林 俊

非開挖技術(shù)在水庫壩下輸水管涵建設(shè)中的應(yīng)用

林 俊

（江西省源河工程有限責(zé)任公司，江西 南昌 330000）

非開挖技術(shù)是當(dāng)前水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中常用技術(shù)，主要是在不開挖斷面，不擾動地表土體的情況下，在不同土層和深度進(jìn)行鉆孔作業(yè)的一種施工方法。鑒于其能夠克服傳統(tǒng)開挖對于施工環(huán)境要求苛刻和爆破施工對于水庫的安全影響，因此得到了廣泛應(yīng)用。文章首先通過與水庫壩下常見輸水管涵施工方法的對比介紹了非開挖技術(shù)，然后分別從在管道鋪設(shè)、管道更換和管道修復(fù)中的應(yīng)用詳細(xì)介紹了非開挖技術(shù)的應(yīng)用最后根據(jù)水利工程施工的特點(diǎn)，介紹了非開挖技術(shù)在水庫壩下輸水管涵建設(shè)中的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和施工中存在的問題。

非開挖技術(shù)；水庫大壩；輸水涵管

水庫除險加固過程中的管涵建設(shè)對水庫的安全運(yùn)行非常關(guān)鍵，傳統(tǒng)管涵建設(shè)中不可避免發(fā)生沉管現(xiàn)象，給水庫安全造成較大的影響，成為水庫安全運(yùn)營的一種隱患。傳統(tǒng)中沉管多采用開槽翻挖的方式進(jìn)行處理。隨著新技術(shù)、新材料和新工藝的引進(jìn)，非開挖技術(shù)在輸水管涵建設(shè)中逐漸得到了應(yīng)用，尤其是玻璃夾砂管、聚丙乙烯管、雙壁波紋管的提出，采用了內(nèi)襯、聚氨酷堵漏、玻璃鋼內(nèi)襯、翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯的處置工藝，非開挖技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展。由于其不破壞表面，施工速度快、周期短和成本低，非開挖技術(shù)逐漸取代了傳統(tǒng)開挖方式，成為當(dāng)前最具有推廣應(yīng)用前景的方式。目前在電訊、自來水、電力和熱力管道鋪設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，具有較好的社會和經(jīng)濟(jì)價值。

1 非開挖技術(shù)介紹

1.1 非開挖技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

非開挖技術(shù)是利用水平定向鉆機(jī)在不同底層和深度進(jìn)行鉆進(jìn)，通過控制鉆進(jìn)軌跡的方式達(dá)到設(shè)計位置從而達(dá)到鋪設(shè)地下管線的施工技術(shù)。在水庫壩下管涵建設(shè)過程中，在不開挖壩體的情況下，通過對于鉆頭和鉆桿的引導(dǎo)，在基巖層形成導(dǎo)向孔，鉆桿端部安裝擴(kuò)孔鉆頭或待鋪設(shè)管線，在回拉擴(kuò)孔同時將待鋪設(shè)管道拉入鉆孔，完成鋪管作業(yè)。由于非開挖技術(shù)適用于小管徑的管道，因此直徑小于1.0m以下的PE管和鋼管均具有較大的適用性。非開挖技術(shù)與常見水庫輸水管涵的對比詳見表1。

表1 非開挖技術(shù)與常見水庫輸水管涵技術(shù)對比

1.2 非開挖技術(shù)施工工藝

非開挖技術(shù)在水庫工程中應(yīng)用的施工工藝如圖1所示。

圖1 非開挖技術(shù)在水庫輸水隧洞中施工工藝圖

（1）線路設(shè)計鑒于水庫壩下管涵建設(shè)長度較短，多數(shù)不會超過120m，因此應(yīng)該根據(jù)勘察資料初步設(shè)計線路。對于進(jìn)出口的水平位置和高差，應(yīng)該通過洞軸線和高差計算縱坡，設(shè)計鉆孔偏角，然后通過全站儀進(jìn)行施工尺寸和精度的控制，然后根據(jù)全站儀測量和監(jiān)控結(jié)果及時調(diào)整鉆桿角度，精密完成路線的設(shè)計。

（2）平臺開挖對于入口和出口平臺的開挖，應(yīng)充分考慮設(shè)備運(yùn)行、交通和孔洞軸線和縱向坡降等因素，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，平臺應(yīng)選擇在距離洞口6～10m位置，寬度在2.5～5.0m之間，長度則稍大于寬度。

（3）進(jìn)場就位在施工平臺完成以后，非開挖鉆機(jī)可以進(jìn)入作業(yè)場地。根據(jù)地質(zhì)情況選擇合適的鉆頭和泥漿馬達(dá)，根據(jù)設(shè)計尺寸定位鉆頭和鉆進(jìn)線路，通過調(diào)整鉆頭定位于路線入土點(diǎn)。

