淺談淺埋暗挖施工技術在燃氣工程中的應用

摘 要

摘要：通過北京市天然氣工程實例，分析淺埋暗挖施工技術在燃氣管網(wǎng)施工中應用的可行性及需關注的問題，為燃氣管網(wǎng)工程非開挖施工技術的應用提供參考。關鍵詞：非開挖施工；淺埋暗挖；定
摘要：通過北京市天然氣工程實例，分析淺埋暗挖施工技術在燃氣管網(wǎng)施工中應用的可行性及需關注的問題，為燃氣管網(wǎng)工程非開挖施工技術的應用提供參考。
關鍵詞：非開挖施工；淺埋暗挖；定向鉆拉管；頂管；工程成本
1 前言
    在城市燃氣管網(wǎng)的建設過程中，已形成的其他地下管線的復雜性、地質條件的多樣性、地表及地下建筑物的現(xiàn)況條件、其他管理部門(交通管理部門、市政部門、園林部門等)的相關管理規(guī)范及人為主觀行為等多種不可預見因素的制約，造成施工過程中局部甚至全部無法進行明開挖施工的情況越來越多。因此非開挖施工技術也越來越多的被應用于城市燃氣管網(wǎng)的建設過程中。
   我國目前常用的非開挖施工技術有：頂管施工技術、定向鉆拉管施工技術、淺埋暗挖施工技術、盾構施工技術等。其中盾構施工技術目前只在城市軌道交通建設中使用，雖然其施工安全性相比其他施工方法更加可靠，但其高昂的投資和其自身的施工技術特點造成盾構施工技術目前無法在市政管線施工過程中使用。
   在城市燃氣管網(wǎng)建設過程中，非開挖施工技術多在穿越河道、鐵路、道路、地下管線等障礙時采用，其施工距離從幾十米至上千米不等。近年來，頂管施工技術、定向鉆拉管施工技術均在燃氣工程中被廣泛應用，而作為較早就在燃氣工程中有所應用的淺埋暗挖施工技術卻基本無法在燃氣施工中出現(xiàn)，什么原因造成這種局面呢？
2 淺埋暗挖施工技術及其不被燃氣施上采用的主要原因
   淺埋暗挖施工技術始于20世紀80年代中期，具有靈活多變，對地面建筑、道路和地下管網(wǎng)影響不大，拆遷占地少，不擾民，不污染城市環(huán)境等優(yōu)點，是較先進的施工方法。目前，淺埋暗挖施工技術被熱力、電力及地鐵施工廣泛采用。
    淺埋暗挖技術基本的施工步驟為：(1)地層加固。通常做法是將鋼管打入地層，然后注入水泥或化學漿液，使土體穩(wěn)定。開挖面土體穩(wěn)定是采用淺埋暗挖法的基本條件。(2)初襯施工。地層加固后，進行短進尺開挖。一般每循環(huán)在0.5m-1.Om左右，隨后安裝提前預制的鋼格柵進行錨噴形成施工保護層，稱為初襯，其作用是在正式結構施工時提供有效的安全保護。(3)施作防水層。開挖面的穩(wěn)定性時刻受到水的危脅，嚴重時可導致塌方。處理好地下水是非常關鍵的環(huán)節(jié)。(4)結構主體施工。通過分析淺埋暗挖技術的基本施工步驟，以及該技術在其他施工領域的應用實例，我們不難發(fā)現(xiàn)，與目前在燃氣施工中經(jīng)常應用的頂管技術和定向鉆拉管技術相比，高昂的工程成本是制約燃氣施工采用淺埋暗挖施工技術最直接、也是最重要的原因。
    淺埋暗挖技術的施工方式?jīng)Q定了其工程成本要遠遠大于頂管和定向鉆施工，且這種施工方式的主要工程成本集中在暗挖隧道的建設上，管線敷設的工程成本相對較小。以目前多采用淺埋暗挖施工的熱力管線敷設為例，采用淺埋暗挖施工每延米工程成本中隧道建設成本與熱力管線敷設成本之比，正常情況下在7：3左右(根據(jù)筆者負責實施的熱力工程自行測算得出比例，所有設備安裝均考慮在管線敷設成本范圍內)，考慮燃氣管線為單管敷設(熱力為雙管敷設)，其主材價格，敷設人工等工程成本要低于熱力管線，一旦在燃氣施工中全面照搬熱力工程目前采用的淺埋暗挖方法，則隧道建設成本與管線敷設成本之比將遠高于7：3，這種工程成本比例遠遠高于同規(guī)模施工采用頂管技術、夯管技術或定向鉆施工技術的成本比例。因此，僅從經(jīng)濟性上來講，淺埋暗挖技術不會成為燃氣工程的首選施工方案。
