28持续发展的非开挖技术6

1持续发展的非开挖施工技术颜纯文（中国地质装备总公司）1前言非开挖技术是指利用岩土钻掘的技术手段，在地表以最少的开挖量或不需开挖的条件下铺设、更换或修复各种地下管线的一种施工新技术。它可广泛用于穿越高速公路、铁路、建筑物、河流、湖泊，以及在市区、古迹保护区、农作物或植被保护区等进行污水、自来水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等地下管线的施工。此外，非开挖技术还可用于降水工程、隧道工程、基础工程以及环境治理工程等。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（图1）。(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）。可以说，非开挖技术是对地下管线施工的一次技术革命，并以其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，使其成为企业参与、社会提倡、政府支持的一个新的应用技术领域，成为一门新兴的产业。为了推动该项技术的发展和应用，1986年在英国伦敦成立了国际非开挖技术协会（ISTT—InternationalSocietyforTrenchlessTechnology）。随后，许多国家和地区相继成立了国家或地区性的非开挖技术协会，目前共有26个国家或地区性协会（有的是几个国家联合组成一个协会），拥有3500多名个人会员和1500多个公司会员。我国也于1998年成立了中国非开挖技术协会（CSTT），同年加入国际非开挖技术协会，现有公司会员120个，个人会员60多个。2关于非开挖技术的几个误区（1）术语“非开挖”这一术语是从英文“TrenchlessTechnology”或“No-Dig”直译过来的。国内还有人译为“不开槽”、“不开挖”、“免开挖”、“无开挖”、“非明挖”、“暗挖”等。从上述的定义可知，非开挖施工技术并非是百分之百的不开挖（有些方法需要开挖工作井），也不是完全在地下进行开挖（可在地表，也可地下进行）的施工方法，而是采用钻进或掘进等技术，在地表无需开挖长而深的管道槽的条件下完成管线的施工。所以，严格来讲，这些译名都没有准确地放映实际的含义。然而，“非开挖”这一术语尽管不尽合理，但目前已被国内施工、科研、教学和管理等部门的有关人员所接受和认可。（2）适用范围虽然国际非开挖技术协会并没有给非开挖技术限定在一个具体的范围内，但一般是指小口径管线（不进人，直径一般在1米以下）的施工。所以，将已经成熟的大断面隧道施工技术（包括矿山法、钻爆法和盾构法）也列入非开挖技术的范畴显然与国际上的惯例不相符。然而，完全将非开挖技术的适用范围限定在1米以下的管线施工也是不合理的，因为有些非开挖施工方法的适用范围可以超过1米，如顶管法、水平定向钻进法、夯管法等。（3）施工成本一般都认为，任何一种采用新技术的施工方法，其成本一定会比采用传统施工方法的成本高。正是由于这种认识使得新技术的推广往往都比较困难，尤其是在劳动力丰富的第三世界国家。然而，国内外的应用都表明，在大多数情况下，非开挖施工的综合成本均低于开挖施工，当管线的埋深越大时越明显（图2）。在繁华市区，以及穿越公路、铁路、河流、湖泊、建筑物等，非开挖施工更是一种经济可行的施工方法。（4）施工方法2非开挖技术包括新管线的铺设和旧管线的更换与修复三大类，每一类又包含许多种施工方法（见表1），每种方法又有若干种变型或工法。据估计，目前共约有百余种非开挖施工工法。然而，国内有人往往将非开挖技术与某一种施工方法相等同，如将非开挖技术与顶管法或盾构法相等同，或者认为非开挖技术就是指水平定向钻进或导向钻进。这些都是对非开挖技术的片面理解。图1非开挖和开挖施工成本的比较图2非开挖施工成本与管径、埋深的关系3非开挖技术持续发展的原因（1）城市建设的需要现代化城市建设需要铺设大量的新管线。一方面，人均拥有地下管线的长度是衡量人民生活水平高低的一项重要指标，为了提高生活水平就必须铺设各类地下管线。目前在西方发达国家，上、下水管道的人均拥有量都达到或超过12米，而我国人均只有1.2和0.7米。另一方面，信息技术的发展和人民对环境的重视，光纤电缆和石油天然气管道的铺设量也急剧增加。此外，一些老城市由于现有的地下管线年代已久，要么不能满足现有的需求，就是由于各种原因而破损。因此，大量的旧管线需要进行更换和修复。然而，由于城市的快速发展，尤其是交通的发展和环境的改善，各类地下管线的施工已不可能象以往那样大规模采用“开膛破肚”式的传统施工方法，非开挖施工技术由于具有独特的优点也就理所当然地越来越受到欢迎。（2）交通网络的形成由于交通事业的迅速发展，各国均已形成了四通八达的公路（特别是高速公路）、铁路和城市道路网络。非开挖施工技术由于施工时不影响地面交通而得到大量推广。（3）法制建设和法律意识的加强1995年，国务院颁布的《城市道路管理条例》明确规定：新建、扩建、改建后的城市道路5年内，大修的城市道路3年内不得开挖。一些城市（如上海、广州、济南等）也先后制定了地方性法规，限制开挖施工，并加倍收取道路占用费和修复费。另外，由于任意开挖而引起的法律纠纷和各类赔偿越来越多，使开挖施工的综合成本大幅提高。因此，随着人们法律意识的增强，任意开挖的现象将会越来越少。（4）环保意识的提高近几年，人们的环保意识普遍提高，城市绿化工作越来越受到重视，城市的绿地面积不断增加。传统的开挖施工法虽然其直接的施工成本较低，但由于对环境的破坏而不再如以前那样受到普遍采用，在越来越多的场合开始受到限制。（5）非开挖技术本身的完善随着非开挖施工技术和施工设备的不断完善，提高了非开挖施工的可靠性和安全性，降低了施工成本，扩大了非开挖技术的应用范围和应用领域。