45-地下管线建设和非开挖市场分析

地下管线建设和非开挖市场分析

颜纯文

（中国地质学会非开挖技术专业委员会，北京100102

摘要：2016年虽然受全球经济增速放缓，下游需求萎缩的影响，由于基础设施建设涉及民生，各国政府均会给予一定的政策倾斜，因此受整体经济的影响较小。本文首先介绍了我国市政管网和长输管线的建设情况及存在的问题，其次分析了2016年中美两国非开挖行业的统计和市场情况。

关键词：非开挖，地下管线，行业分析，进展

1国内地下管网现状

地下管网包括市政管网和长输管网两大类，前者主要有：排水管道、供水管道、供气管道、供热管道、工业管道等，后者主要有：油气管道（原油、成品油和天然气）、电信电缆、电力电缆等。

1.1 市政管网建设情况

城市地下管线是传输城市运行、百姓生产和生活所需能源和资源的载体，是城市基础设施的重要组成部分。近年来，我国城市建设取得了举世瞩目的成就，城市地下管线的规模也不断扩大。据统计，截至2015年，仅城市供水、排水、燃气、供热四类市政地下管线长度就已超过198.3万公里，是1980年的28.2倍；城市建成区范围内管线密度为每平方公里38.05公里，是1980年的4.0倍；人均拥有管线长度为4.31公里，是1980年的5.5倍，详见表1和表2。

特别需要指出的是，随着西气东输等能源通道的陆续建成投产，燃气置换的工作急剧增加。因此，近十年来天然气管道的数量快速增加（见图1）。

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图1 历年全国城市供气管道长度（km ）

1.2 市政管网存在的主要问题

随着城市地下管线的迅猛发展，其在城市运行中的地位和作用更加凸显，地下管线的安全、平稳、高效运行已成为城市安全的重要基础，也是实现“保增长、保稳定、保民生”目标的重要手段。但长期以来，由于历史和现实的种种原因，致使城市地下管线建设与管理滞后于城市建设的总体水平，地下管线施工、运营和维护过程中各类事故时有发生，造成了严重的经济损失。

据住建部统计，在城市市政管网中，普遍存在数量（总量、密度和人均）不足、管网老化（50年以上占6.2%左右，明漏和暗漏严重）、管材低劣（灰口铸铁管占50%以上，抗腐和抗压强度低）和超负荷运行（爆管事故增多，断水现象时有发生）四大问题。

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（1）管网数量不足

以排水管道为例，无论是总量，还是人均占有量和管网密度均落后于西方发达国家，且差距悬殊。如德国，在2002年排水管道总长度就达44.6万km，管道密度在10km/km2以上，人均拥有5.44m；又如日本，2004年的排水管道总长度达35万km，管道密度在20～30km/km2，人均拥有3.51m；美国现有排水管道总长度达150万km，密度为15km/km2，人均为4.0m；而我国到2015年底，城市排水管道总长度为54万km，密度为10.36km/km2，人均仅1.17m，见表3。

（2）管网老化

从管网铺设的时间分析，在现有的供水管网中，超过使用年限的管网达到20%左右，而且由于早期铺设的管网，使用管材低劣、施工技术落后，造成管网严重老化，其中，主干管占59％、其它管网占41％。

燃气用钢管设计寿命一般为15年到20年，多数城市中压燃气管网及早期投入运营的低压管网运行近20年左右时间，已接近或达到使用寿命，处于事故多发期，已成为燃气输配的重要安全隐患。近几年，管网系统腐蚀穿孔事故频发，且呈上升趋势。

据统计，我国于20世纪80年代以前铺设的市政管网约有18.2万公里（见表4），其中：排水管5.8万多公里，供水管9.7万多公里，燃气管2.4万多公里，供热管0.3万公里，很多已到使用年限，事故频发。城市供水管网的平均漏损率达24%左右，远高于欧洲的7%，每年因此损失的自来水近100亿立方米，多于南水北调工程中线的输水量。排水管网因年久失修、结垢严重、接头开裂，渗水、漏水现象较为普遍，严重污染城市地下水和周围环境。燃气管网因管道腐蚀和接头破裂，造成燃气泄漏和爆炸时有发生，对人民生命财产构成严重威胁。

