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管道脹管、插管更換技術


     脹管法是用液壓脹管機等專用非開挖設備脹破舊管線同時完成等徑或增大直徑的新管線安裝的管線更換方法。它是一種在全球均得到認可的非開挖施工方法。
關鍵詞:液壓脹管機、脹管法、管線更換、非開挖
脹管法也稱裂管法或爆管法,是用特殊工具脹破舊管線同時完成等徑或增大直徑新管線安裝的管線更換方法。它是一種在全球均得到認可的非開挖施工方法。脹管過程可用于現有污水管線、給水主干管線以及輸氣管線的更換,也可用于其他適合采用該方法施工的地下公用設施的更新。目前脹管法無論是工藝還是工具都得到了很大程度的改進,到目前為止,如果采用等徑或增大直徑的管線更換現有管線以保證有相同或必要時增大的通流能力,那非開挖脹管法是除傳統的開挖方法以外唯一切實可行的管道更換方法。雖然脹管過程看起來容易實施,并且在許多場合下它確實是一種快速高效的管道更新方法,但這種方法在應用過程中也不乏失敗的實例。即便如此,這種方法仍然受到承包商們的青睞。據不完全統計,到目前為止,全球采用這種方法更換的各類地下管線已經超過了20,000km。
本文重點討論的問題設計到采用脹管法對各類材質的舊管線進行更換的過程以及新型材料管線在更換過程中可能遇到的問題和可用的脹管方式。本文還強調指出了脹管施工之前的設計原則,尤其強調了脹管前后可能要考慮的問題,其中包括:脹管頭引起的地下土整體移位、可能產生的地面隆起、脹破力的計算、工作井及人井的開挖等等。
一.常用脹管法
   目前兩種常用的脹管系統,分別如下:
1.1氣動沖擊脹管法
1.1.1遁地穿梭矛(又稱夯管錘,以下簡稱矛)
它除了能夠用來頂管施工外,也是脹管施工的有效工具。脹管頭套在矛體外面與新管線相連。矛沖擊脹管頭,脹管頭破碎舊管線,同時碎片被擠壓至周圍土壤,新管線隨之前進,通常應用液壓卷揚機提供持續的牽引力,以保持矛前進的方向。目前水平導向鉆機與矛配合的工藝在國外也很流行,這時鉆機與矛體頭部相連,保持矛前進方向的穩定,沖擊力還是靠矛來提供。這種方法適合更換直徑介于100mm到600mm之間的污水管線,并可以輕松實現直徑增大10%到30%新管線的更換。

1.1.2空氣錘(結合水平導向鉆機的脹管法施工)
空氣錘(Air Impactor)是美國Vermeer公司的專利產品,用來與水平導向鉆機配合使用(Vermeer系列鉆機都內置高壓空氣接口);它體積小,結構緊湊,安裝方便,特適用于狹小的人井中使用。它的驅動也是靠高壓空氣,高壓空氣通過鉆桿傳送給空氣錘,空氣錘外面套裝脹管頭,脹管頭與新管線相連。當沖擊錘被啟動后沖擊脹管頭,脹管頭破碎舊管線,同時牽引新管線進入。施工時首先用水平導向鉆機從路面鉆進,到達舊管線埋深時調平,鉆頭沿舊管線繼續鉆進,直到管線人井另一端,連接鉆桿與空氣錘。鉆桿牽引空氣錘而使之啟動。

1.2靜態脹管法
靜態脹管法是采用恒力脹破管道,依靠液壓油缸提供拉力牽引刀具和脹管頭,脹管頭與新管線相連,當刀具在拉桿的牽引下切割舊管線,同時脹管頭擠壓舊管線碎片進入周圍土壤,新管線也隨之鋪設完成。這種方法因為解決了其他脹管法無法解決的塑性管材的更換問題,而且是小管徑塑性管線更新的唯一切實可行的非開挖方法,所以輩受青睞。
1.2.1液壓脹管機脹管工藝如下圖所示