1980~2001年我国城市市政、公用、绿化和交通设施建设情况见表2。3表1常用的非开挖地下管线施工方法及其适用范围施工方法给水管污水管煤气管电缆线适用口径mm施工长度m顶管法√1000~350050-1500小口径顶管法--先导式--螺旋式--泥水式√√√√√100-700150-1000250-100030-5050-15050-500水平螺旋钻进法√√100-150030-80水平定向钻进法√√300-2000100-1500导向钻进法√√√50-50050-500气动矛法√√√30-25020-60夯管法√√√50-200020-80爆管法:气动爆管液压爆管√√√√50-120050-60030-25030-100裂管法:√√50-15030-150吃管法√100-100050-200传统的内衬法:连续管法非连续管法√√√√60-2500100-120050-30050-200改进的内衬法:拉拔法冷轧法变形法√√√√√√√√√50-60050-600100-120050-80050-100050-500软衬法√√√50-270050-900缠绕法√100-250050-300喷涂法:水泥灰浆环氧树脂聚合物√√√√75-450075-300250-60050-15050-15050-100化学稳定法√√100-60050-150局部修复法√100-2500注：√表示该方法适用。表21980~2001年我国城市市政、公用、绿化和交通设施建设情况项目1980198519901995199619971998199920002001城市数量(个)640666668668667663662城市化水平(%)19.3923.7126.4129.0430.4831.9133.3534.7836.2237.66城市道路长度(km)294853828294820130308132583138610145163152385159617176016下水道长度(km)218603155657787110293112812119739125943134486141758158128人均拥有长度(m)0.240.270.390.600.610.600.630.670.680.73自来水管道长度(km)202613215587225361238001254561289338人均拥有长度(m)1.101.121.131.19天然气管道长度(km)1875222203254292950784.260.4煤气管道长度(km)56191056716312338903848641475427254584748376501144热力管道长度(km)335893250034268382394378253109长途光缆长度(km)88:49389:18513334106882130159150754194100239735286642399082长输油气管道长度(km)8700117001586117231192612040323063248872465927555铁路长度(万km)5.335.505.785.976.496.606.646.746.877.01公路长度(万km)88.392.2102.8115.7118.6122.6127.9135.2140.3169.8其中高速公路(km)88:14789:2715222141342247718733116051628519437汽车拥有量(万辆)178.3321.1551.41040.01100.11219.11319.31452.91608.91802.0私人汽车拥有量(万辆)28.581.6250.0289.7358.4423.7533.9625.3770.8城市绿地面积（万m2）159291474613678310665119682238745654778161865295946634人均绿地面积（m2）13.732.236.735.23537.538.641.338.6人均公共绿地（m2）5.05.35.56.06.56.837.6图3管道修复工程量的变化4非开挖技术的最新进展在国外，非开挖技术的发展极为迅速，施工工艺日趋成熟，施工设备不断完善，应用范围不断拓宽。以下几个发展趋势尤其值得国内同行的注意。（1）管道更换和修复技术迅速发展近几年，管道更换和修复的工作量增长较快，有些国家甚至超过了新管铺设的工作量（图3）。以美国为例，每年用于管道修复的费用为115亿美元，其中非开挖修复就占50亿美元。又如，2002年在丹麦首都哥本哈根召开的第22届国际非开挖技术研讨会暨展览会上，无论是大会交流的论文，还是参加展出的展品，大约有70%是与管道更换和修复有关。而且管道修复和更换的方法众多，几乎可以适应各类管道（用途、管材、直径）的更换和修复。相比之下，我国目前仅有为数很少的几家公司涉及管道的更换和修复，每年的施工量也相当有限。（2）水平定向和导向钻机向系列化、自动化、智能化和硬岩钻进等方向发展钻机的回拖力小到2吨，大到600吨，可适用于不同口径和长度、各种管材及各类地层的施工。在美国，能制造100吨以上回拖力定向钻机的厂家就达七家,以满足长距离石油和天然气管道穿越铺设的需要。同时，为了能适应在繁华市区施工的要求，对小型和微型钻机的需求也急剧增加。钻机的自动化和智能化具体体现在以下几个方面：①自动锚固定位，保证钻机在施工过程中的稳固性；②自动钻杆处理（拧卸和堆放），以减少辅助施工时间，减轻劳动强度；③自动润滑，保护钻杆接头螺纹；④自动报警，在施工过程中一旦碰到地下管线时，可立即发出警报，以避免对人员的伤害和对地下管线的严重损害；⑤自动锁定，可在任何位置，通过遥控切断液压系统或关闭发动机以停止钻杆的运动，确保安全施工；⑥自动调节钻进参数，在不同的地层可实现最优钻进；⑦自动显示、记录和储存钻进参数和钻进轨迹，并自动生成施工报告。