非開挖技術在燃氣施工中的應用——實際施工中頂管技術的選取

張家一 ZHANG Jia-yi

（北京市燃氣集團，北京 100123）

（Beijing Gas，Beijing 100123，China）

1 非開挖技術簡介

非開挖施工，在實際施工中一般泛指，由于受到地形、地質及其他因素制約，無法進行明開槽施工的條件下，進行的在基本不破壞原有地表特征，而在地表相應深度以下進行的施工。非開挖施工技術是指利用各種巖土鉆掘的設備和技術手段，在地表不開挖溝槽的條件下，鋪設、更換各種地下管線的施工技術，國外叫做Trenchless technology或No-Dig。

1.1 非開挖技術的分類 非開挖技術包括管線的鋪設、修復、更換和探查四個領域（圖1）。

1.2 非開挖技術的優點 與傳統的挖槽鋪管的施工方法相比，非開挖施工具有以下主要優點：

圖1 非開挖技術流程圖

①非開挖施工不阻斷交通，不破壞道路和植被，無污染，無噪音，因而可以避免造成擾民問題、交通干擾問題，以及對環境建筑基礎的破壞影響。②在開挖施工難以進行或根本不允許進行的情況下，采用非開挖技術可使管線施工成為可能，并且可將管線設計在施工工程量最經濟合理的地點穿過。③減少了開挖施工的地下作業工程量，減小了在高地下水環境下作業的施工難度，增大了安全保證系數；加快了施工進度，縮短了施工工期；作業面小，可控制鋪管方向，施工精度高，綜合施工成本低。④成本低，應用廣泛，有較好的經濟效益和社會效益，特別是當埋深和管徑越大時，其效益更加明顯。

1.3 非開挖技術的常見施工技術介紹

1.3.1 頂管施工技術介紹 頂管施工方法是目前在市政施工過程中最常見、應用范圍最廣的一種非開挖施工技術。與其他非開挖技術相比較，頂管施工技術提出及投入使用時間較長，技術相對成熟，適用范圍較廣，操作穩定性較強，技術較易掌握，因此在城市燃氣管網敷設施工過程中，需進行非開挖施工時，多選用頂管施工技術。

頂管施工其實質是頂“套管”施工，在完成套管的頂進施工后，正式燃氣管道在套管中敷設。套管材質多為鋼筋混凝土管，也可為鋼管。燃氣管道在套管中敷設時需采用方法固定，施工完成后，套管內可填充中粗沙，避免形成爆炸空間，套管兩端用磚砌體封閉，避免進水加大燃氣管道的腐蝕。重要地段（例如過河、過鐵路）需在套管兩端安裝檢漏管，檢查監測套管內是否存在燃氣。

1.3.2 夯管施工技術介紹 夯管施工技術在近十年來被大量應用于燃氣管線工程施工，夯管施工頂進的仍為套管，其材質為鋼管。多數用于穿越城市主干道，大型路口的非開挖施工。夯管施工技術與頂管施工技術原理基本相同，其最大區別點在于頂進機械的設置安裝。頂管施工采用千斤頂作為頂進設備，千斤頂必須在頂管工作坑內依靠后背作為頂進時的支撐，后背承受頂進過程中的全部阻力；而夯管施工采用液壓夯管錘或氣動夯管錘作為頂進設備，不用依靠后背進行頂進。因為夯管施工的這一特點，其施工效率要高于頂管施工技術，同時由于頂進機械的革新，選用的材料，夯管施工的成本比頂管施工有所降低。因此，更高的施工效率，更低的工程成本，成為夯管施工技術明顯優于頂管施工技術的兩大優勢。

1.3.3 定向鉆施工技術介紹定向鉆施工技術在施工效率、施工成本上具有頂管和夯管施工技術所無法比擬的優勢，而這種優勢的形成，是源于定向鉆施工技術的自身特點。①定向鉆施工技術直接針對燃氣管線本身，而并非像頂管、夯管施工技術一樣是針對套管的施工方法。這一本質區別使定向鉆施工避免了增加大量主材費、人工費，大幅度的降低了施工成本，同時由于不必進行套管施工，整體施工時間大幅度降低是必然的結果。②定向鉆施工技術管道在鉆進敷設過程中呈彈性曲線敷設，而非頂管、夯管施工技術的水平頂進敷設。③定向鉆施工技術要求管材防腐采用三層PE防腐技術，同時由于主管道不必從套管中穿越障礙，燃氣管網的電保護方案不必考慮局部增加帶狀犧牲陽極，即節省了投資，又縮短了施工周期。

