河南鄭州地區非開挖技術的適用性研究及應用

余明輝　楊昌勝

摘 要：地下管網工程建設是市政工程建設中的重要組成部分，其工程質量直接關系著城市的現代化發展。因為傳統的明挖施工會對城市造成各種負面影響，所以，參考國內外成功應用地鐵、管道等非開挖技術的案例，著重研究、分析了各種非開挖技術的特征。結合鄭州地區典型的工程地質條件特征的分類，闡述了非開挖技術在鄭州地區的推廣應用情況，并指出了鄭州地區不同地質條件下不同非開挖技術的適應性。

關鍵詞：地下管網；非開挖技術；適用性；工程地質條件

中圖分類號：TU992.05 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.008

1 概述

非開挖施工技術（Trenchless Technology或NO-DIG）就是在地表不開溝的情況下，利用各種巖土鉆掘技術鋪設管道，更換或修復地下公用設施，最大程度地減小對人們生活造成的影響。這種技術工作效率高，不影響交通、不污染環境，而且施工時間短、投入的人力少，施工安全性也高。

市政管網工程是地下隱性工程，它是城市的生命線。隨著地下工程的逐漸增多和人們環保意識的增強，非開挖施工技術在進入工程施工市場30多年的時間里，取得了良好的社會效益和經濟效益。

2 非開挖施工技術的發展

在發達國家，非開挖地下管線工程的施工量占管線工程總施工量的10%左右，其中，個別城市，比如德國柏林已經達到了40%左右。1994年，美國政府批準了包括非開挖施工技術在內為期7年投資2.5億美金的“先進鉆探和掘進技術國家計劃”；同時，英國曼徹斯底工業大學、美國路易安娜理工大學、法國波恩大學設立了非開挖施工技術專業和相應的研究機構。1996年，國際非開挖技術協會（ISTT）在英國倫敦宣告成立，目前，已有近30個國家和地區加入該協會，并擁有1 000多個會員，每年都會舉辦一兩次國際性技術交流和設備展覽會。

20世紀90年代，我國從國外引進了采用非開挖施工技術所需的設備，90年代后期，我國地質、礦產部門開始自主研發非開挖技術和設備，并涌現出了一批專門或兼營非開挖設備的施工公司。1998-04，中國非開挖技術協會在北京成立；2002年，上海市非開挖技術協會成立。北京、上海兩地管線施工已經走在了非開挖施工技術發展的前列。

從表1中可以看出，隨著我國城市化進程的快速發展，城市建設中需要鋪設大量的新管道，城市道路需要擴寬，其他地下工程施工對管網造成了一定的危害，需要改造，所以，非開挖施工技術將有廣闊的應用前景。

3 非開挖施工技術的特點及其適用條件

非開挖施工技術的特點是：①消除了傳統開挖施工對居民正常生活的影響，對交通、環境、周邊建筑基礎造成的破壞；②在無法進行或不允許開挖施工的場合施工（比如穿越河流、湖泊、公路、鐵路、重要建筑物等），應用非開挖技術穿越鋪設，可以將管線設計在工程量最少的地點；③現代非開挖技術可以高精度、高效率地控制地下管線的鋪設方向、埋深，從而精確繞過地下障礙；④在可比性相同的情況下，非開挖管線鋪設、更換、修復綜合技術的經濟效益和社會效益均高于傳統開挖施工。

目前，根據施工長度、地質特點、土層特性、地下水文和周圍環境的不同，采用管線鋪設技術施工時的方法也不同，具體適用條件如表2所示。

3.1 微型隧道法

微型隧道法是激光導向的頂管方法，主要應用于給水管、天然氣主管道的安裝。其施工長度為25～225 m，管徑為0.25～3 m。

3.2 水平定向鉆進法

水平定向鉆進法主要應用于松軟地層鋪設長度較短的小口徑地下管線。該工藝施工速度快、定位精度高，是目前城市建設中管線穿越安裝使用率最高的工藝。

3.3 水平螺旋鉆進法

采用水平螺旋鉆進法，鋪管的長度一般為30～100 m，鋪管直徑為1～1.5 m，平均施工速度為12 m/h。由于輔助施工時間占總施工時間的75%～85%，所以，采用這種方法最大的優點是在鉆進過程中，如果地層發生變化或鉆頭被磨損，可以隨時退出螺旋鉆桿更換鉆頭。

3.4 夯管錘法

夯管錘法適用于直徑為0.6～2 m的大口徑鋼管作業。在具體施工過程中，要采取壓縮空氣或液壓的方法將管材夯入地層，然后再從管道中向外排運渣土。這種方法的安全系數較高，適用于各種土層、砂層。

