北京市非開挖技術應用現(xiàn)狀與需求分析

1、北京市非開挖技術應用現(xiàn)狀與需求分析馬孝春 錢榮毅（中國地質(zhì)大學（北京），北京，100083）摘要：本文介紹了近年來北京市在用的非開挖技術的調(diào)查結(jié)果，從應用技術水平與市場方面闡述了北京市道路地下空洞探測技術、非開挖鋪管技術及管道更換技術現(xiàn)狀，對北京市的非開挖產(chǎn)業(yè)潛力進行了分析，并對未來幾年北京市關注的非開挖研究方向做了探討。關鍵詞：非開挖、管道鋪設、管道修復、地下空洞探測為迎接北京市奧運會的召開，自20032007年間北京市進行了一系列的重大基礎設施改造與擴建工程，包括市政管道工程中的燃氣、熱力、電力、排水、自來水等管道工程，其中一部分使用了非開挖施工技術。就直覺而言，奧運會前北京街頭隨處可見頂

2、管工作坑的起吊支架和非開挖施工圍護。就數(shù)字而言，北京市在奧運會之前的非開挖工程量有極大增加。通過這些非開挖工程施工增加了政府相部門對此項技術的認識與認可，為今后的非開挖技術的研究與應用打下了良好基礎。1 北京市道路下地下空洞非開挖探測技術現(xiàn)狀近年來，北京曾多次發(fā)生道路塌陷的事故，如東三環(huán)京廣橋東外環(huán)輔路塌陷、西大望路塌陷、國貿(mào)橋北三環(huán)外環(huán)輔路塌陷、白紙坊路塌陷、菜市口大街塌陷等等。這些塌陷發(fā)生突然，造成了人員傷害、車輛陷入，同時損環(huán)其它基礎設施和管道，帶來的危害和經(jīng)濟損失非常大。圖1 北京城市道路塌陷通過這些事件，北京市政府對道路地下空洞的隱蔽性、突發(fā)性和不可預知性有了極深刻的印象。因此，在2

3、008年6月份前，為迎接第29屆奧運會的召開，在北京市奧組會應急協(xié)調(diào)指揮部門的領導下已對北京市各比賽場館周邊及重點道路做了大規(guī)模的地下空洞探測工作，并對已發(fā)現(xiàn)的較大的十多處地下空洞進行了處理。并正在將非開挖道路探測工作演變?yōu)樾滦薜缆?、地鐵施工前的常規(guī)檢查。圖2為北京市近年來發(fā)現(xiàn)的空洞區(qū)域。 圖2 北京市已查出的地下空洞分布目前北京市在用的道路非開挖探測技術主要有地質(zhì)雷達探測法、高密度電阻率法、彈性波法等。但由于以下原因，探測結(jié)果尚不能完全令人滿意：（1）抗干擾能力不足: 城市道路作業(yè)環(huán)境復雜，道路周圍的路燈、輸電線、電器設備都能成為電磁干擾源，干涉有效數(shù)據(jù)，使采集到的數(shù)據(jù)不能反映地下

4、的真實信息。 （2）數(shù)據(jù)采集速度慢: 現(xiàn)有地質(zhì)雷達儀器數(shù)據(jù)采集速度為幾十至幾百道/秒，且信噪比與采集速度成反比，速度越快，信噪比越低。 （3）定位困難: 在道路上進行探測作業(yè)時，地質(zhì)雷達定位多采用車輪進行距離測量。道路狀況、輪胎磨損，甚至路面溫度都能造成計量誤差，而且只能進行直線距離定位。 （4）探測深度不足: 地質(zhì)雷達在土壤中有效探測深度約2-3米。道路下方回填土層中探測深度更淺。據(jù)我們分析，造成北京市道路下方地下空洞的原因有以下幾點：（1）大部分市政基礎設施，如給水、燃氣、通訊、電力、熱力等，主要埋設在市政道路的下方，道路多次開挖施工，回填不實。(2)地下供水管道、雨污水管道經(jīng)常出現(xiàn)滲漏，

