0 引言
伴随着时代的快速发展,全球城市地下管道的更新问题愈发显著,多数旧管管龄不断增长,管道内壁会逐渐形成不规则的“生长环”,逐渐增厚,使得过水断面面积减小、输水能力降低并且严重污染水质;同时,管道由于缺少维护而漏损严重,还有可能引发路面坍陷、泄漏爆炸等问题,危及到居民的生命财产安全[1]。若采用传统的改造方法解决这一问题,需要开挖敷设一条新管道(旧管道报废)。 但由于这些超龄管道大都敷设在人口稠密、商业繁荣的市区,管道周边充塞着污水、雨水、煤气、热力、电力、通讯电缆等其他市政管道和设施,所以改造工程的实施存在相当大的难度。在这样的背景下,非开挖管线更新装备技术应运而生。该装备技术可以在地面不开挖沟槽的情况下,对地下废旧管道进行更换[2]。非开挖装备于 20 世纪 60 年代在西方国家兴起,广泛用于石油天然气行业,后逐渐应用于给排水管道的改造中[3]。 该装备技术以待更换管道为导向,采用不同施工装备对旧管进行更新; 同时,可进行不同程度的扩径,不仅能够实现埋地管道的原位更新,还可使原管段的过流能力得到提升[4]。 该装备以其高效、优质、成本适中且对环境友善的优势,目前已经在很多国家得到实践应用。国内对于管道更新非开挖装备技术起步较晚,应用较少,目前旧管维护施工多数采用明挖法或管线修复法[5]。 少数工程虽然采用管道更新非开挖装备技术,但是由于经验不足,非开挖更新装备技术规范的制定也尚处于初期阶段,使得理论发展相对落后于实践,工程设计的参考依据有限,存在一定的盲目性和多变性[6]。
因此,完善管道更新非开挖装备技术理论体系,对于实际工程应用具有重要的指导意义,是实现相关方法全面推广的有效途径。 本文归纳总结了国内外非开挖装备技术发展现状,详细介绍了破管外挤法装备、破管顶进法装备以及吃管法装备的工作原理、工法特点和工程应用,以期为管道更新非开挖装备技术理论的完善提供一定参考。
1 管道更新非开挖技术概述
自非开挖地下管线更新技术产生以来,由于地层条件和地下管线的情况不同,国内外学者主要围绕以下 3 种非开挖管道更新方法展开研究: 1)破管外挤法(又包括气动、液压碎裂管法和静拉力碎裂管法); 2)破管顶进法(又包括水平螺旋钻推进法和顶管掘进法); 3)吃管法。 这 3 种方法是专门应对管道更新的暗挖工程施工方案,能在不破坏路面设施的情况下更新管道。
1. 1 破管外挤法
破管外挤法是采用碎裂管设备从内部破碎或割裂原有管道,将原有管道碎片挤入周围土体形成管孔,并同步拉入新管道的管道更新方法。 具体施工方法是:将碎管设备放入旧管中,将沿途旧管破碎,在碎管设备后连接爆管头,爆管头的管径比旧管管径大,负责将破碎的旧管压入到周围的土壤中,紧跟着是新管道,管径小于爆管头,在爆管头的拉动下拖入原有管道的管位。 该工法优势为可对管道进行管径增大扩容。 研究表明,破管外挤法非常适合更换外侧管壁腐蚀程度超过其壁厚80%及内侧管壁腐蚀程度超过其壁厚 60%的旧管道[7]。
但是由于旧管道的碎屑是被挤入到新管道周围土层中,所以该工艺只适用于可压密的土层; 且被压缩后,替换管道周围土壤不易产生新的变形地层。 破管外挤法设备有多种,按照不同的旧管爆破方式可大致分为气动、液压碎裂管法和静拉力碎裂管法设备。
1. 2 破管顶进法
破管顶进法一般采用适合切割硬岩的微型隧道掘进机,利用导向钻头沿着旧管道,用比旧管道口径更大的刀盘将旧管道和土壤或岩石一起切削破坏后,通过套管保持断面形状,将碎屑运出,同时将与开挖断面尺寸相同的新管道顶入。 该方法几乎不会挤压周围土壤,对周围管线和地表建筑物的影响很小。 由于采用适合切割硬岩的刀盘,破管顶进法地层适应性好,适用于更换各种脆性材质的旧管道,主要适用于直径 100~900 mm、长度在 200 m 以内、埋深较大(一般大于 4 m)的陶土管、混凝土管或钢筋混凝土管,新管为球墨铸铁管、玻璃钢管、混凝土管或陶土管[2]。 破管顶进法可分为 2 种不同类型的管道更新设备: 水平螺旋钻推进法和顶管掘进法。
1. 3 吃管法
