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国际非开挖地下管线技术与我国近20年的发展现状对比

日期:2011年2月14日 10:18

一.概 况
    现代非开挖管线施工技术是80年代在发达国家兴起并形成的新的产业,该技术是对传统地下管线开挖铺设、更换、修复的一次革命,自正式进入工程施工市场至今,在短短的20余年时间内,以其独到的技术特征与优势,以其对环境、城镇交通的最小影响和危害,以其效率和成本等优势,日益受到欧美发达国家的重视和提倡,取得了很好的社会和经济效益。如美国克林顿政府于1994年财政年度批准的七年期“先进的钻探和掘进技术国家计划”(NAEDT National Program for Advanced Drilling and Excavation Technologies),就将此技术列入城市基础设施和建筑业发展规划中,以增强美国在该领域内的技术领先和市场竞争优势。此外,如英国曼彻斯特工业大学、美国路易斯安娜理工大学、德国波鸿大学等高等院校及时适应产业结构调整的需要,相继开设了非开挖技术课程和相应的研究机构,以培养该领域的专业技术人才。
    可以说目前非开挖管线工程技术现已在西方发达国家成为一项政府支持、社会提倡、企业参与的新的技术产业,成为城市现代化进程中的一项关键技术。现代非开挖管线工程技术源于西方发达国家,称为“Trenchless Technology”或“No-Dig”,译名为“非开挖技术”,现已为国人所接受。
    随着全球经济的持续发展和人口的迅速增长、城市化进程的加快,加之人们环境意识的增强和对生活质量提高的关注,在城市建设中,管线工程建设的发展和完善被提到重要的议事日程。目前城镇居民对各类地下管线的人均占有量,业已成为衡量城市人民生活水平和生活质量的重要标志之一, 而城市地下管网的发展规模,管线铺设、维修和更换过程中对城市交通、环境的影响及对人们生活、工作的干扰,也成为衡量一个城市基础设施完善程度和城市管理水平的重要标志之一。据资料显示,1998年欧洲地区人均拥有的上、下水管道达12m之多,而我国北京市居民的人均拥有量仅分别为1.45m和1.2m,相差达7-9倍;而就全国而言仅为0.18m和0.1m,差距之大恐不言亦明。
    在此背景下,加快城市地下管线的建设、改造,扩大地下管网的类别,改革地下管线铺设、修复、改善的方法,就成为现代城市基础设施建设、管理中的一个重要领域(市场)。如1992年发达国家各类管线的铺管长度达24.2万km,总投资达300亿美元;发达国家现有各类地下管线总长估计约2000万km,为更新、修复现有地下管线,每年还需投资300-500亿美元。
    严格讲,现代非开挖管线工程技术的出现始于70年代末,经历了初期的徘徊和艰难起步后,随着技术与装备的不断改进和完善,于80年代中该技术在发达国家才逐渐为人们认可和接受。为推动此项技术与产业的发展和应用,为促进相互间的切磋与交流,1986年在伦敦成立了国际非开挖技术协会ISTT(International Society for Trenchless Technology)。现许多国家和地区均相继成立了国家或地区的非开挖技术协会,包括中国在内,现已有24个国家或地区协会参加了国际非开挖技术协会,拥有近3000名会员,发行有自己的学术刊物(月刊),成为技术交流活动和展览活动频度最高的国际行业协会之一。由于非开挖管线工程技术的日趋完善及其与开挖施工相比的优越性,目前用非开挖技术铺设管线的工程明显增加。据资料报导,在西方发达国家,近年来非开挖铺管工程量平均已占管线工程总量的10%左右,而个别城市和地区所占比例远大于此,如柏林市改造过程中,非开挖管线铺设量已占到总量的40%以上
