張家一 ZHANG Jia-yi

（北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)，北京 100123）

（Beijing Gas，Beijing 100123，China）

1 非開挖技術(shù)簡介

非開挖施工，在實(shí)際施工中一般泛指，由于受到地形、地質(zhì)及其他因素制約，無法進(jìn)行明開槽施工的條件下，進(jìn)行的在基本不破壞原有地表特征，而在地表相應(yīng)深度以下進(jìn)行的施工。非開挖施工技術(shù)是指利用各種巖土鉆掘的設(shè)備和技術(shù)手段，在地表不開挖溝槽的條件下，鋪設(shè)、更換各種地下管線的施工技術(shù)，國外叫做Trenchless technology或No-Dig。

1.1 非開挖技術(shù)的分類 非開挖技術(shù)包括管線的鋪設(shè)、修復(fù)、更換和探查四個(gè)領(lǐng)域（圖1）。

1.2 非開挖技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 與傳統(tǒng)的挖槽鋪管的施工方法相比，非開挖施工具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：

圖1 非開挖技術(shù)流程圖

①非開挖施工不阻斷交通，不破壞道路和植被，無污染，無噪音，因而可以避免造成擾民問題、交通干擾問題，以及對(duì)環(huán)境建筑基礎(chǔ)的破壞影響。②在開挖施工難以進(jìn)行或根本不允許進(jìn)行的情況下，采用非開挖技術(shù)可使管線施工成為可能，并且可將管線設(shè)計(jì)在施工工程量最經(jīng)濟(jì)合理的地點(diǎn)穿過。③減少了開挖施工的地下作業(yè)工程量，減小了在高地下水環(huán)境下作業(yè)的施工難度，增大了安全保證系數(shù)；加快了施工進(jìn)度，縮短了施工工期；作業(yè)面小，可控制鋪管方向，施工精度高，綜合施工成本低。④成本低，應(yīng)用廣泛，有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，特別是當(dāng)埋深和管徑越大時(shí)，其效益更加明顯。

1.3 非開挖技術(shù)的常見施工技術(shù)介紹

1.3.1 頂管施工技術(shù)介紹 頂管施工方法是目前在市政施工過程中最常見、應(yīng)用范圍最廣的一種非開挖施工技術(shù)。與其他非開挖技術(shù)相比較，頂管施工技術(shù)提出及投入使用時(shí)間較長，技術(shù)相對(duì)成熟，適用范圍較廣，操作穩(wěn)定性較強(qiáng)，技術(shù)較易掌握，因此在城市燃?xì)夤芫W(wǎng)敷設(shè)施工過程中，需進(jìn)行非開挖施工時(shí)，多選用頂管施工技術(shù)。

頂管施工其實(shí)質(zhì)是頂“套管”施工，在完成套管的頂進(jìn)施工后，正式燃?xì)夤艿涝谔坠苤蟹笤O(shè)。套管材質(zhì)多為鋼筋混凝土管，也可為鋼管。燃?xì)夤艿涝谔坠苤蟹笤O(shè)時(shí)需采用方法固定，施工完成后，套管內(nèi)可填充中粗沙，避免形成爆炸空間，套管兩端用磚砌體封閉，避免進(jìn)水加大燃?xì)夤艿赖母g。重要地段（例如過河、過鐵路）需在套管兩端安裝檢漏管，檢查監(jiān)測套管內(nèi)是否存在燃?xì)狻?/p>

1.3.2 夯管施工技術(shù)介紹 夯管施工技術(shù)在近十年來被大量應(yīng)用于燃?xì)夤芫€工程施工，夯管施工頂進(jìn)的仍為套管，其材質(zhì)為鋼管。多數(shù)用于穿越城市主干道，大型路口的非開挖施工。夯管施工技術(shù)與頂管施工技術(shù)原理基本相同，其最大區(qū)別點(diǎn)在于頂進(jìn)機(jī)械的設(shè)置安裝。頂管施工采用千斤頂作為頂進(jìn)設(shè)備，千斤頂必須在頂管工作坑內(nèi)依靠后背作為頂進(jìn)時(shí)的支撐，后背承受頂進(jìn)過程中的全部阻力；而夯管施工采用液壓夯管錘或氣動(dòng)夯管錘作為頂進(jìn)設(shè)備，不用依靠后背進(jìn)行頂進(jìn)。因?yàn)楹还苁┕さ倪@一特點(diǎn)，其施工效率要高于頂管施工技術(shù)，同時(shí)由于頂進(jìn)機(jī)械的革新，選用的材料，夯管施工的成本比頂管施工有所降低。因此，更高的施工效率，更低的工程成本，成為夯管施工技術(shù)明顯優(yōu)于頂管施工技術(shù)的兩大優(yōu)勢。

