近年国内常用非开挖施工技术施工方法综合概述

2012-09-25钱海峰郑广宁糜思慧

城市道桥与防洪 2012年3期

钱海峰,郑广宁,糜思慧

(1.吴江市城市排水管网有限公司，江苏吴江 215200;2.上海现代建筑设计(集团)有限公司，上海 200041)

0 前言

城市地下管线的铺设方式是工程建设技术水平的体现，是城市现代化的标志之一，也是社会文明进程的重要体现。主要有两大类，一类开槽埋管，另一类是非开挖技术敷管。当开槽埋管施工的技术经济性较差，或者影响周围建（构）筑物、穿越铁路、高速公路及河流时，则应该考虑选择非开挖敷管的施工方法进行市政排水管道的施工。非开挖施工技术就是在不开挖（或者少开挖）地表的情况下进行铺设、探测、维修和更新各种地下管线，解决城市管线施工中的难题。其特点在于管道施工对环境的影响程度可以降到最低，可以减少拆迁量和对交通的影响，并加快施工进度，有很大经济和社会效益[1][2]。并且非开挖技术不开挖地面，故而被铺设管道的上部土层未经扰动，管道的管节端不易产生段差变形，其管道寿命亦大于开挖法埋管。

作为一种极为重要的铺设管道的工程手段，非开挖技术在国外已广泛使用，在国内也逐渐普及。特别在最近20 a中，无论在理论上，还是在施工工艺方面，都有了突飞猛进的发展[3]。本文将主要介绍非开挖技术的施工方法及国内的部分应用实例。

1 非开挖技术的构成分类

非开挖技术可分为三大类：铺设新管线、修复置换旧管线、探测原有管网。

（1）铺设新管线施工技术：导向钻进铺管法、定向钻进铺管法、气动矛铺管法、夯管锤铺管法、螺旋钻进铺管法、推挤顶进铺管法、微型隧道铺管法、盾构法和顶管法。

（2）修复旧管线施工技术：原位固化法、原位换管法、滑动内插法、变形再生法、局部修复法。

（3）探测地下管网：地下管线探测仪（非金属管道探测仪、金属管道探测仪、塑料管道探测仪、电力电信缆线探测仪和井盖探测仪等）、供水管网监测仪（流量水压记录仪、漏区诊断仪、漏点定位仪等）、电信线路故障定位仪、气体故障检测仪、管中摄影仪、探地雷达、声纳系列。

2 非开挖技术施工方法

现代非开挖地下管线施工技术，是近年来发展起来的一项高新技术，是钻探工程技术结合工程物探、计算机技术、岩土工程技术及新材料等技术的一项重要延伸。施工方法主要有水平导（定）向钻进铺管法、气动矛铺管法、顶管铺管法、盾构铺管法、无缝衬装置换法、管道翻衬置换法和爆（碎）管衬装置换法。其中，水平定向钻穿越是对环境影响最小的施工方法，这项技术同时还可以为管道提供保护层，并相应减少维护费用，同时不会影响河流运输并缩短施工期，证明是目前效率最高，成本最低的穿越施工方法[4],也是目前发展最快的一种方法[3]。所以本文以水平导（定）向钻进铺管法为主进行详细介绍。

2.1 水平导（定）向钻进铺管法

水平定向钻进铺管法按预先设定的地下铺管轨迹钻一个小口径先导孔，随后在先导孔出口端的钻杆头部安装扩孔器回拉扩孔，当扩孔至尺寸要求后，在扩孔器的后端连接旋转接头、拉管头和管线，回拉铺设地下管线。水平定向钻进铺管的施工顺序依次为：地质勘探、规划和设计钻孔轨迹、配制钻液、钻先导孔、回拉扩孔、回拉铺管、管端处理。（见图1）

2.1.1 地层勘察、地下建（构筑物）及地下管线探测

图1 定向钻进铺管示意图

地层勘察主要是了解有关地层和地下水的情况，为选择钻进方法和配制钻液提供依据。其内容包括：土层的标准分类、孔隙度、含水性、透水性，以及地下水位、基岩深度和含卵砾石情况等。可通过采用查资料、开挖和钻探、物探等方法获取。

地下管线探测主要是了解有关地下已有管线和其它埋设物的位置，为管线设计和钻进轨迹设计提供依据。一般采用综合物探法，并结合钻探、静力触探、土工实验等技术。按定位原理，综合物探法分为：电磁法、直流电法、磁法、地震波法和红外辐射法等。

2.1.2 钻进轨迹的规划与设计

钻孔轨迹的设计主要是根据工程要求、地层条件、地形特征、地下障碍物的具体位置、钻杆的入出土角度、钻杆允许的曲率半径、钻头的变向能力、导向监控能力和被铺设管线的性能等，给出最佳钻孔路线。导向孔轨迹的合理设计对管线施工的成功至关重要。

