论文-成都市推行非开挖技术的探讨.doc

成都市推行非开挖技术的探讨1赵振刚、1袁存防 （ 1成都中铁隆工程有限公司 成都 61000 ）摘 要 非开挖技术作为一门新兴的技术手段，主要应用在城市各类管线的改造、修复和铺设过程中，以其独有的优越性赢得了城市规划者的青睐。本文通过对非开挖技术的剖析，特别是对顶管（微型隧道）施工技术的介绍，得出成都市推广非开挖技术的必要性和重要性，并提出几点合理化建议。 关键词 非开挖、管线、定向钻进、顶管施工、城市化1涵义国内给非开挖技术的定义是：非开挖技术是指利用岩土钻掘手段，在地表不挖沟的情况下，铺设、修复和更换地下管线的施工技术。随着认识的不断提高，后来又有人指出，非开挖技术是指在不开挖地表的情况下，利用地质工程的技术手段，铺设、修复或更换各种地下管道和电缆的一种高科技实用技术。 但是，国内非开挖技术的定义中有两个关键问题没有表述清楚，使人们容易对非开挖技术产生误解，其一是“岩土钻掘手段或地质工程技术手段”，实际上，目前的非开挖技术已经远远超出了岩土钻掘工程或地质工程的技术范畴，如果继续用岩土钻掘工程或地质工程技术手段对非开挖技术进行限制，其定义势必出现偏颇，例如，国内有很多人简单地把非开挖工程和目前我国应用最为广泛的定（导）向钻进技术等同起来，这是完全错误的；其二是“地表不开挖或不挖沟”，实际上有很多非开挖施工方法在施工是之前必须开挖工作坑。 国际非开挖技术协会(ISTT)给非开挖技术的定义是：Trenchless Technology is the science of installing, repairing or renewing underground pipes, ducts and cables using techniques which minimize or eliminate the need for excavation”。其含义是：非开挖技术是利用微开挖或不开挖技术对地下管线、管道和地下电缆进行铺设、修复或更换的一门科学。 国际非开挖技术协会的定义无论是内涵和外延，对非开挖技术的定义都非常准确，同时也把非开挖技术定义为一门科学，说明非开挖技术不仅仅是一种简单的施工技术，经过近百年的历史积淀，非开挖技术已经发展成为一门多学科交叉的新的学科分支，我们可以给她定名为“非开挖工程学”。实际上，非开挖工程学还应包括在不开挖地表的条件下，对管道和地下管线进行探测和检查的理论、技术方法、仪器设备和工程实践等方面的内容。在城市化的过程中，非开挖技术是一种适时的、有力的、不可代替的先进手段，是完成城市水、气、电、通讯等生命线工程施工的必备技术，也是地下空间利用必须掌握的基本技术之一，是对地下工程施工常规工法的重要补充，有时也是唯一的选择，是我国建设部、美国、欧洲、日本和俄罗斯等国家鼓励和优先推广的技术。2发展2.1国际发展进程非开挖施工技术(trenchless technology或no-dig)虽词语较新，但其原理并不是新的。例如，大口径隧道顶管施工法己使用多年，自来水防腐灰浆喷射衬层法也具有较长历史等。国外非开挖技术发展大致可分为三个阶段：(1) 初期，人工地下挖掘后再铺管线 ；(2) 中期，常规挖掘与铺设相结合；(3) 近期，采用专用设备和技术把地下挖掘和管线铺设有机结合，并能准确控向的现代非开挖。1986年，国际非开挖协会(ISTT)在英国伦敦成立，这预示着世界范围内非开挖技术的研究与发展进入了新时期。据国际非开挖技术协会和国外主要公司的初步统计，目前发达国家用非开挖施工方法施工的管线已占全部地下管线工程施工量的10%，个别城市和地区，如德国柏林已高达40%。经过几十年的发展，国外非开挖技术，包括穿越铺设、更新、修复地下管线三个方面的施工方法均取得了很大的进步，其系列化配套技术也已日臻完善。各国政府对非开挖技术的研究、推广和应用同样十分重视。