二. 非开挖技术在我国的发展历程
    改革开放以来随着经济发展和城市建设的需求,在市政建设中,地下管线开挖施工所造成的对道路交通、城市绿化的干扰和破坏,已日益为人们所重视。正是由于这个原因,非开挖管线工程技术遂步在我国获得应用。其发展厉程大致可分为三个阶段。
    1. 前期(70年代末至80年代中)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(如北京市东西长安街),这时工程的特殊性要求施工单位用不开挖方法铺管,从而促成了现代非开挖技术在我国的前期发展。
    因此类工程往往是零星的、小型的,加之工程效率要服从政治需要,效率不是主要问题,故在施工时往往具有应急性质。只考虑眼前工程需要,不考虑技术发展的规划性。如80年代初,由北京市政工程研究所与原地矿部张家口探矿机械厂、北京探矿机械厂合作研制的 GP220水平工程钻机和DGJ1000水平螺旋顶管机等。
    这一时期的发展以水平顶管技术为主,装备因具有应急特征,故不仅技术水平较低,而且也缺少系列化、标准化的考虑,一旦工程结束,所研制的设备也就束之高阁,并未形成新的产品进入市场,当然也更谈不上建立非开挖技术产业了。故此间的个别进展并未形成足以推动我国非开挖技术发展的动力,相反,从上到下人们对这一新技术缺乏充分认识,传统的开挖法施工束傅了人们的求变思想,加之城建管线施工缺少应有的规划和严格的管理,而我国的劳动力又十分便宜,说挖就挖,马路“拉锁化”只停留在人们口头的感叹和讽剌上,丝毫无助于开挖铺管面貌的改变,此间我国的非开挖技术和产业基本处于停滞状态。
2. 技术设备引进期(80年代中至今)
    随着改革开放的深入,我国的经济建设进入了持续快速发展期,城市基础设施建设的投入力度明显加大。在道路建设迅速发展的同时,各类管线特别是通信光缆、有线电视线路铺设工程量大大增加,各类跨越公路、铁路、河网、沟渠的管线工程量日趋增多。在这种情况下,各种无法采用开挖法铺管或要求采用非开挖技术铺管的工程量不断增多,适应我国经济发展的这一形势,加速发展我国的非开挖技术产业的呼声也日趋高涨。但因前期的发展并未为此时的需求打下必要的物质技术基础,故在需求增加的矛盾压力下,自80年代中期后,逐渐出现了从国外引进非开挖技术装备的高潮。
    在十年的引进浪潮中,用于地下管线非开挖铺设的设备,从用于小型跨越工程(小直径、短距离)的气动矛,到用于中大型工程(大直径或大长度;或中等直径与长度的)定向钻机、夯管锤、螺施钻机、小口径顶管机等均有。从引进的部门看, 主要有石油天然气管道总局(以大型定向钻机、螺旋钻机为主)、市政工程部门(以小口径顶管机为主,多用于重力管道)、通信部门(从小型气动矛和定向钻机为主),其它工业部门和专业公司,如铁道部工程局、煤气公司(以顶管机-微型隧道掘进机、夯管锤为主,用于压力管道铺设)。十多年来引进的设备总量可统计到的达到120余台套,详见表1所示。
十年的引进热潮中有以下特点:
    *九十年代初期,偏重于引进螺旋钻机和小口径顶管机,型号、国别、公司均较杂,以大中型设备为主,但数量不大(约12台套)、且有的是为承包境外工程所引进;
    *九十年代中、后期,引进设备集中在小型的气动矛,夯管锤和中、小型定向钻机和微型隧道机(顶管机)上,以适应各类通信线路、动力电缆等穿越公路、铁路和沟渠、河流的需要。如仅1994-1995年,引进的各类气动矛、夯锤就达50余台套;1999和2000两年间引进中小型定向钻机40余台;1996-2000 五年间引进日本的微型隧道机(顶管机)十几台套;
    *非开挖工程施工所需的各类探测仪器的引进始终在进行, 其中一些国内研制的定向钻机,大多采用国外的导向仪表来配套。