（4）導(dǎo)向孔鉆進(jìn)在導(dǎo)向儀的指引下，鉆桿進(jìn)行施工作業(yè)，每一根鉆桿完成后需要進(jìn)行鉆頭的位置確定，通過與設(shè)計路線相比進(jìn)行團(tuán)頭方向的調(diào)整。由于定向鉆的控制系統(tǒng)包括測定測定、造斜和糾偏，因此通過導(dǎo)向可以實(shí)現(xiàn)鉆孔的曲線，這可以在顯示儀上呈現(xiàn)，直觀的再現(xiàn)鉆頭鉆孔路徑，通過調(diào)整直至最終完成鉆孔作業(yè)。

（5）擴(kuò)孔在導(dǎo)向孔施工完畢后，在出口位置將擴(kuò)孔器連接在鉆頭處，分級進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)，為了施工的方便，每級擴(kuò)孔器尺寸差別限定在80～120mm范圍內(nèi)，具體的施工可以根據(jù)地層情況分批回擴(kuò)，直至最終達(dá)到施工要求。

（6）管線回拖鉆孔回擴(kuò)完成后，需要進(jìn)行輸水管涵的安裝，需要在出口處將水水管道連接在鉆頭上，通過鉆機(jī)進(jìn)行回拉作業(yè)。鑒于擴(kuò)孔中含有你講，輸水管線由于泥漿的潤滑作用，施工相對容易，為了施工方便，回擴(kuò)管線直徑一般大于管線直徑60～100mm。為了連接質(zhì)量和后期施工的方便，需要對管線進(jìn)行預(yù)先連接。

（7）灌漿防滲鋪管完成后，需要進(jìn)行灌漿作業(yè)，主要采用水泥漿進(jìn)行管壁與巖石接觸縫隙進(jìn)行處理，首先對出口段進(jìn)行封堵且預(yù)埋注漿管，然后采用注漿管注入壓力水泥漿，在水泥漿完全注入縫隙后，防滲作業(yè)完畢。

（8）進(jìn)出口處理。防滲作業(yè)完畢后，需要進(jìn)行進(jìn)出口設(shè)施的安裝，如進(jìn)口閘閥和出口渠道等設(shè)施的安裝和施工檢查井的設(shè)計施工。

2 在水庫中輸水管涵中的應(yīng)用

2.1 管道鋪設(shè)中的應(yīng)用

2.1.1 頂管法

頂管施工起源于美國，是當(dāng)前水利工程中較為常見的非開挖施工方法。最初主要用于盾構(gòu)施工的替代作業(yè)，跨越施工時的頂進(jìn)鋼管套，隨著新技術(shù)和新材料的發(fā)展，尤其是玻璃夾砂管、聚丙乙烯管、雙壁波紋管的發(fā)明，使得非開挖頂管法得到了更多的應(yīng)用。頂管作業(yè)施工作業(yè)如圖2所示。

圖2 頂管法施工作業(yè)圖

2.1.2 導(dǎo)向鉆進(jìn)鋪管法

導(dǎo)向鉆進(jìn)鋪管法采用水射流破土的鉆進(jìn)技術(shù)，按照設(shè)計軌跡鉆一個導(dǎo)向孔，通過擴(kuò)孔和回拉鋪設(shè)。根據(jù)鉆機(jī)情況、鋪管直徑和實(shí)際地質(zhì)勘察條件，可以選擇以此成孔或者多次擴(kuò)孔后再選擇鋪管。對于鉆頭的定位和導(dǎo)航多通過鉆頭的電磁信號進(jìn)行控制。施工過程如圖3所示。

圖3 導(dǎo)向鉆進(jìn)鋪管示意圖

2.1.3 沖擊矛鋪管技術(shù)

對于沖擊矛鋪管法，則是利用啟動沖擊矛胃動力，通過擠密成孔的方法進(jìn)行施工作業(yè)。主要是依靠氣動沖擊矛，必須要鉆孔，通過動力作用進(jìn)行自行前進(jìn)，通過膠管與外界進(jìn)行連接。由于沒有鉆桿的限制，因此該方法施工機(jī)械簡單，施工成本低，適用性較強(qiáng)，對于不含水均質(zhì)土、粘土和粉質(zhì)粘土均具有較強(qiáng)的適用性。沖擊矛法，則對覆土厚度有一定的要求，不得低于沖擊矛外徑的10倍。

2.2 在管道更換中的應(yīng)用

2.2.1 爆管法

對于非開挖技術(shù)在管道更觀眾的應(yīng)用，爆管法是當(dāng)前最常用的方法，主要是采用爆管工具從進(jìn)口進(jìn)入舊管內(nèi)，同時后邊牽引同等口徑或者更大口徑的新館替代舊管，將舊管擠爆后進(jìn)入周圍土層中，達(dá)到利用舊管替換新館的目的。根據(jù)施工地層和新舊管道的力學(xué)性質(zhì)，當(dāng)前更換新管徑可以達(dá)到舊管徑的150%，大大增強(qiáng)舊管徑的過流能力，適用性較強(qiáng)。施工示意圖如圖4所示。