5、逐漸將管道周圍的泥土沖蝕帶走。地鐵隧道施工造成上方土層的疏松和空洞，打破地層原有的平衡狀態(tài)。(3)交通荷載的震動加速了道路下方管道間土體的下沉并尋求新的平衡，而管道的剛度較大，協(xié)調(diào)變形能力差，位置錯動致使出現(xiàn)管道裂紋、泄漏等。(4)非開挖施工中的定向鉆進法、頂管法在淺層或大口徑施工時對地表和周圍設施產(chǎn)生擠壓，施工后管道與周圍土體間留有間隙。(5)廢棄防空洞、古墓、老磚窯、尾礦回填不實、地下水位下降等。2 北京市非開挖鋪管技術現(xiàn)狀通過對近年來在北京市完成的具有代表性的64例管道鋪設工程分析，得到以下結(jié)果：2.1 鋪管方法近幾年北京市使用的非開挖鋪管方法分為三種，即定向鉆鋪管法、夯管鋪管法和頂管法

6、。由于沖擊矛法穿越長度和管線口徑太小，且方向無法保證，在調(diào)研中未發(fā)現(xiàn)使用沖擊矛施工的實例。在調(diào)查的64例中頂管法占15例，定向鉆法36例，夯管法13例。鋪管口徑：402200 mm。鋪管長度：283600 m。使用管材：鋼管，鋼筋混凝土管，鐵管，硅芯管，PE, HDPE。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)在北京應用的定向鉆施工主要用于穿越北京通往外省市的高速公路、鐵路、市內(nèi)城鐵、河流、住宅小區(qū)內(nèi)的綠地和建筑物，直徑范圍是401016 mm，施工長度381200 m，所用管材為PE, HDPE，鋼管，鐵管，硅芯管。受探測器的能力限制，鋪設深度一般在5m以內(nèi)。穿越地層主要是粘土、亞粘土、粉砂土、回填土、流砂層等松軟或含

7、有少量卵礫的地層。示例：圖3為北京隆科興公司在用定向鉆施工北京市東北部綠化帶再生水管線一期工程一號標段的照片。圖3 定向鉆穿越工程圖4 頂管施工在北京市各行業(yè)中所用的頂管主要是手掘式頂管，部分復雜條件下用到了機械頂管，且主要是土壓式頂管和泥水式頂管。在北京使用的泥水式頂管機有日本的RASA公司的產(chǎn)品及中國揚州產(chǎn)的DBNP600型泥水式頂管機，土壓平衡式頂管機有北京市通州宏旺市政工程施工處的DK2150型單刀盤土壓平衡機械頂管機。據(jù)調(diào)查，在北京使用的頂管施工的直徑為3002200mm，施工長度573600m，使用管材為鋼管和鋼筋混凝土管。圖4為北京中宣市政機械頂管公司在北郊糧庫西側(cè)路綜合市政工程

8、中頂進雨水管線的照片。北京的夯管用于穿路的工程較多，由于距離較短，進入鋼管內(nèi)的土，多在夯擊結(jié)束后用人工掏挖法進行清理。據(jù)調(diào)查，在北京進行的夯管施工的直徑為1081200mm，施工長度為28126m，所用管材僅為鋼管。圖5為用夯管法在北京洋橋施工現(xiàn)場的照片，照片來自于德國TT集團夯管錘廠方。圖5 北京洋橋夯管現(xiàn)場2.2 鋪管的類型就調(diào)查的典型案例看，北京市非開挖鋪管的類型涉及到市政管道工程的各個行業(yè)，其中燃氣管道工程24例，污水管道工程12例，熱力管道工程6例，供水管道工程4例，通訊管道工程4例，地鐵管棚工程3例，輸油管道工程1例。這基本上反映了幾大行業(yè)使用非開挖鋪管技術的比例。2.3 鋪管的地