1.3.3 定向鉆施工技術(shù)介紹定向鉆施工技術(shù)在施工效率、施工成本上具有頂管和夯管施工技術(shù)所無法比擬的優(yōu)勢，而這種優(yōu)勢的形成，是源于定向鉆施工技術(shù)的自身特點(diǎn)。①定向鉆施工技術(shù)直接針對(duì)燃?xì)夤芫€本身，而并非像頂管、夯管施工技術(shù)一樣是針對(duì)套管的施工方法。這一本質(zhì)區(qū)別使定向鉆施工避免了增加大量主材費(fèi)、人工費(fèi)，大幅度的降低了施工成本，同時(shí)由于不必進(jìn)行套管施工，整體施工時(shí)間大幅度降低是必然的結(jié)果。②定向鉆施工技術(shù)管道在鉆進(jìn)敷設(shè)過程中呈彈性曲線敷設(shè)，而非頂管、夯管施工技術(shù)的水平頂進(jìn)敷設(shè)。③定向鉆施工技術(shù)要求管材防腐采用三層PE防腐技術(shù)，同時(shí)由于主管道不必從套管中穿越障礙，燃?xì)夤芫W(wǎng)的電保護(hù)方案不必考慮局部增加帶狀犧牲陽極，即節(jié)省了投資，又縮短了施工周期。

2 頂管技術(shù)的施工方法

2.1 頂管施工技術(shù)的分類 頂管施工技術(shù)按照具體頂管施工方法可大致分為三大類：①人工掘進(jìn)頂管施工法：最基本的頂管施工方法，在頂進(jìn)過程中，由人工在套管前方掘土、出土。施工進(jìn)度較慢，但施工成本較低，較適用于短距離頂管施工工程，而在長距離頂管施工中，由于人工費(fèi)用的增加，會(huì)造成工程成本的的整體上浮。②機(jī)械掘進(jìn)頂管施工法：在被頂進(jìn)的管道前端安裝機(jī)械鉆進(jìn)掘土設(shè)備，配置皮帶運(yùn)土機(jī)械代替人工挖運(yùn)土的頂管方法。施工效率較高，但由于設(shè)備投資較大成本偏高，不適用于短距離頂管施工工程，同時(shí)受地質(zhì)條件限制，無法應(yīng)用于含水土層和巖石地層。③水力掘進(jìn)頂管施工法：利用水力掘進(jìn)工具管進(jìn)行掘土，施工效率較高，但設(shè)備投資較大，對(duì)水源及泄泥場所有很高要求。如在短距離頂管工程中應(yīng)用，會(huì)造成施工成本大幅度增加。通過綜合考慮這三種頂管施工方法各自的優(yōu)劣、成本，以及燃?xì)夤芫W(wǎng)敷設(shè)施工中使用非開挖施工技術(shù)的目的、施工成本，人工掘進(jìn)頂管施工法成為燃?xì)夤芫€首選的，也是最常用的頂管施工方法（后文頂管施工法均指人工掘進(jìn)頂管施工法）。

2.2 頂管施工的幾個(gè)條件 在燃?xì)夤芫€頂管施工過程中，必需滿足以下幾方面條件，才能確定順利完成頂管施工。①施工現(xiàn)場的詳細(xì)地勘資料，水文資料，是制定頂管施工方案的基礎(chǔ)資料。缺失相關(guān)資料，則方案的制定將無從談起。同時(shí)，掌握第一手地勘情況，也是采用其他非開挖施工技術(shù)制定施工方案的先決條件。②掌握詳實(shí)的施工現(xiàn)場地下管線資料，是制定頂管施工方案及其他非開挖施工方案的基本要求。③施工現(xiàn)場有足夠的位置布置頂管工作坑和接受坑，是可以進(jìn)行頂管施工的必要條件。頂管工作坑的長寬尺寸必需滿足如下要求：

式中DW——套管外徑（m）；

b——套管兩側(cè)操作寬度，一般為0.8～1.6m；

c——撐板厚度，一般為0.2m；

l1——管子頂進(jìn)后，尾端留在導(dǎo)軌上的最小長度，鋼筋混凝土管一般為0.3～0.5m，鋼管一般為0.6～0.8m；

l2——每根管長度（m）；

l3——出土工作面長度，一般為1.0～1.8m；

l4——千斤頂組裝總長度；

l5——千斤頂后座及后座墻的總厚度（m）。

式中P——最大頂力（N）；

K——安全系數(shù)，一般可取1.2；

L——管子頂進(jìn)的總長度（m）；

f——管壁與土壤的摩擦系數(shù)，土壤含水量越小，取值越大；

PV——頂進(jìn)管子上方的垂直土壓力（N/m）；

PH——管子側(cè)面的水平土壓力（N/m）；

ρ——土壤密度（kg/m3）；

h——管頂以上的土柱高度（m）；

DW——管子外徑（m）；

φ——土壤的內(nèi)摩擦角（°）；

P0——管子的重力（N/m）；

R——管前刃腳的阻力（N/m2），一般R=5×105N/m2；

A——刃腳正面積（m2）。

⑤頂管過程中，高程、角度的嚴(yán)密監(jiān)測，隨時(shí)校核調(diào)整，是保證頂管工程順利進(jìn)行的必要手段，是防治發(fā)生偏頂，造成工程失敗的有效措施。

