淺析地下管道非開挖施工技術(shù)及其發(fā)展方向

張 浩

（中交建筑集團(tuán)第六工程有限公司，重慶 401120）

0 引言

過去，城市管道的敷設(shè)大多采用露天管道安裝技術(shù)，即根據(jù)管道的長度等預(yù)先挖掘溝槽，將管道放入其中，然后進(jìn)行嵌入和填埋。然而，傳統(tǒng)的施工方式會引發(fā)道路封閉、堵塞以及不必要的繞行[1]。此外，地面開挖還會造成環(huán)境污染和噪音污染。正因?yàn)檫@樣，非開挖施工技術(shù)一經(jīng)問世就被廣泛應(yīng)用于地下管道鋪設(shè)與維修。

地下管道非開挖施工技術(shù)指的是使用各種挖掘設(shè)備和技術(shù)，在只開挖小面積土地的情況下進(jìn)行地下管道的鋪設(shè)與維修。有了非開挖施工技術(shù)的支持，管道安裝與維修不會破壞周圍環(huán)境，也不會影響城市居民的正常生活，解決了傳統(tǒng)開挖施工技術(shù)對周圍環(huán)境、建筑和交通的破壞和影響。此外，非開挖施工技術(shù)還能減少能源消耗和碳排放量[2]。該技術(shù)在國內(nèi)被廣泛應(yīng)用于給排水、電力和通訊領(lǐng)域的管網(wǎng)建設(shè)與維修，并且還能有效保護(hù)古建筑。

目前，中國較流行的非開挖施工技術(shù)包括水平定向鉆進(jìn)技術(shù)、頂管法和爆管法等[3]。明確各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，有利于施工人員合理選擇。因此，本文就地下管道非開挖施工技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，并探討其發(fā)展方向，以供參考。

1 常用非開挖施工技術(shù)介紹

1.1 水平螺旋鉆進(jìn)技術(shù)

水平螺旋鉆進(jìn)技術(shù)在施工前需要準(zhǔn)備工作坑，將螺旋鉆水平放置到工作坑中。在施工過程中，通過螺旋鉆桿將作用力傳遞到鉆頭，將前方的土壤轉(zhuǎn)移到工作坑中，如圖1所示。該方法廣泛運(yùn)用于鐵路和公路等領(lǐng)域，也可用于環(huán)境敏感地區(qū)。水平螺旋鉆進(jìn)技術(shù)可分為軌道式水平螺旋鉆進(jìn)和吊架式水平螺旋鉆進(jìn)兩種方法。中國地質(zhì)大學(xué)于2016年研發(fā)出更先進(jìn)的配套技術(shù)，以全面解決精度和效率等問題[4]。

圖1 水平螺旋鉆進(jìn)施工示意圖

圖2 雙向?qū)Υ┘夹g(shù)示意圖

水平螺旋鉆進(jìn)施工工藝可分為以下四個步驟[5]：第一步，在施工前，對施工管道路段的地表設(shè)施、地質(zhì)條件和地下管線等進(jìn)行勘察，確定鋪設(shè)管道的可行性，并進(jìn)行鉆孔軌跡規(guī)劃；第二步，根據(jù)規(guī)劃路徑，挖掘適當(dāng)?shù)墓ぷ骺雍徒邮湛樱⒏鶕?jù)土質(zhì)情況進(jìn)行必要的加固處理，以滿足鉆進(jìn)過程中的作用力要求；第三步，安裝水平螺旋鉆機(jī)，利用導(dǎo)向設(shè)備向既定方向推進(jìn)；第四步，利用螺旋鉆桿排除鉆孔過程中產(chǎn)生的土渣，鉆機(jī)動力頭向前頂進(jìn)，直到施工完成。

2008年，有學(xué)者將水平螺旋鉆進(jìn)法應(yīng)用于小口徑排水管工程中。該工程管道總長度為14.2km，施工路徑涉及市區(qū)道路，并且大部分管道鋪設(shè)在黏土層中。這是首次將水平螺旋鉆進(jìn)法應(yīng)用于鋼筋混凝土排水管工程的案例，取得了良好的效果。

1.2 水平定向鉆進(jìn)技術(shù)