9、理位置從穿越位置看，北京市的非開挖鋪管工程涵蓋了公園、文化遺址、高速公路、高速鐵路、城鐵、地鐵、立交橋、河流、機場跑道、居民區(qū)和家屬樓，應用環(huán)境多變。據(jù)北京天環(huán)非開挖公司資料介紹，在首都機場三號航站樓環(huán)網(wǎng)電纜敷設工程和首都機場高速南線綜合管線入地工程中，定向鉆有重要貢獻，鋪設的纜線總長度超過50km。3 北京市地下管道非開挖修復與更換技術現(xiàn)狀北京市用非開挖法修復地下管道的主要技術有：內(nèi)插法、U形折疊法、翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法。由于內(nèi)插法有較大斷面損失，故在北京用的案例較少，從個別案例看：新管直徑在500630mm之間，插入新管的管材為PE管，新管直徑比舊管道直徑小12級，施工長度在321030m之間，舊管

10、多為鋼筋混凝土污水管道。在北京使用的U形管法修復的管道直徑范圍是200400mm，單次施工長度達700m，用于燃氣管道的修復。在北京使用的翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法修復的舊管直徑范圍在250700mm，單次施工長度在255800m之間，主要用于中高壓燃氣管道修復。其中北京天環(huán)非開挖公司在南三環(huán)玉泉營十里河段用這種方法修復了16.3km, 土城北路中壓管線，東四環(huán)高壓管線修復了16.6km，復興路五棵松公主墳高壓管線修復了2.7km。根據(jù)調(diào)查，北京市的管道更換的方法僅是碎管法，且是靜力碎管法，其中以德國TT集團的碎管機應用較多。在北京市利用此法破碎的舊管道主要是混凝土管，更換后的新管道是PE管和鋼管。主要用于污

11、水管道和燃氣管道的更換，舊管道的直徑為200450mm，更換后的直徑可增容12個級別，單次施工長度為80160m.4 北京市非開挖產(chǎn)業(yè)分析（1）北京市非開挖企業(yè)：以民營為主，規(guī)模偏小從我們調(diào)查與走訪的30家非開挖專業(yè)生產(chǎn)與施工的企業(yè)看，以民營與私人企業(yè)為主。成立時間不長，短則成立剛一年，長時不過15年。規(guī)模較小，注冊資金少則30萬元，多者600萬元，從事頂管工程的資金最多，達4000萬元。非開挖公司的人員流動大、技術水平低。企業(yè)效益不穩(wěn)定，缺乏專利技術，缺乏自主設計，缺乏核心競爭力。（2）北京市非開挖工程占有率：起點低，增長快經(jīng)過調(diào)查，非開挖工程的市場占有率比預估的要好。在過去的幾年中，僅從幾

12、家非開挖公司反饋的數(shù)據(jù)看，用定向鉆施工的通訊電纜超過60km，用定向鉆完成的其它管道長度超過20km，用頂管法完成的管道鋪設超過80km，用翻轉(zhuǎn)法修復的管道長度超過50km，用碎管法完成的管道更新超過20km。據(jù)2005年10月12日競報報道，六環(huán)路天然氣管線工程一期全長近40公里，從通州區(qū)馬駒橋鎮(zhèn)為起點，沿六環(huán)路外環(huán)向東、折向北，依次穿過京津塘高速公路、京沈高速公路、京哈高速公路等國道；穿越臺次路、京榆舊路、通順路、涼水河、新月友河、蕭太后河等河流及溝渠和京承鐵路、機場專用線鐵路等重要鐵路干線后到達終點順義區(qū)李橋鎮(zhèn)。僅在早期鋪設的12567米中，用非開挖法施工的穿跨越長度達3084米，占管線

13、設計總長的32.1%，這其中用到了定向鉆、頂管和夯管三種非開挖鋪設方法。在20062007進行的北京市72條雨污水管道改造工程中，對上世紀五六十年代長約30公里的老舊設施進行了改造。對育群胡同舊溝、北總布胡同舊溝、魏家胡同舊溝、雍和宮大街東便北段合流、藍靛廠污水分流、槐柏樹后街合流、甜水園東街合流、東皇城根南段合流、東華門大街南便合流、玲瓏花園污水、鐵家墳暗溝、西河沿西段舊溝、豐臺豆制品廠污水、百萬莊園小區(qū)西線污水、西安門大街合流等消隱工程進行了舊溝改管、翻修管線、暗溝錨噴加固、翻建部分雨水口、檢查井和清淤掏挖等工作，對豐臺體育中心污水、847廠污水、槐柏樹后街合流、百萬莊園小區(qū)西線污水、望京