美国在90年代就将该项技术列入国家研究计划之中，英国曼彻斯特工业大学、美国路易斯安娜理工大学和德国波恩大学等都设立非开挖技术专业和相应的研究机构。2.2国内发展现状具有我国特色的非开挖技术在国内的发展方兴未艾，我国非开挖技术的应用起步较晚，发展大致也可分为三个阶段：（1）70年代末至80年代中期的初级阶段，工程具有应急特征，技术水平不高；（2）80年代中期至90年代中期的中期阶段，其特点是需求量大增，以引进国外技术与装备为主，非开挖技术发展较快；（3）自90年中期开始的近期阶段，此阶段的特征是，在引进国外非开挖技术和装备的同时，我国开始自行开发研制非开挖技术和装备，并取得了一些突破性的成果，扼止了设备的大宗引进势头，同时也涌现了一批专门或兼营非开挖技术的工程公司，开始进入了关键的创业期。虽然近年来我国的非开挖事业发展取得了长足的进步，但与国外相比，目前我国非开挖工程量还不够大，非开挖施工设备与技术的开发尚处于相对落后状态，非开挖技术的应用仍存在着适用性问题而需要提高。随着环保意识的逐渐加强，开挖道路进行地下管线施工导致的社会问题、交通问题和环境污染问题已越来越受到人们的关注。市政管理部门限制开挖道路铺管的法规将陆续出台，对非开挖技术的推广应用无疑会产生极大的推动作用。3适用范围 雨水管道 重力管道 污水管道 综合性管道 管道 煤气管道 热力管道地 压力管道 灌溉管道下 给水管道管 石油、天然气管道线 动力电缆 电缆 通信电缆 信号电缆及其他专用电缆 4特点 非开挖施工技术具有如下特点： 1、具有显著的社会效益。施工时不影响交通、不破坏环境、不干扰地面设施中人们的正常生活与工作秩序，对城区的交通、噪音、粉尘的危害和影响大大降低，是真正的无污染施工技术，能够提高城市综合形象。2、具有较好的经济效益。在相同情况下，非开挖施工的综合成本均低于开挖施工，而且管径和埋深越大时越明显。部分非开挖施工方法的直接成本甚至低于开挖法施工。当工程遇地上拆迁或管线修复时非开挖的优势更加突出。3、具有较快的施工速度。一千米管线敷设传统开挖需要用一个月，非开挖仅一到两周，大大提高了施工速度。4、具有较广的适用条件。可用于传统的开挖施工法所不允许进行开挖施工的场合，如河流、湖泊、交通干线、重要建筑物、重要道路等，选择工程量最小的地点用非开挖技术从其下方穿越敷设管线即可较少不必要的损失。5、可高精度地控制管线的埋深和敷设方向。该技术可以绕过未曾发现的地下障碍，如巨石或地下构筑物等。5非开挖技术分类非开挖技术根据施工原理和采用设备的不同，主要分为定向钻进法、夯管法和顶管（又称微型隧道）法几种类型。5.1定向钻进法主要用途：用于非开挖穿越公路、铁路、建筑物、机场、河流，湖泊、山体等铺设石油管道、通信电力管道、天然气管道、自来水管道等各类管线。技术原理：按预先设定的地下铺管轨迹靠钻头挤压形成一个小口径先导孔，随后在先导孔出口端的钻杆头部安装扩孔器回拉扩孔，当扩孔至尺寸要求后，在扩孔器的后端连接旋转接头、拉管头和管线，回拉铺设地下管线。适用地层：粘土、粉沙土、泥流层，一般风化岩，含少量砾石地层等。主要特点：（1）穿越精度高，易于调整铺设方向和深埋管线，弧形铺设距离长，完全可以满足设计要求深埋并且可以使管线绕过地下障碍物；（2）与其他施工方法比较，进出场地速度快，施工场地可以灵活调整，施工占地少，工程成本低，造价低，施工速度快；（3）不损坏道路的基础结构，施工不受季节限制，具有施工周期短、使用人员少、成功率高，施工安全可靠的特点；（4）可一次性穿越多孔管道。（注：沙卵石层目前不能采用此工法施工！）5.2夯管法夯管施工法是指用夯管锤将待铺设的钢管沿设计路线直接夯入地层，实现非开挖穿越铺管。主要用途：主要用于非开挖穿越公路、铁路、街道、建筑物等。技术原理：在压缩空气驱动下，夯管锤反复夯击钢管或水泥管后部，将需铺设的管道打入地层，实现管线穿越铺设，可连续多节夯入。设备条件：气动夯管锤，空气压缩机，各种配套工具。