吃管法是一种可以实现钢承插口管道的非开挖原位拆除和新管道同步铺设的管道更新方法。 该工法刀盘采用中空设计,在刀盘的切削力以及顶推装置的顶推力共同作用下切削旧管道周边土层; 同时,将旧管道吃入盾体,在不切削旧管道的情况下实现掘进机的推进。 掘进机掘进的同时,在新管节内铺设导轨,当向前掘进一个旧管节距离时,被吃入盾体的旧管道以整节为单位通过卷扬机拖拽在轨道上滑行,运至始发端位置然后吊出,完成对旧管的更新。 该工法在不切削旧管道的情况下实现掘进机的推进,从而提高了切削推进效率; 同时,提高了旧管节的清运效率,进而提高了管道更新的施工效率。
2 管道更新非开挖装备技术现状
2. 1 破管外挤法施工装备
2. 1. 1 气动、液压碎裂管法施工装备
2. 1. 1. 1 设备介绍
气动、液压碎裂管设备的机制是利用爆管头在高压空气或液压的作用下产生冲击力,通过一种“环状”压力作用于旧管线中,使其受压而破裂,并将破碎的管道碎片挤压到周围土层中,同时把新管道从爆管头后方拉入,完成对旧管道的更新[8]。 依靠胀管来破坏冲击旧管道,同时挤压旧管道碎片进入周围土壤,为新管道提供空间。 卷扬机钢丝绳与爆管头头部用拉环连接,卷扬机为保证裂管时爆管头正确的方向与倾角,始终提供一种稳定的拉力[8-9]。 具体工作原理如图 1 所示,主要由爆管头、牵拉钻杆、液压设备、牵引装置和新旧管线组成。
根据不同的驱动模式,爆管头可分为气动冲击矛和液压胀管器。 气动冲击矛内部结构如图 2 所示[9],主要由矛头、活塞、矛体、控制阀、后接头和后接头适配器组成。 通过高压空气对旧管进行破坏冲击,完成旧管的移除。 液压胀管器的收缩和扩张状态如图 3 所示,与气动冲击矛同理,通过胀裂挤压旧管进入土壤。
2. 1. 1. 2 设备特点及优缺点
爆管头是气动、液压碎裂管装备施工的核心,通过高压空气、液压对旧管道进行破碎,通过钢索施加拉力,加速旧管破碎,同时连接新管道。 不但可以换入与旧管管径相等的新管, 同时可以更换比原管径大20% ~30%的管道[10]。其他优势还有: 1)无需对原管道进行清淤、清洗,节省人力、物力和施工时间; 2)工作坑开挖面积小,方便在城市交通繁忙的路段进行施工; 3)对周围的其他地下管道设施几乎没有影响; 4)与其他非开挖管道修复技术相比,施工风险较低。
但是,气动、液压碎裂管法也有一些不足: 破碎旧管对土体的挤压和震动会对周边建筑物产生危害; 同时,该设备不适用于膨胀土地层的管道更换,甚至可能造成地表沉降[11]。
2. 1. 1. 3 设备应用
以深圳市兴南路(龙城路—华明路)污水管道更新为例,该工程处于繁华市区,所在道路为双向 2 车道,交通繁忙,且地下管道复杂; 经调查,该段土质为回填土,土层天然含水量较高,强度低,受挤压后容易产生塑性变形和体积缩小,有利于吸收排土。 综上所述,采用胀管法进行管道更新。 该工程将现有 DN250 ~ DN300 混凝土管更换为 DN300 ~ DN400HDPE 管,工程总长度为512 m,其中从 N250 胀管至 DN300 长度为 410 m,从DN250 胀管至 DN400 长度为 68 m,从 DN300 胀管至DN400 长度为 34 m,平均埋深为 3. 5 m[7]。工 程 难 点 为 从 DN250 混 凝 土 管 胀 管 至DN400HDPE 管,胀裂幅度接近 50%,1 次胀管长度为68 m。 实际施工过程中,胀管头在牵引杆的作用下,将旧管胀裂成碎片,同时牵引新管道前进,一次性完成破除旧管道和新管道的铺设[7]。
2. 1. 2 静拉力碎裂管法施工装备
2. 1. 2. 1 设备介绍
静拉力碎裂管设备的工作原理是: 以原有管道管位作为导向,使用裂管设备从原管道更换起始处,将其割裂后向外扩张,将旧管碎片挤入周围土体使管孔扩张,同时将新管道拉入原管位以完成结构性的更新改造[12]。 该设备主要由胀管头、切割刀头、钻杆、胀管机、新旧管道 5 个部分组成,适用于管径 50 ~ 150 mm、长度在 150 m 以内的钢管,新管多用 HDPE 管。 其工作原理如图 4 所示[12-13]。
2. 1. 2. 2 设备的特点及优缺点