3.5 沖擊矛法

沖擊矛法一般適用于管徑在0.25 m以內的各種地下管線。

3.6 頂管法

頂管法一般適用于1～4 m的管道施工工程。這種方法機械化程度高、方向控制精度高、埋深不限，可以實現曲線頂進。

4 鄭州地區非開挖技術適應性分析

鄭州市區位于華北平原的中南部，北臨黃河，西南依嵩山，由西南向東北傾斜，依次為丘陵崗地、波狀平原、傾斜平原，坡降比為0.3%～0.46%.該地西南部為半山區，有多條河流自山區流經市區，而河流帶來的大量物源則形成了大面積的沖積扇體。北距鄭州市區22 km的黃河決口扇與沖積扇體交織形成市區新近沉積土層。市區西南部以沖積平原為主，東北部具有下伏沖積扇體、上覆泛濫平原的雙層沉積相結構特征。鄭州市區的天然土層多為粉土、粉質黏土、粉砂、細砂等，它們交替或互層（夾層）出現。另外，部分有中粗砂層揭露，局部砂層呈透鏡體狀。在粉土、粉質黏土中還有鈣質結核，西南部分地區還出現鈣質膠結的砂礫巖層。

根據鄭州市區巖土體的沉積特征，將城區分為沖積平原區和泛濫平原區。結合工程地質條件的差異，將2個工程地質區分別劃為4個亞區，即地形復雜亞區、地形平坦亞區、人工填土亞區和軟土亞區。

鄭州遠景規劃到2020年，市區總人口達到1 500萬以上。2013-03-07，國務院正式批復了《鄭州航空港經濟綜合實驗區發展規劃（2013—2025年）》。隨著鄭州市各大型建設項目的推進，各種燃氣、電訊、電力、自來水和污水等地下管道建設項目越來越多。目前，鄭州市區的地下管網系統相當龐大而復雜，每年都有大量的地下管線需要原位更換和修復。隨著人們文明意識和環保意識的增強，開挖路面進行地下管線施工產生的社會影響、交通問題和環境污染問題備受人們的關注。因此，在鬧市區進行地下管線的建設、原位更換，必須要采用非開挖技術。非開挖技術的使用情況如表3所示。

5 鄭州地區應用非開挖施工技術的工程案例

鄭州五里堡車輛段冬季供暖（供暖面積31 293 m2）擬加入市政集中供熱。在鄭州五里堡車站地區的熱源改造工程中，采用的是60 ℃（回水）～85 ℃（供水）的熱水采暖系統。室外供暖管網主干管部分至動車所管網為直埋敷設，其余大部分為架空敷設。室外供暖管道采用無縫鋼管，下穿鐵路共有3處，管道直徑為DN125和DN150，采用焊接的方式連接。為了保證車站能夠按時供暖，必須在25 d內完成工程。但是，站內軌道多、道岔多、路基下管線多、場地復雜，所以，工程施工有一定的難度。該場地2～3.5 m為雜填土，3.5～9 m為土黏質砂土，屬于Ⅰ類普通土，其基本承載力為80～100 kPa。另外，因為地下水埋深較大，所以，它對工程無影響。在施工過程中，使用到的導向鉆桿、激光靶標和激光接收器如圖1、圖2、圖3所示。

經過綜合分析，用D426×12 mm無縫Q235C套管（每管節長為6 m或3 m）下穿鐵路，并采用水平螺旋鉆鉆進+鋪管技術。在施工過程中，將鐵路一側作為出發坑（11 m×6.0 m），一側作為接受坑（7 m×6.0 m），管道埋深為5.5 m，鋪管速度為12 m/h。采用水平螺旋鉆鉆進+鋪管技術，有效避免了架空鐵路工期長、投資大等問題，還降低了水平導線鉆鋪管技術導致的檢修困難。另外，在施工過程中發現，頂管法、水平定向鉆法、夯管錘法、水平螺旋鉆進法適用于軟硬土層，同時，它們也可用于水下施工。這些技術在鄭州任何地方都可以得到很好的應用，并將更好地發揮非開挖技術的優越性。

該項目是鄭州路局首次采用非開挖施工技術穿越鐵路。采用這項技術，既保證了車站能夠按時供暖，又為我院贏得了榮譽。

6 結束語

《城市工程管線綜合規劃規范》的出臺使城市管線地下化成為了市政建設的重要內容。隨著社會經濟和城市建設的快速發展，城市地下空間的開發利用率越來越高。

目前，管道施工條件越來越復雜，管道越來越長，施工管道的口徑也越來越大。所以，非開挖施工設備將朝著大噸位的方向發展。鑒于此，各級主管部門應加大對非開挖技術的研究力度，盡快制訂符合我國國情的設計規范和施工工藝，不斷提高信息化施工程度。尤其是下穿鐵路路基或高鐵（尤其有砟軌道高鐵橋墩工后沉降不能超過5 mm），在保證埋深的情況下，施工前要采取必要的防護措施保護路基或橋墩，并實時監測其具體情況。另外，非開挖技術隊伍應朝著規模化和專業化的方向發展，積極創新開挖施工方法，根據市場需求不斷提高非開挖技術的施工水平，以推動其發展。

參考文獻

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作者簡介：余明輝（1982—），男，市政工程師，2006年畢業于四川大學土木工程專業（本科），2009年畢業中國礦業大學橋梁與隧道工程專業（碩士），現主要從事城市路橋及軌道交通設計方面的工作。楊昌勝（1981—），男，市政工程師，2004年畢業于浙江大學土木工程系（本科），2009年畢業于中國礦業大學結構工程系（碩士），現主要從事市政工程安全質量監督方面的工作。

〔編輯：白潔〕