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摘要：文章總結了非開挖鋪設排水管道技術的特點和適用的范圍，并介紹了根據實際地質、機械設備情況，通過應用非開挖鋪設管道技術，使得工程得以克服難點順利進行的實例。

關鍵詞：非開挖技術；頂管；微型隧道技術

1引言

傳統的雨污水管道鋪設是開挖施工，而在基礎設施十分擁擠的城市內和排水管道需穿越既有公路、鐵路時，開挖施工往往受到嚴重制約。另外隨著城市化進程的加快，污水管道的鋪設越來越深，開挖施工隨著管道埋深的增加變得非常不經濟。這都使得設計人員在管道的鋪設設計中尋求非開挖鋪設管道技術。

2非開挖鋪設地下管道技術概述

非開挖鋪設地下管道技術，簡稱TT技術，即TrenchlessTechnology，是近年發展起來的新技術。現代非開挖管道施工技術最早起源于美國，1896年美國太平洋鐵路公司在現有鐵路下采用頂進鑄鐵管道的施工方法并隨后制定了行業標準。我國是在1953年，在北京市市政施工中首次采用頂管法。頂管法是最早也是最普遍的非開挖施工法，主要鋪設管徑大于1.2m、小于3.0m的各種管道。隨著機械設備和巖土鉆掘技術的快速發展，非開挖鋪設管道技術由最初傳統的人進式頂管技術發展出各種非人進式、遠程控制的各種頂管法（PipeJacking）和微型隧道（Microtun-nelling）施工方法。微型隧道法主要用于鋪設管徑小于1.2m的管道，其采用各種鉆探技術與遠程控制技術，使得長距離小孔徑的管道鋪設成為可能[1]。與傳統的開挖施工相比，非開挖鋪設管道方法在埋深大于4m，繁忙路段或附近有其他地下服務設施等條件下，經濟上具有優越性。當在地下水位以下或者地層易沉降的不穩定地層施工時，這種施工方法更具有競爭力。目前，非開挖鋪設管道技術應用非常廣泛，一次性鋪設的管道長度在不斷刷新紀錄，對各種地層的適應能力越來越強，施工速度和質量可以得到更好的保證，已經成為市政建設不可或缺的技術手段。

3地質構造對非開挖鋪設管道的影響

地層和現場勘查對任何地下工程來說都是非常重要的，地質情況不僅影響施工成本，更關系到施工方法和設備的選擇。由于微型隧道技術實際上是包含在頂管技術中，關于頂管技術的論述對于微型隧道技術同樣適用，下面以頂管為例來闡述不同的地層對非開挖鋪設管道的影響。

3.1砂性土

砂性土指粒徑大于0.075mm顆粒小于全重的50%并且塑性指數不大于10的土。在砂土層中頂管比在粘性土中頂管困難。砂性土層具有含水量大、摩擦阻力大，有液化現象和易塌方等特點。在管道頂進砂土層時，砂土凝聚力差，管上土體塌落后壓在管道之上，增加管道上部的壓力，頂力隨之增大。管道施工的難易往往取決于含水量，含有飽和水的粉、細砂出現流砂現象，必須采用輔助措施封閉工作面后才能施工。如遇承壓水地層時，必須做好排水工作否則難以頂進。在承壓水作用下的粉、細砂層，流砂現象嚴重，有時甚至出現管涌。必須封閉工作面并采取輔助措施，否則易出現嚴重地表沉降事故。上海4號地鐵2003年重大事故就是此原因引起的。在地下水較低、砂土孔隙比又大于0.9時，砂土呈松散狀態，稍受震動既會失去穩定，出現滑坡和塌方現象，必要時應對管頂土采取灌漿加固等穩定措施。工具管末端加裝保護罩、嚴禁超挖等也是防止出現塌方的必要措施[2]。

3.2粘性土

粘性土指塑性指數大于10的土。粘性土由于表面靜電的作用使土顆粒粘結在一起，形成粘性土體。天然含水量的粘性土對頂管有利，管前可以超挖，如果管頂粘土層足夠厚形成卸力拱，施工時可按規定縱深超挖，頂進時所需頂力小，頂進設備也簡單。隨著含水量的增大會使工作環境惡化，可采用加大頂力克服阻力增大的現象。頂管在地下水以下可以采用封閉工作面和降水等方法保證施工順利進行。

