非开挖技术发展趋势

对中国非开挖技术发展趋势的若干见解非开挖作为一种新型的地下管线建设方法，最近十年来在中国得到迅猛发 展随着我国城市化进程加快， 人民生活水平的提高， 环境保护力度的加大， 传统 的开挖方式越来越不适应现代化建设形式的需求，而非开挖铺管， 修管和换管技 术以其不影响后交通，铺管速度快，效率高，无环境破坏，不影响人们的正常工 作，生活等一系列的优点越来越受到底下管道建设部门的青睐。在国内，非开挖 工程的开展带动了非开挖技术的发展，部分非开挖设备已实现国产化。 但与国外 相比，国内非开挖工法少，服务领域窄，管线修复与更换技术刚起步，关键的测 控仪器研制还处于原理机阶段， 配料的材料较落后， 复杂地质条件下铺管技术不 成熟，等等。因此，抓紧时机大力发展非开挖技术，赶超国外先进水平已成为国 内非开挖界义不容辞的责任。 笔者从以下几方面浅谈对中国非开挖技术发镇趋势 的见解。一、非开挖工程区域的扩大就世界范围来看，有待应用非开挖技术的国家为数甚多； 就中国来看， 除一些省会城市，绝大多数中、小城市和乡镇还未问津非开挖工程，而现代化、 城市化的进程势必使更广袤的地区很快接受这一新技术据统计年我国 自来水和下水道的人均占有量仅分别为. m/人 0.1m/人，而欧洲地区人均 拥有的上、下水道则为m/人，分别是我国人均值的. 倍和倍。 据国家统计局的资料， 截止到年月， 我国共有个城市， 年，我国的城市化人口已达. 亿，城市人口的增加，将使市政基础设施的 工程量大幅增加， 每年新增管线万公里， 年管线已达万公里，且 有更快速增长之势。近几年来、陕北、西南、新疆等地的油气管道、成品油输送 管道，天然气输送管道，西气东输工程，南水北调工程及其分支工程，各类管道 的铺设均需要穿越公路、河流、铁路。另外我国还有大量的电信管道，光缆线、 燃气管道，城市集中供热管道，电力、有线电视网等管线。无论从环境保护还是 今后的市场需求来看，我国非开挖铺管的工程量需大幅增加。还 二、非开挖技术服务目标的拓展事实上，非开挖已经把“含管线因素的浅地层水平钻地”纳入为自己 服务的范围。 这样，不仅目前非开挖工程的一些主要服务目标，而且更多的地质 工程或岩土工程项目也是非开挖技术的服务对象。与国外发达国家相比， 我国还 会在环境治理井、排渗井、管棚工程、锚固与注浆、浅层可溶性矿产开发等更广 泛的领域展开非开挖技术的应用。年夏季，中铁局第工程处在中国地质大学的技术协作 下， 在湖南酩阳火电厂灰坝采用带无线导向探测的“钻顶结合”的非开挖施工工 艺，成功实现了四口集水辐射井间的水平导流管对穿，铺管最深达m 。该工 程的技术研究成果获得国内领先水平。此实例说明， 非开挖技术工艺方法不仅可 用于目前大家比较熟悉的“穿越路、河”铺管类型， 而且其服务对象正在不断拓 展。三、非开挖管道修复与更换技术的应用由于受设备和技术水平的限制，在我国非开挖管道修复与更换技术刚刚起 步，用于管线修复的设备基本依靠进口，诸如爆管法、吃管法、内衬法、缠绕法 等管线修复和更换的方法还不成熟，部分工法甚至处于空白状态，亟待填补。 但 这些劣势并没有阻挡国内非开挖管道修复与更换技术的发展，北京燃气集团公 司，深圳市水集团有限公司等企业已成功采用PE管内衬技术修复燃气和给水管 道，逐步缩小与世界的差距。据统计，2003年全国的管线修复工程量达180km, 比 2002 年的 35km增加了 4 倍。呈迅猛上升势头。 据近期美国权威杂志报道， 美 国 2004 年在旧管线修复中用非开挖修复的战了64%（污水管） 和 20%（自来水管）。 与之相比，我国在旧管线修复中的非开挖技术的使用比例要低得多。从我国已有 地下管线庞大的数量和非开挖管线修复与更换的技术经济效果分析，预计大量的 旧管线的非开挖修复和更换工程将很快开展起来。四、不同种类非开挖设备的研制生产在少数发达国家非开挖设备已经进入系列化，如美国的定/ 导向钻机 和日本的卫星隧道机等。我国近10 年来非开挖设备的国产化速度显著加快，尤 其在水平定 / 导向钻机的研发上十分突出（如深圳钻通、北京土行孙等公司生产 的设备），微型隧道顶管机也呈现上升趋势。这对提高非开挖设备性价比，促进 我国非开挖事业的蓬勃发展意义重大。但目前国产设备的系列化程度不高，表现 为“中间大， 两头小”。 集中国内优势企业力量， 研发过江河与长距离穿越工程 的大型设备是一个尖端方向。 而微小型和可拆卸性好的轻型非开挖设备更是国内 市场看好的研发趋势， 因为许多工程的场地受到严格限制， 例如城市拥挤的街巷、 陡峭边坡和隐蔽的竖井等。另外除定/ 导向钻机和微型隧道机以外，其他非开挖 工法设备（如气动矛、夯管锤、控向螺旋机、管道修复机、管道更换机等）的国 产化进程需要加快，数量需要增多。五、非开挖导向仪器的研发现代非开挖工程的核心技术是导向测试与控制。