表1 我国引进的非开挖设备简表(不完全统计)
年份 引进的非开挖设备 引进单位
1978 42—30G水平螺旋钻机(美国奥格公司),4台 中国石油天然气管道局三公司
1985 RB-5水平定向钻机(美国里京贝斯公司),1台 中国石油天然气管道局三公司
19841995 TM800泥水式小口径顶管机(日本伊势机公司),2台。 上海市市政二公司
198519861987 TCC600和800泥水式小口径顶管机(日本伊式机公司),各1台SH-308,SH-1030 各一台 南京市市政公用局有色地勘院
1988 TOP—150水平钻机(日本利根公司),1台 铁道部西北勘测设计院
1989 SH—1030螺旋式小口径顶管机(日本三和公司),1台 北京市市政工程局
1991 AVN600泥水式小口径顶管机(德国海瑞克隧道机械公司),1台 无锡市市政工程局等
19941998 M-500,1612A导向钻机,(瑞士Terra公司)共6台。 中国通讯建设第一工程局等
19941995 气动矛和夯管锤(美国Vermeer公司、瑞士Terra公司、英国Powermole国际公司、德国Tracto—Technik公司,)共50余台。
上海市煤气公司、北京城建三公司、首都钢铁公司、总参、沈阳沈工机电设备有限公司等。
1994 CCTV(英国Telespec公司),2台
19941997 DD-60/R2,DD—120,DD—330定向钻机(美国奥格公司),3台 管道局二公司、三公司,中国国际航空公司
19951998 D-10,D24a,D24×40a导向钻机(美国Vermeer公司),共约6台 中国通讯建设第三、第四工程局,上海宝钢二十冶,泰安阿吉斯管线工程公司等
1995 Midi-Rig水平定向钻机(德国FlowTex公司),1台。 大连龙亿市政工程公司
199619971998 TCC400,TCC600,TCZ400,MEP2200,MEP1800,MEP1500,MEP1200,TPM200顶管机(日本伊势机公司),共9台。
上海市政二公司、铁道部第四工程局,天津市政二政公司北京三北公司
1992-2001 水平定向钻进导向仪(美国DCI公司、Witch Witch公司、Sharewell公司、英国雷迪公司等)150余台 所有具有定向钻机的公司
1999-2000 中小型水平定向钻机(美国Ditch Witch 、Vermeer、 Case、Augers等公司)40余台 国内近30家公司
3. 自主研制创业期(90年代初至今)
    由于国外非开挖设备的引进和使用,现代非开挖技术逐渐为国人所知。其中特别要提出的是:
    *1990年1月,原中国地质矿产信息研究院出版了国内第一本介绍现代非开挖技术的专辑;
    *1992年4月,原中国地质矿产信息研究院又指派颜纯文副研究员以个人身份加入国际非开挖技术协会,成为中国大陆第一个国际非开挖技术协会会员。
    经过这些努力。在原地质矿产部支持下,我们有组织地与国际非开挖协会建立了联系,扩大了与国际非开挖行业的接触。在此基础上,自1994年起,原中国地质矿产信息研究院组织了多次中外非开挖技术交流会、座谈会和请外国专家来华讲课。通过这些活动不仅大大开拓了中国工程技术人员的眼界,了解了国外非开挖技术的发展及其前景,而且也促使原地质矿产部的领导者下决心依托部门的传统技术优势,拓展服务领域,加速建立我国的非开挖技术产业。这反映在“八五”末就开始的非开挖技术专项立项,和在“九五”计划中将其定为90年代发展的关键技术之一;此外,1996年国家科委就将由原地矿部组织实施的导向钻进非开挖铺管技术成果列为“九五”推广计划(编号P7070201)。此后,原地矿部下属单位又相继研制开发了中小型非开挖施工用的气动矛,夯管锤和钻进导向仪,并初步完成了小型定向钻机的系列化(GBS-5.10.18.20等机型)。
