非开挖技术在排水管道工程中的应用

苏功军
（天津市市政工程设计研究院，天津 300051）

　　随着我国国民经济的飞速发展，市政基础设施建设的加快，我国市政排水管道的铺设长度也在不断增长，排水管道的建设促进了各地区经济的发展，排水管道已延伸至城市的各个角落。排水管道大多埋设于城市的道路下，在传统的设计与施工中，除穿越铁路等局部地段外，基本上都采用明开或支撑槽的方法施工，尤其在道路建设的同期进行管道施工具有投资省、施工简便等优点。但是在目前的排水管道工程中，有一部分是在现状道路下施工，如采用传统施工工艺，则必须要破路施工，这将影响道路路面的统一性，破坏了道路的整体景观效果，也对交通造成很大影响。目前，我国的一些城市已明确规定，在城市主要干路的机动车道和非机动车道上，各种管线不允许破路施工，而必须采用非开挖技术，这对非开挖技术在排水管道工程中的应用提供了良好契机。

　　非开挖管道施工技术是指利用各种岩土钻掘设备，在地表不开槽的条件下铺设、更换或修复各种地下管线的施工技术。与传统的挖槽施工法相比，非开挖施工技术具有不影响交通、对周围环境影响小、施工周期短、社会效益和经济效益显著等优点，尤其适用于在无法实施开挖作业的地区，如穿越闹市区、铁路、高速公路、堤坝、建构筑物、河流等。

　　现代非开挖技术是70年代在西方发达国家兴起，并逐渐走向成熟的地下管线铺设、更新的新技术，是地下管线施工的一项技术革命，它以独特的技术优势和广阔的市场前景得到世界各国的极大重视。我国的非开挖技术与西方国家相比起步较晚，但近年来，随着我国地下管线建设的蓬勃发展，非开挖技术已从单一的顶管施工迅速发展起来，并已逐步走向成熟。

　　我国目前采用的非开挖技术主要有顶管法、夯管法、水平导向钻进法等几种工艺。

　　1 顶管法

　　顶管法施工工艺是一种历史比较长的地下管道施工方法，它最早始于1896年的美国。据资料记载，日本最早的一次顶管施工是在1948年，我国采用顶管施工是在1953年的北京。在1964年前后，上海的一些单位已进行了大口径机械式顶管的各种试验。至84年前后，我国的顶管施工基本上是人工开掘并辅助以如挤压法等简单的机械式顶管方式。1984年前后，我国的一些大城市先后开始引进国外先进的机械式顶管设备，从而使我国的顶管技术上了一个新台阶。

　　顶管施工除了传统的人工开掘式、挤压法、水冲法之外，目前比较流行的有气压平衡、泥水平衡和土压平衡法等三种平衡理论。

　　1.1 气压平衡理论

　　气压平衡理论是在所顶进的管道中及挖掘面上都充满一定压力的空气，以空气的压力来平衡地下水的压力。因气压顶管施工对土质及周围环境有特定的要求，因此，该工艺比泥水平衡和土压平衡法应用较少。

　　1.2 泥水平衡理论

　　泥水平衡理论是以含有一定量粘土，且具有一定相对密度的泥浆水充满掘进机的泥水舱，并对它施加一定的压力，以平衡地下水和土压力的一种顶管理论。该顶管法施工有以下几种优点：

　　① 适用的土质范围比较广；

　　② 可有效地保持挖掘面的稳定，对所顶管子周围的土体扰动比较小，地面沉降量小；

　　③ 与其他类型顶管比较，施工时的总顶推力比较小；

　　④ 工作坑内作业环境比较好，作业也比较安全；

　　⑤ 由于泥水输送弃土的作业是连续进行的，因此施工进度较快。

　　但该工艺也有它的缺点：

　　① 弃土的运输和存放比较困难；

　　② 所需的作业场地大，设备成本高；

　　③ 噪音大，对环境会造成污染；

　　④ 施工设备比较复杂，一旦哪个部分出现问题，就得全面停止施工；

　　⑤ 如覆土层过薄，或遇上渗透系数特别大的砂砾、卵石层，施工作业就会因此受阻。

　　因此，泥水平衡法施工工艺在小口径顶管中采用是比较理想的。

　　1.3 土压平衡理论

　　土压平衡理论是以掘进机泥土舱内泥土的压力来平衡掘进机所处土层的土压力和地下水压力的顶管理论。与泥水式顶管施工相比，最大的特点是排出的土或泥浆一般都不需要再进行泥水分离等二次处理，与人工开掘式及其它形式的顶管施工相比，具有适应土质范围广和不需要采用其他任何辅助施工手段（如降地下水）的优点，因此，目前土压式顶管施工得以迅速普及，成为顶管施工中的首选工艺。在顶管掘进机中引入了土压平衡这一概念以后，就使掘进机发生了质的飞跃。