1.2.2可更換管線分類
-污水管線更換
一般情況下,不再另外配刀具,脹管頭會在回拉過程中在舊管壁上施加徑向力,從而導致原管線受拉撕裂。脹管頭會在前進過程中把脹破的舊管碎片擠入周圍土壤,這樣就形成了新的孔道供新管進入。這種方法適合更換直徑介于200mm到1000mm之間的污水管線。目前國外采用拉力較大的液壓脹管機,已經成功的安裝了直徑是原有管線150%的新管線。
-給水和燃氣管線更換
配備適當刀具的液壓脹管機便可以更換鋼管、球墨鑄鐵、PVC以及其他有延展性的舊管線。這些刀具都是經過特別設計的,用于切割管線、連接夾具以及其他小型管接頭。采用這種方法還有另一個優點,也就是在給水管道更換施工中,安裝經過預氯化處理的HDPE管,新管道在安裝之前經過消毒處理之后,有助于進一步降低與脹管法相關的施工時間和成本。
-剛性分段管線安裝
靜態脹管法是迄今為止我們所了解到的唯一一種可安裝分段的陶管、玻璃鋼管、石棉水泥管、加筋的混凝土管及其他剛性管道的脹管工藝。應用液壓脹管機配合推進液壓油缸,在脹管頭破碎舊管線的同時推進成段的水泥/玻璃纖維等管線,從而完成管線的鋪設。

二.管線更換相關數據
2.1更換尺寸
迄今為止采用脹管法成功的更換的已有地下管線,其尺寸范圍如下:
2.1.1污水管線
-直徑范圍:50mm到1000mm
-更換長度:10m到250m
-管徑增大尺寸范圍:一般為20%到30%,最大為50%
-深度范圍:1m到5m
2.1.2給水管線
-直徑范圍:50mm到600mm
-更換長度:10m到150m
-管徑增大尺寸范圍:一般為20%到30%
-深度范圍:1m到2.5m
2.1.3燃氣管線
-直徑范圍:50mm到300mm
-更換長度:10m到200m
-管徑增大尺寸范圍:一般為10%到50%
-深度范圍:1m到2m
2.2舊管線材料
2.2.1能夠采用脹管法進行更換的已有的舊管線通常的易碎材質管線,如:
陶土管、混凝土以及鋼筋混凝土管、石棉水泥管、鑄鐵管
2.2.2 能夠結合專門設計的適當管道切割及切削刀具進行更換的一些具有延展性的管線,如:球墨鑄鐵管、薄壁鋼管、玻璃鋼管、聚氯乙烯管(PVC)
2.3新管材料
高密聚乙烯管(HDPE)、陶土管(VCP)、混凝土管、增強型塑性灰漿小管推進管(HOBAS管等)、球墨鑄鐵管、鋼管、聚氯乙烯管(PVC)、其他組合管道
三.脹管法施工設計考慮要素
3.1脹管過程中的土體移位
在脹管過程中,由于脹管頭的外徑大于舊管的直徑,在回拉過程中會影響到周圍的土質,另外在該位置有舊管剩余物,這些都會產生土體的移位,土體移位可能會影響到周圍其他管線或建筑物,所以應盡可能的減少。土體移位則始終取定于以下因素:
-更換等徑的管線還是增大了直徑的管線
-脹管頭和切割刀具的口徑
-舊管直徑及埋深
-土壤類型、密度和其他周邊環境
建議在實際脹管之前,首先對土體移位量(排土量)進行計算,對周圍地層情況進行估計。
排土量計算公式如下:
 V(排土量)=[π(D-D')2/4]L m3(其中D為新管線直徑,D'為舊管線直徑,L為管線長度,各參數均以米為單位)
3.2地表隆起
密度與管線埋深不合適,不能容納由于管線尺寸增加而造成的土壤排量變化,路面的隆起將會發生.
因此考慮到潛在的可能性,我們會認為舊管上方土層的密度會小于兩邊和下面。所以在更換過程中,多余的土會更多的或者絕大部分擠向上方的表面。如果舊管上方的土層無法完全吸收多余的土量,或者管道埋深很淺,則會導致地表隆起。如下圖:

很明顯,如果更換相同直徑的管線其直徑較小,或者更換增大直徑的管線增大的量不是很大,那么在脹管過程中,產生的土體移位較小,因此不可能對附近其他的管線或者設施造成損害,即使埋深相對較淺,這種有限的土體移位也不可能導致地表隆起。但是如果更換的管徑相對較大,或者更換增大直徑的管線其增大量很可觀,那么脹管過程中產生的土體移位較為明顯,這樣有可能損害周圍地下的公用設施,而且這種移位的結果足以導致地面隆起。
因此,工程技術人員必須掌握這種情況,確保更換管線周圍的公用設施不會遭到破壞,而且要保證管線足夠埋深并了解土質以避免發生過高的地面隆起。
3.3改善或減少隆起方法
利用水平導向鉆機(或其他設備)在脹管施工前,沿舊管線方向,在它上方鉆一個孔道,以容納多余的排土量,從而消除地面隆起的發生。我們稱這個孔道為壓力釋放孔。或者旁邊有其他地下建筑物的情況下,也可以用同樣的方法在舊管道的另一側土層鉆孔,以避免傷及其他地下設施。另外改變刀具的切割方向,安裝位置等也可以減少地面隆起,同時可以減少對其他設施的損壞。
3.4脹破力計算
在工作開始之前一定要選擇最為經濟合理、又能保證完成更換工作的適當的設備和刀具。做出選擇的最有力的依據是能夠計算出更換已有管線的脹破力。
其中需要考慮:1)脹破力  2)摩擦力  3)土壤擠壓力  4)管線重力  5)其他力。