（3）管材低劣

从所使用的管材分析，在现有的供水管网中，灰口铸铁管在很多城市占50%以上（主管占58%、其它管网占42%），个别城市甚至达90%。大多数灰口铸铁管质量不符合现行国家标准的要求，而且管网配件质量差，接口技术落后，导致管网抗压强度低，爆漏事故频繁发生。此外，普通水泥管和镀锌铁管也占有相当比例，材质差、抗冲击和抗腐蚀能力差。

据住建部对部分城市总计8.4万公里供水管网的不完全统计，各类管材长度及所占的比例为：灰口铸铁管43362公里，占50.8%；水泥管11133公里，占13.0%；镀锌铁管5138公里，占6.0%；球墨铸铁管14135公里，占16.8%；钢管6977公里，占8.2%；PVC管4467公里，占5.2%。

（4）超负荷运行

一些城市将不同时期或不同地区使用的供水管进行联网供水，出现了管材混杂的情况，承压标准较低的管段处于超负荷运行状态，爆管事故增多；一些城市中心区或局部地区供水管径偏小，供水能力明显不足，用水高峰时，断水现象时有发生；一些城市由于新建水源工程，将地下水源更换为地表水源或增大地表水源比例，为弥补被替代的补压井压力损失，提高了管网压力，超出原设计标准，使部分管道破损，管网漏损严重；还有一些城市将雨水管与污水管混接，雨、污不分，降雨时排水量增加，造成污水外溢，同时对污水处理厂运行处理工艺冲击很大。

1.3 长输管网建设情况

到2015年年底，我国已建油气管道约10.87万公里（见表5），其中输油管道4.47万公里，输气管道6.40万公里，初步形成了“北油南运”、“西油东进”、“西气东输”、“海气登陆”的油气输送格局。

注：到2020年总长度达16.9万公里，其中输气管道10.4万公里，输油管道6.5万公里。

（1）原油管道

1959年新疆克拉玛依—独山子原油管道的建成，标志着我国无长输管道历史的结束。目前已在东北、西北、华北、华东、华中地区形成了区域性的原油输送管网。

（2）成品油管道

我国第一条长输成品油管道是1973年开工、1977年建成的格拉（青海格尔木—西藏拉萨）管道。目前已在西北、西南和珠三角地区建成骨干输油管道，形成了“西油东运、北油南下”的格局。

（3）天然气管道

我国天然气管道起步晚，但发展速度快，特别是近几年来发展迅猛。第一条跨区输气管道为1986 年建成投产的中沧（河南濮阳柳屯—沧州化肥厂）管道。1997 年陕京一线建成投产，拉开了我国长距离输气管道建设的序幕。随着西气东输、川气东送、陕京三线等骨干管道工程的建设，建成了“横跨东西、纵贯南北、连通海外”的基本框架，形成以4大气区（新疆、青海、陕甘宁、川渝）外输管线和进口天然气

图2 2001～2015年我国天然气管道建设情况

图3我国天然气管道网络

目前，我国在建和近期即将开工建设的天然气干线管道工程主要包括：陕京四线、西气东输四线、新粤浙线和中俄东线，四条管线总长度约1.6万公里，总投资额大约3200亿元（见表6）。

表6我国再建或即将开工建设的四大天然气干线管道

2非开挖技术应用现状与预测

2.1 水平定向钻进

（1）美国水平定向钻进应用现状

石油和天然气管线铺设往往需要穿越地表障碍物（如建筑物、河流、铁路等）或环境敏感的地区（古迹保护区、绿化带等），因而在20世纪70年代初，美国在受控定向钻进技术和管线施工技术相结合的基础上开发了水平定向钻进施工技术，并用于长输油气管道的施工，后来由于电信业的高速发展，又广泛应用于电信电缆的铺设，目前已成为使用最广的一种非开挖施工技术。

