非开挖施工技术在城市燃气管线施工中的应用

非开挖施工技术在燃气管线施工中应用的比较实际施工中应如何选取非开挖施工方案在进行城市燃气管网敷设的施工过程中，时常出现由于已形成的其他地下管线的复杂性；地质条件的复杂性；其他管理部门（交通管理部门、市政部门、园林部门等）的相关管理规范；人为主观行为等多种不可预见因素的制约，造成施工过程中局部甚至全部无法进行明开施工。鉴于此类情况越来越频繁的出现在施工过程中，因此在城市燃气管网的敷设过程中非开挖施工技术也越来越多的被应用于工程实际施工之中。非开挖施工，在实际施工中一般泛指，由于受到地形、地质及其他因素制约，无法进行明开槽施工的条件下，进行的在基本不破坏原有地表特征，而在地表相应深度以下进行的施工。非开挖施工技术是指利用各种岩土钻掘的设备和技术手段，在地表不开挖沟槽的条件下，铺设、更换各种地下管线的施工技术，国外叫做Trenchlesstechnology 或 No-Dig。与传统的挖槽铺管的施工方法相比，非开挖施工具有以下主要优点：1、 非开挖施工不阻断交通，不破坏道路和植被，无污染，无噪音，因而可以避免造成扰民问题、交通干扰问题，以及对环境建筑基础的破坏影响。2、 在开挖施工难以进行或根本不允许进行的情况下，采用非开挖技术可使管线施工成为可能，并且可将管线设计在施工工程量最经济合理的地点穿过。3、 减少了开挖施工的地下作业工程量，减小了在高地下水环境下作业的施工难度，增大了安全保证系数；加快了施工进度，缩短了施工工期；作业面小，可控制铺管方向，施工精度高，综合施工成本低。4、 成本低，应用广泛，有较好的经济效益和社会效益，特别是当埋深和管径越大时，其效益更加明显。 我国目前施工中常用的管线施工非开挖技术有：顶管法、夯管法、定向钻拉管技术、浅埋暗挖法。其中浅埋暗挖法多用于电力、热力等长距离管线隧道的施工。而在燃气城市管网施工过程中，因非开挖施工技术基本只在穿越河道、铁路、道路、地下管线等障碍时采用，施工长度较短，所以经常采用的方法是顶管法、夯管法和定向钻拉管技术。分 析分析顶管法、夯管法、定向钻拉管技术三种非开挖施工技术在燃气管道实际施工中各自的优劣。一 ：顶管施工技术 最常用的非开挖施工技术顶管施工方法是目前在市政施工过程中最常见、应用范围最广的一种非开挖施工技术。与其他非开挖技术相比较，顶管施工技术提出及投入使用时间较长，技术相对成熟，适用范围较广，操作稳定性较强，技术较易掌握，因此在城市燃气管网敷设施工过程中，需进行非开挖施工时，多选用顶管施工技术。顶管施工其实质是顶“套管”施工，在完成套管的顶进施工后，正式燃气管道在套管中敷设。套管材质多为钢筋混凝土管，也可为钢管。燃气管道在套管中敷设时需采用方法固定（实际施工中多采用穿管车法），施工完成后，套管内可填充中粗沙，避免形成爆炸空间，套管两端用砖砌体封闭，避免进水加大燃气管道的腐蚀。重要地段（例如过河、过铁路）需在套管两端安装检漏管，检查监测套管内是否存在燃气。顶管施工技术按照具体顶管施工方法可大致分为三大类：一、 人工掘进顶管施工法：最基本的顶管施工方法，在顶进过程中，由人工在套管前方掘土、出土。施工进度较慢，但施工成本较低，较适用于短距离顶管施工工程，而在长距离顶管施工中，由于人工费用的增加，会造成工程成本的的整体上浮。二、 机械掘进顶管施工法：在被顶进的管道前端安装机械钻进掘土设备，配置皮带运土机械代替人工挖运土的顶管方法。施工效率较高，但由于设备投资较大成本偏高，不适用于短距离顶管施工工程，同时受地质条件限制，无法应用于含水土层和岩石地层。三、 水力掘进顶管施工法：利用水力掘进工具管进行掘土，施工效率较高，但设备投资较大，对水源及泄泥场所有很高要求。如在短距离顶管工程中应用，会造成施工成本大幅度增加。综合考虑这三种顶管施工方法各自的优劣、成本，以及燃气管网敷设施工中使用非开挖施工技术的目的、施工成本，人工掘进顶管施工法成为燃气管线首选的，也是最常用的顶管施工方法（后文顶管施工法均指人工掘进顶管施工法）。