這樣控制回程擴(kuò)孔器的尺寸，是要保證新管線敷設(shè)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)榭臻g不足而發(fā)生摩擦導(dǎo)致管線受損的現(xiàn)象發(fā)生。此外，在擴(kuò)孔時(shí)要同步注入化學(xué)泥漿護(hù)壁確保擴(kuò)孔的同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。

施工中應(yīng)用的機(jī)械設(shè)備主要有：可定位導(dǎo)向的鉆機(jī)、輔助鉆機(jī)鉆進(jìn)的機(jī)載導(dǎo)航儀、自備吊車、輔助動(dòng)力設(shè)備、地下管線探測(cè)儀器以及夯管設(shè)備等。水平定向鉆進(jìn)法施工工藝可以敷設(shè)的管道材質(zhì)多為剛性連接管道，如鋼管、PE 管道以及PVC管道。水平定向鉆進(jìn)法施工前應(yīng)將待敷設(shè)管道在地面連接完成，管線繞過(guò)地下障礙物處需要在轉(zhuǎn)彎處設(shè)置1°的借轉(zhuǎn)角度，單次最大鉆進(jìn)距離不超過(guò)800 m，導(dǎo)向定位系統(tǒng)的安全工作距離深度應(yīng)控制在30 m 以內(nèi)[3]。水平定向鉆進(jìn)法施工較為靈活，可以自行處理地層復(fù)雜區(qū)域內(nèi)的鉆進(jìn)作業(yè)，如果在鉆進(jìn)過(guò)程遇到較大障礙物無(wú)法持續(xù)鉆進(jìn)時(shí)，可以舍棄現(xiàn)有鉆進(jìn)路線重新選擇一條鉆進(jìn)路線，不會(huì)浪費(fèi)所敷設(shè)的管材。然而，水平定向鉆進(jìn)施工法也存在一定的局限性，最主要的局限就是對(duì)施工場(chǎng)地有硬性要求，要求施工場(chǎng)地一側(cè)可以容納下鉆進(jìn)鉆機(jī)，另一側(cè)需要具有滿足管坑開(kāi)挖的場(chǎng)地。如果施工場(chǎng)地一側(cè)滿足條件，而施工場(chǎng)地另一側(cè)無(wú)法滿足條件，則不能應(yīng)用水平定向鉆進(jìn)法施工。

2.1.2 夯管法

夯管法也是非開(kāi)挖市政管線施工中較為常用的一種施工方法，其施工工藝相對(duì)較為簡(jiǎn)單，采用夯管錘將需要敷設(shè)的鋼制管線直接夯入預(yù)先設(shè)計(jì)的埋設(shè)線路，夯管錘動(dòng)力系統(tǒng)要求具有頻率低且沖擊力大的特點(diǎn)。各種類型的鋼管只要滿足直徑在2 m 以內(nèi)，長(zhǎng)度在100 m 以內(nèi)都可以采用夯管設(shè)備進(jìn)行敷設(shè)。夯管法對(duì)施工場(chǎng)地的要求不同于水平定向鉆進(jìn)法需要兩側(cè)均有足夠的施工產(chǎn)地，夯管法只要求場(chǎng)地一側(cè)有滿足下管坑的范圍即可，夯管法主要應(yīng)用在直徑較大的鋼管敷設(shè)中，具有較高的施工效率。

夯管法施工主要應(yīng)用的機(jī)械設(shè)備有柴油發(fā)電機(jī)組、空壓機(jī)以及夯管錘等。夯管法施工時(shí)，鋼管后部是夯錘主要著力點(diǎn)，鋼管將夯錘傳遞的壓力傳遞到管道前端的管靴，管靴在力的作用下實(shí)現(xiàn)了土體的切削，切削動(dòng)作克服了管道與土體之間的摩擦力，使鋼管逐漸進(jìn)入指定地層。鋼管前進(jìn)的同時(shí)，被切削的土體自動(dòng)進(jìn)入鋼管內(nèi)部，當(dāng)首節(jié)鋼管夯實(shí)進(jìn)入土體后，將緊后鋼管與首節(jié)鋼管進(jìn)行焊接，并重復(fù)之前的夯實(shí)作業(yè)，直至最后一節(jié)鋼管夯入土體為止。當(dāng)所有鋼管夯入土體后，采用空氣壓縮機(jī)將鋼管內(nèi)土體全部排出。夯管過(guò)程中的夯入方向、夯入角度以及夯入深度通過(guò)全站儀和水準(zhǔn)儀實(shí)時(shí)測(cè)量進(jìn)行控制，確保夯入精度符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。夯管法施工工藝沒(méi)有較難的技術(shù)應(yīng)用，完全是依靠動(dòng)荷載進(jìn)行夯實(shí)作業(yè)，施工過(guò)程中沒(méi)有主動(dòng)挖土作業(yè)內(nèi)容，不會(huì)引起土層的不均勻沉降，且適應(yīng)各類復(fù)雜地質(zhì)情況，施工周期較短。但是夯管法敷設(shè)的管線類型單一，只能敷設(shè)鋼制管材，單次敷設(shè)管線長(zhǎng)度不能超過(guò)100 m，如果遇到復(fù)雜地層導(dǎo)致夯管作業(yè)無(wú)法按照預(yù)定方案進(jìn)行時(shí)，需要將已夯入的管線拔出重新選址合適的夯入點(diǎn)，如果已夯入的管線無(wú)法順利拔出，會(huì)造成管線浪費(fèi)的情況發(fā)生。