适用范围：管径为20-2000mm；管线长度为10-80m；管材为钢套管；适用于不含大卵砾石的各种地层，除坚硬岩石外，其他土层均可施工包括含水地层场地要求：由于锤和要铺设的钢管均在工作坑的一端，所需工作坑一般要比所铺管道长度多8-10米的位置即可施工。5.3顶管（微型隧道）法主要通途：主要用于铺设精度要求较高，埋深较大的小口径管道（一般为污水管道）；非开挖穿越山林、公路、建筑物、河流等铺设直径100 mm的水泥管道或其它坚硬质料的管道。技术原理：采用微型隧道掘进机钻进、同步分段顶进所需要铺设的管道。设备条件：主要由切削系统，激光导向系统，出渣系统，顶进系统，控制系统等组成，是一种遥控，可控向的顶管施工。严格的说，顶管法施工技术并不等同于微型隧道施工技术。顶管施工技术是指“在不开挖地表的情况下，利用液压顶进工作站从顶进工作坑将待铺设的管道顶入，从而在顶管机之后直接铺设管道的非开挖地下管道施工技术”；微型隧道施工技术是指“在施工中可采用遥控的方式在地表控制管道的顶进方向，是非进人式、远程控制的地下管道施工技术”，该工法也可用于铺设直径较大的管道，也称为小口径自动化顶管施工技术。6顶管（微型隧道）法介绍6.1顶管（微型隧道）法定义由中国非开挖技术协会组织编写的顶管施工技术及验收规范中，对“顶管施工技术”和“微型隧道施工技术”给予了以下术语解释：顶管施工技术（ pipe jacking）在不开挖地表的情况下，利用液压顶进工作站从顶进工作坑将待铺设的管道顶入，从而在顶管机之后直接铺设管道的非开挖地下管道施工技术。微型隧道施工技术 （micro tunneling）也称为小口径自动化顶管施工技术，一般用于铺设小口径管道，在施工中可采用遥控的方式在地表控制管道的顶进方向。该工法也可用于铺设直径较大的管道。在市政或工业管道工程施工中，必然要铺设很多不同直径的管道(包括自来水管道、污水管道、雨水管道、地下通道、地下铁道、燃气管道、热力管道以及长距离的地下输油管道和天然气管道等)。传统的挖沟埋管法具有很多缺点，如影响交通、破坏路面、破坏地表植被、影响正常的商业活动和居民的日常生活、大量的土方工程等。采用顶管技术不但能克服上述开挖法施工的不足，而且还具有如下优越性：1、无需隔断交通；2、噪音以及震动都很小；3、可以在很深的地下敷设管道；4、可以安全地穿越铁隆、道路、河流；5、对施工周遭的影响很小；6、可以穿越障碍物。6.2顶管工法分类图 顶管法工法分类（主要）顶管工法的分类主要是根据顶管施工过程中所采用的机械设备以及不同地层下的技术处理措施来区分的。其中，泥水式推进工法和土压式推进工法主要采用的泥水平衡式顶管机和土压平衡式顶管机，在顶管施工技术及验收规范也对两种设备进行了解释：泥水平衡式顶管机 （Slurry Pipe Jacking Machine/Shield ）平衡介质(这里指膨润土浆液)在工作舱中获得一定的压力，以平衡地下水和土层的压力，其破碎室中平衡压力的调节主要是通过泥浆泵控制进出平衡介质的量来实现的。土压平衡式顶管机 （Earth Pressure Balance Machine/Shield）土压平衡式顶管机，也称为土压式顶管机或者EPB-顶管机，是一种封闭式的顶管机。在顶进过程中，顶管掘进机一方面与其所处土层的土压力和地下水压力处于平衡状态；另一方面，其排土量与掘进机切削刀盘破碎下来的土的体积处于一种平衡状态。只有同时满足这两个条件，才算是真正的土压平衡。泥水式平衡顶管机工作原理土压式平衡顶管机工作原理7顶管工法施工概述顶管施工属于地下工程，影响施工的因素很多，除了施工工艺方法多、技术要求差异大等特点外，工程地质条件、原有地下设施和地下障碍物情况以及施工现场环境等因素均可对施工进度、工程质量、施工安全和施工成本造成影响。7.1准备工作首先，应对工程所在地的环境、交通、地下公共设施做出详细的调查，可以通过现场踏勘和组织专人调查获得相关信息。其次，要对工程所在地的地层条件、地质状况和周边既有管线、既有建（构）筑物进行充分的认识和了解，此项工作可以通过工程地勘报告、业主招标公告以及既有建（构）筑物所属单位进行调查和了解。