14、西路污水等十幾條消隱工程采用了擴管、定向鉆、內(nèi)襯等非開挖技術進行施工，長度達8000多米，非開挖施工量約占總長度的27%。 北京市的非開挖工程使用率由2005年前的不足1%發(fā)展到2007年在有些工程中占到2732%，可見是一個巨大進步，實現(xiàn)了北京市政府擬定的將2007年非開挖工程量提高到10%的號召。不可否認，許多市政工程借了奧運會的東風，提前完成了預定的更新改造項目。故不能保證今后幾年仍有同樣的發(fā)展速度。（3）北京市非開挖政策環(huán)境：從無到有，正在快速改善盡管在1996年10月1日，中華人民共和國國務院出臺了198號令城市道路管理條例，“條例”中明確規(guī)定：“新修道路5年不準挖，修復道路3年不準

15、挖”。由于當時社會上對非開挖技術認識不夠，重視不夠，盡管限制了挖路，但對非開挖技術的推動仍是有限。但從2006年開始，以北京市質(zhì)量技術監(jiān)督局為主導，在北京市政的多個部門參與下，終于在2008年10發(fā)布了地下管線非開挖鋪設工程施工及驗收技術規(guī)范：第一部分 定向鉆施工，關于夯管與管道修復的標準將于2009年完成。同時城鎮(zhèn)燃氣管道修復工程技術規(guī)程國家行業(yè)規(guī)范也即將頒布?？梢钥闯觯谖磥?3年內(nèi)，北京市的非開挖市場將走向正規(guī)，屆時，政府將有法可依監(jiān)管非開挖市場。（4）北京市非開挖設備制造能力：不均衡在北京生產(chǎn)定向鉆機和從事施工定向鉆工程施工的專營企業(yè)有：北京土行孫非開挖技術有限公司，北京隆科興非開挖工

16、程有限公司，北京首爾工程技術有限公司，北京迪恒機械技術有限公司，北京中易恒通非開挖技術有限公司，北京通亨華管道技術有限公司，北京凌云和信非開挖管道安裝工程有限公司，北京愷藝斯管道工程有限公司，北京中煤地技術裝備公司第四工程處，中國建筑第一工程局安裝公司，北京燃氣集團有限責任公司，北京天環(huán)非開挖公司等。兼營定向鉆鋪管的企業(yè)也較多，在此不再列出。另有部分非開挖公司盡管位于河北省之內(nèi)，但服務的主要是北京的定向鋪管市場。從數(shù)量上講，北京市的定向鋪管實力較強。北京的頂管掘進機研制能力較弱，以使用為主。在北京市從事頂管工程的企業(yè)有：北京市通州宏旺市政工程施工處，北京市三北建筑工程有限責任公司，中宣市政建設

17、公司頂管分公司，北京愷藝斯機電設備有限公司，北京東方中遠市政工程有限責任公司，北京隆科興非開挖工程有限公司，北京燃氣集團有限責任公司等。由于夯管設備相對簡單，小型工程中有些施工單位使用自配的夯管系統(tǒng)，直徑較大的夯管常用國外設備，如德國TT集團公司的夯管錘。在北京從事夯管工程的企業(yè)有：北京中煤地技術裝備公司第四工程處，河北天元地理信息公司管線施工公司，北京隆科興非開挖工程有限公司等。北京市管道修復設備中，北京派普瑞公司從美國引進了U-HDPE設備，北京天環(huán)非開挖公司引進了瑞士Sanivar AG公司的G系列和W系列的翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯設備與材料。北京在用的碎管設備以德國TT集團公司生產(chǎn)的碎管機為主，也有引

