河南郑州地区非开挖技术的适用性研究及应用

工作效率高，不影响交通、不污染环境，而且施工时间短、投入的人力少，施工安全性也高。

市政管网工程是地下隐性工程，它是城市的生命线。随着地下工程的逐渐增多和人们环保意识的增强，非开挖施工技术在进入工程施工市场30多年的时间里，取得了良好的社会效益和经济效益。

2 非开挖施工技术的发展

在发达国家，非开挖地下管线工程的施工量占管线工程总施工量的10%左右，其中，个别城市，比如德国柏林已经达到了40%左右。1994年，美国政府批准了包括非开挖施工技术在内为期7年投资2.5亿美金的“先进钻探和掘进技术国家计划”；同时，英国曼彻斯底工业大学、美国路易安娜理工大学、法国波恩大学设立了非开挖施工技术专业和相应的研究机构。1996年，国际非开挖技术协会（ISTT）在英国伦敦宣告成立，目前，已有近30个国家和地区加入该协会，并拥有1 000多个会员，每年都会举办一两次国际性技术交流和设备展览会。

20世纪90年代，我国从国外引进了采用非开挖施工技术所需的设备，90年代后期，我国地质、矿产部门开始自主研发非开挖技术和设备，并涌现出了一批专门或兼营非开挖设备的施工公司。1998-04，中国非开挖技术协会在北京成立；2002年，上海市非开挖技术协会成立。北京、上海两地管线施工已经走在了非开挖施工技术发展的前列。

从表1中可以看出，随着我国城市化进程的快速发展，城市建设中需要铺设大量的新管道，城市道路需要扩宽，其他地下工程施工对管网造成了一定的危害，需要改造，所以，非开挖施工技术将有广阔的应用前景。

3 非开挖施工技术的特点及其适用条件

非开挖施工技术的特点是：①消除了传统开挖施工对居民正常生活的影响，对交通、环境、周边建筑基础造成的破坏；②在无法进行或不允许开挖施工的场合施工（比如穿越河流、湖泊、公路、铁路、重要建筑物等），应用非开挖技术穿越铺设，可以将管线设计在工程量最少的地点；③现代非开挖技术可以高精度、高效率地控制地下管线的铺设方向、埋深，从而精确绕过地下障碍；④在可比性相同的情况下，非开挖管线铺设、更换、修复综合技术的经济效益和社会效益均高于传统开挖施工。

目前，根据施工长度、地质特点、土层特性、地下水文和周围环境的不同，采用管线铺设技术施工时的方法也不同，具体适用条件如表2所示。

3.1 微型隧道法

微型隧道法是激光导向的顶管方法，主要应用于给水管、天然气主管道的安装。其施工长度为25～225 m，管径为0.25～3 m。

3.2 水平定向钻进法

水平定向钻进法主要应用于松软地层铺设长度较短的小口径地下管线。该工艺施工速度快、定位精度高，是目前城市建设中管线穿越安装使用率最高的工艺。

3.3 水平螺旋钻进法

采用水平螺旋钻进法，铺管的长度一般为30～100 m，铺管直径为1～1.5 m，平均施工速度为12 m/h。由于辅助施工时间占总施工时间的75%～85%，所以，采用这种方法最大的优点是在钻进过程中，如果地层发生变化或钻头被磨损，可以随时退出螺旋钻杆更换钻头。

3.4 夯管锤法

夯管锤法适用于直径为0.6～2 m的大口径钢管作业。在具体施工过程中，要采取压缩空气或液压的方法将管材夯入地层，然后再从管道中向外排运渣土。这种方法的安全系数较高，适用于各种土层、砂层。

3.5 冲击矛法

冲击矛法一般适用于管径在0.25 m以内的各种地下管线。

3.6 顶管法

顶管法一般适用于1～4 m的管道施工工程。这种方法机械化程度高、方向控制精度高、埋深不限，可以实现曲线顶进。

4 郑州地区非开挖技术适应性分析

郑州市区位于华北平原的中南部，北临黄河，西南依嵩山，由西南向东北倾斜，依次为丘陵岗地、波状平原、倾斜平原，坡降比为0.3%～0.46%.该地西南部为半山区，有多条河流自山区流经市区，而河流带来的大量物源则形成了大面积的冲积扇体。北距郑州市区22 km的黄河决口扇与冲积扇体交织形成市区新近沉积土层。市区西南部以冲积平原为主，东北部具有下伏冲积扇体、上覆泛滥平原的双层沉积相结构特征。郑州市区的天然土层多为粉土、粉质黏土、粉砂、细砂等，它们交替或互层（夹层）出现。另外，部分有中粗砂层揭露，局部砂层呈透镜体状。在粉土、粉质黏土中还有钙质结核，西南部分地区还出现钙质胶结的砂砾岩层。

