大开挖与定向钻穿越技术在城市燃气管线建设中的对比研究

第 1 章 引言

城市燃气管网作为现代化城市生命线工程的重要组成部分，其安全高效运行直接关系到城市居民生活品质和经济发展。随着我国城镇化进程加速，城市建成区道路下各类管线日益复杂，交通压力不断增大，传统的大开挖施工方式因其对交通、环境和市民生活的巨大影响，已难以满足现代城市建设需求。在此背景下，非开挖技术尤其是水平定向钻穿越技术，因其独特的技术优势而在燃气管线建设中得到越来越广泛的应用。

本研究聚焦于城市道路环境下大开挖与定向钻两种燃气管线铺设技术的全面对比，从技术特点、经济性、环境影响、社会效益等多个角度进行系统分析，旨在为城市燃气管线建设工程的方案选择提供科学依据和决策参考。通过对实际工程案例的数据收集和比较分析，证明定向钻技术在多数城市复杂环境下具有比较优势，特别是在社会效益和长期运营维护方面的价值远远超过其较高的初始投资。

第2 章 施工原理与技术要求

2.1 大开挖施工法

大开挖施工法又称挖槽埋管法，是一种传统的直接开挖技术。其施工工序主要包括：地面准备工作、沟槽开挖（包括排水和支撑）、敷

设管线、回填和夯实以及最后的路面复原。这种技术适用于地表宽阔、无障碍物且施工不会影响交通的条件下的地下管线铺设。大开挖施工的主要优势在于施工简单、直接成本较低以及技术成熟度高。然而，其在城市建成道路环境中也存在明显缺点：妨碍交通

（导致交通堵塞、中断或改道）、破坏环境（影响绿化带、公园和花园）、影响市民生活和单位正常工作、安全性较差以及综合施工成本高等。

由于这些限制，在市区环境中，大开挖施工法越来越受到来自政治、经济和环境方面的压力和限制。2.2 水平定向钻技术

水平定向钻技术是一种非开挖施工技术，利用各种岩土钻掘设备和技术手段，在地表不开挖沟槽的条件下铺设、更换各种地下管线。施工流程主要包括：轨迹设计、工作坑开挖及钻机就位、导向孔施工、扩孔施工、清孔和管道回拖。水平定向钻技术的优势明显：可以避免开挖施工对居民正常生活的不良影响；不会阻断交通，不影响商店、医院、学校和居民的正常生活和工作秩序；在开挖施工无法进行或不允许的场合（如穿越河流、湖泊、交通干线、建筑物等），可从其下方穿越铺设；能够高精度控制地下管线的铺设方向和埋深，并使管线绕过地下障碍物；有较好的经济效益和社会效益。

表：大开挖与定向钻施工技术要求对比

第3 章 经济效益对比分析

3.1 直接成本比较

大开挖施工法的直接施工成本相对较低，尤其是在管径较小、埋深较浅的情况下。然而，这种成本计算往往只考虑了单纯的工程费用，没有计算路面修复、交通疏导、环境补偿等间接费用。在实际城市环境中，这些间接费用往往会显著增加大开挖施工的总成本。水平定向钻技术的初始投资较高，主要是由于设备昂贵、技术要求高以及泥浆处理等附加成本。

3.2 间接成本与社会成本

当考虑到间接成本和社会成本时，两种技术的经济对比发生了显著变化。大开挖施工导致的交通中断、商业损失、环境恢复等间接成本往往被低估。在城市繁忙道路施工中，这些间接成本可能远超直接工程成本。水平定向钻技术由于不影响交通、不破坏环境且施工周期短，其间接成本和社会成本显著较低。研究表明，在可比性相同的情况下，非开挖管线铺设、更换、修复的综合技术经济效益和社会效益均高于开挖施工，管径越大、埋深越大时越明显。

3.3 长期运营维护成本

从长期运营维护角度分析，水平定向钻技术铺设的管道通常埋深更大（位于河床以下 5.0-8.0m），安全性更好，不易受地表活动影响，维护费用低。而大开挖施工铺设的管道埋深较浅，容易受到地面活动、雨水冲刷和其他挖掘作业的影响，维护成本相对较高。表：大大开挖与定向钻经济效益综合对比