圖4 爆管法施工示意圖

2.2.2 吃管法

吃管法也是當(dāng)前在管道更換的施工中廣泛應(yīng)用的一種方法，采用特殊隧道掘進(jìn)機(jī)，以舊管道為導(dǎo)向孔，將舊管道及周圍土體切削破碎，形成直徑更大的孔，回拉新管完成舊管線的更換。由于此種方法能夠大大增加舊有管線的過流能力，對覆土深度要求較高，因此當(dāng)前多用于埋深較大的非加筋管道的更換施工作業(yè)，如陶土管、混凝土管或加筋的混凝土管等的更換。如圖5所示為AVP吃管法施工設(shè)備圖示。

圖5 AVP吃管法施工設(shè)備圖

2.3 在管道修復(fù)中的應(yīng)用

對于運(yùn)營中的管道，不可避免的存在管道破損問題，如果全部更換有較大經(jīng)濟(jì)和社會壓力，因此對于管道修復(fù)尤其是水庫壩下管道的修復(fù)，非開挖技術(shù)具有較大的適用性，當(dāng)前最為常見的則為內(nèi)襯法和噴涂法。

2.3.1 內(nèi)襯法

內(nèi)襯法則是將熱硬性樹脂的軟管材料運(yùn)到現(xiàn)場，通過回拉或者其他方式進(jìn)入管道內(nèi)壁，通過后期調(diào)整和定位進(jìn)行內(nèi)襯施工作業(yè)，通過熱水、蒸汽、噴淋或者紫外線照射的方法進(jìn)行樹脂材料的固化，形成完整的內(nèi)襯樹脂施工方法。具體施工圖如圖6所示。

圖6 短管內(nèi)襯施工示意圖

2.3.2 噴涂法

噴涂法是舊有管道修復(fù)常見的方法，采用水泥砂漿、環(huán)氧樹脂等作為噴涂通過旋轉(zhuǎn)噴頭在舊管道中進(jìn)行噴涂作業(yè)，總成厚度不低于3mm的加固，通過自然養(yǎng)護(hù)，則可以形成加固層。由于涂層法對于管道斷面影響較小，施工費(fèi)用低，但是受到施工環(huán)境的影響較大，同時施工質(zhì)量難以保證，因此目前主要在舊管道破損修復(fù)中使用。

3 非開挖技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)開挖施工方法相比，非開挖施工方法具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）顯著社會效益

由于非開挖技術(shù)在施工時，對于上部環(huán)境影響較小，同時在水庫中上部環(huán)境要求較為苛刻，非開挖施工的綜合成本直接成本間接成本均低于開挖法施工，且管徑和埋深越大時越明顯。因此非開挖施工方法得到了充分的應(yīng)用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

（2）施工速度快

由于非開挖施工技術(shù)對于環(huán)境要求較低，因此對于輔助工程的要求相應(yīng)較低，如出入口開挖斷面小，回填少，相比開挖方法的施工速度大大加快。

（3）適用范圍廣

相比于傳統(tǒng)開挖方法，一些上部環(huán)境要求苛刻，如水庫壩下、穿越水庫渠道等不適合傳統(tǒng)開挖法的地方，非開挖技術(shù)體現(xiàn)了較大的優(yōu)越性，對于其他傳統(tǒng)開挖法能夠涉及的開挖項(xiàng)目，非開挖技術(shù)具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，因此適用范圍較為廣泛。

4 施工中存在的問題

盡管當(dāng)前非開挖技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用，但在應(yīng)用過程中還存在一些問題。（1）缺少明確的行業(yè)主管部門，行業(yè)規(guī)范缺失；（2）人員儲備不足，對于懂得技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)的人員相當(dāng)缺乏；（3）設(shè)備研發(fā)投入不足，多采用進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行非開挖施工，設(shè)備的國產(chǎn)化不足；（4）管線施工的設(shè)計和施工沒有模塊化，使得設(shè)備不能重復(fù)利用，限制了非開挖技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

5 結(jié)語

鑒于非開挖技術(shù)已經(jīng)在市政、店里和燃?xì)夤艿婪矫娴玫搅溯^為廣泛的應(yīng)用，引入到水利工程中，如水庫壩下輸水管涵中則對于施工技術(shù)和管涵提出了更高的要求。該技術(shù)克服了當(dāng)前傳統(tǒng)開挖技術(shù)的開挖斷面大、對于環(huán)境要求苛刻和施工周期長的弊端，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。通過實(shí)際工程的應(yīng)用，非開挖技術(shù)還具有一定的改進(jìn)空間。（1）由于當(dāng)前非開挖技術(shù)主要應(yīng)用在管線的鋪設(shè)，隨著管線鋪設(shè)的成熟，以后再更換和修復(fù)中會有更大的用處，因此應(yīng)在鋪設(shè)施工中積累未來更換和修復(fù)技術(shù)的積累；（2）施工過程中，應(yīng)充分利用信息化的成果，尤其是當(dāng)前BIM技術(shù)控制技術(shù)的發(fā)展，對于非開挖技術(shù)具有較大的推動作用，因此應(yīng)在施工時積累資料，為未來非開挖技術(shù)的信息化和數(shù)字化提供最原始的施工資料。

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1008-1305（2017）05-0140-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.043

2017-03-20

林 俊（1984年—），男，工程師。