胀管法在西安市管道建设中的应用
2018-03-30段景凡雷江锁李辉辉
段景凡 雷江锁 李辉辉
(陕西中科非开挖技术股份有限公司 西安710016)
引言
近年来,随着西安市的快速发展和城市的迅速扩大,老城原有管道已经越来越无法满足现今的供应需求,而当前地下管线不明,暗接私接在老城区屡见不鲜,导致新管位的建设在老城中难以实现。胀管法作为唯一的可扩容非开挖更换施工技术,既兼容了非开挖的交通、环境效益,又解决了管道规划不足、新管位无法安排的困境。同时,陕西关中平原及陕北大部分地区,地层为黄土,土体具有较好的压缩性,十分适合胀管法管道更换施工。这种对于胀管施工的优良地质条件,也为其在西安市老旧管道的改造中提供了有利条件和物质基础。
1 胀管法技术介绍
1.1 工作原理
胀管法是利用切割刀头等设备破坏切割旧管,扩孔头胀大原有孔洞到需求直径,后接新管拖入的非开挖施工工法,其根据破坏旧管的动力施加方式分为静拉胀管和气动胀管[1]。
1.2 土质分析
由于胀管法是利用土体的空隙和可压缩性完成管道的扩容和更换,这种非开挖施工技术对于周边的地质土体情况及埋深均有较高要求。土质情况不仅是设备选择的依据,同时也是施工成败的关键因素。按不同的土质条件划分胀管施工的难度系数从低到高依次为:回填土、可挤压粘土、疏松鹅卵石、沙滩与流沙层、高密度粘土、沙石层[2,3]。西安市地层多为黄土(通常是可挤压粘土,一些是高密度粘土)等,有利于胀管法的应用与推广。
1.3 技术优势
胀管法相对于其他工程的优势有:
(1)在原有管位上铺设全新管道,节约地下空间资源,有效解决管位申请和规划问题。
(2)非开挖施工作业,具有优良的交通和环境效益,不影响地上交通。
(3)唯一能够增大管道直径的非开挖施工技术,维持甚至增加原管道能力。
(4)设备及人力的投入较小、施工速度快。
1.4 施工流程
胀管法施工时,应注意周边管线的调查确定,尤其针对自来水和天然气的分析和保护应着重考量。首先对地下构筑物及地下原有管线进行实地调查,规划出可行的施工方案,以免对其他原有管线造成损坏。
胀管法基本工艺流程如图1所示。
图1 胀管法施工基本流程Fig.1 Basic flow of pipe-burstingmethod
2 胀管法工程应用
2.1 雨水管道更换工程实例(静抗法)
1.工程概况
西安市雁南三路原雨水管道为φ300钢筋混凝土管道,现因道旁高层建筑施工时不慎将商用混凝土排入雨水管道,导致现有管道堵塞。自芙蓉西路以西1~3号井段已经完全堵死,雨水无法排走;3~8号井管道的2/3面积堵塞。根据现场情况,拟将1~8号井管道进行管道更换,采用新工艺胀管法进行管道更换施工,新管道材质为 HDPE100,外径 PE355,壁厚21.5mm,长度300m,分三段施工。现场情况如图2所示。
图2 现场平面图Fig.2 Site plan
2.工程技术难点及解决措施
胀管工艺首先需要将钻杆导入原管道后方能实施胀管作业,但1~3号井(第三段)管道内已被混凝土完全堵死,无法导入钻杆。经商讨和严密论证后,决定采用传统定向钻进技术,配置导向钻头进行控向打孔,之后延导向孔扩孔作业,松动打散管内堵塞的密实混凝土,最终形成管中空洞,确保胀管钻杆的探入和后续流程的有序进行。
施工期间多次连降大雨,对工程的进度、质量、安全带来了风险和难度,尤其在湿陷性黄土地质情况下的坑洞施工,更是面临着技术和管理上的挑战。针对此种情况,施工中采取了多种防护措施:基坑周围采用砖砌防水墙、坑口防雨采用篷布覆盖、进入基坑的管道进行封堵等,保证工程的施工安全和顺利实施。
3.现场施工
施工中采用静拉胀管的工作方式,主要设备如表1所示。
表1 施工设备表(一)Tab.1 Construction equipment
雁南三路雨水管道更换工程自进场开始彩钢围挡后,第5日设备进场,第25日拖完三段,主体工程完工。第30日路面恢复,道路交通恢复正常,如期完成施工任务。
在本工程中,原管道埋设在黄土地层,具有优良的土体压缩性,胀管施工十分顺利;第一段胀管作业用时不到3h,第二段用时不到2h,第三段用时不到1h,施工过程中回拖力最大为48 t。
工程完工后进行了闭水试验工作,并对8个井的进水口、出水口管底标高进行了测量,闭水试验及标高测量结果均满足各项规范要求。
2.2 热力胀管工程实例(气动法)
1.工程概况
西安市科技一路(唐延路—枫林路)热力管道更换工程是将原有蒸汽管更换为热水管的旧城老管改造工程,范围西起唐延路路中往东约38.5m处热力井室,往东约120m,埋深3m。科技一路原有热力管道为双排钢管,分别为钢制529mm管道和钢制159mm管道,管道中心间距1050mm。因老管道容量无法满足新增需求,拟将原管道更换为两根等径的钢制529mm管道,但由于老城内管道密布、管位紧张,无法获得新管位重新布管,故决定采用气动胀管法施工工艺,整段完成施工。现场情况如图3所示。
图3 现场平面图Fig.3 Site plan
2.工程技术难点
热力管道由于其功能的特殊性具有其鲜明的结构特点:双管排布小间距,外包保温层等。这些都对胀管工艺的周边扰动性、破管成孔等工程施工提出了挑战。
(1)双管排布
