一、非開挖技術概述

      我國非開挖管線工程技術的應用起步較晚，發展大致可分為三個階段：

      第一階段為70年代末至80年代中期的初級階段,工程具有應急特征,技術水平不高;

      第二階段為80年代中期至90年代中期的中期階段,其特點是需求量大增,以引進國外技術與裝備為主,非開挖技術發展較快;

      第三階段為自90年中期開始的近期階段,此階段的特征是,在引進國外非開挖技術和裝備的同時,我國開始自行開發研制非開挖技術和裝備,并取得了一些突破性的成果,扼止了設備的大宗引進勢頭,同時也涌現了一批專門或兼營非開挖技術的施工公司,開始進入了關鍵的創業期,具有我國特色的非開挖技術在國內的發展如 日 中 天。

      按施工原理不同，非開挖埋管技術可分為定向鉆施工法，頂管施工法和盾構施工法三種

1、定向鉆施工法

      定向鉆施工法是采用回轉切削,水射流式擠壓方式成孔,在地面接收鉆頭附近發出的電磁信號來實現鉆孔軌跡控制,即人工用手持儀器來隨鉆導向的鉆進方法。該方法成孔后采用拉管方式來鋪設管線，主要用來鋪設小直徑管線,即鋪設直徑小于500mm的各類管線(鋼管、混凝土管、塑料管)。與另外兩種埋管技術相比,具有自由調節方向,遇障礙報警,繞向避開障礙的特別功能。

2、頂管施工法

      頂管施工法是用頂管機體前方刀盤邊切削土體,邊由后部頂進裝置將頂管機連同頂進管一起沿著設計路線向前推進的埋管方法。被切削的殘土,由水力或土砂壓送裝置送至地面運走,前者稱為泥水式頂管,后者稱為土壓式頂管。該方法適于中小口徑管線鋪設,即鋼筋混凝土管徑從φ200至3000mm,鋼管小于φ3500mm的管道鋪設。頂進路線宜平緩,曲線半徑不宜過小。

3、盾構施工法

      盾構施工法頂進機理與頂管施工法相同。盾構法和頂管施工法的區別在于,前者采用管片結構組合,后者用管材,將整個管段向前推進。盾構法多用于地鐵和隧道工程,管徑宜大于4米。

       與傳統的開挖施工技術相比，非開挖施工技術的主要優點是：

      1)具有顯著的社會效益。施工時不影響交通、不破壞環境(綠地、植被、樹木)、不干擾工廠、商店醫院、學校和居民的正常生活與工作秩序。

      2)具有較好的經濟效益。在相同情況下,非開挖施工的綜合成本(直接成本+間接成本)均低于開挖法施工,而且管徑和埋深越大時越明顯。部分非開挖施工方法的直接成本甚至低于開挖法施工。

      3)施工速度快。由于輔助工程(如槽壁支護、回填等)少,施工速度大大快于開挖施工。

      4)可用于傳統的開挖施工法無法施工或不允許進行開挖施工的場合,如穿越大型河流、湖泊、交通干線、建筑物等。

      隨著非開挖鋪設技術在我國全面推廣，非開挖已成為衡量一個國家地下管線施工科技含量高低的重要標志之一。與發達國家相比，我國“非開挖技術”的運用，起步晚，差距大。但近幾年來，由于政府主管部門的重視，隨著國外先進技術和裝備的不斷引進，我國在這一領域也有了很大發展。

二、非開挖技術排水管道鋪設技術

1、頂管法

      頂管施工法是最早用在排水工程施工中的一種非開挖施工方法,起源于美國。最初,頂管施工法主要用于跨越孔施工時頂進鋼套管,隨著技術的改進,頂管法也可用于無套管情況下頂進永 久性的公用管道,主要是重力管道。

      頂管施工的基本流程如下:頂管施工先在管道設計路線上施工一定數量的小基坑作為頂管工作井,作為一段頂管的起點與終點,工作井的一面或兩面側壁設有圓孔作為預制管節的出口和進口。頂管出口孔壁對面側墻為承壓壁,其上安裝液壓千斤頂和承壓墊板。頂管施工就是借助于管頂油缸以及中繼間的頂進力,把工具管或頂管掘進機從工作坑內穿過土層一直頂進到接收坑內吊起。與此同時,把緊隨在工具管或掘進機后的管道埋設在兩個工作坑之間。一個完整的頂管施工主要包括以下幾個部分:工作坑和接受坑;頂管掘進機;主裝置中繼間;頂鐵;基坑導軌;后座墻;頂進用管;輸土裝置;地面起吊設備;測量和校正系統;注漿系統;供電和照明系統;通風和換氣系統;輔助施工。（如圖所示）

圖1  頂管施工示意圖

2、導向鉆進鋪管技術

      采用方向可控和以水射流破土為主的鉆進技術,使用地表放置的鉆機,按設計軌跡鉆一個導孔,然后在擴孔和回拉的同時鋪入管線。根據鉆機能力、鋪管直徑和地層條件,也可先進行一次或兩次擴孔后再拉管。采用帶斜面的鉆頭,通過對其回轉狀態的控制,進行鉆孔方向的調控。鉆頭的定位和導航通過采用手持式儀器測量鉆頭附近探頭發出的電磁信號來實現。導向鉆進主要用于小口徑管線的施工,適用管徑50-350mm。施工長度20-400m。適用管材:鋼管、塑料管。本方法不適用于砂層和礫石且深度受到限制。（如圖所示）