18、進丹麥Scadinavian公司的液壓換管設備。在北京市從事地下管線修復與更換的主要企業(yè)有：北京開源同創(chuàng)非開挖管道工程有限公司，北京隆科興非開挖工程有限公司，北京市燃氣集團有限公司，北京天環(huán)非開挖公司，北京派普瑞非開挖工程技術有限公司，北京創(chuàng)安亞非開挖工程技術有限公司，北京三達耐爾納非開挖技術有限公司，北京銘尼科科技有限公司等。（5）北京市非開挖研發(fā)能力：初級水平北京的非開挖技術走的是需求產(chǎn)生市場、民間推動政府、實踐超前理論的道路?？梢哉f，目前的非開挖產(chǎn)業(yè)格局是在政府沒有干預的情況下自然形成的，民間企業(yè)的動力在于追逐效益，對理論研究既缺乏興趣也缺乏人才、時間和資金。目前，由于基礎理論研究的制約

19、，使得在國家標準制訂時缺乏必要的參考，在參數(shù)設計要求上未必合理，對工藝的規(guī)范上未必正確，質(zhì)量上未必能滿足長期要求。可喜的是，近兩年從北京市政府、科技部、北京市科委和市政管委都開始重視這一工作。2008年中國地質(zhì)大學（北京）、北京市非開挖技術協(xié)會和北京市的相關施工單位一起承擔了北京市科學技術委員會的北京市非開挖技術需求分析與技術選擇專項，重點調(diào)研與定位面向20092010年間北京市應當關注的非開挖技術研究方向。同時，2008年中國地質(zhì)大學（北京）與北京市非開挖技術協(xié)會等單位一起完成了北京市市政管理委員會的地下管道非開挖修復方案設計與優(yōu)選系統(tǒng)研究項目，對北京市的在用管道修復技術做了詳細調(diào)查，對國內(nèi)

20、外管道修復的理論進行了推演與試驗，并正在與有關部門合作，設計地下管道修復軟件。5 展望與建議5.1 非開挖產(chǎn)業(yè)的市場潛力遠未得到開發(fā)盡管北京市的非開挖產(chǎn)業(yè)在近兩年有了較快的發(fā)展，在個別工程中非開挖使用率較高，但從整體看，仍然發(fā)揮得不夠，存在巨大的增長空間。下面以2007的新建及改擴建、更新的數(shù)據(jù)為例分析說明。2007年北京市新建與改擴建地下管線工程：北京市自來水集團26項，長度44.75公里，工程費用7519萬元；北京市燃氣集團132項工程，長度514.33公里，工程費用295340萬元；北京市排水集團96項工程，長度137.81公里，工程費用28935萬元。再加上北京市熱力集團57項，長度8

21、4.89公里，工程費用335066萬元；北京電力公司89項，長度141.88公里，工程費用210482萬元；中國移動北京分公司4項，長度4.92公里，工程費用349萬元；北京市路燈管理中心87項，長度141公里，工程費用14606萬元；北京信息基礎設施公司525項，長度780.34公里，工程費用15577萬元；北京歌華有線公司91項，長度473.64公里，工程費用8799萬元。2007年北京市地下管線新建與改擴建工程共計1107項，工程施工長度2323.56公里，工程費用916673萬元。另外，2007年北京市輸油氣管線新建與改擴建工程：北京華油天然氣有限責任公司1項，長度45公里，工程費用6

22、3281萬元；華電（北京）熱電有限公司2項，長度5.9公里，工程費用6973萬元；北京市液化石油氣公司3項，長度12.29公里，工程費用1396萬元；中石化北京石油公司2項，長度244公里，工程費用2610萬元；中石化北京燕山公司3項，長度56公里，工程費用20946萬元。合計：2007年北京市輸油氣管線新建與改擴建工程11項，長度363.19公里，工程費用95206萬元。從中可以發(fā)現(xiàn)，該年度新建管道長度超過2680公里，其中的10%就是268公里，就前面調(diào)查的數(shù)據(jù)看，近幾年的非開挖鋪管施工量也才160公里，非開挖鋪管施工仍有較大增長潛力。2007年北京市地下管線維修工程：北京市自來水集團12