    但是，在一些特定的環(huán)境中，受到特定條件的制約時，淺埋暗挖施工技術又可能是唯一的選擇。
3 采用淺埋暗挖施工技術的工程實例分析
    2007年，我參與了“北京市人民政府對外聯(lián)絡辦公室天然氣工程”的實施工作。該工程氣源點位于西絨線胡同中部路南側，DN400中壓天然氣管線，用氣點位于東絨線胡同中部路南側，根據(jù)設計圖紙管線，自氣源點新建DN400天然氣管線，沿西絨線胡同路南側自西向東敷設，天然氣管線位置距道路永中南13.5m，至北新華街路口轉向東北敷設，穿過路口后沿東絨線胡同道路北側敷設，至用氣點轉向南穿過東絨線胡同進入用氣點，全長307m，T1(0+000)～T2(0+89.60)，在西絨線胡同道路南側邊緣。T2(0+89.60)～T3(0+125.1)為斜穿北新華街路口，T3(0+125.1)～T4(0+307)在東絨線胡同道路北側邊緣。
    由于2008年為奧運年，北新華街及西絨線胡同剛剛重新修整完畢，根據(jù)市交管局要求不得破路施工。因此，整體工程T1～T3點采用非開挖施工，T3～T4點采用明開挖施工。
    工程實施過程中，最先考慮采用的是工期最短，相對投資最少的定向鉆拉管技術；但經(jīng)多次現(xiàn)場踏勘后發(fā)現(xiàn)，T1～T4段現(xiàn)場不具備全線采用定向鉆施工的條件，必須分段考慮采用不同的非開挖施工技術。
    首先，T1～T2點位于西絨線胡同道路上，管道長度接近110m，而現(xiàn)場T1點向西有充足的場地長度遠遠長于110m，完全可以滿足定向鉆施工現(xiàn)場排管條件。同時經(jīng)過地勘T1～T2點段地下管線排布比較簡單，完全具備進行定向鉆施工的條件。因此，在征得路政及交管部門同意局部占道的情況下，T1～T2點段最終決定采用定向鉆拉管施工。
    但在確定T2～T3點段施工方案的過程中，卻遇到了問題。T2和T3點分別位于北新華街路口西南角位置和東北角位置，現(xiàn)場具備的最大排管距離不足15m。而采用定線鉆施工技術最基本的條件之一就是具備足夠的排管現(xiàn)場。要滿足35m的排管現(xiàn)場就意味著將對T2點或T3點附近的部分民居進行拆遷，這在工程成本和工期要求上都是不現(xiàn)實的。因此，T2～T3點無法采用定向鉆技術施工。
 

    在否定了T2～T3點采用定向鉆施工的可能性后，開始考慮頂管施工技術應用的可能性。通過對地勘報告數(shù)據(jù)和地下管線探測報告的分析，以及現(xiàn)場調查，我得出的結果是：施工現(xiàn)場具備頂管工作坑和接受坑的施工條件，頂管管頂在自然地表以下6.5m位置可以保證與上方最近的雨水管道管底間距在1m以上，土質為砂性土層比較適合頂管施工。但當頂管施工方案編制出來后進行專家論證時，市政管理所提出了一個現(xiàn)況問題，否決了頂管施工方案。
    在頂管方案中，擬定頂進的管道為小1050鋼筋混凝土套管，每段管長3m，采用人工頂管法施工，管頂外標高在地表相對標高-6.50m。市政管理所提出，在頂管上方1m位置為北新華街雨水主管線，管徑DN800，南北方向敷設，與頂管呈50°夾角。該雨水管線在80年代初修建，采用混凝土管道敷設管下半包封沙基處理。由于該管線使用時間較長，目前滲漏現(xiàn)象嚴重，這一問題將嚴重影響頂管施工。其原因有3點：
