近年國內(nèi)常用非開挖施工技術(shù)施工方法綜合概述

錢海峰,鄭廣寧,糜思慧

(1.吳江市城市排水管網(wǎng)有限公司，江蘇吳江 215200;2.上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(集團(tuán))有限公司，上海 200041)

0 前言

城市地下管線的鋪設(shè)方式是工程建設(shè)技術(shù)水平的體現(xiàn)，是城市現(xiàn)代化的標(biāo)志之一，也是社會文明進(jìn)程的重要體現(xiàn)。主要有兩大類，一類開槽埋管，另一類是非開挖技術(shù)敷管。當(dāng)開槽埋管施工的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較差，或者影響周圍建（構(gòu)）筑物、穿越鐵路、高速公路及河流時，則應(yīng)該考慮選擇非開挖敷管的施工方法進(jìn)行市政排水管道的施工。非開挖施工技術(shù)就是在不開挖（或者少開挖）地表的情況下進(jìn)行鋪設(shè)、探測、維修和更新各種地下管線，解決城市管線施工中的難題。其特點在于管道施工對環(huán)境的影響程度可以降到最低，可以減少拆遷量和對交通的影響，并加快施工進(jìn)度，有很大經(jīng)濟(jì)和社會效益[1][2]。并且非開挖技術(shù)不開挖地面，故而被鋪設(shè)管道的上部土層未經(jīng)擾動，管道的管節(jié)端不易產(chǎn)生段差變形，其管道壽命亦大于開挖法埋管。

作為一種極為重要的鋪設(shè)管道的工程手段，非開挖技術(shù)在國外已廣泛使用，在國內(nèi)也逐漸普及。特別在最近20 a中，無論在理論上，還是在施工工藝方面，都有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[3]。本文將主要介紹非開挖技術(shù)的施工方法及國內(nèi)的部分應(yīng)用實例。

1 非開挖技術(shù)的構(gòu)成分類

非開挖技術(shù)可分為三大類：鋪設(shè)新管線、修復(fù)置換舊管線、探測原有管網(wǎng)。

（1）鋪設(shè)新管線施工技術(shù)：導(dǎo)向鉆進(jìn)鋪管法、定向鉆進(jìn)鋪管法、氣動矛鋪管法、夯管錘鋪管法、螺旋鉆進(jìn)鋪管法、推擠頂進(jìn)鋪管法、微型隧道鋪管法、盾構(gòu)法和頂管法。

（2）修復(fù)舊管線施工技術(shù)：原位固化法、原位換管法、滑動內(nèi)插法、變形再生法、局部修復(fù)法。

（3）探測地下管網(wǎng)：地下管線探測儀（非金屬管道探測儀、金屬管道探測儀、塑料管道探測儀、電力電信纜線探測儀和井蓋探測儀等）、供水管網(wǎng)監(jiān)測儀（流量水壓記錄儀、漏區(qū)診斷儀、漏點定位儀等）、電信線路故障定位儀、氣體故障檢測儀、管中攝影儀、探地雷達(dá)、聲納系列。

2 非開挖技術(shù)施工方法

現(xiàn)代非開挖地下管線施工技術(shù)，是近年來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，是鉆探工程技術(shù)結(jié)合工程物探、計算機(jī)技術(shù)、巖土工程技術(shù)及新材料等技術(shù)的一項重要延伸。施工方法主要有水平導(dǎo)（定）向鉆進(jìn)鋪管法、氣動矛鋪管法、頂管鋪管法、盾構(gòu)鋪管法、無縫襯裝置換法、管道翻襯置換法和爆（碎）管襯裝置換法。其中，水平定向鉆穿越是對環(huán)境影響最小的施工方法，這項技術(shù)同時還可以為管道提供保護(hù)層，并相應(yīng)減少維護(hù)費用，同時不會影響河流運輸并縮短施工期，證明是目前效率最高，成本最低的穿越施工方法[4],也是目前發(fā)展最快的一種方法[3]。所以本文以水平導(dǎo)（定）向鉆進(jìn)鋪管法為主進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 水平導(dǎo)（定）向鉆進(jìn)鋪管法

