水浮穿管法在供水管道维修工程中的应用

城市经济发展与基础设施的日益完善,对配套设施稳定运行也提出更高的要求,供水行业与城市生活息息相关,为保障供水管网安全稳定运行,供水企业在总结各类管材抢修技术经验的基础上,也不断探索尝试管道维修的新技术、新工艺。

1 工程概况

某输水管道为DN1 400 mm混凝土内衬玻璃钢加砂管，长2 m/根，质量为2 t/m，通水时质量3.4 t/m，接口为承插式，供水压力0.27 MPa,长度1.7 km。由于自重及周边地质条件等原因造成管道沉降不均，沿线出现多处漏点，经排查确定，为管道接口漏水。由于漏点较多且输水管线周边环境不具备进场逐个维修条件，从技术与安全供水角度发出，采取铺设一根DN1 000 mm涂塑钢管保障连续供水，在原管道内部穿一根DN1 000 mmPE管道恢复该管线输水功能的维修方案。

2 施工工艺流程

将原混凝土管道在折点处开挖、断管，开挖工作坑，断管后降低管内水位，达到预留液位高度，将焊接好的PE管道利用水的浮力与拖拽设备穿入混凝土管内，见图1。

图1 水浮穿管法

3 预留液位高度

根据PE管道漂浮于混凝土管内时的液面高程，使用倒推法计算所需漂浮用水的总截面面积，得出水浮穿管前的预留液位高度。

3.1 浮力计算

根据PE管材厂家提供的参数，本工程使用的PE管材质量为186 kg/m，根据浮力公式ρ水gV排=mg，得出每米管道V排=0.186 m3。

3.2 PE管夹角α的计算

S扇AOB=S△AOB+S排ABC

πr2×α/360=1/2×sinα×r2+0.186

式中：r为PE管道外半径，0.56 m。

求得α=120°后，可进一步求得水浮穿管过程中，液面所需高度H，见图2。

图2 穿管横断

3.3 H计算

H=R-h=R-cos（α/2）×r

式中：R为混凝土管道内半径0.7 m。

求得H=0.42 m后，可进一步求得DN1 400 mm混凝土管的液位夹角β。

3.4 β计算

cos（β/2）=h/R

求得β=132°后，可进一步求得每米PE管穿管用水所需体积V。

3.5 V计算

V=V扇AOB-V△AOB-V排ABC=πR2×β/360-1/2×sinβ×R2-0.186

求得V=0.204 m3后，可进一步求得穿管前留水液面夹角γ。

3.6 γ计算

S扇AOB=S△AOB+S弓ABC

πR2×γ/360=1/2×sinγ×R2+0.204

求得γ=107°后，可最终求得穿管前留水液面高度。

3.7 穿管前留水液面高度计算

H=R-h=R-cos（γ/2）×R=0.7-cos（107/2）×0.7=0.28（m）

通过浮力计算，确定DN1 400 mm混凝土管道中水位至0.28 m，即可将PE管道漂浮于现状管道中，见图3。

图3 预留水横断

4 拖拽设备的选择

4.1 牵引力计算

P=K(P1+P2)

式中：K为启动系数，取值为2～2.5；P1为PE管道与土壤的间的滚动摩擦力，P1=Gf1；G为PE管道的重力；f1为滚动摩擦系数，取0.2～0.4；P2为PE管道与现状管道中折点位置的摩擦力，P2=Gf2；f2为滑动摩擦系数，取0.4～0.6。