在燃气管线顶管施工过程中，必需满足以下几方面条件，才能确定顺利完成顶管施工。1、 施工现场的详细地勘资料，水文资料，是制定顶管施工方案的基础资料。缺失相关资料，则方案的制定将无从谈起。同时，掌握第一手地勘情况，也是采用其他非开挖施工技术制定施工方案的先决条件。2、 掌握详实的施工现场地下管线资料，是制定顶管施工方案及其他非开挖施工方案的基本要求。3、 施工现场有足够的位置布置顶管工作坑和接受坑，是可以进行顶管施工的必要条件。顶管工作坑的长宽尺寸必需满足如下要求：宽度：B = DW + 2b + 2c (11) 长度：L = l1 + l2 + l3 + l4 + l5 （12）式中 DW 套管外径（m） ； b 套管两侧操作宽度，一般为0.81.6m ； c 撑板厚度，一般为0.2 m ; l1 管子顶进后，尾端留在导轨上的最小长度，钢筋混凝土管一般为0.3.5m,钢管一般为0.60.8m ； l2 每根管长度（m） ； l3 出土工作面长度，一般为1.01.8 m ; l4 千斤顶组装总长度 ； l5 千斤顶后座及后座墙的总厚度 （m）。4、 各项施工数据的准确计算，尤其是千斤顶顶力计算，是顶管方案切实可行的保障。千斤顶顶力一般按下列公式计算：P = KLf（2PV + 2PH + P0）+ RA （1）PV（）PH（h + DW/2）*tg2(45- /2) （）式中 P 最大顶力（N） ； K 安全系数，一般可取1.2 ； L 管子顶进的总长度 （m） ； f 管壁与土壤的摩擦系数，土壤含水量越小，取值越大 ； PV 顶进管子上方的垂直土压力 （N/m） ； PH 管子侧面的水平土压力 （N/m） ； 土壤密度 （kg/m3） ; h 管顶以上的土柱高度 （m） ; DW 管子外径（m） ； 土壤的内摩擦角 （ ）; P0 管子的重力 （N/m） ； R 管前刃脚的阻力（N/m2），一般R=5105 N/m2 ； A 刃脚正面积 （m2）。5、 顶管过程中，高程、角度的严密监测，随时校核调整，是保证顶管工程顺利进行的必要手段，是防治发生偏顶，造成工程失败的有效措施。6、 顶管工作坑、接受坑属于深基坑施工，采用适当放坡、锚喷护壁、钢框架支护等施工技术措施处理坑壁及坑底，是确保施工安全，保证施工顺利进行的必要措施。7、 顶管施工中使用触变泥浆，既可减少顶进阻力，加快施工进度；又能够对松散土质起到加固作用，降低了发生塌方的可能性。是提高施工效率，增加经济效益的有效措施。顶管施工技术，根据使用管材的不同（即钢筋混凝土管和钢管）其顶管适用范围是不同的。钢筋混凝土管顶管施工特点：管材规格多、管腔空间大，便于在套管内进行掘土施工，材质不存在腐蚀问题，抗压强度大，不易产生形变。但施工速度慢，施工所需机械型号偏大，需投入一定成本。鉴于以上特点，钢筋混凝土管顶管施工适用于有足够工期的穿越河道、铁路路基、公路、桥涵的中长距离顶管施工，以及施工现场土壤腐蚀性较高的顶管施工。工程实例：2003年10月，“永丰产业基地东环路天然气工程”的施工管理工作。该工程在穿越风格渠时采用了钢筋混凝土顶管施工法，顶管长度48米，采用1550mm钢筋混凝土套管进行顶进，燃气主管道为DN500钢管。套管顶部距渠底1.50米，距东环路路面6.80米。工作坑、接受坑采用锚喷护壁进行保护施工周期10天，设备安装调试5天，顶管施工速度3米/天，燃气管道安装3天，套管端口处理、工作坑回填7天。共用45天完成了燃气管道穿越风格渠的施工任务，比原计划50天围堰导流明开施工节省了5个工作日，减少了部分相关报批手续。同时，采用顶管法增加的施工费用也小于围堰导流的施工费用。在后期管网运行中未发现此段过河管线存在问题，对渠道的过流能力无影响，未造成渠道基础沉降。此工程实例从施工进度，施工手续办理，施工工程成本，施工安全性，管网运行安全性等诸多方面都证明了钢筋混凝土顶管施工方法在燃气管线非开挖穿越河道、铁路、公路等类型工程中的适用性。