可持续发展的地下管线工程非开挖技术

汉水之滨

2010年危地马拉天坑以罕见地质奇观闻名全球，但它的形成似乎并不光彩。5月30日，危地马拉城市区北部地区出现一个深约100米的巨坑，有超过了一个十字路口的区域被这个大坑侵吞，导致至少两名青年死亡，数十栋房屋被吞没，附近近1000人撤离，有官员归责于降水和供水管道破裂，并非自然现象。人为的“天坑”出现在闹市区，世人震惊。看不见的地下工程如何“体检”？难道只有路面“开膛破肚”后再回填吗？人们积极地寻找一种新的地下管道技术。

　　地下管网危机四伏
　　管网系统是城市的血脉。庞大的城市地下基础构件组织，城市供水、煤气、电力、通讯、石油、天然气等管线铺设规模的空前增加，激发了城市源源不断的活力。根据资料显示，我国上世纪80年代以前铺设的市政管网约20万公里，其中供水管13万多公里、排水管2万多公里、燃气管3万多公里、供热管1.8万公里，加上近几年每年新铺设和更新改造的市政管网长度超过10万公里，地下管网系统的强壮发达彰显了国民经济的实力。但长时间的高负荷工作使得许多管线临近寿命期限，需要更新替换。
　　“我国市政管网更新改造任务在今后一段时间内将会非常艰巨。”住房和城乡建设部科技发展促进中心处长高立新说，现在的城市管网普遍存在老化、管材低劣、施工技术落后的问题。在严重老化的管网中，主干管占59％、其他管网占41％；施工技术落后的管网中，主干管占58％、其他管网占42％。而少数居民乱搭乱建，占压燃气管线；有些地区有线电视、移动通信、电力高压线入地等与燃气管道平行或交叉，造成管线安全间距不够，都为管线安全埋下“地雷”。此外，城市道路拓宽后，原埋设于慢车道和非机动车道下的燃气管道，变为铺设在机动车道下，给管道巡检、维修造成极大的困难；其他地下工程施工对管道基础产生的扰动，也给管网运行带来了隐患。
　　同样的情况并非只会在中国出现。美国是供水管道修复率最高的国家。国际非开挖技术协会主席SamuelT.Ariaratnam说，在未来20～25年用于修复崩溃的地下基础设施的费用巨大，将达到从5000亿美元到23万亿美元的全球成本。同时在美国，每天大约有700根供水管道破裂，每年供水基础设施更换率却低于0.5%。
　　“十二五”期间，我国新建城镇供水管网18.53万公里，更新改造城镇供水管网9.23万公里，新建城镇污水管网15.9万公里，新建城镇燃气管网25万公里，共计68.66万公里，这其中还未包括城镇雨水管网和城镇集中供热管网建设。由此推测，“十二五”期间，我国城镇市政管网建设量预计将达到80万 90万公里。巨大的建设量给管网系统带来测验题，作为地下管线工程的又一次技术革命的代表——非开挖技术悄然登上行业舞台，并向产业化方向发展起来。