第4 章 环境影响与社会效益

4.1 生态环境影响

大开挖施工法对生态环境的影响十分显著。施工过程中需要大规模开挖地表，破坏土壤结构和植被，可能导致水土流失和生态系统破坏。在河流穿越情况下，通常需要采用围堰法施工，这会改变水流状态，影响水生生态系统，甚至可能需要断航或截流施工。水平定向钻技术则具有显著的环保优势。由于在地表不开挖沟槽，对土壤和植被的破坏最小化，不会破坏河堤、不阻断河道流动，对周边生态环境影响小。例如，在合肥都市圈高压天然气管线穿越瓦东干渠工程中，定向钻技术实现了全程地表零开挖，保护了 109 公里灌渠的生态环境，避免了1844 平方公里灌区的影响。

4.2 社会交通影响

城市道路交通是城市的动脉，施工对交通的影响直接关系到市民生活质量和城市经济运行。大开挖施工需要占用道路、中断交通或强制改道，导致交通拥堵和时间损失，特别是在繁华市区，这种影响更为显著。施工期间还需要采取一系列安全防护措施，防止车辆及行人跌入沟内，增加了施工复杂性和成本。

水平定向钻技术的社会交通优势明显：施工只需在道路两侧布置小型工作区，不需要中断交通，不影响商店、医院、学校和居民的正常生活和工作秩序。这种" 隐形施工" 特点使它在城市建成道路环境中具有不可替代的价值。

在城市安全方面，水平定向钻技术也表现出显著优势。大开挖施工可能破坏现有基础设施，如地下电缆、水管和其他管线，造成安全事故或服务中断。同时，开挖形成的沟槽和高切坡也存在安全隐患，对施工人员和安全都构成威胁。水平定向钻技术铺设的管道埋深较大，一般位于河床以下5.0-8.0m，安全正常运营有保证，河流冲刷不致影响管线，不易遭人为破坏。这种深埋特性使得燃气管线在长期运行中更加安全可靠，减少了因外部干扰导致的泄漏或破坏风险。

表：大开挖与定向钻环境影响与社会效益对比

第5 章 工程风险评估与管理

5.1 地质条件适应性风险

两种工法对不同地质条件的适应性存在显著差异，这直接影响了工程风险的评估和管理。大开挖施工法对地质条件的适应性较强，大部分地质条件均可采用明挖方式，只需采取适当的支护和排水措施即可。然而，在高水位、流沙层或软土地基中，开挖施工也需要采取额外措施，如降水、支护或地基处理，增加了工程复杂性和成本。

水平定向钻技术对地质条件的要求较为严格。在砂卵石层中无法纠偏、控向，需尽量避开。砂岩、泥岩地层（岩石抗压强度小于60Mpa）适用定向钻施工，但对强度更高的岩层其控向较困难，加之施工成本过高，不宜采用定向钻。灰岩地区溶蚀孔洞发育时，施工中极可能产生“狗腿”现象，也不宜采用定向钻。在砂层中施工时，容易出现塌孔情况，导致扩头被抱死或钻杆断裂等事故。

5.2 施工过程风险控制

大开挖施工的主要风险包括：边坡稳定性（可能坍塌）、地下水控制（需要排水和降水）、现有设施保护（避免破坏其他地下管线）以及施工安全（防止人员和车辆坠入沟槽）。这些风险虽然已知且可控，但在城市复杂环境中仍然存在较高的事故可能性。

水平定向钻技术的风险更为专业和隐蔽：导向偏差（轨迹控制精度）、塌孔风险（特别是在砂层中）、泥浆泄漏（对周围环境的影响）以及回拖力不足（导致管道卡住）等。这些风险需要专业的技术手段进行控制，例如通过精细化导向控制、分级扩孔工艺和智能泥浆配比等措施来降低风险。

针对水平定向钻技术的特殊风险，近年来发展了多种应急处理技术。例如牵引力动态监控、防腐层双保险、泥浆跑漏防控和管道悬浮保护等。对于大开挖施工，技术创新主要围绕快速施工和减少影响展开，如采用分段施工、夜间作业、快速回填和临时覆盖等技术，最大限度降低对城市交通和环境的影响。