液壓脹管機選擇的依據是:Fp>Fbp+Fscp+Ff 
既液壓脹管機拉力Fp大于Fbp(脹破力)、Fscp(擠壓力)、與Ff(摩擦力)三者之和。
   但是,一般為了處理地下未知的或者未曾考慮到因素,我們始終建議在受力分析上加上50%作為余量,以保證設備在出現特殊情況下也能夠順利完成工作。
3.5選擇適當的脹管方法和刀具考慮因素:
-已有管線的材質和直徑
-新管線的材質和直徑
-更換等徑的管線還是增大直徑的管線
-舊管的埋深
-地層條件、土壤類型、密度等等
-修正夾具、三通、縮徑管、閥門、混凝土包殼等等
-其他環境因素
四.現場危險性評估
施工現場地下管線的定位,搜集各種管線位置資料,鉆孔勘察可能存在管線,鉆孔勘察要求更換管線4英尺(1m)范圍內的管線。填寫脹管工程危險性評估報告,把施工風險降到最小范圍。
4.1施工準備
依據現有管線的幾何數據決定工作井的位置與更換次序,大部分準備工作在脹管前完成。-準備與工作井的開挖包括:
-清洗現有管線CCTV勘察。
-周圍管線勘察
-通知用戶臨時管線的停止使用以及臨時替代管線的安裝
-管線的熱熔
-人井的開挖
-交通改道與施工現場的安全
4.2施工現場的布置

4.3管線拉伸變形檢測及保護
在脹管頭后部HDPE管線內部,安裝應力感應器,來測量由于拉力而產生的拉伸變形。施工中通常在HDPE管線內部安裝一個細潤滑油管,與脹管頭后部的潤滑劑分配器相連,施工中分配器噴射潤滑劑,從而降低摩擦力并保護HDPE管線的外壁。由于HDPE管線的壁厚都留有安全余量,即使有部分劃傷也不會影響管線的承壓力。依照英國燃氣協會的標準,管線有15%壁厚的劃傷不會影響整個管線的性能,而事實應用中最大的劃傷深度也低于10%。
五.案例分析
近期國內比較成功的一個脹管項目就是2005年12月12日在深圳市區長福花園內的一段鋼管更換PE工程。
使用設備: Vermeer5058液壓脹管機
被更換舊管:100mm鍍鋅鋼管,壁厚4mm,連接處達到了12mm;
新管線:100mm DR17 PE管;
更換長度:33m;
管線深度:200mm~350mm;
拉力:平均15噸,聯結處達到20噸;
時間;全部6小時(包括挖坑,穿過鉆桿及其他準備工作),實際脹管時間為40分鐘。

該工程因為是小管徑更換,不能考慮非開挖技術的其他諸如內襯法、噴涂法等方法。如果要保證地面上設施完整,那脹管法是唯一切實可行的方法。工程雖然是100鋼管換100PE的最基本案例,排土量也不是很大,但因為其埋深太淺而且要穿越網球場,從而顯出其特別之處。在工程進行過程中,由于采取了有效的防隆措施,并針對具體問題具體分析處理,最終工程完畢后不僅沒有損害到其他附近地下設施,就連網球場也沒有絲毫發生隆起現象。由此可以看出,脹管技術在更換管線方面的優勢已經相當突出了。
六.結論
脹管法雖然永遠不可能完全替代傳統的開挖方法,但是作為一種逐步成熟,切實可行的管線更換技術將會越來越廣泛的應用于管線更換工程中。
實踐表明,采用這種更換工藝已經能夠更換幾乎全部類型的舊管線,同時對社會環境、公用設施等方面造成的影響相對較小,此外還縮短了工期,節約了施工成本。