　　为什么发展非开挖技术
　　受地质条件、环境影响以及物理特性，供水管道在经过一段时间使用过后会面临水垢、腐蚀、漏失等问题，排水管道会遇到管道错位、恶化、树根侵入、变形或破碎、泄漏、排水能力下降、雨水渗入等情况，这时候就需要我们及时修复管道，防止其“带病上岗”。“我国各省市、自治区2011年供水管网总长度为283041千米（75毫米以上）。其中，灰铸铁管占19%、石棉和水泥管占7%、不明情况的管材占17%、塑料管材占5%，合计约48%需要更新改造。”中国城镇供水排水协会科学技术委员会管道技术部主任郑小明说，更换、修复或者延寿是管道更新改造的三种方式，具体做法是：铸铁管经过柔性化处理和冲洗延长使用寿命；水泥管和铸铁管经过内衬修复恢复效果；比较彻底的解决办法是更换管道。这些方式可以通过技术经济和全周期综合分析进行选择。但无论选择哪种方案，都会“涉及到先进施工技术的导入”。
　　任何一项应用技术的产生、运用和发展，均以实际需要为前提，市场需求是现代技术产生、发展和运用的推动力。而且，对某一技术的水平、重要性进行评价的标准，也主要是该技术在运用中的成功度（经济效益和社会效益）和创新程度。
　　地下基础设施建设是一项隐蔽性工程。“从事地下施工，我们必须考虑可持续发。”SamuelT.Ariaratnam说，可持续发展由社会、经济和环境三大支柱构成。我们可以从这三方面判断一项新技术是否具备可持续发展性。从社会效益和环境保护角度来讲，社会可持续发展关注对公众的影响，环境可持续发展落脚于污染和对生态的影响，一项工程技术如果有阻碍城市交通、造成商业中断、损坏附近的公共设施、产生噪声和视觉污染以及施工期间的碳排放量、粉尘和空气污染、毁坏植被保护中的任何一项行为，都不能称之为可持续发展。在经济效益方面，露天开挖管道修复费用包括开凿路面、挖沟、运土费和倒土费用、回填和运输费用、压实、重铺水泥和沥青、交通管制等，这对质量成本和路面恢复造成的问题明显。“基础设施的可持续发展要实现从传统到可持续的转变，非开挖技术与传统开挖相比提供了一种更好的可持续发展方案”。
　　明挖法是传统地下管道施工方法之一。广州市市政集团总工程师安关峰说，明挖开槽施工主要采取一定支护措施，开挖土方成槽后，铺设管道，再回填至地表。明挖法具有施工简单、快捷、经济、安全的优点。但其缺点是对周围环境的影响较大。相对于“适用于未发展区域；技术含量低，近50年没有多大改进；对计划与实施手段的要求低以及市区施工产生的损坏物景、威胁地下管网”的明挖法，非开挖技术有效解决了河流和在现有建筑物下铺设管道的难题，并可在不破坏道路、植被及不影响环境、交通条件下进行地下管线施工。非开挖技术以其“最小限度地扰民碍市”等技术优势在各国发展。

　　非开挖市场成为世界新技术增长点
　　非开挖技术最早是在英美日三国出现并发展起来的。现在，在世界范围内已经成为一种新兴的环保施工技术，发展势头迅猛，每年的设备增加量和市场的拓展速度都超过30％。非开挖施工市场已经是一个快速增长的世界级市场。
　　据介绍，非开挖施工技术是上世纪70年代末在西方发达国家兴起并逐渐走向成熟的地下管线铺设、修复和更换的新技术。其发展分为三个阶段：第一阶段是人工（或用简单机械）地下挖掘后再铺设管线。这是非开挖技术发展的初期，其将地下挖掘与管线铺设分开进行，效率低、安全性差，只用于特殊场合下的短期工程。第二阶段是常规钻、掘进机挖掘、铺设阶段。这基本上是20世纪70年代以前的技术，虽然在一定程度上将地下挖掘和铺管结合起来，但无法控制管线铺设方向，加上受设备能力和施工技术水平的限制，难以铺设直径、长度较大的管线。第三阶段是采用专用设备和技术，把地下挖掘和管线的铺设、更换等各项作业有机地合成为一体，并能准确控制管线铺设方向，形成了现今的非开挖管线施工技术。
　　新技术的开发与应用取决于工程需要和市场需求。非开挖技术也是一样。但是，各国的情况又不一样。因为非开挖技术是一项发展中的技术，它本身是多样性和开放性的。在某一个特定的地区或国家，它会根据当地的管道建设情况和周期而不平衡发展。例如，日本主要是使用微型隧道施工法来铺设交通拥挤、道路狭窄的市内污水管道；英国开发非开挖管线更换修复技术主要是修复更换年久破损的现有管道，美国则需要定向钻进和导向钻进施工法铺设能够穿越地表障碍物的石油和天然气输送管道。在我国，我们的管道工程主要集中在新建管道，部分城市也存在需要修复的管道，但总数较新建管道要少。
　　此外，非开挖施工技术虽已有近百年的历史，但是重大发展始于上世纪70年代。在发达国家，它以其自身的技术优势和广阔的市场前景逐渐发展成一个新兴的产业。据统计，目前西方国家非开挖设备制造商及材料供应商已有450多家，工程承包商已有4000多家，各种非开挖施工方法百余种。近年来，非开挖管线工程施工量平均已占全部地下管线工程量的10％（中国占0.2％），个别发达国家高达40％。地下水、电、煤气、暖气管道的安装及换装均可采用非开挖技术。