    与此同时,其它部委和系统也看好这一新兴市场,竟相投入此类中小型装备的研制开发,如原冶金部首钢地勘院于1996年成立了金地通非开挖技术开发中心,研制出FDP—15型定向钻机,并率先组建了非开挖施工公司。通过自研和引进设备的办法,有组织地进入了工程市场。此外还有煤炭系统推出的小型气功矛、夯锤;邮电系统推出的SYD系列的水平顶管设备;上海隧道工程股份有限公司研制的∮600、∮800mm螺旋式小型顶管机;上海同济大学研制的气动矛和夯管锤等。根据我们能够收集到的资料,在此期间(含前期)国内开发、研制的非开挖设备见表2所示。
表2 我国自行研制的非开挖设备
年 份 非开挖施工设备 研制单位
1981 水平钻机(∮140--300) 天津市市政三公司
1984 YZD系列液压钻孔顶管机 中国通信建设第四工程局
1985 GLP——150水平螺旋钻机(∮150--330) 原地矿部勘探所原西北探矿机械厂
1985 SPZ-3060水平螺旋钻机(∮330--600) 北京市市政工程研究所呼和浩特第一机械厂
1987 GP-220水平工程钻机(∮220) 北京市市政工程研究所张家口探矿机械厂
198619881990 ∮1200泥水土压平衡遥控顶管机∮2200和∮2400土压平衡顶管机∮1650—1800泥水机械平衡式顶管机 上海市市政工程研究所上海隧道工程股份有限公司
1990 DGJ—1000型水平顶管钻机(∮600--∮1000) 北京市市政工程研究所北京探矿机械厂
1990 HKZ—1500螺旋钻机(∮273—1050) 江汉石油机械厂
1990 SYD系列(SYD,SYD-L,SYD-Z1,SYD—Z2)水平液压顶管机 河南省畅通管道电讯工程有限公司
1993 气动矛和夯管锤(∮80,90,130) 长春路下工程股份公司东煤公主岭钻探机械厂
19941998 M系列(H63,M108)气动矛H系列(H180,H300,H377)夯管锤 原地矿部勘探所
19951998 DZ---200/DZ—400型全液压干式定向钻机 河北省地质三队宣化英格索兰公司
1995 GT---1A型工程定向孔多用无线探测仪 河北省地质矿产开发局
19951998 GBS—10型定向钻机GBS-5,15,20,型定向钻机 原地矿部勘探所
1995 ∮600和800中心螺旋式小型顶管机DH系列气动冲击锤 上海隧道工程股份有限公司
1997 FDP-15B定向钻机 首钢地质勘探公司连云港黄海机械厂
1997 PH系列气动矛/夯管锤 上海同济大学上海宝山油缸厂
1998 GB-8顶推钻机 武汉市城建委非开挖管道铺设工程公司
1998 ∮1000泥水平衡顶管机∮1800土压平衡顶管机 煤炭科学研究院上海分院
1999 YT-5小型定向钻机 中南冶金机械
2000-2001 中小型定向钻机 黄海机械厂、土行孙非开挖技术公司等
    在自主创业期间,不仅在一些小型装备的自主研制开发方面取得了一些突破和可喜的成绩,而且在下述几方面也有了相当的进展和突破。
•涌现出一批专门或兼营非开挖铺管和非开挖修管的施工企业(公司),而且还出现了类似山东泰安阿吉斯管线工程公司这样的中外合资施工企业。这些企业不仅是敢于用新技术闯市场的开拓者,而且也从工程市场中取得了丰厚的回报,不断发展和壮大了自己。据对十家管线铺设施工企业的统计,他们近几年的税前利润均能达到工程造价的30-50%;