由国外少数公司研制 生产的一系列专用于非开挖工程的测控仪器（如无线导向钻进仪、 有线导向钻进 仪、螺旋钻控向仪、 微型隧道可控向装置等） 是最近十几年来非开挖技术水平提 高、 非开挖工程量显著增加的关键所在。 导向仪器的研制和开发在我国初露端倪。 继河北地矿局之后，杭州海博地基公司与中地大（武汉）联合，以成功研制出新 型的导向钻进无线导航仪原理机，部分测试参数如深度、 钻具面角、 俯仰角的测 试精度已满足实用要求。 与国外同类产品相比， 从趋势上看导航仪研发方向主要 体现于以下几个方面：（1）对于地下发射无线技术，需增大仪器的稳定性，尤 其是抗外界环境干扰的能力；（2）对于有线技术，将更侧重于便利施工操作的 信号传输系统的研发；（3）地下器具参数的测试与随钻控制的智能化联系需提 高到新的水平；（ 4）一些更新更全面、更有效的非开挖测控方法有望问世。六、复杂地层非开挖施工工艺的研究非开挖工程中常见的复杂地层主要包括流沙、卵、砾石等松散层， 强 水粘土和淤泥层、硬岩层。如何从工法、设备、钻具、材料等方面提高复杂地层 和硬岩非开挖施工水平，已成为国内非开挖界一项共同奋斗目标。在松散和强水敏地层中，时常发生坍塌、缩径、垮孔，以致于无法形 成钻孔，还有可能毁坏地面及地下构物，而且在铺管时阻力特别大， 严重影响非 开挖工程的施工效率、 成功性和安全性。 对此，首先应该建立水平孔孔壁力学计 算模型，对不同复杂地层孔壁的稳定性状作出预测判断；在采取技术措施时， 应 配制专用成孔液、研制特殊钻具及工艺规程、采取必要的辅助工序等。在硬岩层中进行非开挖施工， 提高碎岩效率和改变孔的方向是难度颇 大的课题，近期国内已有所突破。2005年 1 月，国土资源部勘探技术研究所聚 力岩土工程公司在江苏省宜兴市， 使用潜孔重锤钻进工艺在硬岩中成功铺设一条 直径 377 毫米的钢质燃气管道， 穿越长度 210米，实现了我国非开挖岩石钻进的 新突破。七、非开挖成孔液的科学使用非开挖成孔液不仅在复杂地层保护孔壁中起到重要作用，而且在排 渣、润滑、水力导向等诸多方面有重要影响。然而，目前国内非开挖施工中对成 孔液的合理应用重视不够， 往往造成施工速度慢、 垮孔及地面塌陷、 铺管遇阻等 严重后果。因此对症下药地研发、设计、调配和应用相应的成孔液，可以形象地 比喻为“磨刀不误砍柴工”，是中国非开挖工艺技术今后发展的趋向之一。从性价比等多方面综合考虑，适于非开挖施工的成孔液类型主要有优 质膨润土体系、 天然植物胶体系、 化工合成材料体系三大类， 配方时所用的基本 浆材和处理剂的可选品种较多。 研发应用时， 应特别注意结合非开挖地层和工艺 条件。从要求的性能上看： 非开挖成孔液应有较强的静态粘结力、宽范围可调的 流动粘度、优良的降失水性和控制性、显著的润滑性和剪切稀释作用。八、非开挖的理论建模与工程计算与非开挖施工和设备开发相比， 非开挖的理论分析与科学计算相对滞 后，一些相关的力学数学模型、 量化计算公式以及辅助设计软件的研究开发和应 用急需跟上， 例如导向动力学分析方法、 钻孔轨迹设计与三维控制模型、水平孔 孔壁稳定计算分析、 辅助阻力计算算法等等。 一旦形成密切联系实际的理论并开 发相应软件， 必将对非开挖施工的优化、 提高效率和质量、 保证安全等产生共性 的指导意义。欣慰的是国内已成功开发了部分非开挖专用设计软件，例如江苏十方 工程设备有限公司自主开发的地下水平定向钻进规划软件Drillsmat，以其界面 友好，使用简单， 运算速度快等优点受到用户好评；中国地质大学则在非开挖导 向力学分析、 导向轨迹三维模拟、 铺管阻力计算、 水平孔孔壁稳定性分析等方面 展开了探索、 研究工作， 形成了一些对现场施工有一定指导意义的模型、公式和 程序软件。在我国，非开挖的理论建模与工程计算仍有大量工作要做。九、非开挖信息与管理软件平台利用现代网络信息技术， 建立非开挖网络信息平台， 不仅可以资源共 享，交流工程实践中的经验得失，还可以整合优势力量， 为国内非开挖技术的快 速发展储备强大的信息库。 同时依托网络特有的功能， 实现非开挖产业的商业运 作高效化、合理化，大大降低人力、物力、财力的支出。中国非开挖计术信息网 为我们提供了一个很好获取相关非开挖信息的平台，但国内此方面的门户网站也 存在质量不高， 内容单一， 功能或缺等问题， 因此如何加强网站之间的联合推陈 出新，也值得关注。非开挖管理软件的开发对非开挖工程的规划设计、成本核算、 风险评 估、科学管理具有重要意义。国内在此领域起步较晚，水平有限，某些单位已经 开发具有自主知识产权的非开挖商用软件，但软件的通用性、 适用性不强。因此， 如何研发功能强大，数据库丰富，界面人性化，运算速度快，便于科学管理的非 开挖专用管理软件迫在眉睫。总之，随着经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，道路交通设 施的不断完善，国内非开挖市场将会越来越广，在市场的带动及同行们的共同 努力下，我国的非开挖技术水平也必然会大幅提高。