城市市政中非開挖技術給排水管道的施工工藝和方法

【摘 要】 隨著城市人口的擴張和人們生活水平的提高， 各種資源日益緊張， 環境保護力度的加大， 人們對市政公用設施的建設和管理的要求也越來越高， 而非開挖鋪管、 修管和換管技術不影響交通，鋪管速度快， 無環境破壞， 不影響人們正常工作生活等， 這些優點使得非開挖施工具有較大的市場潛力。因此，本文針對城市市政中非開挖技術給排水管道的施工工藝和方法進行了探討。

【關鍵詞】 城市市政中非開挖技術；城市給排水管道；

1 引言

城市市政中的非開挖施工解決了常規開挖施工對居民正常生活的干擾和對交通、環境、周邊建筑基礎的破壞及不良影響。

在這一前提和要求下， 非開挖技術由國外引入國內， 并在最近幾年得到了較大的推廣和應用。

非開挖施工技術作為一種新型的地下管線建設方法， 是在地表面不開溝的情況下通過探測、勘查，鋪設（更換、修復）各種地下公用設施管道的一種技術或方法。非開挖技術在發達國家應用非常廣泛， 而我國對非開挖技術正在逐步推廣， 最近幾年來得到了迅猛發展， 其中主要是非開挖管道鋪設， 而管道更換及修復還剛剛起步。

非開挖技術（Trenchless Technology or No-Dig）是指利用少開挖或不開挖的方法對地下管線、管道進行鋪設、維修或更換、探測的一門施工技術。目前廣泛用于穿越高速公路、鐵路、建筑物、河流、湖泊以及在古跡保護區、農作物和植被保護區等區域內進行地下管線的施工。

常規開挖管線安裝施工工藝難度小，易于掌握，無技術風險，屬成熟工藝，國家有明確的技術規范及嚴格的定額管理；修復期間停水時間短，管線敷設好后，只在駁接時停水；對城市供水影響較小。但是常規的開挖施工存在著不容忽視的缺陷。如破壞了原有的道路環境，阻塞交通，機械污染和粉塵污染，機械和管材長期占道，路面恢復慢，路面破壞后無法恢復原貌。

2 城市市政中非開挖技術的工程應用

城市市政中非開挖技術在給排水工程中主要有鋪設新管線和修復置換舊管線兩方面的應用。通常鋪設管線采用的施工技術包括：水平導向鉆進法、夯管法、推擠頂進法、盾構法（微型隧道法）和頂管法。修復舊管線施工技術包括：原位固化法、纏繞法、滑動內插法、變形再生法、原位換管法、局部修復法等。

2.1 施工工藝中鋪設新管線中的應用

2.1.1 水平導向鉆進法（HDD）

水平導向鉆進法是一種無需挖掘工作井就能快速鋪設地下管線的鉆進方法，是將鉆探技術與控向技術巧妙結合的現代非開挖施工新技術， 是非開挖施工法中應用較廣的一種。其原理是通過預先設計的鋪管線路，由鉆機驅動裝有鍥形鉆頭的鉆桿從地面鉆入，再按照預定的方向繞過地下障礙，直至抵達目的地，然后卸下鉆頭換裝適當尺寸和特殊類型的回程擴孔器，使之能夠在拉回鉆桿的同時水平鉆孔至所需直徑，并將需要鋪設的管線同時返程牽回至鉆孔入口處，以保證鋪設管線不會由于空間不足或鉆榍摩擦而受到破壞，在擴孔的同時注入化學泥漿以保證鉆孔不致坍塌。該方法的工藝流程為：

施工準備→測量定位→鉆機就位→導向孔鉆進→擴孔→回拉管線→檢查井砌筑→工作坑回填→地貌恢復。

工程施工配套的設備主要有：導向鉆機、導航儀、隨車吊、輔助動力助推裝置、管線探測儀、電法勘測儀、夯管設備等。

水平導向鉆進法工藝可鋪設鋼管、PVC管、PE管等剛性連接的管道，在施工前應將待鋪管道于地面上完成管道連接，曲線段可采用1°的借轉角度，一次鉆進最長可達800米的距離，導向定位系統可測至30米的深度。它的另一優勢是可以靈活處理施工中遇到的地層復雜情況。在導向或擴孔過程中如遇到大塊石，或其他障礙物，不能形成一條合格的孔道時，大不了再換一個位置另打一條，不會造成管材的損失。它的局限就是對施工場地有一定要求，所鋪設管道的兩端都必須有足夠長的空地，一端放置鉆機，另一端開挖下管坑；如果有一端靠近建筑物，沒有開挖下管坑的場地，就不能單獨運用定向鉆進完成鋪管。