3.3其他土層

3.3.1軟土

軟土有高壓縮性，低滲透性和觸變性的特點，其結構極易遭到破壞，以致出現管道沉陷、接口錯位等事故。應預先采取措施，預防頂進途中出現問題。

3.3.2砂礫石層

松散的砂礫石層極易塌方，管道頂進后對其管頂和周圍空隙要及時填實以防塌方，應考慮頂進前后的灌漿加固。地下水以下由于砂礫石層滲透性極大，必須降水后才能頂進。

3.3.3水敏感性土

水敏感性土主要指濕陷性黃土和膨脹土。水敏感性土注意施工時不得采用水力破土，管道接口保證密封，必要時采用內加固防滲。并適當加大管道剛度，設計時增加覆土厚度，加大管道壓力等方法防止管道破壞。

4頂管施工技術簡介

頂管施工就是借助主頂油缸以及中間繼的頂進力，把工具管或頂管掘進機從工作坑內穿過土層一直頂到接受坑內吊起。與此同時，把緊隨在工具管或掘進機后的管道埋設在兩個工作坑之間。一個完整的頂管施工（如圖1所示）主要包括：工作坑和接受坑、頂管掘進機、主頂裝置中間機、頂鐵、基坑導軌、后座墻、頂進用管、輸土裝置、地面起吊設備、測量和校正系統以及注漿系統、供電照明系統、和通風換氣系統等。根據挖掘方法不同，頂管機可分為手掘式頂管機和機械挖掘式、水力破碎式頂管機。根據工作面平衡方式的不同，頂管機可分為自然平衡式、工作面半機械平衡式、氣壓平衡式和泥水平衡式頂管機。

4.1手掘式頂管機

手掘式頂管機是目前國內應用最為普遍的頂管機，尤其是在短距離的頂管施工中，由于昂貴的機械挖掘設備一次性投入比較大，影響施工的經濟性，普遍采用手掘式頂管施工。手掘式頂管機結構形式主要取決于工作面對土壓力的平衡方法。工作面自然平衡手掘式頂管施工主要適用于降水后地下水位以上穩定的粘性土層，工作面土體比較穩定在自然情況下能夠實現自支撐。工作面半自然平衡手掘式頂管施工主要是指工作面采用了網格或擋板等輔助土壓力平衡措施，可以在無粘性土和地層壓力高的土層內完成作業。

4.2機械挖掘式（水力破碎式）頂管機

在長距離和深度較大的頂管施工中，常常采用機械式頂管設備，機械挖掘式頂管具有頂進能力強、施工速度快、距離長、自動化程度高的優點。機械式挖掘頂管機內部裝有挖掘機械或刀盤，機械破碎（或水力破碎）下來的土石可以通過傳送帶或螺旋鉆桿等設備輸送至后面的運輸設備。在頂進過程中，只有當所處土層地下水壓力和土壓力處于平衡狀態，并且排土量與掘進機頂進所占去的土的體積也處于一種平衡狀態時，才能使頂進不至于產生地面沉陷或隆起。機械挖掘式頂管機多采用土壓平衡工作面和泥水平衡工作面，也可采用氣壓平衡工作面。

4.2.1土壓平衡工作面原理

土壓平衡頂管是指在頂進過程中，利用土倉內的壓力和螺旋輸送機械排土來平衡地下水壓力和土壓力。與泥水平衡工作面相比，其最大的特點是排出的土或泥漿一般都不需要進行泥水分離等二次處理。其基本原理是通過機頭前方的刀盤切削土體并攪拌，同時由輸土機械輸出挖出的土體。在掘進機的機頭前方面板上裝有壓力感應裝置，操作者通過控制輸土機的出土量和頂進速度來控制頂進面的壓力，和前方靜止土壓力保持一致，以防止地面沉降或隆起。