⑥頂管工作坑、接受坑屬于深基坑施工，采用適當(dāng)放坡、錨噴護(hù)壁、鋼框架支護(hù)等施工技術(shù)措施處理坑壁及坑底，是確保施工安全，保證施工順利進(jìn)行的必要措施。

⑦頂管施工中使用觸變泥漿，既可減少頂進(jìn)阻力，加快施工進(jìn)度；又能夠?qū)λ缮⑼临|(zhì)起到加固作用，降低了發(fā)生塌方的可能性，是提高施工效率，增加經(jīng)濟(jì)效益的有效措施。

2.3 鋼筋混凝土管頂管施工特點(diǎn) 通過近幾年來實(shí)際工程中的總結(jié)，筆者認(rèn)為，頂管施工技術(shù)，根據(jù)使用管材的不同（即鋼筋混凝土管和鋼管）其頂管適用范圍是不同的。

鋼筋混凝土管頂管施工特點(diǎn)：管材規(guī)格多、管腔空間大，便于在套管內(nèi)進(jìn)行掘土施工，材質(zhì)不存在腐蝕問題，抗壓強(qiáng)度大，不易產(chǎn)生形變。但施工速度慢，施工所需機(jī)械型號(hào)偏大，需投入一定成本。

鑒于以上特點(diǎn)，鋼筋混凝土管頂管施工適用于有足夠工期的穿越河道、鐵路路基、公路、橋涵的中長距離頂管施工，以及施工現(xiàn)場土壤腐蝕性較高的頂管施工。

3 工程實(shí)例

在2006年5月“平房西路燃?xì)夤こ獭笔┕み^程中，由于現(xiàn)狀化糞池?zé)o法拆除，且道路工期緊迫，要求5天后具備路面鋪油條件，經(jīng)過分析計(jì)算最終決定采用鋼管頂管施工法穿越障礙。鋼套管管頂距化糞池底部混凝土基礎(chǔ)1.0米，距道路路面5.0米，頂管長度12米，采用DN700厚度為12mm的鋼管作為套管，因工期要求工作坑無法采用錨噴護(hù)壁，采用工字鋼框架密板支護(hù)。從工作坑開挖到完成燃?xì)夤芫€施工，向道路施工方移交工作面，共計(jì)用時(shí)3工作日，滿足了道路要求，充分體現(xiàn)了鋼套管頂管施工進(jìn)度快的特點(diǎn)。雖然在現(xiàn)階段燃?xì)夤芫€施工過程中大量使用了頂管技術(shù)，但需要指出的是在具備多項(xiàng)施工優(yōu)勢的同時(shí)，這種施工技術(shù)的不足也是相對(duì)明顯的。

①施工進(jìn)度偏慢，不適于在工期要求較高的工程中采用。②施工過程中允許的誤差范圍小，由于在頂進(jìn)過程中可進(jìn)行的糾偏程度極小，因此在進(jìn)行地勘調(diào)查、高程、角度的監(jiān)測校核調(diào)整工作時(shí)必需十分準(zhǔn)確。極小的疏忽、誤差都有可能造成管道在頂進(jìn)過程中遇到無法通過的障礙，或引起塌方事故，致使整個(gè)工程報(bào)廢。③頂管工作坑、管道接收坑均為深基坑施工，如不能按要求做好坑壁的支護(hù)處理工作，形成安全隱患，極易導(dǎo)致基坑坍塌，造成重、特大安全事故。④燃?xì)夤艿绬喂荛L度12米/根，如要整管穿入套管，則頂管工作坑的長度不應(yīng)小于15米，會(huì)增加工作坑施工的難度，增大危險(xiǎn)系數(shù)，造成工程成本明顯上升。因此，在頂管施工后期的穿管施工中，往往會(huì)提前斷管，每段管道長度在4～6米。這就造成燃?xì)夤艿辣旧砗附?、防腐等相?yīng)工程量成倍增加，在加大了施工量的同時(shí)，也增大管道發(fā)生滲漏的可能性。⑤頂管施工必須做好套管、主管道的防腐，電保護(hù)工作。鋼筋混凝土套管接口處必須做好防水處理，避免地下水滲入套管，腐蝕主管道。鋼套管及主管道在做好外層防腐的前提下，還要做帶狀犧牲陽極電保護(hù)處理，防止電化學(xué)腐蝕，加大了此部分的工程成本。同時(shí)，一旦因防腐、電保護(hù)工作疏忽，造成管道腐蝕，由于頂管施工往往敷設(shè)深度較深，不宜在保證用氣的前提下進(jìn)行管道更換，可能造成管網(wǎng)停氣施工，增大管網(wǎng)運(yùn)行成本。