水平定向鉆進(jìn)鋪管法按預(yù)先設(shè)定的地下鋪管軌跡鉆一個小口徑先導(dǎo)孔，隨后在先導(dǎo)孔出口端的鉆桿頭部安裝擴(kuò)孔器回拉擴(kuò)孔，當(dāng)擴(kuò)孔至尺寸要求后，在擴(kuò)孔器的后端連接旋轉(zhuǎn)接頭、拉管頭和管線，回拉鋪設(shè)地下管線。水平定向鉆進(jìn)鋪管的施工順序依次為：地質(zhì)勘探、規(guī)劃和設(shè)計鉆孔軌跡、配制鉆液、鉆先導(dǎo)孔、回拉擴(kuò)孔、回拉鋪管、管端處理。（見圖1）

2.1.1 地層勘察、地下建（構(gòu)筑物）及地下管線探測

圖1 定向鉆進(jìn)鋪管示意圖

地層勘察主要是了解有關(guān)地層和地下水的情況，為選擇鉆進(jìn)方法和配制鉆液提供依據(jù)。其內(nèi)容包括：土層的標(biāo)準(zhǔn)分類、孔隙度、含水性、透水性，以及地下水位、基巖深度和含卵礫石情況等?？赏ㄟ^采用查資料、開挖和鉆探、物探等方法獲取。

地下管線探測主要是了解有關(guān)地下已有管線和其它埋設(shè)物的位置，為管線設(shè)計和鉆進(jìn)軌跡設(shè)計提供依據(jù)。一般采用綜合物探法，并結(jié)合鉆探、靜力觸探、土工實驗等技術(shù)。按定位原理，綜合物探法分為：電磁法、直流電法、磁法、地震波法和紅外輻射法等。

2.1.2 鉆進(jìn)軌跡的規(guī)劃與設(shè)計

鉆孔軌跡的設(shè)計主要是根據(jù)工程要求、地層條件、地形特征、地下障礙物的具體位置、鉆桿的入出土角度、鉆桿允許的曲率半徑、鉆頭的變向能力、導(dǎo)向監(jiān)控能力和被鋪設(shè)管線的性能等，給出最佳鉆孔路線。導(dǎo)向孔軌跡的合理設(shè)計對管線施工的成功至關(guān)重要。

2.1.3 配制鉆液

鉆液的主要用途，除了冷卻鉆頭（冷卻和保護(hù)其內(nèi)部傳感器）、潤滑鉆具外，更重要的是懸浮和攜帶鉆屑，使混合后的鉆屑成為流動的泥漿順利地排出孔外，為回拖管線提供足夠的環(huán)形空間，又可減少回拖管線的重量和阻力，而且殘留在孔中的泥漿可以起到護(hù)壁的作用。

鉆液由水、膨潤土和聚合物組成。水是鉆液的主要成份，膨潤土和聚合物通常稱為鉆液添加劑。鉆液的品質(zhì)越好與鉆屑混合越適當(dāng)。在不同的地質(zhì)條件下，需要不同成份的鉆液。當(dāng)遇到不同地層時，及時調(diào)整鉆液的性能以適應(yīng)鉆孔要求。

2.1.4 鉆導(dǎo)向孔

鉆導(dǎo)向孔即根據(jù)造斜或穩(wěn)斜原理，在地面導(dǎo)航儀引導(dǎo)下，按預(yù)先設(shè)計的鋪管線路，由鉆機(jī)驅(qū)動帶鍥型鉆頭的鉆桿，從A點到B點（見圖1）鉆一個與設(shè)計軌跡盡量吻合的導(dǎo)向孔（平面誤差100 mm）。鉆導(dǎo)向孔的關(guān)鍵技術(shù)是鉆機(jī)、鉆具的選擇和鉆進(jìn)過程的監(jiān)測和控制。要根據(jù)不同的地質(zhì)條件以及工程的具體情況，選擇合適的鉆機(jī)、鉆具和鉆進(jìn)方法來完成導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)。