23、項工程，長度9.79公里，工程費用6233萬元；北京市燃氣集團1項，長度30公里，工程費用400萬元；北京市熱力集團1項，長度2公里，工程費用500萬元；北京電力公司16項，長度54公里，工程費用9210萬元；北京市排水集團2項，長度0.6公里，工程費用145萬元；北京市政工程管理處131項，長度33.96公里，工程費用16380萬元。合計：地下管線維修工程163項，長度130.35公里，工程費用32868萬元。另外，2007年北京市油氣管線維修工程：北京華油天然氣有限責任公司2項，工程費用110萬元；北京市液化石油氣公司5項，長度92公里，工程費用65萬元；中航油津京管道運輸中心2項，長度3

24、70公里，工程費用35萬元。合計：2007年北京市油氣管線維修工程9項，長度462公里，工程費用210萬元。除此之外，2007年北京市隨路大修管線建設與維修工程42項，長度169.66公里，工程費用99639.07萬元。將前面的非開挖工程量數(shù)據(jù)與2007年完工的新管線修復與更換工程量相比，雖然非開挖工程使用量超過了10%，結(jié)果令人滿意。但就目前北京市地下管道的總體而言，北京市城區(qū)范圍內(nèi)各類地下管線長度約4.3萬公里。其中液化石油氣管道261km，天然氣管道8630km，供水管道7000km，供熱管道7048km，排水及其它管道7523km。不算通訊電纜，僅就液化石油氣管道、天然氣管道、供水管道

25、、供熱管道、排水管道就超過30000km。按照管道壽命為50年計算，每年將有600km的管道需要修復或更換，而目前北京市五年內(nèi)非開挖施工量總和尚不足200km。即以后逐漸過渡到非開挖修復與更換的工程量相當于現(xiàn)在的15倍。5.2 北京市的非開挖技術潛力存在較大增長空間北京是全國的科教文化中心，有著國內(nèi)乃至世界頂尖的科研機構(gòu)，具備雄厚的技術研發(fā)力量，在北京從事非開挖研究工作的高校及研究機構(gòu)有：北京市政工程研究院、中國地質(zhì)大學、中國科學院、清華大學等，并有許多大學在材料、儀器儀表方面具有較強優(yōu)勢，他們兼有生產(chǎn)、設備制造能力，有自己的加工車間和科研基地。北京市非開挖技術協(xié)會及其下屬的94家會員單位，具

26、有一定的非開挖工程設計與施工實力，及設備制造能力?？梢?，北京市有著較好的非開挖資源，只不過缺乏交流溝通與協(xié)作，潛力沒有發(fā)揮出來。建議對北京市的優(yōu)勢非開挖資源進行聯(lián)合與重組，構(gòu)成虛擬非開挖創(chuàng)新機構(gòu)。該虛擬非開挖機構(gòu)的職責是：統(tǒng)計并公開每年的非開挖市政工程占有量，發(fā)布非開挖年度報告。對來年的市場需求、技術需求、設備與材料需求進行分析，為行業(yè)發(fā)展提供指導。 組織非開挖科技攻關項目。在深入調(diào)研的基礎上，每年解決23個面向工程設計、標準制訂、工程施工中的難題。研究成套的非開挖服務方案，有計劃地促成非開挖專項技術的成熟與配套，并推廣應用之。為非開挖的科研募集資金。組織非開挖生產(chǎn)、科研和相關職能部門與科技部

27、、建設部、北京市科委等部門的溝通與交流，積極申請國家相關研究基金，并爭取國內(nèi)外相關企業(yè)的資助，為非開挖科研活動籌集穩(wěn)定的發(fā)展資金。與其它城市或國家的非開挖政府團體進行交流，從政府層面掌控非開挖進展。5.3 建議的非開挖技術研究方向通過與北京市政管委等領導部門的接觸與市場反饋，我們認為有以下技術值得關注：（1）車載式地下缺陷及障礙物快速掃描設備。能在不破壞路面、不影響交通的情況下快速掃描，并提供準確、高分辨率的掃描結(jié)果，并給得出明確結(jié)論。（2）鉆頭近前探測需求按照北京市規(guī)劃委員會和北京市城建規(guī)劃研究院的近遠景規(guī)劃（2004年2020年），將大規(guī)模地開發(fā)北京市的地下空間。地下10米以上的淺層空間用于構(gòu)造地下停車場、