2.1.3 微型隧道法

微型隧道法又稱盾構(gòu)法，是相對(duì)于地鐵建設(shè)采用的盾構(gòu)法而言的。因?yàn)榈罔F盾構(gòu)法的施工機(jī)械是大型盾構(gòu)機(jī)，而市政管道敷設(shè)所采用的小型盾構(gòu)機(jī)械，一種小型的前端挖掘后端襯砌的盾構(gòu)設(shè)備。小型盾構(gòu)設(shè)備主要由設(shè)備前端的切削環(huán)、設(shè)備中部的支撐環(huán)以及設(shè)備尾部的襯砌環(huán)3 部分組成。設(shè)備前端的切削環(huán)相當(dāng)于整個(gè)小型盾構(gòu)設(shè)備的保護(hù)罩，可以將前端刃腳插入土體內(nèi)進(jìn)行掘進(jìn)，然后通過(guò)機(jī)械在閉環(huán)內(nèi)出土。設(shè)備中部的支撐環(huán)內(nèi)安裝了液壓千斤頂，作為設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)，千斤頂?shù)囊粋?cè)與切削環(huán)連接，當(dāng)前端切削環(huán)挖土工作完成后，千斤頂負(fù)責(zé)將整個(gè)盾構(gòu)機(jī)向前移動(dòng)。當(dāng)設(shè)備中部的千斤頂歸位后，設(shè)備后端就露出了襯砌環(huán)，因?yàn)樵O(shè)備這時(shí)已經(jīng)前進(jìn)一段距離，這時(shí)候襯砌環(huán)內(nèi)設(shè)備開(kāi)始進(jìn)行襯砌工作，鉆孔護(hù)壁保證挖掘的安全性。當(dāng)機(jī)械襯砌完成后，又重新開(kāi)始下一個(gè)挖掘—襯砌的重復(fù)動(dòng)作，直到施工完畢。

2.1.4 頂管法

市政工程頂管施工法是在盾構(gòu)施工法之后發(fā)展起來(lái)的一種新型市政地下管道施工方法。頂管法施工所適用的管道直徑在0.6～4 m。我國(guó)最早采用的非開(kāi)挖施工方法就是頂管法。在頂管法應(yīng)用初期，通常作為一種特殊的地下管線施工工藝來(lái)使用，而且不輕易使用。隨著時(shí)間的推移，建設(shè)單位逐步接受了該施工工藝。頂管法應(yīng)用初期主要是集中在下水道管線施工中使用，隨著時(shí)間的推移，開(kāi)始逐步應(yīng)用到自來(lái)水管、煤氣管道、通信管道以及動(dòng)力電纜管道等諸多市政地下管道的施工中，而且使用的頻率越來(lái)越高。頂管法施工工藝最大的優(yōu)勢(shì)是在市中心繁華區(qū)域施工時(shí)，可以在不采取交通管制的情況下進(jìn)行地下管線敷設(shè)作業(yè)。

2.2 非開(kāi)挖技術(shù)在市政舊管線修復(fù)中的應(yīng)用

市政工程地下舊管道修復(fù)工程在市政地下管線施工管理中占據(jù)重要管理地位，當(dāng)市政地下管線出現(xiàn)局部破損或者區(qū)域性損傷后，通常采用管道局部修復(fù)、獨(dú)立性管道修復(fù)或者全部管道整體性修復(fù)等措施。管道局部修復(fù)策略避免了管道重新敷設(shè)，減少了市政總投資，也提升了市政工程的社會(huì)效益，以上提及的管道修復(fù)設(shè)備專業(yè)性都比較強(qiáng)，在舊管道修復(fù)初期，我國(guó)大部分管道修復(fù)設(shè)備依賴進(jìn)口。近年來(lái)，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，大部分管道修復(fù)設(shè)備已滿足國(guó)產(chǎn)化，管道修復(fù)技術(shù)大部分也擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)，其中常用的舊管道修復(fù)技術(shù)如內(nèi)襯法、纏繞法以及爆管法都已經(jīng)作為非常成熟的技術(shù)在實(shí)際中應(yīng)用。非開(kāi)挖管道修復(fù)技術(shù)在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用已相當(dāng)普及，而在我國(guó)的應(yīng)用范圍還沒(méi)有達(dá)到應(yīng)有的廣度，但是我國(guó)擁有數(shù)量龐大的地下管線修復(fù)數(shù)量，這勢(shì)必會(huì)為非開(kāi)挖舊管道修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)。隨著時(shí)間的推移，我國(guó)大量的舊管線非開(kāi)挖修復(fù)技術(shù)將不斷展開(kāi)。以下重點(diǎn)介紹非開(kāi)挖修復(fù)技術(shù)中的原位固化法和纏繞法進(jìn)行詳細(xì)分析研究。