钢管顶管施工特点：施工速度快，成本比钢筋混凝土顶管低，但管材规格少且管径偏小，不利于在套管内进行掘土施工，管材需作防腐处理，受大外力冲击时可能产生形变。由于以上原因，在燃气管线敷设施工过程中，在穿越小型地下障碍，且工期要求紧迫时，可以考虑采用钢管顶管施工。工程实例：2006年5月，平房西路燃气工程施工过程中，由于现状化粪池无法拆除，且道路工期紧迫，要求5天后具备路面铺油条件，经过分析计算最终决定采用钢管顶管施工法穿越障碍。钢套管管顶距化粪池底部混凝土基础1.0米，距道路路面5.0米，顶管长度12米，采用DN700厚度为12mm的钢管作为套管，因工期要求工作坑无法采用锚喷护壁，采用工字钢框架密板支护。从工作坑开挖到完成燃气管线施工，向道路施工方移交工作面，共计用时3工作日，满足了道路要求，充分体现了钢套管顶管施工进度快的特点。虽然在现阶段燃气管线施工过程中大量使用了顶管技术，但需要指出的是在具备多项施工优势的同时，这种施工技术的不足也是相对明显的。1、 施工进度偏慢，不适于在工期要求较高的工程中采用。2、 施工过程中允许的误差范围小，由于在顶进过程中可进行的纠偏程度极小，因此在进行地勘调查、高程、角度的监测校核调整工作时必需十分准确。极小的疏忽、误差都有可能造成管道在顶进过程中遇到无法通过的障碍，或引起塌方事故，致使整个工程报废。3、 顶管工作坑、管道接收坑均为深基坑施工，如不能按要求做好坑壁的支护处理工作，形成安全隐患，极易导致基坑坍塌，造成重、特大安全事故。4、 燃气管道单管长度12米/根，如要整管穿入套管，则顶管工作坑的长度不应小于15米，会增加工作坑施工的难度，增大危险系数，造成工程成本明显上升。因此，在顶管施工后期的穿管施工中，往往会提前断管，每段管道长度在4米。这就造成燃气管道本身焊接、防腐等相应工程量成倍增加，在加大了施工量的同时，也增大管道发生渗漏的可能性。5、 顶管施工必须做好套管、主管道的防腐，电保护工作。钢筋混凝土套管接口处必须做好防水处理，避免地下水渗入套管，腐蚀主管道。钢套管及主管道在做好外层防腐的前提下，还要做带状牺牲阳极电保护处理，防止电化学腐蚀，加大了此部分的工程成本。同时，一旦因防腐、电保护工作疏忽，造成管道腐蚀，由于顶管施工往往敷设深度较深，不宜在保证用气的前提下进行管道更换，可能造成管网停气施工，增大管网运行成本。 可见，顶管技术的不足之初也是相当明显的。尤其施工进度偏慢，单项工程成本投入偏高的缺点，直接制约了顶管技术在燃气工程施工中的应用。同时，由于燃气管线施工具有施工周期短，投资相对较小的特点，因此，尽快出现能够更加适应燃气管线施工特点的非开挖技术，成为燃气管线施工管理、技术人员迫切的要求。二 ：夯管施工技术 改进型的顶管施工技术 夯管施工技术在近十年来被大量应用于燃气管线工程施工，夯管施工顶进的仍为套管，其材质为钢管。多数用于穿越城市主干道，大型路口的非开挖施工。 夯管施工技术与顶管施工技术原理基本相同，其最大区别点在于顶进机械的设置安装。顶管施工采用千斤顶作为顶进设备，千斤顶必须在顶管工作坑内依靠后背作为顶进时的支撑，后背承受顶进过程中的全部阻力；而夯管施工采用液压夯管锤或气动夯管锤作为顶进设备，不用依靠后背进行顶进。因为夯管施工的这一特点，其施工效率要高于顶管施工技术，同时由于顶进机械的革新，选用的材料，夯管施工的成本比顶管施工有所降低。因此，更高的施工效率，更低的工程成本，成为夯管施工技术明显优于顶管施工技术的两大优势。工程实例：2001年至2002年，首体南路至西二环燃气支护线工程。此项工程必须东西向横穿全长72米的展览馆路路口和48米的西三里河路路口，由于两处路口均为交通主干道，不能明开施工，必须采用非开挖技术施工。原计划采用顶管施工，套管选用1050mm钢筋混凝土套管，管顶深度位于路面下6.80米处，顶管工作坑宽4米，长8米，采用两级放坡，锚喷护壁，预计顶进速度3米/天，工程整体工期70天。根据交管局批复的施工时间为12月10日后可以开始施工，至春节前必须完工（2002年春节为2月12日），否则施工只能在春节后进行。