4.2.2泥水平衡工作面原理

泥水平衡頂管是指在頂進過程中，用水力切削泥土以及采用水力輸送棄土，同時利用泥水壓力來平衡地下水和土壓力的這一類頂管。泥水平衡頂管施工適用土質范圍較廣，尤其適用于地下水壓力變化范圍較大的環境，其對頂管周圍土體擾動較少。如采用泥水管輸送棄土，可以極大提高頂管工作環境的安全性，作業時速度較快。但施工時棄土的存放和運輸相對困難，泥水處理的噪音和大量泥漿的產生對環境的影響較大，同時對滲透性不同的土層必須采用不同的泥漿濃度，對設備和施工技術的要求相對較高。

4.2.3氣壓平衡工作面原理

氣壓平衡頂管是指在頂進過程中，以一定的壓力的壓縮空氣來平衡地下水壓力，疏干地下水，從而保持挖掘面平衡的方法。這種技術適用于不適宜降水的地層，可以防止降水產生的地表沉降等不利因素。其最大工作空氣壓力不大于0.36MPa，并須保證地表不發生氣體泄漏。人和物頻繁進出壓力艙門直接導致時間和費用的耗費。由于投資大，只適用于長距離的頂管。

5微型隧道技術簡介

微型隧道技術是直接由鉆井技術發展起來的，主要由成孔、擴孔、鋪設管道和輸土四個過程組成。可以完成新建管道的鋪設，也可以通過搗碎、擠入等方法對已建成管道進行置換。不同的施工方法其施工機械可以靈活采用[4]。根據成孔方法和泥土排出方法不同，可大致分為以下幾種。

5.1先導式微型隧道方法

先導式微型隧道方法首先進行先導鉆孔鉆進，然后進行擴孔鉆進，在擴孔的同時將要鋪設的管線頂推或拉入，并將先導鉆桿從目標坑中頂出或拉出。先導鉆孔掘進和擴孔可采用多種方法。

5.2螺旋排土式微型隧道方法

螺旋排土式微型隧道方法是指通過切削刀盤來破碎工作面，并通過螺旋輸送裝置將破碎下來的泥土連續的排至地表的方法。該方法適用于較軟的地層，其控制和導向裝置以及對管材適應性廣。在鋪設非鋼質管道時，采用專門的螺旋輸送通道，這樣螺旋鉆桿和通過其輸送的泥土對于所需要施工的管道不會有荷載的作用[5]。

5.3水力式微型隧道方法

水力式微型隧道方法是指通過切削刀盤來破碎工作面，并將破碎下來的泥土通過水力方法連續的從位于刀盤和導向頭后面的破碎室或泥漿室排至地表的方法。這種方法實際上屬于水平向的沖洗式回轉鉆井技術。

5.4氣排式微型隧道方法

氣排式微型隧道方法和水力式微型隧道技術的唯一區別是將沖洗介質換成了壓縮空氣。

5.5土擠密式微型隧道方法

土擠密式微型隧道方法是通過擠密頭和導向頭將土層擠密至周圍孔壁的方法，不需要輸土系統。

6結束語

非開挖鋪設排水管道在以前的工程設計中，往往是由于各種條件所限制而被動的采用。這種經濟、安全的施工方法，只要合理的根據實際地質情況作出相應合理的設計，往往會比明挖施工得到更好的經濟和社會效益，應在今后的設計工作中大力推廣。

參考文獻

[1]馬保松，D.Stein，蔣國盛著.頂管和微型隧道技術[M].北京：人民交通出版社,2004，6-7

[2]劉震澤，張洪葉，孫昭偉主編.劉廣志文集[C].北京：地質出版社，2003,66-67

[3]許少宗,非開挖技術在市政給水工程中的應用探討[J].工程技術研究,2018(5):107-108

[4]嚴純文，蔣國盛，葉建良著.非開挖鋪設地下管線工程技術[M].上海：上海科學技術出版社，2005

[5]烏效鳴著.導向鉆進與非開挖技術[M].武漢：中國地質大學出版社，2004.

作者:張思海 單位:北京國道通公路設計研究院股份有限公司