水平定向鉆進(jìn)技術(shù)（Horizontal Directional Drilling,HDD）是一種高效、低成本且對環(huán)境影響較小的非開挖施工技術(shù)。該技術(shù)所需的設(shè)備包括鉆機(jī)、鉆具、鉆頭和推管機(jī)。水平定向鉆進(jìn)技術(shù)包括電磁感應(yīng)法探測技術(shù)、地下生命線工程的信息化、雙向?qū)Υ〩DD技術(shù)、大口徑HDD技術(shù)等。其中，電磁感應(yīng)探測技術(shù)利用目標(biāo)與周圍環(huán)境的電磁差異，確定生命線的空間位置。地下生命線工程的信息化包括數(shù)據(jù)加載、編輯和輸出等功能，可以更好地實(shí)現(xiàn)管線的管理，提高管理效率。

有學(xué)者描述了水平定向鉆進(jìn)技術(shù)在大口徑市政管網(wǎng)中的應(yīng)用[6]。該工程位于貴州花溪區(qū)，總管線長度為1892m，管道距地面深度為12～15m，預(yù)計(jì)施工時(shí)間為4個月。施工過程包括導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)、分級擴(kuò)孔、清孔和管道回拖等步驟以實(shí)現(xiàn)管道鋪設(shè)。在該工程中，水平定向鉆進(jìn)技術(shù)相較于頂管法能夠節(jié)約133d的施工時(shí)間，同時(shí)能夠節(jié)約425萬元的成本。

雙向?qū)Υ┧蕉ㄏ蜚@進(jìn)技術(shù)用于解決長距離作業(yè)時(shí)鉆壓不足、工作效率低下的問題[7]。該技術(shù)2006年首次成功應(yīng)用于錢塘江底部生命線工程，該工程管線長度為2454.15m。該技術(shù)的關(guān)鍵在于對鉆頭磁場的控制，使得兩側(cè)鉆頭能夠成功對接[8]。然而，大口徑對穿水平定向鉆進(jìn)技術(shù)的難度較大，且存在較多風(fēng)險(xiǎn)，例如鉆具失效等情況。因此，該技術(shù)對鉆機(jī)、鉆頭提出了更高的要求。

1.3 頂管法

頂管法是中國應(yīng)用最廣泛的非開挖技術(shù)之一。頂管法是指利用頂鐵和軌道將管道壓入土層中，并同時(shí)將管道內(nèi)的泥土挖出。當(dāng)?shù)谝还?jié)管道完全進(jìn)入土層后，再按照同樣的方式將第二根管道壓入土層中，并在每一節(jié)管道的連接處進(jìn)行接口處理，如圖3所示。

圖3 頂管工程示意圖

頂管法根據(jù)施工方法可分為對頂法、后拉法等；根據(jù)頂管類型可分為：長大距離頂管、大管徑頂管、微型管頂管、曲線頂管等。近年來，我國在頂管法相關(guān)技術(shù)方面不斷精進(jìn)，已達(dá)到世界先進(jìn)水平。伍豪[9]對頂管法在長距離管道施工中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了描述，施工過程中需要計(jì)算管道的總頂力、鋼筋混凝土管道接頭的最大承載力、后座墻的穩(wěn)定性參數(shù)等。在施工前，各項(xiàng)參數(shù)需要進(jìn)行嚴(yán)密的計(jì)算和控制，為后續(xù)工程提供有力的理論支持。在頂管法中，中繼器是長距離頂管的重要技術(shù)措施，能夠分段克服阻力，分散設(shè)備頂力，并確保所有管道所承受的頂力在可承受范圍內(nèi)[10]。除了應(yīng)用于管道工程，頂管法還廣泛應(yīng)用于公路隧道和泄洪通道等工程。近年來，我國已經(jīng)在多個工程中采用頂管法進(jìn)行施工，部分頂管法工程列舉在表2中。

表2 國內(nèi)部分頂管工程

1.4 爆管法

爆管法是指將爆管工具插入需要替換的舊管道中，通過外力拉或頂?shù)姆绞綄⑴f管道撐破，使管道碎片擠入周圍土層中，同時(shí)新的管道在外力的作用下鋪設(shè)到原管道位置[11]。該方法也被稱為脹管法，施工方法如圖4所示。