春节前可施工时间最长为61天，顶管施工明显挖法满足工期要求，而节后施工则是整体工程不能允许的。在这种情况下，刚刚开始在燃气管道施工中开始应用的夯管技术成为了我考察的目标。根据现场地勘资料，采用夯管施工，套管采用DN700钢套管，管长6米/根，管顶深度位于路面下4.20米处，夯管工作坑宽3米，长16米，采用以及放坡，工字钢框架密板支护护壁，预计顶进速度810米/天，工程整体工期50天。由于夯管施工方案可以满足相关工期要求，经过分析论证，最终决定采用夯管施工。施工结果是十分令人满意的，施工实际工期48天，比顶管施工增效32%，设备、材料、人工等综合成本比顶管施工减少26%。通过这一工程实例不难看出，夯管施工技术与顶管施工技术相比较，其施工效率、工程成本的优势是显著的。虽然夯管技术在某些方面优于顶管技术，但其并不能称之为一种全新的非开挖技术，只能算作是一种革新了的改进型顶管技术。首先，夯管技术与顶管技术一样，都不直接针对燃气管道自身施工，两种施工技术的施工对象都是套管。这一技术特点的直接经济后果就是成倍的增加了材料成本。其次，夯管技术与顶管技术相同，均须开挖较深的工作坑，加大了土房施工的成本，坑壁的支护也是一笔相当可观的资金投入，更重要的是，施工危险性加大，稍有不慎，极易出现塌方事故，造成对施工人员生命安全的威胁。第三，夯管技术没能解决电保护成本增加的问题，由于夯管施工技术同样需要在套管和主管道上进行带状牺牲阳极处理，增大了相应投资。总体来说，夯管施工技术虽然在施工周期及施工成本方面较顶管施工技术有所进步，但仍不能完全满足燃气管线施工的需要。三 ：定向钻施工技术 日趋成熟，前景广阔的施工技术定向钻施工技术，在近几年来，逐渐出现在燃气管线施工中，并被越来越多的施工人员认可，日渐推广，其技术也日趋成熟。定向钻施工技术在施工效率、施工成本上具有顶管和夯管施工技术所无法比拟的优势，而这种优势的形成，是源于定向钻施工技术的自身特点。1、 定向钻施工技术直接针对燃气管线本身，而并非像顶管、夯管施工技术一样是针对套管的施工方法。这一本质区别使定向钻施工避免了增加大量主材费、人工费，大幅度的降低了施工成本，同时由于不必进行套管施工，整体施工时间大幅度降低是必然的结果。2、 定向钻施工技术管道在钻进敷设过程中呈弹性曲线敷设，而非顶管、夯管施工技术的水平顶进敷设。这一特点使定向钻技术不必挖掘大型工作坑，定向钻工作坑宽度满足管径+2米（左右各1米）即可，深度与一般明开敷设相同即可，避免了深基坑施工，不仅减少了施工的危险隐患，同时大量节省了用于工作坑施工的成本投入和时间消耗。3、 定向钻施工技术要求管材防腐采用三层PE防腐技术，同时由于主管道不必从套管中穿越障碍，燃气管网的电保护方案不必考虑局部增加带状牺牲阳极，即节省了投资，又缩短了施工周期。同时在拉管过程中触变泥浆的使用也对管材防腐起到了一定的保护作用。工程实例：2006年5月，平房西路燃气工程施工过程中，由于一道现况使用中的雨污水方涵无法按照原定道路施工方案拆除，只能临时变更更方案采用非开挖施工技术穿越。方涵宽10米，深7米，现场土质为旧房基础及粘质粉土，土质情况较差，开挖时极易塌方。如采用顶管或夯管施工技术，开挖工作坑深度将达到9米，必须三次放坡，采用锚喷护壁，不仅施工难度、危险程度加大，同时成本增加，工作坑施工成本预算在15万元左右，工期延长，工作坑施工周期需1012天，整体穿越工程施工无法在20天内完成。而道路方给出的施工时间仅有14天，这一时间要求完全排除了采用顶管、夯管施工的可能性，采用定向钻拉管施工是唯一可行的选择。经过详细地勘和准确计算后，制定定向钻施工方案如下：定向钻施工长度145米，穿越障碍处管道深度8米，满足于方涵的安全间距，钻机入土点位于障碍北侧75米处，出土点位于障碍南侧50米处，采用260钻头打孔，360mm、 460mm钻头逐级扩孔，560mm、660mm钻头挤压孔洞便于管线回拖。