•在管线工程领域非开挖技术的使用取得了斐然的成绩。如据不完全统计,1998年用不同方法完成的非开挖管线铺设量已达75km,是1997年的1.56倍; 而采用翻转内衬法在1998年也完成了8300延米的管线修复量, 实现了非开挖修管的突破。在这些工程中包括首都机场扩建时跑道下方的管道非开挖铺设和中南海新华门外煤气管线的非开挖修补等有很大社会影响的工程。此外,1999年上海普陀区引进了德国的非开挖注浆法修复污水管道也取得了较好的效果。
•社会影响不断扩大,行业协会应运而生。此间通过刊物的宣传,各类研讨会的交流,各类工程业绩和新产品成功开发的影响,使非开挖管线工程技术的先进性、优越性和加速发展的必要性逐渐为人们所接受和肯定。与此同时也日益得到有关产门的重视和支持(如原地矿部),特别是获得主管部门建设部的重视与肯定。在不断推进该项技术应用的同时,同业者深感在该行业产业化的起步阶段,就应注意行业宏观规划、协调发展和自我约束的重要性,以避免盲目竞争和低水平重复弊端的出现。正因为来自基层的这一要求,1997年初筹建中国非开挖技术协会,并于1998年批准成立了中国地质学会非开挖专业委员会。此后又于1998年7月,在上海与国际非开挖技术协会☆☆☆R.贝利克先生进行了会商,正式签署了中国加入国际非开挖技术协会的协议,并成为第20个国家会员。此后三年又相继在上海、北京组织了第三、四、五届国际非开挖技术研讨会,为国人了解该技术并迅速扩大其影响起了应有的作用并受到业内人士的肯定。
三. 我国的非开挖技术现状
    自九十年代自主研制创业期以来,我国的非挖技术产业已有了一定的基础和发展。可以这样说,在经历了近十年的科技信息传播、宣传后,我国自己的非开挖技术产业,经历了初期的立项研制、工程示范、市场培育后,目前可以说一个新的产业维形已初步形成。其标志是:
•建立了自己的装备设计、研制基地,并开发出一定数量和规格的装备。
勘探技术研究所研制的GBS-20型水平定向钻机
    在前地矿部支持下,廊坊勘探技术研究所于1994年就立项研制定向钻机,迄今已完成GBS系列钻机中五个品种和H系列夯管锤中五个品种的研制工作。在95至99的五年中,销售各类导/定向钻机30台套,夯管锤5套、气动矛2套,此外还销售了配套钻具 42套、配套附属装备16台套,创造产值近2500万元,在某种程度上可以说已成为我国非开挖管线工程用定向钻机、钻具和夯锤类设备的研制开发中心。此外,原地矿部中地装备集团及其技术中心在国家经贸委支持下,利用其自身的加工优势,在产品结构调整中,也相继通过技术转让和自主研制,生产出FDP-15型和FKW系列中的8型钻机,且至今已完成近15台套的钻机生产。除原地矿部的厂家外,目前中南冶金机械厂,宣化英格索兰公司、北京煤矿机械厂、山东探矿机械厂、石油物探局装备制造总厂等厂家也已开发出或准备开发定向钻机产品。
    •初具全方位研制、开发各类主要施工装备的能力。除定向钻机、夯管锤、气动矛施工装备现已有多家企业、院校和研制单位在开发,且有的已有自身系列外,对那些结构较复杂、技术含量更多的大型装备如项管机和微型隧道掘进设备,目前上海隧道工程股份有限公司、煤炭科学研究总院上海分院、上海市政工程研究院、北京中煤矿山工程公司、镇江煤矿专用设备厂等均有这方面的开发能力和经验,而且上海隧道工程股份有限公司已研制出∮600中心螺旋式小型项管机。而河南畅通管道电信工程有限公司利用自己研制的各类顶管设备,累计已完成各类电信工程近4万延米,取得了很好的效益。
国土资源部勘探技术研究所推出的GB5-20型定向钻机可以说已接近当代同类机型的国际先进水平。
    •拥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。在市场需求的刺激下,“老”企业不断壮大、发展,新的企业又不断涌现。据不完全统计,目前全国拥有的非开挖施工公司100多家。就所有制性质看,有全民的、股份制的、个人的和合资的。这表明,我国的非开挖施工企业,在市场经济的大环境中,应运而生并日趋成熟。