目前，美国无论是每年的钻机新增数量（见图4），还是市场保有量都远超我国。据统计，到2016年底，美国水平定向钻机的保有量已接近45000台。

从应用领域看，电信电缆（尤其是入户光缆）的铺设仍然是水平定向钻进的最大应用领域，约占20.0%；其次是天然气管道和供水管道，分别占19.6%和18.0%，其中近几年天然气管道的市场份额增长最快；长输油气管道的市场份额有所减少（占13.5%），而电力电缆和排水管道的市场份额相对比较稳定，分别占14.0%和8.7%；其他市场（地热开发、环境治理等）所占的比例略有上升，见图5。

由于所铺设的电信电缆的口径相对较小，因此小型钻机（回拖力小于18吨）一直占据主导地位，但由于市政管道的施工量增加，中型和大型钻机所占的比例近几年有所上升（见图6）。

图42000年以来美国历年水平定向钻机的新增数量

图52013～2015年水平定向钻进的应用领域（%）

图6历年各种型号钻机所占的比重

（2）美国市政管线施工现状

据统计，由于美国经济的缓慢复苏，市政管道（污水、雨水和供水管道）建设（包括铺设和修复）的投资逐年增加。预计2017年，特朗普政府上台后对基础设施建设的投资还将会有所增加（约5.2%），见表7。

从管道修复来看，非开挖施工方法所占的比例超过40%，在管道铺设工程中非开挖施工约占18.5%。总的来讲，承包商在管道工程施工中，非开挖施工方法所占的比例约为33%。

在所采用非开挖施工方法中，CIPP （原位内衬法）是最受欢迎的一种方法，占51%；其次是局部修复法（40%）和喷涂法（31%）；化学灌浆法、水平定向钻进法、爆管法和分支管内衬法分别为28%、24%、22%和21%；插管法、折叠法、夯管和微型隧道法使用的比例相对较低（见图7）。

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合计132.2 139.1 149.0 170.0 181.0 182.0 192.0

图7各种非开挖施工方法在市政管道施工中所占的比例

水平定向钻进（HDD）、原位固化法（CIPP）和插管法是美国最受欢迎的非开挖管道铺设和修复技术（见图8）。到目前为止，使用原位固化法修复的管道大约有6万多公里。尤其是近几年，利用紫外线固化的原位固化法（UV-CIPP）由于采用玻璃纤维加强的内衬材料，强度高、耐腐蚀、而且固化速度快、自动化程度高、对环境影响更小，因此越来越受到重视。

图8对各种非开挖施工技术的评价

（3）美国非开挖市场预测

1）市政管网建设

据美国研究机构（Bluefield）预测，目前美国约有50%左右的上下水管道（160万英里或260万公里）已经接近使用寿命，每年发生的管道爆裂事故超过24万次。未来十年（2016～2025），美国市政基础设施（主要包括上下水管道）建设投资将超过5320亿元（约为3.7万亿元），比上个十年增加28%。其中，管道施工的投资将比过去十年翻番，大约2710亿美元（约1.9万亿元），平均每年达270亿美元（约1900亿元）。

图92016～2025年美国市政管网投资预测

2）长输油气管网建设

据美国天然气协会（INGAA）预测，未来二十年（2015～2035），美国和加拿大的油气中游基础设施（主要包括：油气管线、接收站、压缩设施、处理设施、储运设施、排放控制等）建设的投资将达5460亿美元（约3.82万亿元），每年在235～310亿美元（约1645～2170亿元）之间，其中油气主管线和分支管线建设的投资约占30%。

图10美加油气基础设施投资情况（2015～2035）

（4）我国水平定向钻进应用现状

与美国一样，在我国水平定向钻进是使用最广的一种非开挖施工技术，主要用于长输油气管道、电信和电力电缆、以及市政管道（燃气、供水、供热、排水管道等）的铺设，其中由于西气东输等能源通道工程的投产，在各大城市中开始使用天然气作为清洁能源，因此天然气管道的铺设工程量急剧增加（见图1）。