根据该方案穿越工程实际施工12天，其中地勘调查3天，制定方案1天，实际的施工时间仅8天时间，施工效率比顶管施工提高60以上；施工成本与顶管施工预算相比较节省50%以上。充分体现了定向钻施工的优势。当然，定向钻施工技术也并非十全十美，这种施工技术使用中同样也受到一些条件的制约。1、 受场地制约性大。定向钻施工技术由于其自身特点多被应用于长距离非开挖施工，施工长度在一百米以上至几百米不等，所以，现场是否具有足够的排管场地直接制约了定向钻施工技术的应用。由于定向钻施工直接针对主管线，且拉管过程中不能停止，这就要求拉管所用管道必须在拉管前完成管道连接、探伤、防腐工作，在现场排好。开始拉管后无法再进行管道的连接工作，如管道连接未能完成，或完成长度不足会直接导致拉管失败，管材报废。换言之，定向钻施工长度为多少，必须在施工段任何一侧具有足够长度的场地（长于施工长度）纵向排管，否则无法进行施工。2、 定向钻施工必须考虑泥浆处理问题。触变泥浆的使用是关系到成孔效果，拉管一次性成功的重要施工环节。由于定向钻施工过程中使用的泥浆成分特殊不凝固，因此在托管施工结束后，必须及时处理避免污染现场，尤其是工作坑中的泥浆必须清除干净，避免影响回填质量形成今后路面塌陷。因此，施工现场是否具备处理泥浆的条件，也会直接影响到定向钻施工结果的好坏。3、 现场各种施工条件的准备情况，也会直接影响到定向钻施工是否成功。定向钻施工一旦开始便不能停止，不论是钻孔、扩孔阶段还是拉管阶段均不能中途暂停施工，施工一旦停止则前功尽弃。因此，定向钻施工对现场水源、电源要求极严格，施工过程中不能出现停水、断电现象。在现场水源、电源没有稳定可靠保证的情况下，使用定向钻施工技术必须配备水车、发电机确保水电使用。4、 在定向钻施工导向钻钻进过程中必须严格监控每根钻杆的倾角、位置、地球引力矢量等数据，精确测量出钻杆每钻进1米的钻头的三维坐标。如出现穿越偏离设计曲线或水平漂移的现象，钻杆应及时抽回，对角度重新调整修改，保证穿越曲线在正常范围之内，以避免导向孔穿越轨迹偏移，影响整体工程。鉴于定向钻施工的技术要求高于顶管、夯管施工，所以定向钻施工对从业人员的技术素质要求较高，尤其是施工技术人员在具备较高专业技术水平的同时必须具有强烈的责任心。5、 虽然定向钻施工技术的总体成本造价远低于顶管、夯管施工技术，但就施工设备而言，定向钻机的设备造价要远远高于千斤顶和夯管锤。所以进行定向钻施工的数量直接影响到一次性购买有关设备投资的成本回收时间与盈利程度。这一因素也直接影响施工企业是否采用定向钻技术。虽然定向钻施工技术仍存在诸多不足，但随着施工技术的不断改进，设备成本的逐渐降低，相信定向钻技术在施工中会越来越多地被使用，将会成为燃气管线施工中首选的非开挖技术。结 论通过以上分析不难看出，在现阶段的燃气管线施工中，由于地质条件、现场情况、施工周期、工程成本等多方面因素的制约，顶管施工技术、夯管施工技术、定向钻拉管施工技术均有所应用。那么，在燃气管线的非开挖施工过程中，如何选定最为合理的施工技术方案，应从以下诸方面综合考虑：1、 根据详实可靠的地勘资料、地下管线资料，分析各种非开挖技术在此类地质条件下是否可行。确保施工能够顺利进行，保证安全施工，将施工中的危险系数降到最低，是选择施工技术方案时首先要考虑的问题。例如：现场土质过差，含沙量、含水量过高，土方施工中易形成塌方，不能或不宜进行深基坑开挖，则在考虑施工方案时，应首先考虑定向钻拉管施工。2、 根据施工现场条件，主要是根据施工现场面积，交通状况，相关部门对施工现场要求确定适宜的非开挖施工技术。例如：现场不具备足够的排管位置，则无法采用定向钻技术。3、 对于穿越灌渠、小河道，铁路路基的非开挖施工，建议在现场条件允许的情况下，采用钢筋混凝土顶管施工，避免沉降和渗水对燃气管道自身形成危害。4、 燃气管线非开挖施工工程量的大小也是在选择施工技术方案时必须考虑的一项重要因素。由于施工工艺原理的不同，顶管与夯管施工随着施工长度的增加，其施工