一、非开挖技术概述

      我国非开挖管线工程技术的应用起步较晚,发展大致可分为三个阶段:

      第一阶段为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;

      第二阶段为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;

      第三阶段为自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施工公司,开始进入了关键的创业期,具有我国特色的非开挖技术在国内的发展如 日 中 天。

      按施工原理不同,非开挖埋管技术可分为定向钻施工法,顶管施工法和盾构施工法三种

      1、定向钻施工法

      定向钻施工法是采用回转切削,水射流式挤压方式成孔,在地面接收钻头附近发出的电磁信号来实现钻孔轨迹控制,即人工用手持仪器来随钻导向的钻进方法。该方法成孔后采用拉管方式来铺设管线，主要用来铺设小直径管线,即铺设直径小于500mm的各类管线(钢管、混凝土管、塑料管)。与另外两种埋管技术相比,具有自由调节方向,遇障碍报警,绕向避开障碍的特别功能。

      2、顶管施工法

      顶管施工法是用顶管机体前方刀盘边切削土体,边由后部顶进装置将顶管机连同顶进管一起沿着设计路线向前推进的埋管方法。被切削的残土,由水力或土砂压送装置送至地面运走,前者称为泥水式顶管,后者称为土压式顶管。该方法适于中小口径管线铺设,即钢筋混凝土管径从φ200至3000mm,钢管小于φ3500mm的管道铺设。顶进路线宜平缓,曲线半径不宜过小。

      3、盾构施工法

      盾构施工法顶进机理与顶管施工法相同。盾构法和顶管施工法的区别在于,前者采用管片结构组合,后者用管材,将整个管段向前推进。盾构法多用于地铁和隧道工程,管径宜大于4米。

      与传统的开挖施工技术相比,非开挖施工技术的主要优点是:

      1)具有显著的社会效益。施工时不影响交通、不破坏环境(绿地、植被、树木)、不干扰工厂、商店医院、学校和居民的正常生活与工作秩序。

      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(直接成本+间接成本)均低于开挖法施工,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。

      3)施工速度快。由于辅助工程(如槽壁支护、回填等)少,施工速度大大快于开挖施工。

      4)可用于传统的开挖施工法无法施工或不允许进行开挖施工的场合,如穿越大型河流、湖泊、交通干线、建筑物等。

      随着非开挖铺设技术在我国全面推广，非开挖已成为衡量一个国家地下管线施工科技含量高低的重要标志之一。与发达国家相比，我国“非开挖技术”的运用，起步晚，差距大。但近几年来，由于政府主管部门的重视，随着国外先进技术和装备的不断引进，我国在这一领域也有了很大发展。

      二、非开挖技术排水管道铺设技术

      1、顶管法

     顶管施工法是最早用在排水工程施工中的一种非开挖施工方法,起源于美国。最初,顶管施工法主要用于跨越孔施工时顶进钢套管,随着技术的改进,顶管法也可用于无套管情况下顶进永 久性的公用管道,主要是重力管道。

      顶管施工的基本流程如下:顶管施工先在管道设计路线上施工一定数量的小基坑作为顶管工作井,作为一段顶管的起点与终点,工作井的一面或两面侧壁设有圆孔作为预制管节的出口和进口。顶管出口孔壁对面侧墙为承压壁,其上安装液压千斤顶和承压垫板。顶管施工就是借助于管顶油缸以及中继间的顶进力,把工具管或顶管掘进机从工作坑内穿过土层一直顶进到接收坑内吊起。与此同时,把紧随在工具管或掘进机后的管道埋设在两个工作坑之间。一个完整的顶管施工主要包括以下几个部分:工作坑和接受坑;顶管掘进机;主装置中继间;顶铁;基坑导轨;后座墙;顶进用管;输土装置;地面起吊设备;测量和校正系统;注浆系统;供电和照明系统;通风和换气系统;辅助施工。（如图所示）

图1顶管施工示意图

       2、导向钻进铺管技术

      采用方向可控和以水射流破土为主的钻进技术,使用地表放置的钻机,按设计轨迹钻一个导孔,然后在扩孔和回拉的同时铺入管线。根据钻机能力、铺管直径和地层条件,也可先进行一次或两次扩孔后再拉管。采用带斜面的钻头,通过对其回转状态的控制,进行钻孔方向的调控。钻头的定位和导航通过采用手持式仪器测量钻头附近探头发出的电磁信号来实现。导向钻进主要用于小口径管线的施工,适用管径50-350mm。施工长度20-400m。适用管材:钢管、塑料管。本方法不适用于砂层和砾石且深度受到限制。（如图所示）