设备通过钻杆或钢索穿越旧管道连接在胀管器的前端来施加静拉力,锥形胀管器将水平静拉力转换成垂直于轴向的张力,促使旧管道破碎,并为新管道进入提供空间。 静拉力碎裂管设备的优点较多,主要可概括为以下几点: 1)施工简单易行,速度快,造价低,且对管道的清洗要求不高; 2)裂管施工将原破损管道更换为新管道,满足了更新的需求; 3)施工使用液压设备噪声低,符合环保要求; 4)根据需要和管线相邻管道情况,可进行同径或大一级口径的管道更换; 5)单台机械设备完成旧管道更换为新管道的平均速度可达到 60 m / d。 但是,静拉力碎裂管设备也有一些不足,施工时需安装护套以保护新管,单次更换管段长度短,一般小于 100 m,且弯头处理较为困难。 另外,《碎裂管法技术指南》中规定: 典型的更新管道直径范围为50~ 1 000 mm,理论上碎裂管法的最大更新管径为1 200 mm,因此,其并不适用于更换管径较大的工况,且更换管道的管径越大,就需要更大的回拖力,原管碎片受到爆管头挤扩的扰动越大,可能会引起地表较大的隆起及沉降风险[14]。
2. 1. 2. 3 设备应用
以更换无锡太湖风景区漆塘污水提升泵站进水管道工程为例,该工程旧管道管材为 PE 双壁波纹管,外径 DN600,长度 75 m,其中 W21—W22 井段管长 51 m,W22—W23 井段管长 24 m。 勘探表明,该管段存在破损、变形、塌陷、错口、渗漏等问题,两段管段不同轴,原管道因回填物等外压荷载已整体变形,局部破裂并塌陷严重。 由于漆塘泵站进水管所在工作井位于宝界公园入口内道路旁,平时公园内交通量不大,故仅需将原有井位进行改造,不另设工作井,施工期间采用临泵调水以免影响漆塘泵站原有运行工况。 该项目采用裂管设备将破碎管道替换为全新的聚乙烯 HDPE 实壁管道[13]。
2. 2 破管顶进法施工装备
2. 2. 1 水平螺旋钻推进法施工装备
2. 2. 1. 1 设备介绍
水平螺旋钻推进法设备是利用导向钻头沿着旧管道,用比旧管道口径更大的刀盘将旧管道和土壤或岩石一起切削破坏后,通过螺旋输送钻杆将碎屑运出;同时,通过顶进系统一节一节顶入新管道,达到管道更新的目的[15]。 该设备主要由密封头、切削头、螺旋输送钻杆、主顶工作站、液压动力站、空压机、控制台组成。 水平螺旋钻推进法设备施工工艺如图 5 所示,切削视图如图 6 所示。
2. 2. 1. 2 设备的特点及优缺点
该设备的导向系统由先导钻头和其前面的密封塞组成,主要功能是置入旧管道内部,一方面引导设备沿着旧管道前进,另一方面有支撑管道的作用,防止管道在更换过程中塌落,影响上部土壤,造成地表位移[16]。这样更换管道几乎不会挤压周围土壤,对周围管线和地表建筑物影响很小。 另外,由于渣土运输采用了螺旋钻杆,不需要复杂的泥浆循环系统,减少了泥浆使用,安装便捷,节约成本。 但是相对于破管外挤法,工序较为复杂,需设计刀盘系统。
2. 2. 1. 3 设备应用
海瑞克公司基于破管顶进法原理,研制出可以进行管道更新的设备———AVP Crush-Lining(破碎内衬法)。 该设备适用于 500 mm 以内的小尺寸管节,可以解决旧管道处于较坚硬土层的更新问题。
2. 2. 2 顶管掘进法施工装备
2. 2. 2. 1 设备介绍
顶管掘进法设备采用了泥浆循环系统运输旧管道和土壤碎屑,该系统前部设置清管器,实现旧管内运营介质的封堵隔离和旁通,在清管器和切削刀盘之间使用泥浆来平衡压力,支撑旧管道及超挖部分掌子面,并起到运输管道碎屑的作用[17]。 该设备主要由清管器、刀盘、泥浆循环系统、保通系统等组成。 顶管掘进法施工工艺如图 7 所示。
2. 2. 2. 2 设备的特点及优缺点
顶管掘进机是集导向、旧管破碎、掘进、排渣、旁通过流、新管顶推铺设功能于一体的机械化管道暗挖更新装备。 在设备掘进过程中,可同时做到钢混凝土旧管节破挖、污水管道保通以及扩径新管节快速铺设作业。一般在进行管道更换时,为了不影响更换作业,