根据第14次国内水平定向钻机的统计，2016年国内17家水平定向钻机制造商共销售钻机1900台，比2015年的1643台增加了257台（增长15.6%）。在新增的钻机中，出口钻机542台（绝大部分为东南亚国家，尤以印度和马来西亚居多），比2015年的501台增加了31台，占新增钻机总数的28.5%。到2016年底，我国水平定向钻机的保有量约为17000台（含进口钻机），不到美国同期钻机保有量的40%。中美两国历年新增钻机的数量见图11。

图11中美两国历年新增水平定向钻机数量对比

从钻机型号的分布看，在新增的钻机中，特大型钻机（回拖力大于100t）65台（占3.4%）、大型钻机（回拖力51~100t）152台（占8.0%），大型和特大型钻机的数量比2015年的152台有所增加，所占比例也从9.3%增加到11.4%；中型钻机（回拖力26~50t）共1273台，比2015年的934台大幅度增加，在新增钻机总数中所占比例首次超过60%；小型钻机（回拖力小于25t）410台，比2015年的557台减少了147台，所占比例也首次减少到30%以下，见表10和图12。由于近几年水平定向钻进技术主要用于天然气管道的铺设，管径相对较大。因此，在我国中型钻机已成为为主力机型，自2010年以来所占的比重最大，且逐年提高。

从钻机的使用年限（机龄）上看，在累计的17038台钻机中，机龄在2年以内（2015和2016年投入市场）的钻机共2500台，占14.7％；机龄在3~5年的钻机共4859台，占28.5％；机龄在6~10年的钻机数量共6827台，占40.1％；机龄在10年以上的钻机为2852台（占16.7%），见图13。

13 2016年底钻机总数按机龄分布

从行业的集中度分析，2016年水平定向钻机销量排名首位的企业，其市场占有率为24.3%，比2015年略有下降；销量前3名制造商合计1156台，市场占有率为60.8%；销量前5名厂商的总数为1448台，市场占有率76.2%，均比2015年的59.2%略有提高；销量前10名企业共销售1789台，市场占有率达94.1，与前几年基本相同。近五年行业集中度变化情况见表1。行业集中度的变化与波动说明，经过十几年的快速发展，我国水平定向钻机行业已经进入一个相对成熟和稳定的阶段，市场格局基本成型。

（5）我国水平定向钻进市场预测

水平定向钻进是应用最广的一种非开挖施工技术，几乎可用于各类管材（主要是钢管和塑料管）和各类管线（主要是压力管道、电信和电力缆线）的铺设。

表1和表5为我国近十年市政管道和长输油气管道建设情况。由表可知，每年这五类管道的建设长度在12万公里左右，其中排水管道3万公里，供水管道3.5万公里，供气管道4万，供热管道1万公里，其它管道0.5万公里，总投资在3000~5000亿元之间。若按5%的工作量采用非开挖施工技术计算，每年约为6000公里，其中大部分小口径管道的铺设可以采用水平定向钻进施工技术，大约在5000公里左右。

目前，我国天然气管道建设还远落后于西方发达国家。为了解决我国能源短缺问题，改善能源结构和城市环境，天然气管道建设将呈高速发展的态势。从管道建设长度看，到2013年底，全世界长输油气管道总长度约为356万公里，其中天然气管道长度286万公里，美国、俄罗斯和加拿大分别为198、26和10万公里，各占（69.3%、9.1%和3.5%，而我国仅为5.77万公里（占2.0%）。可以说，我国天然气管道建设还处在初级阶段。从管道建设速度看，2001至2010年，我国天然气管道长度由1.43万公里增加到4.26万公里，平均每年增加2800公里；2010至2015年，天然气管道长度由4.26万公里增加到6.4万公里，平均