圖2 鉆孔鋪管示意圖

3、舊管道改造鋪設技術

      傳統的改造方法是開挖敷設一條新的管道(舊管道報廢),但由于這些超齡管大都敷設在人口稠密、商業繁榮的市區,雨、污水管道的周邊充塞著煤氣、熱力、電力、通訊電纜等其他市政管道和設施,因此改造工程的實施存在著相當的難度。 原位換管法是一種以欲更換的舊管道為導向,將其切碎或壓碎,同步將新管道拉入或推入的換管技術。該技術用于原位更換同直徑或加大直徑的管道,可用來更換PE(聚乙烯)、Pvc、鑄鐵、水泥、陶土等管道。該方法根據破碎舊管及新管置入方式不同,可再分成:①爆管法:氣動錘在絞車鋼繩的牽引下,沖擊破碎舊管并同時拉入新管;②吃管法:微型隧道設備掘進破碎舊管并鋪入新管。

4、非開挖拉管管理施工技術

      非開挖拉管技術的準備包括兩部分：一是地質勘測，對施工現場的地下結構詳細勘測，根據收集到的數據設計管道的路徑、直徑、擴孔次數、回擴器型號等；二是機械設備，將水平鉆井機運輸至現場，并安裝在合理的位置固定支撐。拉管施工技術主要有：①導向孔軌跡的設計如圖1②回拉力的計算及定向鉆機的選擇；③管材的選用；④泥漿的配制;⑤導向孔的施工。

圖3  鋪設HDPE管的導向孔軌跡示意圖

5、非開挖修理技術

      管道的非開挖修復一般分為點狀修復和線狀修復。點狀修復即對管線中已損壞的某一部分進行修復施工的技術,又稱部分修復技術;線狀修復技術即對檢查井之間的整段管進行修復的技術。現分別對這兩種修理技術進行介紹:

      ①非開挖點狀修理技術。有許多損壞管道的使用年限還不到10年,管體結構完好,只是接口出現滲漏。對這類管道采用點狀修理顯然是合理的。早期點狀修理的方法比較簡單,主要靠人員進入管內進行修理,因此該技術只能用于直徑800mm以上的管道。

      ②非開挖整體修理技術。整體修理就是對兩個檢查井之間的管段整段加固修理,可分為兩大類:一類是涂層法,另一類是內襯管法。涂層法是將水泥砂漿、環氧樹脂作為噴涂材料,通過在卷揚機拉力作用下的旋轉噴頭或者人工方法將材料依次在舊管道內噴涂,形成總厚度3.5mm的加固層,經過自然養護,形成主管道一襯里復合管,達到對舊管道的整體修復。該技術對管道結構強度沒有增強作用,但能夠提高管道的耐壓、耐腐蝕及耐磨損性能,延長管道壽命。翻轉法即把灌浸有熱硬化性樹脂的軟管材料運到工地現場,利用水和空氣的壓力把材料翻轉送至管道并使其緊貼于管道內壁,通過熱水、蒸氣、噴淋或紫外線加熱的方法使樹脂材料固化,在舊管內形成一根高強度的內襯樹脂新管的方法。

三、非開挖埋管技術與開槽埋管傳統工藝的優劣比較

1、時間效益

      非開挖埋管施工進度一般設計成平均10m/天,埋管速度與埋管深度關系不大,主要與地質狀況有關,軟土施工速度快,硬土施工速度慢。破路開挖,施工速度與人力投入成正比,工期無法準確評估,視乎地質情況而異,軟土地段施工速度慢,硬土地段施工速度快。

2、經濟效益

      我國常見的2米以內埋深的管線鋪設工程,采用非開挖技術所需綜合造價是開槽埋管綜合造價的10倍。國內工程經驗,埋深6米以內的開槽埋管綜合費用比非開挖施工低,埋深超過6米,開挖支護費用將會較大,則非開挖施工較為經濟。

3、適用條件比較

      開槽埋管方式有其開挖限制的場合,例如穿越江河、湖泊、山地、主要交通干線、鬧市區及重要建筑古跡,高層建筑等時,是難于實現的;非開挖方式則不受限制。

4、施工安全性比較

      暴露在地面上的各類管道流通著各種介質,存在著各種類型的危機,又因其暴露在外面受各種自然與人為因素的影響,危機可能隨時爆發,對其施工人員及周圍的居民將構成不同程度的危險;而非開挖鋪管方式,以其高精度地控制地下管線的鋪設方向和埋深,并可使管線繞過地下障礙物穿越,將危機化解于無形。

四、結語

      城市地下管網作為城市的重要基礎設施之一,其建設越來越來收到人們的關注。非開挖拖管施工技術正是非開挖技術中的典范，解決了管道埋設施工中對城市建筑物的破壞和道路交通的堵塞等難題，在穿越鐵路、公路、河流、建筑物等障礙物時可減少沿線的拆遷工作量，節約資金和時間，降低工程造價，在穩定土層和環境保護等方面凸顯其優勢。

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