最后，施工单位要对工程本身的难点、重点有所认识，并能有把握做出相对应的举措和应急方案，做到心中有数，对工程的施工图、工程量也要有清晰的认识和把握，对施工进度要有合理的规划。7.2现场布置顶管法的施工现场布置包括临时的基地布置和工作坑的平面布置图，还包括临时交通布置图及说明。另外，顶管机的进场顺序、组装和调试都要有合适的场地，同时，在施工过程中，对产生的泥土或渣土也要有相应的存储空间，渣土外运过程中的通行通道以及管材存放场地，都在现场布置的考虑范畴。7.3工法选择顶管施工方法很多，在选择合适的施工方法时，首先应考虑各类工法的适用条件，然后根据现场情况及设计要求，确定采用何种施工方法。选择工法的原则是要求该工法同时具有适应性、安全性、经济性。然后通过对比、优化，选出最好的工法。7.4顶管机选型顶管施工应主要根据土质情况、地下水位、施工要求等，在保证工程质量、施工安全等的前提下，合理选用顶管机型。为合理选择顶管机型，应首先获得和分析如下相关技术资料。根据所提供的工程地质钻孔柱状图和地质纵剖面图，了解顶管机所要穿过的有代表性的地层条件，同时研究特殊的地层条件和可能遇到的施工问题。在饱和含水地层中，特别是在含水砂层、复杂困难地层或临近水体，需充分掌握水文地质资料。为防止开挖面涌水或塌方，应采取防范和应急措施。顶管施工技术和验收规范中给出了以下选型依据：（1）按土颗粒组成和土的塑性指数，可确定顶管机穿越最具代表性的地层及其最基本的地质依据。（2）根据土的有效粒径d10和土的渗透系数K等，可确定是否采用人工降水的方法疏干地层。（3） 在环境保护要求很高的砂性土层中进行顶管施工，当地下水压力98kPa，粘粒含量10cm/s，并有严重流砂时，宜采用泥水平衡或开挖面加高浓度泥浆的土压平衡的顶管掘进机施工。（4） 按土的稳定系数Nt的计算和对地面沉降的控制要求选择顶管机的结构形式以及地面沉降控制技术措施，其计算公式见公式： 土的重度h 地面至机头中心的高度q 地面超载n 折减系数，一般取1土的不排水抗剪强度 当Nt6时，且地面沉降控制要求很高时，因正面土体流动性很大，需采用封闭式顶管机头。当4Nt200kPa, 渗透系数10-3cm/s时慎用。允许管道周围地层和地面有较小变形，精心施工条件下地面变形量可小于5cm。8泥水平衡式D: 250-4200H: 3m或1.5D胸板前密封舱内的泥浆压力平衡地层和地下水压力，以泥浆平衡装置自动控制，管道周围注浆形成泥浆套。地下水位以下的粘性土、砂性土。渗透系数10-1cm/s,地下水流速较大时，严防护壁泥浆被冲走。允许管道周围地层和地面有很小变形，精心施工条件下地面变形量可小于3cm。9混合式顶管机D: 250-4200H: 3m或1.5D上述方法中两种工艺的结合根据组合工艺而定根据组合工艺而定10挤密式顶管机D: 150-400H: 3m或1.5D将泥土挤入周围土层而成孔，无需排土。松软可挤密地层允许管道周围地层和地面有较大变形。注：表中的D、H值可根据具体情况进行适当调整。8成都推行非开挖技术的必要性和重要性成都作为中国西南地区的政治、经济和文化中心，各项现代化建设正在以前所未有的速度发展，城市化进程进一步加快，以城市轨道交通为主的市政公用建设进行的如火如荼，在此背景下，适时引进非开挖技术有着十分重要的意义。（1）在成都市的轨道交通建设过程中，以“盾构法”为代表的新工艺、工法已经成为成都市轨道交通建设的技术主导力量，而“盾构法”施工正是秉承了“非开挖”的核心理念，非开挖技术的优越性不言而喻。（2）成都市的城市化进程进一步加快，必然伴随着老城区的改造和升级，其中各类旧管线的修复以及新管线的铺设必将成为城市化改造过程中的当头难题，而非开挖技术正是基于各类管线铺设和修复施工技术的研发。（3）非开挖技术特别是顶管（微型隧道）施工技术，是解决成都“高富水、砂卵石”复杂地层条件下各类管线铺设、修