管道往往需要断流。 而该设备最大的特点在于清管器中空开孔,旧管道内的流体可以通过密封头的开孔经专门的导流管道导入已经更换的新管道中。 这样在管道更新时可以不需断流,是一种“在线” 更新方式。 利用这种方式可以大大减少断流对居民生活的影响,提高经济效益[16]。 但是这种方法还没有广泛普及,主要的设备多由国外公司生产,近年来也没有太大的技术创新。
2. 2. 2. 3 设备应用
以中铁工程装备集团有限公司样机研制为例。 为验证顶管掘进法在管道更新中的应用,在郑州市中铁智能化高端装备产业园开展管道破除更新技术试验项目。 项目采用明挖法铺设 DN1 000 预制钢筋混凝土承插 式 管 道 模 拟 需 更 新 的 污 水 管 道, 新 管 道 为DN1 200 柔性 B 类钢承口预制钢筋混凝土管,掘进更新里程 60 m,管顶平均覆土厚度 3 m。 试验验证了该工法及设备的可行性,月进尺达到 150~450 m,保通流量 508 m3/ h。 该设备可适用于大埋深的较大管径钢筋混凝土承插式雨污水管道。
2. 3 吃管法施工装备
2. 3. 1 设备介绍
吃管法设备是一种用于钢承插旧管道更新的施工设备,针对较大直径且扩径比较大的非开挖管线更新[17]。 吃管法管道更新掘进机组成部分包括盾体、开挖刀盘、刀盘驱动、卷扬机、推进装置、泥水舱等。 在刀盘的切削力以及顶推装置的顶推力共同作用下切削土体,实现掘进机的掘进,与此同时旧管道被吃进盾体。
当向前掘进 1 个旧管节长度时,旧管节通过卷扬机拉至始发井位置,随后将旧管节吊出。 吃管法施工工艺如图 8 所示[18]。
2. 3. 2 设备的特点与优势
利用吃管法研制的吃管法管道掘进机,可解决施工过程中隧道扩挖、旧管拆除、新管同步铺设等关键技术难点。 吃管法刀盘采用中空设计,通过切削旧管道周边土层从而将旧管道吃入盾体,在不切削旧管道的情况下实现掘进机的推进,从而大大提高切削效率、减
小能耗。 同时,旧管道以整节为单元通过卷扬机拖拽在轨道上滑行,运至始发段位置然后吊出,大大提高了旧管节的清运效率[18]。 但是该工法处于研发阶段,尚无工程应用。
3 结论与讨论
相对于传统明挖设备,本文介绍的 3 种装备技术无论是在施工难度、工期、成本上都具有一定的优势。国外相关企业制定了管道更新非开挖技术企业内部标准,但是国内在相关技术的标准编制方面还只处于起步阶段,并没有统一的标准,这也是影响管道更新非开挖技术推广的关键因素之一。
国家应加大对非开挖更新技术研究的投入,积极引进、吸纳国外先进的非开挖更新技术,形成符合我国国情的非开挖更新技术应用系统。 同时,尽快出台非开挖更新技术的相关标准,规范和促进国内非开挖更新技术的推广应用,也促进该技术的科学化、规范化、标准化。 市政施工行业可以根据旧管的建设年代、管径、长度、管材、接口形式、使用年限、腐蚀情况、渗漏情况等,对需要更换的旧管进行分类评估,并结合以上 3种不同的施工工艺,选择适合的施工设备,这对我国的经济发展有着重大意义。
随着城市化的快速发展,管道更新非开挖装备技术在未来城市地下管道的应用必然会越来越广泛,随着其理论的完善,也会有更多待解决的问题。 此外,本文通过分析对比 3 种非开挖管道更新装备技术发现,管道更新非开挖装备技术由于具备保通系统,能够确保管道更新施工不断流,且能够在旧管道原位破挖扩容更新的同时进行新管道同步铺设;另外,吃管法管道更新装备技术也同样能确保管道更新施工中不断流,且无需破坏旧管道就能实现管道扩容更新。
此外,上述 2 种非开挖装备技术能够适应较大管径的管道更新,且新型刀盘切削技术和密封技术能够保证掘进机在压力平衡模式下掘进,对地层扰动较小,大管径+低扰动更加符合未来繁华城区对管道更新的实际需求,因此,上述技术相对拥有更高的先进性和可行性,具有较高的市场应用前景。 该新型装备技术也进一步表明,未来管道更新技术的主要发展方向在于研究如何在不断流的情况下能够进行稳定可靠的管道更新,同时能够保证对繁华城区复杂工况的适应性,从而进一步提高管道更新的效率。
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