小型21.6%

中型67.0%

大型

11.4%

>10年16.7%

6~10年40.1%

<2年14.7%

3~5年28.5%

每年增加4300公里；根据《天然气“十三五”发展规划》，到2020年天然气管道长度将达10.4万公里，平均每年需要新建8000公里，可见未来五年我国的天然气管道建设将进入高峰期。

需要特别指出的是：

1）在前述的统计中，还没有包含县城和乡镇建设的市政管道数量，表12是近10年1568个县城建设的市政管道情况。可见，市政管道建设数量要远大于上述的统计数量；

2）除了市政管网外，水平定向钻进还广泛用于电信电缆（光缆）和电力电缆的铺设，在三网融合（电信网、广播电视网和互联网）和电网改造（架空电线入地）中，每年铺设的光缆和电缆数量也远远超过市政管道；

3）水平定向钻进在地热开发、环境和灾害治理中也大有用武之地。

2.2 顶管

（1）国外顶管技术应用情况

日本是顶管（尤其是小口径顶管或微型顶管）的发源地。早在1948年就开始使用顶管施工法，主要是顶进铸铁管和钢套管，直到20世纪50年代才首次顶进混凝土管。

20世纪60年代和70年代，日本建设省决定改善和增加地下污水排放系统。但由于交通拥挤、道路狭窄，使用开挖的方法来施工污水管道极为困难，成本也极为昂贵。因而在日本政府的支持下，共用部门、制造商、承包商和大学协力在大口径顶管施工技术的基础上开发了许多新的施工方法，统称为小口径顶管施工法或微型隧道法施工法（Microtunnelling）。1972年，小松制作所研制出首台小口径顶管机。三和机材公司也于1977年研制成功螺旋式小口径顶管机，并在1984年以前一直处于领先地位。伊势机（ISEKI）公司于1979年研制出第一台泥水加压式小口径顶管机，随后又相继推出适合在各种地层中（包括含地下水的地层和含卵砾石的地层）进行管线施工的一系列新型顶管机。

至今，日本在小口径顶管施工方面仍占据主导地位。据不完全统计，日本生产小口径顶管机的厂家有30多个（目前主要是RASA、ISEKI和小松三家公司），承包商多达4000余家，市场上使用的小口径顶管机大约有6000台左右，每年的顶管工程施工量在500公里以上。

（2）我国顶管技术应用情况

在我国，顶管施工技术是使用得最早的一种非开挖技术，但由于设备投资大，施工要求高，其发展速度不如水平定钻进技术那么迅速，主要用于大口径管道（1000～3000mm）的铺设以及城市高压架空电缆的入地改造工程。

近十年，由于先进顶管掘进机的陆续引进，使我国的顶管技术有了较大的进展，引入了中继间顶管技术、触变泥浆技术、自动测斜纠偏技术，以及土压平衡和泥水加压平衡技术；顶管直径小到800 mm，大到4000 m；一次顶进长度可达几百米，甚至上千米；在含水层中施工也成为可能。

为了加强城市基础设施建设，解决城市内涝、管网爆裂等问题，提高新型城镇化的质量，2015年国务院办公厅发布了《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》，并在36个大中城市全面启动地下综合管廊试点工程，2016年开工建设地下综合管廊2000公里以上，力争在2020年建设完成一批完善的地下综合管廊体系，市场容量极大。据报道，地下管廊的投资将达1.6～3.2万亿元，每年在3200～6400亿元之间。

2.3 管道更新

（1）欧洲管道更新的应用情况

由于欧洲的许多城市历史悠久，地下管道老化情况十分普遍，许多污水管道和自来水管道具有一百多

年的历史。因此，许多非开挖管道修复技术首先都是在欧洲开始使用，其中以原位固化法（CIPP）的使用最为广泛。据统计，自1971年开始使用以来，已经修复了5万公里的老旧管道。

在德国，柏林被认为是非开挖技术的“首都”，1982年在管道铺设和修复中开始采用顶管施工技术和各类修复技术。目前，无论是非开挖技术在管道施工中所占的比例，还是非开挖工程量，柏林都首位。