2 頂管技術的施工方法

2.1 頂管施工技術的分類 頂管施工技術按照具體頂管施工方法可大致分為三大類：①人工掘進頂管施工法：最基本的頂管施工方法，在頂進過程中，由人工在套管前方掘土、出土。施工進度較慢，但施工成本較低，較適用于短距離頂管施工工程，而在長距離頂管施工中，由于人工費用的增加，會造成工程成本的的整體上浮。②機械掘進頂管施工法：在被頂進的管道前端安裝機械鉆進掘土設備，配置皮帶運土機械代替人工挖運土的頂管方法。施工效率較高，但由于設備投資較大成本偏高，不適用于短距離頂管施工工程，同時受地質條件限制，無法應用于含水土層和巖石地層。③水力掘進頂管施工法：利用水力掘進工具管進行掘土，施工效率較高，但設備投資較大，對水源及泄泥場所有很高要求。如在短距離頂管工程中應用，會造成施工成本大幅度增加。通過綜合考慮這三種頂管施工方法各自的優劣、成本，以及燃氣管網敷設施工中使用非開挖施工技術的目的、施工成本，人工掘進頂管施工法成為燃氣管線首選的，也是最常用的頂管施工方法（后文頂管施工法均指人工掘進頂管施工法）。

2.2 頂管施工的幾個條件 在燃氣管線頂管施工過程中，必需滿足以下幾方面條件，才能確定順利完成頂管施工。①施工現場的詳細地勘資料，水文資料，是制定頂管施工方案的基礎資料。缺失相關資料，則方案的制定將無從談起。同時，掌握第一手地勘情況，也是采用其他非開挖施工技術制定施工方案的先決條件。②掌握詳實的施工現場地下管線資料，是制定頂管施工方案及其他非開挖施工方案的基本要求。③施工現場有足夠的位置布置頂管工作坑和接受坑，是可以進行頂管施工的必要條件。頂管工作坑的長寬尺寸必需滿足如下要求：

式中DW——套管外徑（m）；

b——套管兩側操作寬度，一般為0.8～1.6m；

c——撐板厚度，一般為0.2m；

l1——管子頂進后，尾端留在導軌上的最小長度，鋼筋混凝土管一般為0.3～0.5m，鋼管一般為0.6～0.8m；

l2——每根管長度（m）；

l3——出土工作面長度，一般為1.0～1.8m；

l4——千斤頂組裝總長度；

l5——千斤頂后座及后座墻的總厚度（m）。

式中P——最大頂力（N）；

K——安全系數，一般可取1.2；

L——管子頂進的總長度（m）；

f——管壁與土壤的摩擦系數，土壤含水量越小，取值越大；

PV——頂進管子上方的垂直土壓力（N/m）；

PH——管子側面的水平土壓力（N/m）；

ρ——土壤密度（kg/m3）；

h——管頂以上的土柱高度（m）；

DW——管子外徑（m）；

φ——土壤的內摩擦角（°）；

P0——管子的重力（N/m）；

R——管前刃腳的阻力（N/m2），一般R=5×105N/m2；

A——刃腳正面積（m2）。

⑤頂管過程中，高程、角度的嚴密監測，隨時校核調整，是保證頂管工程順利進行的必要手段，是防治發生偏頂，造成工程失敗的有效措施。

⑥頂管工作坑、接受坑屬于深基坑施工，采用適當放坡、錨噴護壁、鋼框架支護等施工技術措施處理坑壁及坑底，是確保施工安全，保證施工順利進行的必要措施。

⑦頂管施工中使用觸變泥漿，既可減少頂進阻力，加快施工進度；又能夠對松散土質起到加固作用，降低了發生塌方的可能性，是提高施工效率，增加經濟效益的有效措施。

2.3 鋼筋混凝土管頂管施工特點 通過近幾年來實際工程中的總結，筆者認為，頂管施工技術，根據使用管材的不同（即鋼筋混凝土管和鋼管）其頂管適用范圍是不同的。

鋼筋混凝土管頂管施工特點：管材規格多、管腔空間大，便于在套管內進行掘土施工，材質不存在腐蝕問題，抗壓強度大，不易產生形變。但施工速度慢，施工所需機械型號偏大，需投入一定成本。

鑒于以上特點，鋼筋混凝土管頂管施工適用于有足夠工期的穿越河道、鐵路路基、公路、橋涵的中長距離頂管施工，以及施工現場土壤腐蝕性較高的頂管施工。

3 工程實例

在2006年5月“平房西路燃氣工程”施工過程中，由于現狀化糞池無法拆除，且道路工期緊迫，要求5天后具備路面鋪油條件，經過分析計算最終決定采用鋼管頂管施工法穿越障礙。鋼套管管頂距化糞池底部混凝土基礎1.0米，距道路路面5.0米，頂管長度12米，采用DN700厚度為12mm的鋼管作為套管，因工期要求工作坑無法采用錨噴護壁，采用工字鋼框架密板支護。從工作坑開挖到完成燃氣管線施工，向道路施工方移交工作面，共計用時3工作日，滿足了道路要求，充分體現了鋼套管頂管施工進度快的特點。雖然在現階段燃氣管線施工過程中大量使用了頂管技術，但需要指出的是在具備多項施工優勢的同時，這種施工技術的不足也是相對明顯的。