胀管施工是以土体的压缩能力为基础进行原孔洞扩大的过程,因此压缩时必定会对影响范围内的土体造成挤压和扰动,所以施工时周边管线的调查和危险管线的保护十分重要。
热力管道排布方法为双管平行且间距较小,因此胀管施工时另一根管常常无法符合安全距离的要求,所以在热力管道的胀管工程中,如何保证另外一根管道的安全性就成为了必须面对的问题之一。
(2)外包保温层
近来的胀管工程多应用于单管无保温的情况,碎管时仅需根据管材采用对应刀头便可完成破坏作业,同时无保温管的管壁较薄,破碎时较为简单方便。
热力的保温层厚度通常为150mm或更多,保温层的厚度很厚且材质与热力管钢管材质不同。面临不同材质的切割和如此大的厚度情况,如何有效地完成管道的切割破坏也成为了难点之一。
3.解决措施
为解决热力管道的双排间距小的问题,考虑本次管道的特异性,即一条529mm管道为同径置换,另一条为159mm管道变为529mm管道的现状进行了讨论研究。根据计算,第二条管道变径达到330%(通常为30%~150%)之多,胀管法工艺无法保证安全实施,故决定大管道胀管施工,而小管采用管道下方定向钻施工进行管道铺设。之后的胀管研究皆以529mm管道更换为例。
另外,针对热力胀管面临的外保温层的处理问题,通过实地考察发现现有钢制529mm蒸汽管加保温后直径达到900mm,且最外层有一玻璃钢套保护环绕,而更换后的钢制529mm热水管加保温后直径仅为670mm。同时,根据蒸汽管制作工艺,其保温层和钢管为脱开状态,可自由移动。
故根据现管道直径远大于新管且有外玻璃钢保护壳、钢管与保温层脱开等特点,最终方案确定为:(1)旧钢管推出;(2)扩孔:使用自制的扩孔装置将保温层打碎取出。扩孔和成孔后,利用现管道的玻璃钢外套保护孔洞;(3)拖入新管道完成铺设。
4.工程施工
施工中采用Impactor气动锤配合钻机的气动胀管工作方式,主要设备如表2所示。
表2 施工设备表(二)Tab.2 Construction equipment
(1)工作坑开挖
首先进行工作坑的开挖,根据需求拟定为入管坑15m×3m×4.5m、出管坑5m×3m×4.5m;为保证胀管推进时的无支线和固定装置,将施工段中间两个井室内的阀门、支线、固定支架墙和混凝土井壁连接处切除,使施工段成为直线可活动的统一整体。
(2)推管切管
①使用定向钻进行导向,引钻后将钻杆穿入待更换管道从另一端通出,待连接Impactor设备后开始推出旧管的施工作业。
②连接空压机通气,钻机拉力启动Impactor装置进行推管作业。刚开始时推出速度较慢,需要拉力较大。随着推出管道的长度增加,推进的速度逐渐加快,需要的拉力逐渐减小。后期仅为2~3min一根。
③推出管道后,达到一定长度后进行切割,切割速度约30min一根。
(3)成孔处理及拖管
钢管完全推出后,使用钻杆连接自制的扩孔、推扫装置,将保温层打碎推出,通过循环作业完成孔洞的扩大作业。扩孔完成后,进行胀管工作的拖管作业。至此,整个科技一路的气动胀管施工作业就完成了。
3 结语
面对西安市老城管网改造,胀管法以其特有的优势和交通、环境效益占据着至关重要的地位。首先,雁南三路雨水管道更换工程作为陕西省乃至西北地区首例采用胀管法进行管道更换的项目,是西安市管道改造中静拉胀管法施工的典型,为西安城区管网改造提供了新的技术方法,垫定了管道更换修复良好的基础。同时面对黄土地层的胀管施工,其流程规范的静拉法施工具有很强的借鉴和参考意义。另外,科技一路热力胀管工程则是首次将胀管工艺应用在热力管道,并在气动胀管的基础上,针对热力管道的特殊性,结合实际改进施工工法,尝试了Impactor气动装置推管更换管道新型工艺,为以后相似工程尤其是热力管道气改水工程提供了宝贵的资料和可借鉴的经验。
[1]靳学峰.胀管法在管线更换方面的应用[J].非开挖技术,2006,23(2-3):164-168 Xin Xuefeng.Application of Pipe Busting on Pipeline Replacement[J].Trenchless Technology,2006,23(2-3):164-168
[2]丁小峰.大直径污水管道更换工程中的非开挖[J].建筑施工,2010,32(3):197-199 Ding Xiaofeng.Construction Technology of Trenchless Hydraulic Expand Pipe for Big Calibre Sewer Line Replacement Project[J].Building Construction,2010,32(3):197-199
[3]臧翀,董以广,李斌.胀管法在排水管道更新中若干技术问题探讨[J].给水排水,2013,39(8):110-113 Zang Chong,Dong Yiguang,Li Bin.Discussion on technical problems in application of pipe-bursting method on pipeline replacement[J].Water& Wastewater Engineering,2013,39(8):110-113