2.1.2 夯管法的應用

夯管法是采用低頻、大沖擊力的氣動夯管錘將待鋪設的鋼管沿設計路線直接夯入地層。夯管設備一般是引進國外的大口徑夯管錘，可以鋪設直徑在2米以內、長度100米以內的各種鋼管。與水平導向鉆進法相比，夯管法只要求一端有下管坑的場地既可；對于直徑較大的鋼管的鋪設，工作效率更高。夯管法所用的主要設備有發電機組、空壓機、夯管錘等。施工時，夯管錘的沖擊力直接作用在鋼管的后端，通過鋼管傳遞到前端的管靴上切削土體，并克服土層與管道之間的摩擦力使鋼管不斷進入地層。隨著鋼管的前進，被切削的土芯進入鋼管內，在第一節鋼管夯入地層后，后一節鋼管與其焊接在一起，如此反復，直到夯入最后一節鋼管，待鋼管全部夯入后，可采用壓縮空氣、高壓射流、螺旋鉆桿、人工掏土等方法將管內的土體排出。夯管過程中，用經緯儀和水準儀控制進管的方位、高程和角度，保證夯進精度。該項技術靠動荷載夯進，在施工時不需要靠背支撐，施工時不掏土，也不會發生局部沉降，其地層適應性廣泛，施工周期短。不過，夯管法也存在明顯的局限：一是只能鋪設鋼管，二是一次施工長度有限（最多只有100多米），三是如遇到地層復雜情況，如較大塊石、混凝土塊等，導致夯管無法進行下去，夯進去的鋼管又難拔出，造成管材的損失。

2.1.3 盾構法的應用（微型隧道法）

盾構就是一種在地下由前端掘進后端襯砌的施工設備，為鋼制殼體，主要由三個部分組成，即前部的切削環、中部的支撐環和尾部的襯砌環。切削環可作為保護罩，能將其刃腳插進土層中，人工或機械在環內挖土、出土。在支撐環內安裝有液壓千斤頂等推動裝置。千斤頂的前端固定在切削環上，當切削環內挖土工作完成后，它負責將整個盾構殼體向前移動。當千斤頂回程后端收縮后，就留出了襯砌環，在襯砌環內人工或機械襯砌預制砌塊 當砌完一環砌塊后，千斤頂又可以將砌塊傲為后背向前推動盾構殼體，開始下一個挖土和襯砌的循環。

2.1.4 頂管施工技術的方法

頂管施工是繼盾構施工之后而發展起來的一種地下管道施工方法，適用于埋設直徑在600mm～4000mm之間的管道。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，現在，頂管施工作為一種常規施工工藝已被業主所接受。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，且使用愈來愈普遍。頂管技術最主要的優勢是在交通繁忙的城市道路下進行給排水管道施工時，可以在不切斷正常交通的情況下實現管道的鋪設難題。

2.2 管道修復舊管線中的應用

管道修復在城市地下給排水管道管理中將占據一個非常獨特而且重要的角色。管道出現破壞時可采取局部修復，獨立管段修復，全管道整體修復以及廢棄舊管鋪設新管等多種技術措施。不論采用何種方式，從整體意義及廣義來講都可稱之為管道修復。由于受設備和技術水平的限制，在我國非開挖管道修復技術剛剛起步，用于管線修復的設備基本依靠進口，諸如爆管法、吃管法、內襯法、纏繞法等管線修復和更換的方法還不成熟，部分工法甚至處于空白狀態，亟待填補。據報道，美國2004年在舊管線修復中用非開挖修復的占了64％（污水管）和20％（自來水管）。與之相比，我國在舊管線修復中的非開挖技術的使用比例要低得多。從我國已有地下管線龐大的數量和非開挖管線修復的技術經濟效果分析，預計大量的舊管線的非開挖修復和更換工程將很快開展起來。