鉆頭順利按設(shè)計軌跡鉆進(jìn)和鉆出，其準(zhǔn)確定位及變向控制非常重要。鉆進(jìn)過程中對鉆頭的監(jiān)測主要通過隨鉆測量技術(shù)來獲取孔底鉆頭的有關(guān)信息的方式完成。孔底信號的傳送方法主要有電纜法和電磁波法。電磁波法測量是在導(dǎo)向鉆頭中安裝發(fā)射器，通過地面接收器，測得鉆頭的深度、鴨嘴板的面向角、鉆孔頂角、鉆頭溫度和電池狀況等參數(shù)，將測得參數(shù)與鉆孔軌跡進(jìn)行對比，以便及時糾正。地面接收器具有顯示與發(fā)射功能，將接收到的孔底信息無線傳送至鉆機(jī)的接收器并顯示，以便操作手能控制鉆機(jī)按正確的軌跡鉆進(jìn)。電磁波法的測量范圍較小，一般在300 m以內(nèi)水平發(fā)射距離，測量深度在15 m左右。目前，電磁波法在中小型鉆機(jī)上應(yīng)用較多，但是必須隨鉆跟綜監(jiān)控。電纜法在長距離穿越中，特別是地形復(fù)雜的工程中應(yīng)用較多。優(yōu)點是抗干擾能力強，不要隨鉆跟蹤；但其操作復(fù)雜，選用的信號線必須強度高（不易拉斷）、耐磨、絕緣性能好。

2.1.5 回拉擴(kuò)孔

回拉擴(kuò)孔過程是指在導(dǎo)向孔鉆成孔后，卸下鉆頭，換上適當(dāng)尺寸和符合地質(zhì)狀況的特殊類型的回擴(kuò)鉆頭，使之能夠在拉回鉆桿的同時，又可將鉆孔擴(kuò)大到所需尺寸。常采用逐級擴(kuò)孔；預(yù)埋管徑以內(nèi)采用排土法擴(kuò)孔，以外采用擠壓法成孔，以保證鋪管后地面不致于沉降，不留隱患。回擴(kuò)過程和鉆進(jìn)過程一樣，自始至終泥漿攪拌系統(tǒng)要向鉆頭和回擴(kuò)鉆頭提供足夠的泥漿。

擴(kuò)孔器類型有桶式、飛旋式、刮刀式等。穿越淤泥粘土等松軟地層時，選擇桶式擴(kuò)孔器較適宜，擴(kuò)孔器通過旋轉(zhuǎn)，將淤泥擠壓到孔壁四周，起到很好的固孔作用；當(dāng)?shù)貙虞^硬時，選擇飛旋或刮刀式擴(kuò)孔器成孔較好。最大擴(kuò)孔器尺寸常按表1考慮，也可以按鋪設(shè)管徑的1.2～1.5倍，這樣能夠保持泥漿流動暢通，保證管線能安全、順利的拖入孔中。

表1 最大擴(kuò)孔器尺寸一覽表

2.1.6 鋪管

鋪管即在擴(kuò)孔完畢，在拖管坑一端的鉆桿上，在裝擴(kuò)孔器與管前端利用萬向接、特制拖頭等連接牢固，啟動導(dǎo)向鉆機(jī)回拉鉆桿進(jìn)行拖管，將預(yù)埋管線拖入孔內(nèi)，完成鋪管工作。在拖管的同時加入專用防潤土進(jìn)行泥漿護(hù)壁。在條件許可的情況下，可將全部管線一次性連接。

2.1.7 管端處理

鋪管完成后，采用挖掘機(jī)將擴(kuò)孔器及管前端挖出，拆除擴(kuò)孔器及萬向接，處理造斜段、施工檢查井，恢復(fù)路面，清理場地。

2.2 氣動矛鋪管法

氣動矛由鋼質(zhì)外套(矛體)、活塞和配氣裝置組成。氣動矛鋪管法就是利用氣動矛在壓縮空氣作用下，使矛體內(nèi)的活塞作往復(fù)運動，不斷沖擊矛頭，促使矛頭在土層中擠壓周圍土體，形成鉆孔并帶動矛體前進(jìn)。形成鉆孔后可以直接將待鋪管道拉入，也可通過拉擴(kuò)法將鉆孔擴(kuò)大，來鋪設(shè)更大直徑的管道。