可見，頂管技術(shù)的不足之處也是相當(dāng)明顯的。尤其施工進(jìn)度偏慢，單項(xiàng)工程成本投入偏高的缺點(diǎn)，直接制約了頂管技術(shù)在燃?xì)夤こ淌┕ぶ械膽?yīng)用。同時(shí)，由于燃?xì)夤芫€施工具有施工周期短，投資相對(duì)較小的特點(diǎn)，因此，盡快出現(xiàn)能夠更加適應(yīng)燃?xì)夤芫€施工特點(diǎn)的非開挖技術(shù)，成為燃?xì)夤芫€施工管理、技術(shù)人員迫切的要求。

4 結(jié)論

通過以上分析不難看出，在現(xiàn)階段的燃?xì)夤芫€施工中，由于地質(zhì)條件、現(xiàn)場情況、施工周期、工程成本等多方面因素的制約，頂管施工技術(shù)、夯管施工技術(shù)、定向鉆拉管施工技術(shù)均有所應(yīng)用。那么，在燃?xì)夤芫€的非開挖施工過程中，如何選定最為合理的施工技術(shù)方案，個(gè)人認(rèn)為應(yīng)從以下諸方面綜合考慮：

①根據(jù)詳實(shí)可靠的地勘資料、地下管線資料，分析各種非開挖技術(shù)在此類地質(zhì)條件下是否可行。確保施工能夠順利進(jìn)行，保證安全施工，將施工中的危險(xiǎn)系數(shù)降到最低，是選擇施工技術(shù)方案時(shí)首先要考慮的問題。例如：現(xiàn)場土質(zhì)過差，含沙量、含水量過高，土方施工中易形成塌方，不能或不宜進(jìn)行深基坑開挖，則在考慮施工方案時(shí)，應(yīng)首先考慮定向鉆拉管施工。②根據(jù)施工現(xiàn)場條件，主要是根據(jù)施工現(xiàn)場面積，交通狀況，相關(guān)部門對(duì)施工現(xiàn)場要求確定適宜的非開挖施工技術(shù)。③對(duì)于穿越灌渠、小河道，鐵路路基的非開挖施工，建議在現(xiàn)場條件允許的情況下，采用鋼筋混凝土頂管施工，避免沉降和滲水對(duì)燃?xì)夤艿雷陨硇纬晌：?。④工程的工期要求是確定非開挖施工技術(shù)方案的重要因素。任何工程，都有明確的工期要求，無法達(dá)到工期要求，再優(yōu)秀的施工方案也是紙上談兵，不切實(shí)際，不可能被選用。工期要求越緊，越應(yīng)選擇施工效率高的施工技術(shù)方案。就三種非開挖施工技術(shù)的施工效率相比較，定向鉆施工無疑是最快的，其次是夯管施工，再次是頂管施工。⑤在以上條件均能滿足的條件下，施工成本的高低成為確定施工方法的決定性因素。作為燃?xì)夤芫€施工企業(yè)，在正常范圍內(nèi)盡量降低施工成本，提高利潤空間是正常的也是必須的滿足企業(yè)自身生存發(fā)展需要的合法行為。因此，在同等條件下，選擇成本最低的施工技術(shù)方案，是符合企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益效率要求的。

綜上所述，相信通過對(duì)地形地質(zhì)條件，現(xiàn)場施工環(huán)境，現(xiàn)場施工條件，施工工期要求，施工成本控制等多方面因素的綜合考慮，在燃?xì)夤芫€的非開挖施工過程中，我們能夠選擇出最適合的施工方法。同時(shí)，隨著各種非開挖技術(shù)的逐漸改進(jìn)，日趨完善；隨著新型非開挖技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，相信非開挖施工技術(shù)會(huì)越來越多的被應(yīng)用到燃?xì)夤芫€的敷設(shè)施工中來，展現(xiàn)出它不可忽視的優(yōu)勢。

[1]原輸配公司工程檔案.

[2]頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范.中國地質(zhì)大學(xué).

[3]武志國.頂管施工技術(shù)講座教案.