    •已初步涉足于非开挖管线工程的各个领域。现代非开挖技术在我国的大量运用可以说始于90年代后期,其背景是在大量国外设备引进的刺激和我国自己研制和生产出气动矛、夯管锤、定向钻机之后出现的。它表明,对幅员辽阔、有着广阔管线工程市场的我国来说,只靠少量洋设备的引进是不足以建立自己的非开挖产业队伍的,也无法满足国家基础设施建设飞速发展的需要。但初期非开挖管线工程技术仅用于新管线的铺设领域,而且多集中在道路或河流的 穿越工程上。据超略统计,1997年用非开挖铺设的各类地下管线总长为48km ,而1998年达75km、1999年达100km以上,即近三年非开挖技术的铺管的总量已增长了1.08倍。而今在管线非开挖铺设取得迅速发展的同时,非开挖管线修复技术于1997年取得突破,至1999年共完成了8300延米的非开挖修复工程;目前,我国涉及管线修复的企业已有4-5家。此外,天津已引进日本的顶管机械,准备涉足于管线的远位非开挖更换,以满足城市老管线改造的需求。
    •人才培养、培训工作加速展开。为满足非开挖技术产业的建立,人才是根本的观点已为人们所共知。目前以原地矿部所属的武汉、长春和成都几所高校均已开设了非开挖技术方面的课程,而且中国地质大学还专门编印了有关的专著《非开挖铺设地下管线施工技术与实践》,非挖技术专业委员会理事长颜纯文出版了专著《非开挖地下管线施工技术及其应用》。这为专门人材的培养提供了参考教材。此外,专业委员会已举办过多期定向钻进技术培训班,并发放了培训证。今后本专业委员会将继续加强非开挖技术的培训工作,以满足工程市场对专业人材的需求。
四. 发展趋势
    进入新的世纪后,世界城市化进程也将加快,城市化趋势已不可逆转。各国政府面对人口、资源和环境的巨大压力,为确保国民经济的可持续发展,加大城市地下空间开发利用的力度,将城市相关的基础设施建造在地下,已成为未来城镇建设的重要发展方向之一,而其中首当其冲的就是城市各类管网的地下化和城市交通的立体化。此外还应看到,在经济高速发展的推动下,人们追求和渴望生活质量的提高。而生活
我国定向钻机遂年增长情况
    质量的内涵包括物质丰富、教育水平、安全保障和环境好坏等诸多要素。其中城镇地下管线的人均占有量及其运行状况就是衡量人们生活质量好坏的重要因素之一。基于此,改革开放以来,我国加大了地下管网建设的投入力度,使各类管道的数量以很高的速度增长。表3列出了相关数据及年增长率。从国内已使用的非开挖设备台数的统计表明, 1996年仅为50台套,而到2000年已达到300多台套(其中定向钻机150台套),年均增长达80% 以上。
表3, 我国各类管道的历年增长状况
管道类别 1985 1990 1995 1996 1997 1998 90至98年的年增长率 %
城市自来水管道km 202613 215587 225361 6
城市下水管道km 31556 57787 110293 112812 119739 125943 15
城市供气管道km 57238 63678 68154 10
城市集中供热管道km 33589 32500 34308 5
油气输送管道km 19261 20402 23063 10

    值得一提的是,科技部已将非开挖技术列入“十五”计划的863高技术项目并将投入约一亿元人民币的资金(国家投入3千万元、企业投入6千万元)来研究开发非开挖技术设备,这必将进一步推动我国非开挖技术事业的发展。我们必须清醒的看到,我国地下管线增长速度虽高,但我国人均管道的占有量还远远低于西方发达国家,因而作为城市管网地下化重要的技术手段 ,非开挖技术的应用前景是极为广阔的

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