非開挖施工技術在市政管道施工中的應用研究

路冬

（邢臺路橋建設集團有限公司，河北 邢臺054000）

1 引言

采用傳統的開挖式施工模式敷設管道會消耗大量的人力、物力、財力，并且施工周期長，會影響施工區域內居民的日常活動，影響交通以及商業的發展。而非開挖施工技術在市政管道施工中，相對于傳統的模式，所消耗的人力、物力、財力會大大減少，施工簡單，施工周期短，對城市居民的影響較小。并且非開挖施工技術對土層造成的影響較小，在一定程度上保護了城市的土壤結構[1]。相對于傳統的施工技術，非開挖施工技術不僅能取得較大的經濟效益，而且還能取得巨大的社會收益，有利于城市化進程的快速發展。在城市化的發展中，市政管道建設是一項重要的項目。因此，應加強對市政管道施工的要求，保證市政管道的耐用性。在施工前，必須對項目開展的各個細節進行完整的設計，同時，必須加強對施工人員的技術培訓，保證施工人員熟悉整個施工過程，這樣才能使非開挖技術施工應用具有成熟性與可靠性[2]。

2 非開挖技術的工程應用

市政管道工程中應用到的非開挖施工技術主要包括舊市政管線的修復與置換和新市政管線的敷設。舊市政管線敷設涉及的施工技術主要包括纏繞法、變形再生法、原位置置換管道法以及固化法等。新市政管線敷設涉及的施工技術主要有水平定向鉆進法、新管頂進法、微型隧道法以及夯管法等。

2.1 非開挖技術在市政新管線敷設工程中的應用

2.1.1 水平定向鉆進法施工

水平定向鉆進法施工工藝可實現快速敷設市政地下管線且不需開挖工作井。該施工工藝的核心技術是將控向技術和鉆探技術進行完美結合，形成一種現代化的非開挖施工技術。水平定向鉆進法施工技術是非開挖施工技術中應用較為廣泛的一種技術。水平定向鉆進法施工原理是先利用計算機輔助設計功能預先設計好市政管線的敷設路線，然后將帶有楔形鉆頭的鉆桿在鉆機動力驅動下從地面鉆進目的地，鉆進過程中按照設計路線避開地下其他管線以及障礙物。當楔形鉆頭鉆至指定位置后，將楔形鉆頭換成尺寸符合設計要求的回程擴孔器，回程擴孔器的尺寸以滿足鉆桿拉回且保證需要敷設的新管線可遷回至地面鉆孔處為準。之所以這樣控制回程擴孔器的尺寸，是要保證新管線敷設時不會出現因為空間不足而發生摩擦導致管線受損的現象發生。此外，在擴孔時要同步注入化學泥漿護壁確保擴孔的同時不會出現塌孔現象。

施工中應用的機械設備主要有：可定位導向的鉆機、輔助鉆機鉆進的機載導航儀、自備吊車、輔助動力設備、地下管線探測儀器以及夯管設備等。水平定向鉆進法施工工藝可以敷設的管道材質多為剛性連接管道，如鋼管、PE 管道以及PVC管道。水平定向鉆進法施工前應將待敷設管道在地面連接完成，管線繞過地下障礙物處需要在轉彎處設置1°的借轉角度，單次最大鉆進距離不超過800 m，導向定位系統的安全工作距離深度應控制在30 m 以內[3]。水平定向鉆進法施工較為靈活，可以自行處理地層復雜區域內的鉆進作業，如果在鉆進過程遇到較大障礙物無法持續鉆進時，可以舍棄現有鉆進路線重新選擇一條鉆進路線，不會浪費所敷設的管材。然而，水平定向鉆進施工法也存在一定的局限性，最主要的局限就是對施工場地有硬性要求，要求施工場地一側可以容納下鉆進鉆機，另一側需要具有滿足管坑開挖的場地。如果施工場地一側滿足條件，而施工場地另一側無法滿足條件，則不能應用水平定向鉆進法施工。