2.2.1 原位固化法

原位固化法起源于20 世紀(jì)70 年代的英國(guó)，最初被應(yīng)用在下水道修復(fù)工程中。該施工方法初期只是一種應(yīng)用在不擾動(dòng)原有土層基礎(chǔ)上、對(duì)老化或者已經(jīng)失效的管線進(jìn)行更新作業(yè)的普通施工方法。后來(lái)經(jīng)過(guò)技術(shù)革新和技術(shù)改良，原位固化法對(duì)不同形狀、不同大小或者不同過(guò)渡區(qū)的地下管線均可以進(jìn)行修復(fù)。原位固化法所修復(fù)的管線直徑范圍在0.1～3 m，只要管道直徑在整個(gè)范圍內(nèi)都可以采用該方法進(jìn)行修復(fù)，在舊管道內(nèi)壁上襯一層液態(tài)的熱固性樹(shù)脂，采用蒸汽對(duì)其進(jìn)行加熱使熱固樹(shù)脂固化，繼而使涂層與舊管道緊密結(jié)合形成新的薄層管，該方法最大限度地降低了管道流斷面的損失，但是大大提升了管道的流動(dòng)性。經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬和大量工程實(shí)踐證明，采用原位固化法修復(fù)的地下管線使用壽命可以達(dá)到50 年。原位固化法可以修復(fù)彎曲管道、變直管道以及壓力管線，而且該方法可以連續(xù)修復(fù)長(zhǎng)達(dá)幾千米的舊管線。該技術(shù)所使用的樹(shù)脂材料符合市政管線對(duì)材料等級(jí)的要求。此外，該管道修復(fù)技術(shù)還可以應(yīng)用在高濃度化學(xué)物質(zhì)的工業(yè)管道修復(fù)中。

2.2.2 纏繞法

非開(kāi)挖技術(shù)修復(fù)管道方法還包括纏繞法，該方法主要修復(fù)市政污水管道。纏繞法所用的T 形筋的主要材料有兩種，一種是聚氯乙烯材料，另一種是高密度聚乙烯材料。使用井內(nèi)的制管機(jī)將聚氯乙烯材料或者高密度聚氯乙烯材料卷制成螺旋形狀并通過(guò)機(jī)械動(dòng)力送入需要修復(fù)的管道內(nèi)，并利用自動(dòng)扳機(jī)將卷制材料與需要修復(fù)的管道相互鎖緊并使用硅膠進(jìn)行密封，并采用水泥漿密封螺旋管和混凝土母管之間的空隙。纏繞法最大的優(yōu)勢(shì)是修復(fù)市政污水管道時(shí)可以帶水作業(yè)，大大降低了管道修復(fù)成本。纏繞法修復(fù)的污水管道直徑通常在0.15～2.5 m，修復(fù)的污水管道長(zhǎng)度通?？刂圃?00 m 左右。

3 非開(kāi)挖管道施工方法的選擇

非開(kāi)挖市政地下管道施工前要綜合研判具體的施工方法和所采用的施工機(jī)械，選擇正確的施工方法和施工機(jī)械是正確施工的必要條件。施工方法和施工機(jī)械的選擇主要依據(jù)是項(xiàng)目所在區(qū)域的地質(zhì)條件、管道深度、項(xiàng)目所在區(qū)域的水文類型以及地下管道的截面形狀即截面尺寸。此外，項(xiàng)目施工工期要求和施工場(chǎng)地特性也是施工技術(shù)選擇和施工機(jī)械選擇需要考慮的內(nèi)容。例如，在軟弱的黏土區(qū)域進(jìn)行非開(kāi)挖地下管線施工應(yīng)采用擠壓沖擊掘進(jìn)方法；含水量較大的砂質(zhì)粉土區(qū)域應(yīng)采用水沖式頂管機(jī)進(jìn)行施工。非開(kāi)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。此外，非開(kāi)挖市政地下管線施工方法和施工機(jī)械具有一定的匹配性，一種施工方法通常有固定的施工機(jī)械，二者相輔相成。例如，在機(jī)械可自立的土層中可以使用手掘式頂管法，而與之對(duì)應(yīng)的是手掘式工具頭?；诖?，非開(kāi)挖市政管道施工方法的選擇應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目所在區(qū)域地層情況、水文條件以及施工場(chǎng)地特點(diǎn)綜合研判后選擇合適的施工方法，并依據(jù)施工方法選擇與之對(duì)應(yīng)的施工機(jī)械，并依照科學(xué)規(guī)范化信息管理進(jìn)行施工。