根据郑州市区岩土体的沉积特征，将城区分为冲积平原区和泛滥平原区。结合工程地质条件的差异，将2个工程地质区分别划为4个亚区，即地形复杂亚区、地形平坦亚区、人工填土亚区和软土亚区。

郑州远景规划到2020年，市区总人口达到1 500万以上。2013-03-07，国务院正式批复了《郑州航空港经济综合实验区发展规划（2013—2025年）》。随着郑州市各大型建设项目的推进，各种燃气、电讯、电力、自来水和污水等地下管道建设项目越来越多。目前，郑州市区的地下管网系统相当庞大而复杂，每年都有大量的地下管线需要原位更换和修复。随着人们文明意识和环保意识的增强，开挖路面进行地下管线施工产生的社会影响、交通问题和环境污染问题备受人们的关注。因此，在闹市区进行地下管线的建设、原位更换，必须要采用非开挖技术。非开挖技术的使用情况如表3所示。

5 郑州地区应用非开挖施工技术的工程案例

郑州五里堡车辆段冬季供暖（供暖面积31 293 m2）拟加入市政集中供热。在郑州五里堡车站地区的热源改造工程中，采用的是60 ℃（回水）～85 ℃（供水）的热水采暖系统。室外供暖管网主干管部分至动车所管网为直埋敷设，其余大部分为架空敷设。室外供暖管道采用无缝钢管，下穿铁路共有3处，管道直径为DN125和DN150，采用焊接的方式连接。为了保证车站能够按时供暖，必须在25 d内完成工程。但是，站内轨道多、道岔多、路基下管线多、场地复杂，所以，工程施工有一定的难度。该场地2～3.5 m为杂填土，3.5～9 m为土黏质砂土，属于Ⅰ类普通土，其基本承载力为80～100 kPa。另外，因为地下水埋深较大，所以，它对工程无影响。在施工过程中，使用到的导向钻杆、激光靶标和激光接收器如图1、图2、图3所示。

经过综合分析，用D426×12 mm无缝Q235C套管（每管节长为6 m或3 m）下穿铁路，并采用水平螺旋钻钻进+铺管技术。在施工过程中，将铁路一侧作为出发坑（11 m×6.0 m），一侧作为接受坑（7 m×6.0 m），管道埋深为5.5 m，铺管速度为12 m/h。采用水平螺旋钻钻进+铺管技术，有效避免了架空铁路工期长、投资大等问题，还降低了水平导线钻铺管技术导致的检修困难。另外，在施工过程中发现，顶管法、水平定向钻法、夯管锤法、水平螺旋钻进法适用于软硬土层，同时，它们也可用于水下施工。这些技术在郑州任何地方都可以得到很好的应用，并将更好地发挥非开挖技术的优越性。

该项目是郑州路局首次采用非开挖施工技术穿越铁路。采用这项技术，既保证了车站能够按时供暖，又为我院赢得了荣誉。

6 结束语

《城市工程管线综合规划规范》的出台使城市管线地下化成为了市政建设的重要内容。随着社会经济和城市建设的快速发展，城市地下空间的开发利用率越来越高。

目前，管道施工条件越来越复杂，管道越来越长，施工管道的口径也越来越大。所以，非开挖施工设备将朝着大吨位的方向发展。鉴于此，各级主管部门应加大对非开挖技术的研究力度，尽快制订符合我国国情的设计规范和施工工艺，不断提高信息化施工程度。尤其是下穿铁路路基或高铁（尤其有砟轨道高铁桥墩工后沉降不能超过5 mm），在保证埋深的情况下，施工前要采取必要的防护措施保护路基或桥墩，并实时监测其具体情况。另外，非开挖技术队伍应朝着规模化和专业化的方向发展，积极创新开挖施工方法，根据市场需求不断提高非开挖技术的施工水平，以推动其发展。

参考文献

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[6]郑荣华，杜振川，周俊杰.郑州市区岩土体工程地质特征分区与评价[J].岩土工程技术，2006（06）：300-302.

作者简介：余明辉（1982—），男，市政工程师，2006年毕业于四川大学土木工程专业（本科），2009年毕业中国矿业大学桥梁与隧道工程专业（硕士），现主要从事城市路桥及轨道交通设计方面的工作。杨昌胜（1981—），男，市政工程师，2004年毕业于浙江大学土木工程系（本科），2009年毕业于中国矿业大学结构工程系（硕士），现主要从事市政工程安全质量监督方面的工作。

〔编辑：白洁〕

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