4.2 吊装带的选择与校核

根据最大牵引力计算吊装带破断力RH=P0mn/k

式中：P0为最大牵引力；m为工作系数，取1.1；n为过重系数，取2；k为断裂系数，新绳取1，旧绳取0.8。

校核[1]K=T/P

式中：K为吊装带安全系数，取3～3.5；T为所选吊装带实际破断力。

4.3 动力设备的选择

设备总牵引力符合F≥Pmb

式中：m为工作条件系数，取1.2；b为土壤不均匀系数，取1.2～1.25。

设备台数n=F/KsF0

式中：F0为每台设备额定牵引力；Ks为前应设备的组合系数；1台设备时，取Ks=1；2台设备时，取Ks=0.75～0.85；3台设备时，取Ks=0.5～0.75。

经过核算，1 km长距离水浮穿管选用2台PC220和1台PC350型挖掘机、3条荷载8 t的吊装带就可以满足穿越的动力需求。大功率宽履带式挖掘机与吊管机、卷扬机等设备在长距离穿管时具有较好的操作性，可优先选为牵引设备。当然具体的穿越环境各不相同，牵引设备的选择要和当地环境、进场难易结合好，保证有足够的安全系数。

5 施工要点

1）现场勘查。根据原工程竣工资料，确定工作基坑开挖位置，宜选在管道折点位置，相邻基坑距离不宜超过1 km。

2）管道预制组装。将现场稍加平整作为预制场地，管道顺管沟方向分段组装热熔焊接。本工程PE管道长17.5 m/根，根据穿越实际情况，预制5～7根为一段，首段管道封堵管口。

3）管道打压[2]。由于PE管完全穿入现状混凝土管中，如在穿管完成后再行打压试验，会难以寻找漏点，需要整管重新拔出。为避免出现返工情况，宜每段组装焊接完成后在地面先行打压，合格后再进行穿管，穿管完成后，每两个基坑为一单位再进行二次打压。

4）工作基坑开挖。基坑长30 m、宽6 m，破除坑内DN1 400 mm管道，深度为现状管道管底以下0.5 m，根据现场土质情况，边坡做打桩支护。坑内管口处使用砂袋堵口，防止管内留水外溢。

5）降水。根据PE管材密度及浮力计算公式，排出管道余水，保证液面高度为0.28 m。

6）PE管道运输。管道下方铺设圆管辅助滚动前进，使用2台挖掘机捆绑吊装带方式牵引预制组装完成的PE管道至工作坑内。牵引、推动PE管道过程中，宜使用圆管铺设PE管道下方滚动前行，防止路面损伤管道外皮，如出现外皮损伤较大，影响运行安全情况，应将缺陷部位切除后再热熔连接[3]。

7）水浮穿管[4]。使用挖掘机牵引PE管穿入现状管道，利用多台挖掘机配合牵引管道穿越。随穿管长度增加，管道摩擦阻力加大，逐步增加牵引挖掘机数量至3台。

8）增加工作坑。穿管过程中，遇到较大折点无法穿行的情况时，根据已穿管总体长度，测算折点大致位置，增挖工作坑。

9）管道连接。PE管道穿管出头后，由于管道自重较大，热熔机的液压泵无法提供足够牵引力，无法在坑内实现热熔对焊，宜在接头处焊接法兰根，使用波纹伸缩节进行连接[5]。

10）基坑回填。排出混凝土管道内所有漂浮用水，坑内回填石屑至PE管顶0.5 m并做好混凝土包管保护。

6 工艺特点

1）工期短。减少工作基坑数量，降低工程量，缩短施工时间，最快可达到350 m/d，原计划28 d工期，实际12 d完成。

2）施工费用低。比常规穿管施工减少4个工作基坑，施工费用节省约15%。

3）质量有保障。减少PE管道与现状混凝土管道摩擦阻力，保护PE管材质量。

但是水浮穿管法属于整体隐蔽工程，对热熔焊口质量要求高，需要现场施工人员技术水平高，管理人员认真负责，一旦穿管完成后打压试验不合格，会造成极大工期延误及返工费用。

7 结语

综上所述，穿管施工采用水浮穿管工艺，具有质量保障性高、工期短、施工费用低等优点，但应注意穿管过程中及时补水或抽水，确保管道漂浮于所穿管中，不与所穿管壁发生摩擦；同时应在施工过程中，对管道的管壁及管头进行重点保护，防止施工机械对其划伤。此工艺能够保证管网工程质量和供水运行安全，具有一定的推广和借鉴意义，为相关同类维修工程提供有利参考。