    (1) 由于頂管施工土層土質為砂性土，此類土質透水性極強，因雨水管道的滲水形成滯水層，本身就容易抱緊管外壁增大摩擦阻力，且注漿潤滑套相對來講較難形成。除按常規(guī)方法進行注漿外，需在管外壁涂上一層石蠟或防水材料，保證潤滑；且需調整觸變泥漿的配比，選擇膨脹倍率較大，雜質小，顆粒在150目以上的優(yōu)質膨潤土，加入石膏增長泥漿減摩擦效果持久|生，提高漿液的膠凝強度。以上措施必然會增大觸變泥漿使用量，造成成本增加；延緩施工進度。
    (2) 砂土層遇水后極易形成流沙，隨著頂管掘進加長出砂量增大，極易造成路面整體沉降，形成坑洞，上方各種管線均存在極大的斷裂危險。一旦超過管線承載上限，必然會造成管線斷裂、路面塌陷的重大安全事故，直接影響該地區(qū)居民的正常生活。施工中發(fā)生該問題的風險過大，且沒有十分有效、保證萬無一失的預防手段及技術措施。
    (3) 由于頂管施工工藝其防水措施一直是該種施工工藝的短板，尤其是混凝土管接口位置其防水措施很難一勞永逸。而現(xiàn)況漏水的雨水管道將會自頂管接口位置滲透，造成混凝土套管內的燃氣主管線腐蝕加劇，嚴重縮短燃氣管道壽命。
    由于以上3點原因造成的問題采用頂管施工技術很難得到解決。因此，經(jīng)過再三斟酌，頂管施工方案也被排除。
    通過對地質條件、現(xiàn)場條件及相關不利因素的充分分析，最終決定采用淺埋暗挖施工技術進行T2～T3點段的施工，其理由有以下幾點：
    (1) 其工作坑占用的場地面積與頂管施工工作坑尺寸相同甚至可以略小，不存在場地不足問題。
    (2) 淺埋暗挖施工技術初襯施工前采取超前小導管注漿對土體進行固化。即不存在頂管施工中出現(xiàn)的抱管問題，又能很好地預防土體塌陷問題，從而保證其他管線的安全。
    (3) 初襯隧道貫通后整體防水層的安裝，杜絕了雨水管線漏水給燃氣管線造成腐蝕加劇的問題。
    換言之，本工程T2～T3點段施工中定向鉆拉管技術和頂管技術無法解決的幾個難題，采用淺埋暗挖技術均能夠被克服。而淺埋暗挖技術的最大缺點一工程成本較高問題，通過具體施工步驟的革新和必要的技術變革，也可以得到很好的控制。
    本工程在實際施工過程中主要采取了以下措施來降低工程成本：
    (1) 盡量縮小隧道斷面尺寸。為減少工程成本，暗挖隧道在滿足燃氣管線敷設安裝條件的前提下盡量縮小。本工程隧道初襯內凈空為寬0.8m，高1.2m。
    (2) 在密排初襯榀架、鋼格柵，確保后續(xù)施工安全的前提下暗挖隧道只進行初襯施丁及防水層施工，取消二襯鋼筋混凝土結構主體的施工。在燃氣主管線敷設完畢后，初襯隧道內采用噴砂工藝全部填充滿，既避免了燃氣管線暴露在空氣中易加速腐蝕的的問題，同時也降低了地下空洞造成路面塌陷、管道斷裂的可能性。
    (3) 兩端工作坑內縱向燃氣管線避免與隧道內燃氣管線呈90°垂直敷設，改為呈135°角斜向上敷設。這樣敷設即保證了管線在地面的垂直投影不出現(xiàn)重復便于日后管理，同時也避免了在工作坑位置新建結構小室保護縱向管道，節(jié)省了建設成本。
    通過以上一系列技術措施和技術變革，本工程在按時、保質完成通氣任務的同時，采用淺埋暗挖施工工藝增加工程成本近16萬元；與同規(guī)模的頂管施工造價基本持平，甚至略有節(jié)約。如僅考慮工程投資這一成本增加量要大于采用同等規(guī)模定向鉆施工技術的施工投入(采用定向鉆施工技術工程投入應增加10萬元～12萬元左右)，而一旦考慮占地所需的拆遷費用則遠遠不是16萬元可以解決的。南此可見，不論是從技術層面上來講，還是從經(jīng)濟層面上來講，淺埋暗挖技術都是最適合本工程T2～T3點段的施工方法，事實也證明了這一點。