第6 章 应用前景与发展趋

随着城市地下空间利用日益密集，大开挖和定向钻技术都在不断发展和创新。大开挖技术正向着快速化、装配化和最小干扰方向发展，如预制沟槽、快速回填系统和模块化支护等技术。这些创新旨在减少开挖施工对城市环境的影响，提高施工效率。

水平定向钻技术则向着精准化、大数据化和适应复杂地质方向发展。如毫米级导向控制、分级扩孔工艺和智能泥浆护壁技术等技术，实现了在强风化泥质砂岩地层中的安全穿越。而且随着国产 DDL 系列大吨位钻机普及，定向钻技术在铁路、市政管网、光缆敷设领域的应用前景广阔。

6.2 城市地下空间综合规划

未来城市地下管线建设将更加注重综合规划和协同建设，而非单一的管线铺设。无论是大开挖还是定向钻技术，都需要融入城市地下空间整体规划中，考虑与其他基础设施的协同性和兼容性。在这一背景下，两种技术可能呈现融合发展趋势：在主干道和新区建设中，可能采用综合管廊（通过大开挖法建设），容纳多种管线；而在现有建成道路或特殊障碍穿越时，则采用定向钻技术进行单个管线的铺设和更新。

6.3 绿色施工与可持续发展

随着绿色施工和可持续发展理念的深入，环境影响将成为技术选择的关键因素。水平定向钻技术由于其最小化地表破坏、减少扬尘和噪音以及保护生态系统的特点，更符合绿色施工要求。在大气污染防治和水资源保护日益重要的背景下，这一优势将更加突出。同时，大开挖施工也在向绿色环保方向发展，如采用防尘覆盖、低噪音设备和快速恢复等技术，减少对环境的影响。然而，由于其本质上的开挖特性，在环境友好性方面仍难以与定向钻等非开挖技术竞争。

第7 章 结论与建议

7.1 研究结论

通过对大开挖施工法与水平定向钻穿越技术在城市建成道路燃气管线铺设中的全面对比分析，可以得出以下结论：

首先，两种技术各有其适用场景和经济性。大开挖施工法直接成本低、技术简单、适应性强，在场地开阔、无障碍响小的区域仍具有经济性和实用性。水平定向钻技术初期投资高、技术要求严格，但在城市复杂环境下具有显著优势。其次，从综合效益来看，水平定向钻技术在工期控制（10-15 天）、环境影响（零开挖）、社会效益（不影响交通）和长期安全性（埋深深）方面具有明显优势，这些优势在城市建成道路环境中尤为宝贵。

第三，地质条件是选择施工技术的关键因素。大开挖施工对地质适应性较强，而定向钻技术需要避开砂卵石层、溶洞发育区和极高度岩层等不利地质条件。

7.2 技术选择建议

基于以上研究，针对城市建成道路燃气管线铺设工程，提出以下技术选择建议：

1. 优先考虑水平定向钻技术的情况：穿越河流、湖泊、交通干线、重要建筑物；城

2. 可以考虑大开挖施工法的情况：场地开阔，无障碍物；地质条件复杂，不适合定向钻施工；埋深浅，管径小，开挖量小；对交通和环境影响可控。

3. 综合决策因素：在选择施工技术时，应综合考虑地质条件、环境影响、交通影响、工期要求、成本效益等多个因素，进行技术经济比较，选择最适合的方案。

随着城市地下空间利用日益密集和环保要求不断提高，非开挖技术尤其是水平定向钻技术在城市燃气管线建设中的应用前景广阔。未来研究可关注以下方向：定向钻技术在复杂地质条件（如超软土层、高含水量砂层、砾石层）中的应用改进；大开挖施工的快速化和绿色化技术提升；两种技术与其他地下设施（如综合管廊）的协同建设方法；基于大数据和智能化的地下管线全生命周期管理等。

城市燃气管线建设不仅是技术问题，更是涉及城市规划、环境保护、社会影响和公共安全的综合性课题。通过科学选择施工技术，工程方案，可以实现城市基础设施建设与经济社会环境效益的协调统一

参考文献

[1] 水平定向钻穿越砂层敷设燃气管道的施工技术 . 参考网.2023

[2] 水平定向钻和顶管法在管道穿越道路的比较．EGAS. 2024