2.1.2 夯管法

夯管法也是非開挖市政管線施工中較為常用的一種施工方法，其施工工藝相對較為簡單，采用夯管錘將需要敷設的鋼制管線直接夯入預先設計的埋設線路，夯管錘動力系統要求具有頻率低且沖擊力大的特點。各種類型的鋼管只要滿足直徑在2 m 以內，長度在100 m 以內都可以采用夯管設備進行敷設。夯管法對施工場地的要求不同于水平定向鉆進法需要兩側均有足夠的施工產地，夯管法只要求場地一側有滿足下管坑的范圍即可，夯管法主要應用在直徑較大的鋼管敷設中，具有較高的施工效率。

夯管法施工主要應用的機械設備有柴油發電機組、空壓機以及夯管錘等。夯管法施工時，鋼管后部是夯錘主要著力點，鋼管將夯錘傳遞的壓力傳遞到管道前端的管靴，管靴在力的作用下實現了土體的切削，切削動作克服了管道與土體之間的摩擦力，使鋼管逐漸進入指定地層。鋼管前進的同時，被切削的土體自動進入鋼管內部，當首節鋼管夯實進入土體后，將緊后鋼管與首節鋼管進行焊接，并重復之前的夯實作業，直至最后一節鋼管夯入土體為止。當所有鋼管夯入土體后，采用空氣壓縮機將鋼管內土體全部排出。夯管過程中的夯入方向、夯入角度以及夯入深度通過全站儀和水準儀實時測量進行控制，確保夯入精度符合設計和規范要求。夯管法施工工藝沒有較難的技術應用，完全是依靠動荷載進行夯實作業，施工過程中沒有主動挖土作業內容，不會引起土層的不均勻沉降，且適應各類復雜地質情況，施工周期較短。但是夯管法敷設的管線類型單一，只能敷設鋼制管材，單次敷設管線長度不能超過100 m，如果遇到復雜地層導致夯管作業無法按照預定方案進行時，需要將已夯入的管線拔出重新選址合適的夯入點，如果已夯入的管線無法順利拔出，會造成管線浪費的情況發生。

2.1.3 微型隧道法

微型隧道法又稱盾構法，是相對于地鐵建設采用的盾構法而言的。因為地鐵盾構法的施工機械是大型盾構機，而市政管道敷設所采用的小型盾構機械，一種小型的前端挖掘后端襯砌的盾構設備。小型盾構設備主要由設備前端的切削環、設備中部的支撐環以及設備尾部的襯砌環3 部分組成。設備前端的切削環相當于整個小型盾構設備的保護罩，可以將前端刃腳插入土體內進行掘進，然后通過機械在閉環內出土。設備中部的支撐環內安裝了液壓千斤頂，作為設備的支撐結構，千斤頂的一側與切削環連接，當前端切削環挖土工作完成后，千斤頂負責將整個盾構機向前移動。當設備中部的千斤頂歸位后，設備后端就露出了襯砌環，因為設備這時已經前進一段距離，這時候襯砌環內設備開始進行襯砌工作，鉆孔護壁保證挖掘的安全性。當機械襯砌完成后，又重新開始下一個挖掘—襯砌的重復動作，直到施工完畢。

2.1.4 頂管法

市政工程頂管施工法是在盾構施工法之后發展起來的一種新型市政地下管道施工方法。頂管法施工所適用的管道直徑在0.6～4 m。我國最早采用的非開挖施工方法就是頂管法。在頂管法應用初期，通常作為一種特殊的地下管線施工工藝來使用，而且不輕易使用。隨著時間的推移，建設單位逐步接受了該施工工藝。頂管法應用初期主要是集中在下水道管線施工中使用，隨著時間的推移，開始逐步應用到自來水管、煤氣管道、通信管道以及動力電纜管道等諸多市政地下管道的施工中，而且使用的頻率越來越高。頂管法施工工藝最大的優勢是在市中心繁華區域施工時，可以在不采取交通管制的情況下進行地下管線敷設作業。

