地下管道微型隧道法应用

微型隧道法（Microtunnelling）发源于日本，是一种遥控、可导向的顶管施工方法，主要应用于铺设准确度要求较高的非进入管道。它可以准确地控制铺管方位，有效地平衡地层压力，控制地面沉降，实现非开挖铺设地下管道的目的。该技术可广泛用于市政、煤气、自来水等管道工程，可铺设金属或非金属管道，铺管直径范围250～3000mm，一次性铺管长度可达300m。与其他非开挖铺管技术相比，具有铺管准确度高（尤其适应于污水等重力流管道）、对地层适应性强（如卵砾石等复杂地层）、可在大含水量地层铺设各类管道、铺管直径范围宽等特点。

在1975年，日本的Komatsu公司推出了世界上第一台微型隧道铺管设备。此后，微型隧道技术得到了快速发展。1976年，日本政府开始资助的一系列排污管道铺设计划对该技术的发展起了重要的推动作用。1980年，原联邦德国由政府投资，开始研究开发用于排污管施工的微型隧道铺管技术。在引进日本技术的基础上，根据德国国情，进行了更深入的研究和开发。如今，日本和德国在该项技术上处于世界领先水平。该方法的使用量首推日本，1993年，日本拥有顶管和微型隧道设备共2000多台，铺管长度约1300km。其次是德国，柏林市新铺的排污管40%采用微型隧道铺管方法完成。据初步统计，欧洲1993年采用顶管和微型隧道方法铺设的排污管总长达几百km，施工费用超过10亿美元。美国第一个微型隧道铺管项目于1984年执行，采用了日本公司提供的设备进行施工。至今，美国有30台微型隧道铺管设备，有几家设备供应商，主要是日本和德国的分公司。国外微型隧道铺管设备制造商已有40多家，产品品种已超过100多种。

在微型隧道铺管时，要求在铺管的两端做两个工作井（推进立井和接收立井），工作井的尺寸视管道和设备大小而定。工作井周围应有足够的空间放置地表设备。微型隧道铺管设备由钻掘系统、激光导向系统、出渣系统、顶管系统、管道润滑系统、操作控制系统组成，如图2-10所示。

各系统的原理和作用如下：

（1）钻掘系统

钻掘系统由驱动电动机或油压马达、钻渣碾压装置、钻掘刀头组成。视地层不同，选用各种结构形式的钻掘刀头。如刮刀式切削头用于不含石块的土层；盘刀和刮削相结合式刀头用于中软岩石地层；滚刀型切削头用于较硬岩层。钻渣碾压装置由内偏心旋转锥和固定的外锥套组成，随钻掘进行，较大的岩块或钻渣被二次碾碎以便顺利地排出。一般可将1/3钻掘头大小的石块碾碎到粒径19～25mm，大大减少排渣堵塞现象。

图2-10 微型隧道铺管施工示意图

（2）激光导向系统

激光导向系统由激光发射器和激光靶及信号传输显示系统组成。激光发射器固定在顶管立井中，发出的激光束照射在位于钻掘系统内的光靶上。测量信息传输、显示有两种方式：一种是主动式，光靶由光电管组成，铺管掘进的偏斜信息直接在光靶处转换成数字电信号后传往控制台；另一种是被动式，激光射在刻度盘上的偏斜信息，由光靶附近的闭路电视摄像系统拍摄后，传输到控制台的显示屏。根据测得的偏斜数据，可操纵液动纠偏系统，使微型隧道掘进系统前部铰接的机头产生偏摆，从而实现铺管方向的调节。

（3）出渣系统

出渣系统有两种形式：一种是泥浆出渣系统，它由地表的泵站和泥浆除渣设备以及孔底管路组成，泥浆用来携带钻渣、冷却钻头、辅助碎岩以及平衡地层压力，这种系统具有一次性铺管距离较长、适应地层范围广、可在富水地层中应用等优点；另一种是螺旋排渣系统，它由螺旋钻杆、渣土提升装置等组成，一般用于无水土层。一次性铺管距离较短。

（4）顶管系统

顶管系统安装在推进立井内，由顶进油缸、滑架组成，油缸推力1000～10000kN，视地层和管径、管长而定。

（5）管道润滑系统(www.xing528.com)

管道润滑系统用来润滑管道外壁，减少顶进时的摩擦力。它由泵送装置、润滑液、管路组成。润滑液由膨润土泥浆或聚合物组成。

（6）操作控制系统

操作控制系统设置在地表，包括方向控制部分、钻掘参数显示、控制手把等，它是整个微型隧道铺管系统的遥控指挥部。

微型隧道顶进管有钢筋混凝土管、球墨铸铁管、树脂混凝土管、陶管、聚氯乙烯管、钢管、强化塑料管等多种类型。应根据其使用目的以及周围地区的土质等因素来选择顶进管的种类。以前，一提到顶进施工，便使用大功率的千斤顶和能够承受某顶力的钢筋混凝土管或钢管。而现在，随着科学技术的不断发展，连承受力很低的聚氯乙烯管也能用于顶进。目前聚氯乙烯管的累计施工长度已超过钢筋混凝土而名列第一。

微型隧道铺管技术在非开挖铺管领域中是一项高新技术，因此要求有较高的操作水平以及严格的工艺规程。这也使这种施工方法的成本升高，但这种技术的优越性是其他方法难以达到的，这也正是其广泛应用的主要原因。

其中微型隧道铺管技术的关键技术如下：

1）地层压力平衡技术。地层压力的平衡关系到地面沉降及施工的安全性。常规的压力平衡办法有：控制顶管速度以控制机头切削面的土压力；控制排渣口的大小以控制排渣速度和压力；控制螺旋排土速度或泥浆排渣速度以平衡地层压力。

2）密封技术。机头变向处的密封以及每段管节连线的各种管路、油路、线路的密封，直接影响铺管施工的成败。

3）控向技术。主要是高准确度低散射的激光发生器，灵活的变向机构。目前根据施工方式和出渣系统的不同，微型隧道施工法的分类见表2-4。以下各节将对此进行介绍。

表2-4 微型隧道施工法的分类

微型隧道施工法的优点是：①对地表的干扰（交通、噪声、振动）小；②埋深大时施工成本比传统的施工方法低；③管线的方向和坡度可精确控制（±20mm）。

微型隧道施工法的缺点是：①需对地层条件进行详细勘察；②设备投资大；③对操作人员的技术和经验要求高；④需开挖两个工作坑。

微型隧道施工法的适用条件是：①管径100～900mm（实际上可以更大）；②管线长度可达500m或更长，一般为50～300m；③管材可以是混凝土管、陶土管、玻璃钢管、铸铁管、钢管、PVC管等；④各种地层，包括含水地层，但最大卵砾石块度不大于切削头直径的1/3。