2.1.3 配制钻液

钻液的主要用途，除了冷却钻头（冷却和保护其内部传感器）、润滑钻具外，更重要的是悬浮和携带钻屑，使混合后的钻屑成为流动的泥浆顺利地排出孔外，为回拖管线提供足够的环形空间，又可减少回拖管线的重量和阻力，而且残留在孔中的泥浆可以起到护壁的作用。

钻液由水、膨润土和聚合物组成。水是钻液的主要成份，膨润土和聚合物通常称为钻液添加剂。钻液的品质越好与钻屑混合越适当。在不同的地质条件下，需要不同成份的钻液。当遇到不同地层时，及时调整钻液的性能以适应钻孔要求。

2.1.4 钻导向孔

钻导向孔即根据造斜或稳斜原理，在地面导航仪引导下，按预先设计的铺管线路，由钻机驱动带锲型钻头的钻杆，从A点到B点（见图1）钻一个与设计轨迹尽量吻合的导向孔（平面误差100 mm）。钻导向孔的关键技术是钻机、钻具的选择和钻进过程的监测和控制。要根据不同的地质条件以及工程的具体情况，选择合适的钻机、钻具和钻进方法来完成导向孔的钻进。

钻头顺利按设计轨迹钻进和钻出，其准确定位及变向控制非常重要。钻进过程中对钻头的监测主要通过随钻测量技术来获取孔底钻头的有关信息的方式完成。孔底信号的传送方法主要有电缆法和电磁波法。电磁波法测量是在导向钻头中安装发射器，通过地面接收器，测得钻头的深度、鸭嘴板的面向角、钻孔顶角、钻头温度和电池状况等参数，将测得参数与钻孔轨迹进行对比，以便及时纠正。地面接收器具有显示与发射功能，将接收到的孔底信息无线传送至钻机的接收器并显示，以便操作手能控制钻机按正确的轨迹钻进。电磁波法的测量范围较小，一般在300 m以内水平发射距离，测量深度在15 m左右。目前，电磁波法在中小型钻机上应用较多，但是必须随钻跟综监控。电缆法在长距离穿越中，特别是地形复杂的工程中应用较多。优点是抗干扰能力强，不要随钻跟踪；但其操作复杂，选用的信号线必须强度高（不易拉断）、耐磨、绝缘性能好。

2.1.5 回拉扩孔

回拉扩孔过程是指在导向孔钻成孔后，卸下钻头，换上适当尺寸和符合地质状况的特殊类型的回扩钻头，使之能够在拉回钻杆的同时，又可将钻孔扩大到所需尺寸。常采用逐级扩孔；预埋管径以内采用排土法扩孔，以外采用挤压法成孔，以保证铺管后地面不致于沉降，不留隐患。回扩过程和钻进过程一样，自始至终泥浆搅拌系统要向钻头和回扩钻头提供足够的泥浆。

扩孔器类型有桶式、飞旋式、刮刀式等。穿越淤泥粘土等松软地层时，选择桶式扩孔器较适宜，扩孔器通过旋转，将淤泥挤压到孔壁四周，起到很好的固孔作用；当地层较硬时，选择飞旋或刮刀式扩孔器成孔较好。最大扩孔器尺寸常按表1考虑，也可以按铺设管径的1.2～1.5倍，这样能够保持泥浆流动畅通，保证管线能安全、顺利的拖入孔中。

表1 最大扩孔器尺寸一览表

2.1.6 铺管

铺管即在扩孔完毕，在拖管坑一端的钻杆上，在装扩孔器与管前端利用万向接、特制拖头等连接牢固，启动导向钻机回拉钻杆进行拖管，将预埋管线拖入孔内，完成铺管工作。在拖管的同时加入专用防润土进行泥浆护壁。在条件许可的情况下，可将全部管线一次性连接。

2.1.7 管端处理

铺管完成后，采用挖掘机将扩孔器及管前端挖出，拆除扩孔器及万向接，处理造斜段、施工检查井，恢复路面，清理场地。

2.2 气动矛铺管法

气动矛由钢质外套(矛体)、活塞和配气装置组成。气动矛铺管法就是利用气动矛在压缩空气作用下，使矛体内的活塞作往复运动，不断冲击矛头，促使矛头在土层中挤压周围土体，形成钻孔并带动矛体前进。形成钻孔后可以直接将待铺管道拉入，也可通过拉扩法将钻孔扩大，来铺设更大直径的管道。

气动矛技术特点：

（1）设备简单，操作方便，投资少；

（2）可铺设PE管、PVC管和钢管；

（3）适用于短距离（30 m以内）、小直径管道的穿越铺设；

（4）适合在狭小空间内施工。

2.3 顶管铺管法

顶管法是依靠安装在管道头部的钻掘系统，不断地切削土屑，并由出土系统将切削的土屑排出，这样边顶进，边切削，边输送，将管道逐段向前铺设，在顶进的过程中通过激光导向系统纠偏来调节铺管方向。