圖4 爆管法工程示意圖

根據(jù)動力來源的不同，爆管法可以分為氣動爆管法、液動爆管法和切割爆管法。在施工前需要注意地質(zhì)條件、管道位置和管道材質(zhì)等因素[12]。 地質(zhì)條件對施工影響較大，若土壤較疏松，則該方法對地面的影響較小。但是當(dāng)土壤較緊密時(shí)，使用爆管法可能會導(dǎo)致地面隆起；土壤過于松散時(shí)，可能會導(dǎo)致管道塌陷。

管道的地下位置直接影響著施工的可行性和難度。當(dāng)管道埋深較大時(shí)，還需要考慮管道周圍是否存在地下水以及設(shè)備動力是否充足。

爆管法會使舊管道爆破，并產(chǎn)生大量的碎片，這些碎片會進(jìn)入周圍土壤中，可能對土壤環(huán)境產(chǎn)生影響。隨著舊管道破碎程度的增加，對周圍土壤的影響更小，而舊管道的材質(zhì)直接影響到其破碎程度。此外，新管道的材質(zhì)也會影響到管道的承重等問題。

1.5 管道修復(fù)技術(shù)

除了上述非開挖施工技術(shù)用于安裝管道外，還有其他一些非開挖施工技術(shù)用于管道維修，例如原位固化法（cured-in-place pipe）、縮徑內(nèi)襯法（deformed and reformed，DR）和滑襯法（slip lining）。

原位固化法是通過倒置水（或空氣），將熱固性樹脂飽和襯墊引入舊管道，然后內(nèi)襯膨脹，直到附著在舊管道上。最后通過加熱（或常溫）形成一層薄管，牢固附著在舊管上[13]。

縮徑內(nèi)襯法的原理是清洗舊管道后，通過機(jī)械作用暫時(shí)減小新管道的直徑，然后將新管道插入舊管道，最后通過加熱、加壓或自然恢復(fù)原形狀和尺寸，實(shí)現(xiàn)管道修復(fù)[14]。

滑襯法是將新管道插入舊管道，然后在兩個管道之間進(jìn)行灌漿[15]。

2 非開挖施工技術(shù)的發(fā)展方向

由于非開挖施工技術(shù)具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，因此在未來仍然會被廣泛用于管道安裝[16-18]。目前，雖然非開挖施工技術(shù)具備很大的應(yīng)用潛力，但是仍然存在一些亟需解決的問題，非開挖施工技術(shù)在未來的發(fā)展應(yīng)著重關(guān)注以下三個方面[19-20]。

第一，盡管非開挖施工技術(shù)具有簡便快捷的特點(diǎn)，但相對而言費(fèi)用較高，包括設(shè)備和施工過程的費(fèi)用。因此，未來的發(fā)展方向之就是進(jìn)一步降低施工成本，這需要技術(shù)創(chuàng)新和施工方法的優(yōu)化。

第二，地下管線的相關(guān)數(shù)據(jù)由多個部門共同管理，導(dǎo)致管網(wǎng)檔案分散。因此，未來發(fā)展的趨勢是實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)管理、檢測和修復(fù)過程的信息化。

第三，在智能化方面，發(fā)展管道機(jī)器人，并利用空洞探測技術(shù)和其他技術(shù)進(jìn)行管道的檢測和維修，也是未來發(fā)展的方向。

3 結(jié)束語

綜上所述，非開挖施工技術(shù)可以在不干擾周圍施工環(huán)境的情況下完成施工任務(wù)。本文對常用的非開挖施工技術(shù)進(jìn)行了歸納總結(jié)，為未來城市管網(wǎng)施工時(shí)選擇合適的非開挖施工技術(shù)提供依據(jù)；還對非開挖施工技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了分析，以期為相關(guān)研究人員提供思路。當(dāng)前，地下管網(wǎng)的安裝和維修仍然存在較多問題，分散式管理也不利于管道的安裝和維修，高昂的費(fèi)用也是制約其發(fā)展的瓶頸之一。因此，通過技術(shù)和管理創(chuàng)新進(jìn)一步降低成本，實(shí)現(xiàn)信息化和智能化是非開挖施工技術(shù)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。