　　我国已形成产业雏形
　　非开挖技术在我国城市地下管线建设中开始得到应用且受到重视，这正是得益于当前国内市场的需要和该技术本身带来的经济和社会效益。据了解，非开挖技术在我国发展历程有三个阶段。前期为上世纪70年代末 80年代中期，在城市管线施工中，往往会遇到不允许开挖路面的特殊情况，如北京东西长安街，这时工程的特殊性要求施工单位用不开挖方法铺管，从而促进了现代非开挖技术在我国的前期发展。中期是专门设备引进期，为上世纪80年代中～90年代中期，改革开放的深入使我国经济持续快速发展，城市基础设施建设投入加大，各类管线特别是通信光缆、有线电视线路铺设工程量的大大增加；各类跨越公路、铁路、河网、沟渠的管线工程量日趋增多，逐渐出现了从国外引进非开挖技术装备的高潮，以适应我国的经济发展形势。后期是自主研制创业期，为上世纪90年代初期，非开挖技术在这时开始为国人所知，国内开始看好这一新兴市场，竞相投入此类中小型装备的研制开发。
　　专家指出，非开挖技术产业的发展包括两个不可分隔的方面：非开挖管线工程施工技术和非开挖管线施工设备。施工技术的方法、工艺研究不仅决定了装备的研制方向、规定了装备必须的基本性能，而且是确保该创新技术和工艺得以实施的物质基础。据介绍，我国经历了初期的立项研制、工程示范、市场培育后，非开挖产业这一个新的产业雏形已初步形成，能够建立自己的装备设计、研制基地并开发出一定数量和规格的装备；初具全方位研制、开发各类主要施工装备的能力；涌现了一批以非开挖管线工程施工为主的专业化工程施工公司；已初步涉足于非开挖管线工程的各个领域。但与国际相比差距很大，总体还是处于起步阶段。一是非开挖技术在国外经历了长期发展，已得到当地社会承认，是政府支持、提倡的高新技术产业；二是我国非开挖技术产业发展并不平衡，在非开挖管线更换领域还有待开发；三是新型装备开发的投入力度不足，涉猎面较窄。

　　侧重点从铺设向修复探测转移
　　1/4个世纪以前，有人想出了一个聪明的主意，将聚酯树脂注入到毡布管中，使之在受损的管道内膨胀以修复该管道。这是早期的非开挖管道修复技术。由于大多数工程师都有一种天生的保守主义思想，非开挖技术的早期先行者经历了一段艰苦的奋斗。但我国人均管道拥有量还非常低，约为发达国家的1/80～1/100，这种奋斗在今天的中国还将继续延续。
　　关于奋斗的方向，江苏省煤炭地质局专家潘树仁等专家认为，非开挖技术应向三个方向发展。非开挖管道铺设技术应向大吨位方向发展。目前管道施工的发展趋势大致是：施工管道口径越来越大；施工管道长度越来越长；施工条件越来越复杂。一些大型工程，诸如西气东输工程穿越大江大河非大吨位设备不可。由于需要从国外进口且价格昂贵，国内现有大吨位设备数量偏少；相反，小吨位设备已基本国产化，价格便宜且数量相对饱和。同时，随着市场的逐渐成熟和竞争的日益激烈，小吨位设备施工的项目利润率越来越低，而大吨位设备施工的项目利润较丰厚。因此，今后发展大吨位非开挖施工设备是一个方向。
　　非开挖技术应从管道铺设技术向管道修复与转换方向发展，并重视管道探测技术的开发和提高。管道使用都有一定的寿命，大量的管道铺设完后，管道的维修和更换必然提上日程。我国原有的管道总量不高，管道修复和置换工作没有形成规模，也没有引起高度重视，随着管道总量的不断攀升，管道修复和置换将形成一个新兴的施工市场。可以说，管道修复和置换、管道探测更具有技术含量，也更有发展价值。
　　非开挖技术应从单一方法向综合手段发展。管道种类繁多、施工条件千差万别，需要采用不同的施工方法，以一种手段应付各种施工项目是不可能的，要根据市场条件和企业发展方向有所侧重、科学组合。

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