下面主要就非開挖管線修復諸多方法中的原位固化法和纏繞法進行較為詳細地敘述。

2.2.1 原位固化法

原位固化法（CIPP）是由英國于1971年研制成功，當時主要用于修復英國的下水道。在發展初期，CIPP僅是一種管線施工的普通工法，用于在不擾動土層的情況下更新老化或失效的地下管線，隨著不斷的發展，該技術逐漸成為國外維護城市地下管線設施的首選方案。原位固化法可以修復不同大小，不同形狀以及不同過渡區的地下管線。原位固化法在100～3000mm的管徑范圍內都可以安裝使用，即現有的舊管內壁上襯一層液態的熱固性樹脂，通過加熱（利用熱水、蒸汽）使其固化，形成與舊管緊密配合的薄層管，而管道的過流端面損失很小，但流動性能則大大改善。使用這項技術修復的管道壽命可達30～60年。該技術可以修復彎曲，變直徑管線以及重力和壓力管線，連續修復的長度可達幾千米。襯管和緊貼在舊管上的樹脂材料完全可以滿足市政污水管線的使用要求，同時在含有高溫及高濃度化學物質的工業管道中也可正常使用。

2.2.2 纏繞法中的管道修復

纏繞法主要用于修復污水管道，該技術發明于澳大利亞。纏繞法是利用聚氯乙烯（PVC）或高密度聚乙烯（HDPE）制成的帶T型筋和邊緣公母扣的板帶，用安裝在井內的制管機將板帶卷成螺旋形圓管并送人管內，相嵌并鎖結，同時用硅膠加以密封。制管完成后再在螺旋管和混凝土母管之間灌注水泥漿。具體施工工藝流程為：

準備→管道清洗→CCTV檢測→纏繞機具就位→加潤滑劑→管道纏繞就位→張拉鋼絲→空隙灌漿→支管、井修復→CCTV檢測→浸水試驗。

纏繞法修復管道時可帶水作業，該法在各大國家的下水道管道修復中已廣泛使用，在我國內地城市亦有成功使用的工程實例。纏繞法適用于管徑為150～2500mm、管線長度為300m左右的各類污水管道的修復。在中國大城市直徑較大的污水管線中，有很大的應用前景。

2.3 非開挖管道施工工藝及方法的選擇

非開挖地下管道施工成功的關鍵是選擇合適的施工方法和施工機械。管道施工方法和施工機械的選擇，主要根據工程地質條件、水文地質條件、管道埋深、管道端面形狀及尺寸、施工技術條件和施工技術水平及工期要求等諸多因素綜合確定。例如軟弱的粘土宜采用擠壓沖擊掘進；對于土體較松軟、含水量較大的砂質粉土，可采用水沖式頂管機。施工方法與施工機械相輔相成，一定的施工方法對應著一定的施工機械。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行施工；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廣，可以稱得上是全土質型，小刀盤的土壓平衡頂管機和大刀盤的DK土壓平衡頂管機在工程中經常被采用。因此管道施工方法的選擇，應根據工程地質和水文地質條件，選擇合適的施工方法，采用相應的設備，在科學管理下進行信息化施工。

3 結束語

非開挖施工技術的整體優勢在于施工負面影響小，且所占用場地比較少，對地面、交通、環境以及周圍地下管線等的影響很微弱。因此，非開挖施工技術推廣的難度在于費用的居高不下，使得很多中小城市望而止步。其實綜合考慮交通影響、周圍管線開挖的危險、市民的生活質量等因素，非開挖修復的費用是可以接受的。隨著城市化進程的加快， 市政施工設施投資建設和修復維護也與日俱增， 但苛刻的現實條件也使得市政施工設施建設和管理必須探索新的施工工藝和方法。

綜上所述：非開挖施工技術的含義及應用范圍，歸納了非開挖技術在城市給排水鋪設新管線和修復舊管線工程應用中的常用方法，并對施工工藝和主要使用的設備進行了簡述，針對目前非開挖技術中存在的問題并結合我國實際情況，探討了我國發展非開挖技術的方向。

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