　　土压平衡顶管施工具有以下优点：

　　① 适用的土质范围广；

　　② 能保持挖掘面的稳定，从而使地面变形极小，施工时的复土可以很浅；

　　③ 弃土的运输、处理比较方便简单；

　　④ 作业环境好，操作方便、安全。

　　土压平衡顶管工艺主要采用多刀盘顶管掘进机，根据所顶管道直径的大小不同，掘进机前端（泥土舱）配有不同数量的切削搅拌刀盘，对土体进行切削和搅拌，然后由螺旋输送机将泥土运出。掘进机的动力舱内配有土压力表、测量用光靶和多个液压千斤顶，土压力表用以随时监测泥土舱的土压力变化，测量用光靶和千斤顶，随时监测顶进方向并进行纠偏。在顶进过程中，为了减小顶进中的阻力，通常采用注入化学触变泥浆来达到减阻的作用。

　　土压平衡顶管应用比较广泛，目前，实际工程中最大顶进管径已达3 m，顶距达400 m，而且，可以进行垂直顶进、曲线顶进。

　　我院在货场大街排水工程中，为保证建国道两侧建筑的安全，采用了土压平衡法顶管工艺，顶进的管道直径为D 2400 mm，顶距为180 m。由于采用此工艺，没有采用降地下水的措施，因此，有效地保证了周围建筑物的安全。

　　2 夯管法

　　夯管法施工技术是近几年发展起来的一种地下管道施工方法，是采用低频、大冲击力的气动夯管锤将待铺设的钢管沿设计路线直接夯入地层。夯管设备一般是引进国外的大口径夯管锤，可以铺设直径在2 m以内、长度80 m以内的各种钢管。
气动夯管锤的主要设备有发电机组、空压机、夯管锤等。

　　施工时，夯管锤的冲击力直接作用在钢管的后端，通过钢管传递到前端的管靴上切削土体，并克服土层与管道之间的摩擦力使钢管不断进入地层。随着钢管的前进，被切削的土芯进入钢管内，在第一节钢管夯入地层后，后一节钢管与其焊接在一起，如此反复，直到夯入最后一节钢管，待钢管全部夯入后，可采用压缩空气、高压射流、螺旋钻杆、人工掏土等方法将管内的土体排出。夯管过程中，用经纬仪和水准仪控制进管的方位、高程和角度，保证夯进精度。

　　该项技术靠动荷载夯进，在施工时不需要靠背支撑，施工时不掏土，也不会发生局部沉降，其地层适应性广泛，施工周期短。如在北京北五环路过路施工中采用此技术铺设40 m长、直径为1.6 m的钢管，约4天时间完成铺管作业。

　　3 水平导向钻进法

　　水平导向钻进法是一种无需挖掘工作井就能快速铺设地下管线的钻进方法。施工时，通过预先设计的铺管线路（可通过设备上的电脑进行辅助设计），驱动装有楔形钻头的钻杆从地面钻入，再按照预定的方向绕过地下障碍，直至抵达目的地，然后卸下钻头换装适当尺寸和特殊类型的回程扩孔器，使之能够在拉回钻杆的同时水平钻孔至所需直径，并将需要铺设的管线同时返程牵回至钻孔入口处，以保证铺设管线不会由于空间不足或钻屑摩擦而受到破坏。在扩孔的同时注入化学泥浆以保证钻孔不致坍塌。

　　该项工艺可铺设钢管、PVC管、PE管等刚性连接的管道，在施工前应将待铺管道于地面上完成管道连接，曲线段可采用1º的借转角度，一次钻进最长可达800 m，导向定位系统可测至30 m的深度。如在我院设计的嘉兴污水收集工程中，采用此工艺牵引DN530PE管穿越河道14条，在穿越150米宽的河道时，只用了4天时间。

　　4 气动矛法

　　气动矛法铺管技术是以压缩空气为动力，压缩空气驱使气动矛向土中钻进，将周围土体排向周边，形成管道孔，同时将所需要铺设的管线拉入土层中完成管线的铺设，由于其所受到的阻力大，成孔小，一般应用于铺设200 mm以下、长度40 ~ 80米的钢管、PVC管、PE管。

　　上述几种非开挖技术除顶管工艺在我国排水工程中得到普遍应用外，其余几种技术应用相对较少，有待于实际工程的推广应用。随着我国一些大中城市道路景观工程的实施，管道非开挖技术的应用前景将十分广阔。