2.2 非開挖技術在市政舊管線修復中的應用

市政工程地下舊管道修復工程在市政地下管線施工管理中占據重要管理地位，當市政地下管線出現局部破損或者區域性損傷后，通常采用管道局部修復、獨立性管道修復或者全部管道整體性修復等措施。管道局部修復策略避免了管道重新敷設，減少了市政總投資，也提升了市政工程的社會效益，以上提及的管道修復設備專業性都比較強，在舊管道修復初期，我國大部分管道修復設備依賴進口。近年來，隨著我國科學技術的不斷進步，大部分管道修復設備已滿足國產化，管道修復技術大部分也擁有獨立知識產權，其中常用的舊管道修復技術如內襯法、纏繞法以及爆管法都已經作為非常成熟的技術在實際中應用。非開挖管道修復技術在國外發達國家應用已相當普及，而在我國的應用范圍還沒有達到應有的廣度，但是我國擁有數量龐大的地下管線修復數量，這勢必會為非開挖舊管道修復技術的應用創造良好的基礎。隨著時間的推移，我國大量的舊管線非開挖修復技術將不斷展開。以下重點介紹非開挖修復技術中的原位固化法和纏繞法進行詳細分析研究。

2.2.1 原位固化法

原位固化法起源于20 世紀70 年代的英國，最初被應用在下水道修復工程中。該施工方法初期只是一種應用在不擾動原有土層基礎上、對老化或者已經失效的管線進行更新作業的普通施工方法。后來經過技術革新和技術改良，原位固化法對不同形狀、不同大小或者不同過渡區的地下管線均可以進行修復。原位固化法所修復的管線直徑范圍在0.1～3 m，只要管道直徑在整個范圍內都可以采用該方法進行修復，在舊管道內壁上襯一層液態的熱固性樹脂，采用蒸汽對其進行加熱使熱固樹脂固化，繼而使涂層與舊管道緊密結合形成新的薄層管，該方法最大限度地降低了管道流斷面的損失，但是大大提升了管道的流動性。經過數值模擬和大量工程實踐證明，采用原位固化法修復的地下管線使用壽命可以達到50 年。原位固化法可以修復彎曲管道、變直管道以及壓力管線，而且該方法可以連續修復長達幾千米的舊管線。該技術所使用的樹脂材料符合市政管線對材料等級的要求。此外，該管道修復技術還可以應用在高濃度化學物質的工業管道修復中。

2.2.2 纏繞法

非開挖技術修復管道方法還包括纏繞法，該方法主要修復市政污水管道。纏繞法所用的T 形筋的主要材料有兩種，一種是聚氯乙烯材料，另一種是高密度聚乙烯材料。使用井內的制管機將聚氯乙烯材料或者高密度聚氯乙烯材料卷制成螺旋形狀并通過機械動力送入需要修復的管道內，并利用自動扳機將卷制材料與需要修復的管道相互鎖緊并使用硅膠進行密封，并采用水泥漿密封螺旋管和混凝土母管之間的空隙。纏繞法最大的優勢是修復市政污水管道時可以帶水作業，大大降低了管道修復成本。纏繞法修復的污水管道直徑通常在0.15～2.5 m，修復的污水管道長度通常控制在300 m 左右。

3 非開挖管道施工方法的選擇

非開挖市政地下管道施工前要綜合研判具體的施工方法和所采用的施工機械，選擇正確的施工方法和施工機械是正確施工的必要條件。施工方法和施工機械的選擇主要依據是項目所在區域的地質條件、管道深度、項目所在區域的水文類型以及地下管道的截面形狀即截面尺寸。此外，項目施工工期要求和施工場地特性也是施工技術選擇和施工機械選擇需要考慮的內容。例如，在軟弱的黏土區域進行非開挖地下管線施工應采用擠壓沖擊掘進方法；含水量較大的砂質粉土區域應采用水沖式頂管機進行施工。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。此外，非開挖市政地下管線施工方法和施工機械具有一定的匹配性，一種施工方法通常有固定的施工機械，二者相輔相成。例如，在機械可自立的土層中可以使用手掘式頂管法，而與之對應的是手掘式工具頭。基于此，非開挖市政管道施工方法的選擇應根據項目所在區域地層情況、水文條件以及施工場地特點綜合研判后選擇合適的施工方法，并依據施工方法選擇與之對應的施工機械，并依照科學規范化信息管理進行施工。