非开挖管线工程施工量已占全部地下管线工程量的10%，个别地区（如柏林市）已达到40%左右；而在管道修复中，非开挖施工所占比例高达50%以上。

（2）日本管道更新的应用情况

20世纪50年代，日本正处于经济高速发展的初期，为了解决日益恶化的环境污染问题，1970年日本召开了有名的“公害国会”，在这次国会上政府大幅度修改了《下水道法》，明确规定了下水道建设的目的，并决定每年投入大量的国家预算用于污水收集管道和污水处理厂的建设以彻底改善人民的生活环境。

到2001年，日本全国的污水处理普及率为63.5%，中央直辖的13个政令指定都市的普及率则达到98.3%。全国的下水管道总长度为344864公里，其中管径600mm以下的小口径管道占85%。与此同时，在以东京为首的大城市中，使用年数已超过50年的陈旧排水管道多达7000多公里，道路的坍塌事故时有发生，给交通安全和市民的生活带来危害。为此，日本在对旧管道进行定期的管内调查的同时，还对已损坏的管道进行有计划的修复，其中使用最多的非开挖修复技术有：原位固化法（包括翻转法和牵引法，1986年开始使用）、螺旋缠绕法（1990年开始使用）以及短管内衬法（应急使用）。

根据日本下水道管路管理业协会的统计，自1983年以来，采用非开挖修复技术对地下管道的修复长度一超过5000公里，各种修复技术所占比例大致为：翻转法占62%，牵引法占23%，螺旋缠绕法占15%。

（3）我国管道更新的应用情况

如前所述，在现有的市政管网中，普遍存在严重老化（最早铺设的管线已有100多年的历史，50年以上的管线约占6%）、材质低劣、超负荷运行等问题，导致管道漏失和爆裂、路面塌陷、城市内涝等事故频频繁发生。

为了解决上述问题，国家先后出台了《全国城市燃气管网改造规划》（2008-2010）和《全国城市供水管网改造近期规划》（2006-2007年），尤其是在2013年和2014年国务院办公厅先后发布了《关于加强城市基础设施建设的意见》和《关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》，提出了城市地下管网的更新和改造提出具体的目标和任务，即：力争用5年时间，完成城市地下老旧管网改造，将管网漏失率控制在国家标准以内，显著降低管网事故率，避免重大事故发生；用10年左右时间，建成较为完善的城市地下管线体系，使地下管线建设管理水平能够适应经济社会发展需要，应急防灾能力大幅提升。这对我国非开挖管道修复技术的推广将起到了巨大的推动作用。可以预计未来几年，我国非开挖管道更新的施工量将呈现一个较快的增长态势。

据不完全统计，目前我国每年的非开挖管道修复工程在1000公里以上，主要集中在东部地区的大中城市（北京、上海、广州等），应用最多的是排水（污水和雨水）管道、燃气管道和长输油气管道，最受欢迎的非开挖修复技术是原位固化法（翻转法）、插管法（包括折叠法和缩径法）、喷涂法。此外，紫外线原位固化法和缠绕法（主要用于排水管道的修复）的使用量也在逐年增加。

主要参考文献：

1. 国家统计局（https://www.sodocs.net/doc/7e14250799.html,）. 2016年度统计数据.

2.住房和城乡建设部. 2015年城乡建设统计公报, 2016年7月22日.

3. 18th Annual HDD Survey: Diverse markets drive HDD forward, Underground Construction, 2016, V ol.71, No.6.

4. 20th Annual Municipal Survey, Underground Construction, 2017, V ol.72, No.2.

5. Surging 28% US Municipal Infrastructure Forecast Reaching $532 Billion, Underground Construction, 2016, V ol.71, No.

6.

6. 2015-35 U.S., Canada Midstream Gas, Oil and NGL Spending to Total $546 Billion, Pipeline & Gas Journal, 2016, V ol.243, No.6.

7. 2015 International Pipeline Survey, Underground Construction, 2015, V ol.70, No.11.