氣動矛技術(shù)特點：

（1）設(shè)備簡單，操作方便，投資少；

（2）可鋪設(shè)PE管、PVC管和鋼管；

（3）適用于短距離（30 m以內(nèi)）、小直徑管道的穿越鋪設(shè)；

（4）適合在狹小空間內(nèi)施工。

2.3 頂管鋪管法

頂管法是依靠安裝在管道頭部的鉆掘系統(tǒng)，不斷地切削土屑，并由出土系統(tǒng)將切削的土屑排出，這樣邊頂進(jìn)，邊切削，邊輸送，將管道逐段向前鋪設(shè)，在頂進(jìn)的過程中通過激光導(dǎo)向系統(tǒng)糾偏來調(diào)節(jié)鋪管方向。

頂管法的技術(shù)特點：

（1）噪音以及震動都很??；

（2）可以在很深的地下敷設(shè)管道；

（3）對施工周邊的影響很?。?/p>

（4）可以穿越障礙物。

2.4 盾構(gòu)鋪管法

盾構(gòu)法是隧道暗挖施工法的一種，它是利用盾構(gòu)機(jī)前端是與盾構(gòu)機(jī)體同等直徑的刀盤，在與土壤接觸時進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并加入適量的液體，使切削下來的土與液體在刀盤旋轉(zhuǎn)的攪拌作用下，成為泥狀流塑體，然后通過螺旋輸送機(jī)送到地面。機(jī)頭前進(jìn)時，在其后留出的空間里，把提前預(yù)制好的混凝土管片拼裝成環(huán)狀。

盾構(gòu)法施工具有施工速度快、洞體質(zhì)量比較穩(wěn)定、對周圍建筑物影響較小等特點，適合在軟土地基段施工。

盾構(gòu)法施工的基本條件：

（1）線位上允許建造用于盾構(gòu)進(jìn)出洞和出碴進(jìn)料的工作井；

（2）隧道要有足夠的埋深，覆土深度宜不小于6 m；

（3）相對均質(zhì)的地質(zhì)條件；

（4）從經(jīng)濟(jì)角度講，連續(xù)的施工長度不小于300 m。

2.5 無縫襯裝置換法

無縫襯裝置換法是一種維修管道的施工方法，是將直徑大于或等于原有管道管徑的PE管襯入管道內(nèi)，所使用的PE管一般為低、中密度的薄壁聚乙烯管材。在管道襯裝前，要使原有管道的截面積減小。減小內(nèi)襯管截面積的方法有兩種，一種是將PE管拉長，以減小管徑，從而減小截面積，PE管襯入后，由于不再受拉力的作用，長度將縮短，管徑將變大，復(fù)原后內(nèi)襯管線將與原有管線緊緊套在一起，兩層管線之間不再需要灌水泥沙漿固定。另一種是將管道橫截面變形，可在PE管出廠前通過專用的設(shè)備將橫截面變?yōu)椤癠”或“C”字形，也可以在施工現(xiàn)場拉入PE管前將PE管沿管壁圓周方向扭曲，從而達(dá)到變形的目的。變形后的管道可以按滑（拉）入襯裝的方法由卷揚機(jī)拉入，然后再利用氣壓水壓或高溫水的作用將變形的管線復(fù)原。

施工中需具備的條件：

（1）無縫襯裝需要較高的技術(shù)水平，要精確計算內(nèi)襯PE的管的橫截面變化情況。

（2）PE管襯裝還需要對接熱熔焊機(jī)及特制的內(nèi)襯管縮徑鋼模或扭曲鋼模等特殊的設(shè)備。

2.6 管道翻襯置換法

管道翻襯的內(nèi)襯材料一般是以較柔韌的聚合物、玻璃纖維布或無紡纖維等多孔材料做骨架，混合飽和浸漬樹脂材料而成；材料的外層一般覆蓋一層隔水膜，翻轉(zhuǎn)襯入管道后，該隔水膜成為新管道的內(nèi)層，主要起止水作用。翻轉(zhuǎn)過程在水壓、氣壓或卷揚機(jī)拉力的作用下，內(nèi)襯材料反轉(zhuǎn)進(jìn)入管道的內(nèi)壁，完成后，在熱水水溫的作用下，樹脂固化，內(nèi)襯材料形成堅硬的管道內(nèi)壁，成為管道骨架的一部分。 這就是所謂的管道翻襯置換法。