①施工進度偏慢，不適于在工期要求較高的工程中采用。②施工過程中允許的誤差范圍小，由于在頂進過程中可進行的糾偏程度極小，因此在進行地勘調查、高程、角度的監測校核調整工作時必需十分準確。極小的疏忽、誤差都有可能造成管道在頂進過程中遇到無法通過的障礙，或引起塌方事故，致使整個工程報廢。③頂管工作坑、管道接收坑均為深基坑施工，如不能按要求做好坑壁的支護處理工作，形成安全隱患，極易導致基坑坍塌，造成重、特大安全事故。④燃氣管道單管長度12米/根，如要整管穿入套管，則頂管工作坑的長度不應小于15米，會增加工作坑施工的難度，增大危險系數，造成工程成本明顯上升。因此，在頂管施工后期的穿管施工中，往往會提前斷管，每段管道長度在4～6米。這就造成燃氣管道本身焊接、防腐等相應工程量成倍增加，在加大了施工量的同時，也增大管道發生滲漏的可能性。⑤頂管施工必須做好套管、主管道的防腐，電保護工作。鋼筋混凝土套管接口處必須做好防水處理，避免地下水滲入套管，腐蝕主管道。鋼套管及主管道在做好外層防腐的前提下，還要做帶狀犧牲陽極電保護處理，防止電化學腐蝕，加大了此部分的工程成本。同時，一旦因防腐、電保護工作疏忽，造成管道腐蝕，由于頂管施工往往敷設深度較深，不宜在保證用氣的前提下進行管道更換，可能造成管網停氣施工，增大管網運行成本。

可見，頂管技術的不足之處也是相當明顯的。尤其施工進度偏慢，單項工程成本投入偏高的缺點，直接制約了頂管技術在燃氣工程施工中的應用。同時，由于燃氣管線施工具有施工周期短，投資相對較小的特點，因此，盡快出現能夠更加適應燃氣管線施工特點的非開挖技術，成為燃氣管線施工管理、技術人員迫切的要求。

4 結論

通過以上分析不難看出，在現階段的燃氣管線施工中，由于地質條件、現場情況、施工周期、工程成本等多方面因素的制約，頂管施工技術、夯管施工技術、定向鉆拉管施工技術均有所應用。那么，在燃氣管線的非開挖施工過程中，如何選定最為合理的施工技術方案，個人認為應從以下諸方面綜合考慮：

①根據詳實可靠的地勘資料、地下管線資料，分析各種非開挖技術在此類地質條件下是否可行。確保施工能夠順利進行，保證安全施工，將施工中的危險系數降到最低，是選擇施工技術方案時首先要考慮的問題。例如：現場土質過差，含沙量、含水量過高，土方施工中易形成塌方，不能或不宜進行深基坑開挖，則在考慮施工方案時，應首先考慮定向鉆拉管施工。②根據施工現場條件，主要是根據施工現場面積，交通狀況，相關部門對施工現場要求確定適宜的非開挖施工技術。③對于穿越灌渠、小河道，鐵路路基的非開挖施工，建議在現場條件允許的情況下，采用鋼筋混凝土頂管施工，避免沉降和滲水對燃氣管道自身形成危害。④工程的工期要求是確定非開挖施工技術方案的重要因素。任何工程，都有明確的工期要求，無法達到工期要求，再優秀的施工方案也是紙上談兵，不切實際，不可能被選用。工期要求越緊，越應選擇施工效率高的施工技術方案。就三種非開挖施工技術的施工效率相比較，定向鉆施工無疑是最快的，其次是夯管施工，再次是頂管施工。⑤在以上條件均能滿足的條件下，施工成本的高低成為確定施工方法的決定性因素。作為燃氣管線施工企業，在正常范圍內盡量降低施工成本，提高利潤空間是正常的也是必須的滿足企業自身生存發展需要的合法行為。因此，在同等條件下，選擇成本最低的施工技術方案，是符合企業經濟利益效率要求的。

綜上所述，相信通過對地形地質條件，現場施工環境，現場施工條件，施工工期要求，施工成本控制等多方面因素的綜合考慮，在燃氣管線的非開挖施工過程中，我們能夠選擇出最適合的施工方法。同時，隨著各種非開挖技術的逐漸改進，日趨完善；隨著新型非開挖技術的不斷涌現，相信非開挖施工技術會越來越多的被應用到燃氣管線的敷設施工中來，展現出它不可忽視的優勢。

[1]原輸配公司工程檔案.

[2]頂管施工技術及驗收規范.中國地質大學.

[3]武志國.頂管施工技術講座教案.