顶管法的技术特点：

（1）噪音以及震动都很小；

（2）可以在很深的地下敷设管道；

（3）对施工周边的影响很小；

（4）可以穿越障碍物。

2.4 盾构铺管法

盾构法是隧道暗挖施工法的一种，它是利用盾构机前端是与盾构机体同等直径的刀盘，在与土壤接触时进行旋转，并加入适量的液体，使切削下来的土与液体在刀盘旋转的搅拌作用下，成为泥状流塑体，然后通过螺旋输送机送到地面。机头前进时，在其后留出的空间里，把提前预制好的混凝土管片拼装成环状。

盾构法施工具有施工速度快、洞体质量比较稳定、对周围建筑物影响较小等特点，适合在软土地基段施工。

盾构法施工的基本条件：

（1）线位上允许建造用于盾构进出洞和出碴进料的工作井；

（2）隧道要有足够的埋深，覆土深度宜不小于6 m；

（3）相对均质的地质条件；

（4）从经济角度讲，连续的施工长度不小于300 m。

2.5 无缝衬装置换法

无缝衬装置换法是一种维修管道的施工方法，是将直径大于或等于原有管道管径的PE管衬入管道内，所使用的PE管一般为低、中密度的薄壁聚乙烯管材。在管道衬装前，要使原有管道的截面积减小。减小内衬管截面积的方法有两种，一种是将PE管拉长，以减小管径，从而减小截面积，PE管衬入后，由于不再受拉力的作用，长度将缩短，管径将变大，复原后内衬管线将与原有管线紧紧套在一起，两层管线之间不再需要灌水泥沙浆固定。另一种是将管道横截面变形，可在PE管出厂前通过专用的设备将横截面变为“U”或“C”字形，也可以在施工现场拉入PE管前将PE管沿管壁圆周方向扭曲，从而达到变形的目的。变形后的管道可以按滑（拉）入衬装的方法由卷扬机拉入，然后再利用气压水压或高温水的作用将变形的管线复原。

施工中需具备的条件：

（1）无缝衬装需要较高的技术水平，要精确计算内衬PE的管的横截面变化情况。

（2）PE管衬装还需要对接热熔焊机及特制的内衬管缩径钢模或扭曲钢模等特殊的设备。

2.6 管道翻衬置换法

管道翻衬的内衬材料一般是以较柔韧的聚合物、玻璃纤维布或无纺纤维等多孔材料做骨架，混合饱和浸渍树脂材料而成；材料的外层一般覆盖一层隔水膜，翻转衬入管道后，该隔水膜成为新管道的内层，主要起止水作用。翻转过程在水压、气压或卷扬机拉力的作用下，内衬材料反转进入管道的内壁，完成后，在热水水温的作用下，树脂固化，内衬材料形成坚硬的管道内壁，成为管道骨架的一部分。这就是所谓的管道翻衬置换法。

管道翻衬置换法的特点：

（1）施工简单，占地少，无须投入专用的设备，一次翻衬的长度可达几百米；

（2）翻衬完成后，在支管、消火栓、阀门等处要挖工作坑进行人工开孔，也可通过专用设备开口；

（3）翻衬施工的工期较长；

（4）用于给水管道上的内衬骨架材料和树脂是有限制的（给水管道中的水质要求较高），应加以慎重选择。

2.7 爆（碎）管衬装置换法

爆（碎）管衬置换法主要适用于原有管线为易脆管材，如灰口铸铁管等，且管道老化严重的情况。新管的管径可以比原有管道管径大，具体施工方法是将碎管设备放入旧管中，由卷扬机拉动沿旧管前进，沿途由碎管设备将旧管破碎，在碎管设备后连着扩管头，扩管头的管径比原有旧管大，负责将破碎的旧管压入到周围的土壤中，紧跟着是内衬管线，一般为PE管材，管径小于扩管头，在卷扬机的拉动下拖入原有管道的管位。

施工设备有许多种，主要分为气动碎管设备、液压碎管设备和刀具切割碎管设备。其中刀具切割碎管设备和液压碎管设备较为常用。（1）刀具切割碎管设备，其结构由半径大于原有管道的切割圆周向的切割刀具构成，在切割刀具后面紧接衬装新管。（2）液压碎管设备，操作简便。

碎管衬装置换法的特点：

（1）碎管衬装完全摆脱了PE管内衬时减小过水能力的缺点；

（2）施工工期较短，一次安装的长度可达几百米；

（3）在支管、消火栓、阀门等处需要局部开挖；

（4）对于埋深较浅的管线，碎管设备的震动可能会对地面造成影响。

由此可见，各种非开挖技术施工方法各有不同的特点和适用条件，表2中对水平定（导）向钻进铺管法、顶管铺管法和盾构施工法进行了比较。实际应用中要根据现场情况确定合理的施工方法。