管道翻襯置換法的特點：

（1）施工簡單，占地少，無須投入專用的設(shè)備，一次翻襯的長度可達(dá)幾百米；

（2）翻襯完成后，在支管、消火栓、閥門等處要挖工作坑進(jìn)行人工開孔，也可通過專用設(shè)備開口；

（3）翻襯施工的工期較長；

（4）用于給水管道上的內(nèi)襯骨架材料和樹脂是有限制的（給水管道中的水質(zhì)要求較高），應(yīng)加以慎重選擇。

2.7 爆（碎）管襯裝置換法

爆（碎）管襯置換法主要適用于原有管線為易脆管材，如灰口鑄鐵管等，且管道老化嚴(yán)重的情況。新管的管徑可以比原有管道管徑大，具體施工方法是將碎管設(shè)備放入舊管中，由卷揚機(jī)拉動沿舊管前進(jìn)，沿途由碎管設(shè)備將舊管破碎，在碎管設(shè)備后連著擴(kuò)管頭，擴(kuò)管頭的管徑比原有舊管大，負(fù)責(zé)將破碎的舊管壓入到周圍的土壤中，緊跟著是內(nèi)襯管線，一般為PE管材，管徑小于擴(kuò)管頭，在卷揚機(jī)的拉動下拖入原有管道的管位。

施工設(shè)備有許多種，主要分為氣動碎管設(shè)備、液壓碎管設(shè)備和刀具切割碎管設(shè)備。其中刀具切割碎管設(shè)備和液壓碎管設(shè)備較為常用。（1）刀具切割碎管設(shè)備，其結(jié)構(gòu)由半徑大于原有管道的切割圓周向的切割刀具構(gòu)成，在切割刀具后面緊接襯裝新管。（2）液壓碎管設(shè)備，操作簡便。

碎管襯裝置換法的特點：

（1）碎管襯裝完全擺脫了PE管內(nèi)襯時減小過水能力的缺點；

（2）施工工期較短，一次安裝的長度可達(dá)幾百米；

（3）在支管、消火栓、閥門等處需要局部開挖；

（4）對于埋深較淺的管線，碎管設(shè)備的震動可能會對地面造成影響。

由此可見，各種非開挖技術(shù)施工方法各有不同的特點和適用條件，表2中對水平定（導(dǎo)）向鉆進(jìn)鋪管法、頂管鋪管法和盾構(gòu)施工法進(jìn)行了比較。實際應(yīng)用中要根據(jù)現(xiàn)場情況確定合理的施工方法。

3 國內(nèi)工程實例

表2 幾種鋪管非開挖技術(shù)比較一覽表

目前，我國有許多城市已采用了非開挖技術(shù)進(jìn)行地下管線鋪設(shè)，如北京、上海、廣州、深圳、杭州、合肥等部份省市都已經(jīng)使用，表3中給出了國內(nèi)部份省市實施的定向鉆鋪管實例。

在已實施的工程實例中，管徑從Φ50 mm至Φ1 200 mm都有；管材有PE管、PVC管、鋼管和鑄鐵管等；穿越的有公路、鐵路、河流、建筑、飛機(jī)跑道等；可以鋪設(shè)的管道有電力、電信、有線電視、煤氣、給水、排水等。由此可見，定向鉆進(jìn)鋪管有較大的范圍。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)的開槽埋管法相比，非開挖技術(shù)因不污染環(huán)境、不影響（或少影響）交通、施工周期短、

表3 國內(nèi)定向鉆鋪管技術(shù)應(yīng)用的若干實例一覽表

綜合成本低等優(yōu)點，隨著社會現(xiàn)代文明意識和環(huán)保意識的增強，傳統(tǒng)的“開膛破肚”式管線施工導(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關(guān)注，這種非開挖的新技術(shù)必將得到大力應(yīng)用及推廣。

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