图2钻孔铺管示意图

      3、旧管改造铺设技术

      传统的改造方法是开挖敷设一条新的管道(旧管道报废),但由于这些超龄管大都敷设在人口稠密、商业繁荣的市区,雨、污水管道的周边充塞着煤气、热力、电力、通讯电缆等其他市政管道和设施,因此改造工程的实施存在着相当的难度。 原位换管法是一种以欲更换的旧管道为导向,将其切碎或压碎,同步将新管道拉入或推入的换管技术。该技术用于原位更换同直径或加大直径的管道,可用来更换PE(聚乙烯)、Pvc、铸铁、水泥、陶土等管道。该方法根据破碎旧管及新管置入方式不同,可再分成:①爆管法:气动锤在绞车钢绳的牵引下,冲击破碎旧管并同时拉入新管;②吃管法:微型隧道设备掘进破碎旧管并铺入新管。

      4、非开挖拉管管理施工技术

      非开挖拉管技术的准备包括两部分：一是地质勘测，对施工现场的地下结构详细勘测，根据收集到的数据设计管道的路径、直径、扩孔次数、回扩器型号等；二是机械设备，将水平钻井机运输至现场，并安装在合理的位置固定支撑。拉管施工技术主要有：①导向孔轨迹的设计如图1②回拉力的计算及定向钻机的选择；③管材的选用；④泥浆的配制;⑤导向孔的施工。

      5、非开挖修复技术

      管道的非开挖修复一般分为点状修复和线状修复。点状修复即对管线中已损坏的某一部分进行修复施工的技术,又称部分修复技术;线状修复技术即对检查井之间的整段管进行修复的技术。现分别对这两种修理技术进行介绍:

      ①非开挖点状修理技术。有许多损坏管道的使用年限还不到10年,管体结构完好,只是接口出现渗漏。对这类管道采用点状修理显然是合理的。早期点状修理的方法比较简单,主要靠人员进入管内进行修理,因此该技术只能用于直径800mm以上的管道。

      ②非开挖整体修理技术。整体修理就是对两个检查井之间的管段整段加固修理,可分为两大类:一类是涂层法,另一类是内衬管法。涂层法是将水泥砂浆、环氧树脂作为喷涂材料,通过在卷扬机拉力作用下的旋转喷头或者人工方法将材料依次在旧管道内喷涂,形成总厚度3.5mm的加固层,经过自然养护,形成主管道一衬里复合管,达到对旧管道的整体修复。该技术对管道结构强度没有增强作用,但能够提高管道的耐压、耐腐蚀及耐磨损性能,延长管道寿命。翻转法即把灌浸有热硬化性树脂的软管材料运到工地现场,利用水和空气的压力把材料翻转送至管道并使其紧贴于管道内壁,通过热水、蒸气、喷淋或紫外线加热的方法使树脂材料固化,在旧管内形成一根高强度的内衬树脂新管的方法。

      三、非开挖埋管技术与开槽埋管传统工艺的优劣比较

      1、时间效益

      非开挖埋管施工进度一般设计成平均10m/天,埋管速度与埋管深度关系不大,主要与地质状况有关,软土施工速度快,硬土施工速度慢。破路开挖,施工速度与人力投入成正比,工期无法准确评估,视乎地质情况而异,软土地段施工速度慢,硬土地段施工速度快。

      2、经济效益

      我国常见的2米以内埋深的管线铺设工程,采用非开挖技术所需综合造价是开槽埋管综合造价的10倍。国内工程经验,埋深6米以内的开槽埋管综合费用比非开挖施工低,埋深超过6米,开挖支护费用将会较大,则非开挖施工较为经济。

      3、适用条件比较

      开槽埋管方式有其开挖限制的场合,例如穿越江河、湖泊、山地、主要交通干线、闹市区及重要建筑古迹,高层建筑等时,是难于实现的;非开挖方式则不受限制。

      4、施工安全性比较

      暴露在地面上的各类管道流通着各种介质,存在着各种类型的危机,又因其暴露在外面受各种自然与人为因素的影响,危机可能随时爆发,对其施工人员及周围的居民将构成不同程度的危险;而非开挖铺管方式,以其高精度地控制地下管线的铺设方向和埋深,并可使管线绕过地下障碍物穿越,将危机化解于无形。

      四、结语

      城市地下管网作为城市的重要基础设施之一,其建设越来越来收到人们的关注。非开挖拖管施工技术正是非开挖技术中的典范，解决了管道埋设施工中对城市建筑物的破坏和道路交通的堵塞等难题，在穿越铁路、公路、河流、建筑物等障碍物时可减少沿线的拆迁工作量，节约资金和时间，降低工程造价，在稳定土层和环境保护等方面凸显其优势。