4 總結
    通過“北京市人民政府對外聯(lián)絡辦公室天然氣工程”這一工程實例不難看出，淺埋暗挖技術還是有其獨有的施工優(yōu)勢和技術特點的。分析總結主要有以下幾點：
    (1) 工藝成熟，技術及安全更有保證：作為一種成熟的非開挖施工技術，多年來的實踐檢驗和改進，淺埋暗挖技術的工藝成熟性和施工方法的安全性是毋庸置疑的。
    (2) 現(xiàn)場適應性強，對施工現(xiàn)場的場地基本無特殊要求：現(xiàn)場條件能夠滿足其他非開挖技術施工要求，則該現(xiàn)場亦可以進行淺埋暗挖施工。
    (3) 適用性更加寬廣，地況條件適應性強：淺埋暗挖施工技術不受地況土質的摩擦系數(shù)影響。從理論上講，淺埋暗挖施工技術可以認為在任何地況條件下均可使用。
    (4) 淺埋暗挖施工技術施工精度控制難度低，便于隨時修正施工方案，解決處理突發(fā)情況。
    淺埋暗挖施工技術具備上述技術優(yōu)點，過高的工程成本是制約其在城市燃氣管網(wǎng)建設中被合理使用的直接及最重要的原因。通過對近年來負責實施的淺埋暗挖工程的總結，通過對城市燃氣管網(wǎng)敷設工程的特點分析，我認為，以目前熱力管線采用的淺埋暗挖技術為基礎，進行部分工藝的變革，完全可以從以下幾方面入手，有效的降低淺埋暗挖工程的施工成本，使之適用于城市燃氣管網(wǎng)的敷設工程。
    (1) 南于燃氣管道在運行期間不必考慮推力問題，因此，在建設過程中同樣不用考慮過多的設備小室問題。此部分建設投資可以節(jié)省。
    (2) 結合燃氣管線敷設需要，縮小隧道尺寸會在很大程度上減少投資。燃氣管道為單管敷設且在隧道中基本無設備需要操作，因此，燃氣工程采用淺埋暗挖技術建設的隧道尺寸沒有必要照搬熱力隧道，完全可以縮小隧道內凈空；而縮小隧道J弋寸的直接影響就是工程成本大幅度降低。
    (3) 結合燃氣隧道深度，在保證安全的前提下縮小隧道壁厚、降低鋼筋配比也能達到減少工程成本的效果。但必須強調，縮減鋼筋密度、縮小墻體厚度的做法對于降低成本投入具有一定效果，但一味盲目追求成本的降低會導致產(chǎn)生安全隱患：一旦隧道承擔不了上方土體壓力造成坍塌，將會引發(fā)嚴重事故，后果不堪設想，因此，在縮減鋼筋密度、縮小墻體厚度前一定要進行準確的校核計算。
(4) 在短距離非開挖施工中，可以考慮只施工初襯，不進行主體隧道施工，燃氣管道安裝完畢后燃氣遠程抄表系統(tǒng)的設備標準及安裝、驗收技術初襯空間填沙灌滿，即大大降低了淺埋暗挖的施工成本，同時也解決了密閉空間問題。“北京市人民政府對外聯(lián)絡辦公室天然氣工程”這一工程實例就是這一方法的最好體現(xiàn)。
   綜上所述，淺埋暗挖施工技術作為一種十分成熟的非開挖施工技術，其獨有的施工特點在解決城市燃氣管網(wǎng)建設中所遇難題時的優(yōu)勢是其他施工方式無法替代的。雖然其工程成本過高的劣勢限制了其在燃氣施工中的應用，但相信隨著在工程實踐中不斷改進其技術措施和施工方案，使其成本逐漸降低適應燃氣工程的需求，相信這種施工技術在城市燃氣管網(wǎng)施工中會占有一席之地，成為定向鉆拉管施工及頂管施工技術的有益補充，繼續(xù)完善、發(fā)展下去。
參考文獻
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(本文作者：毛輝 北京住總市政工程有限責任公司 100079)