我国城市管网修复技术现状及其发展前景

2021-05-04余雪兵褚俊英张礼兵王春懿

安徽建筑 2021年4期

余雪兵，褚俊英，张礼兵，王春懿

（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100044 ；3.中建水务环保公司，北京 100037）

1 引言

随着经济的发展，城市规模越来越大，对于城市管网的布局及输送能力不断提出了新的要求。同时管网自身也面临着诸多问题，如管道腐蚀及结垢影响过流能力，地表施工及城市发展引起的地面不均匀沉降而导致管道破裂，加上部分管道达到预期使用寿命需进行修复更新。因此，不断对城市管网进行修复及改造是我国城市现代化建设的必要的任务。

传统的开挖修复方法虽然施工简便，但由于城市的发展，开挖修复受到的限制越来越多，同时对环境、交通及居民生活造成影响。对社会及环境影响较小的非开挖修复方法逐渐发展起来。非开挖修复技术于二十世纪80 年代在西方国家兴起，在欧洲、日本及美国飞速发展，已经在很多国家开始得到实践应用。1986 年国际非开挖技术协会在英国成立，推动非开挖技术理论与方法的研究成为关注热点。美国在二十世纪九十年代就将非开挖修复技术列入其国家研究计划中，同时英美等国家设立了非开挖修复相关技术的研究机构。我国非开挖技术相较于西方发达国家起步较晚，但随着我国经济飞速发展，城市建设加快了脚步，非开挖修复技术在市政工程中得到应用。然而由于对非开挖技术认识不足或因为缺乏技术及成本过高等原因，非开挖技术在实际工程中运用的比例较低。因此提升对城市管网修复技术的认识，重视非开挖技术的相关研究应用与人才培养，是我国城市管道修复行业未来发展必须要注意的问题。

2 管道修复的技术特征分析

2.1 开挖修复技术

管网开挖修复需对修复管段进行沟槽开挖，修复完成后需要进行回填，一般适用施工场地开阔，对行人及交通影响小的情况。开挖修复作为目前管网的主要修复方法，常用的开挖修复有缠绕、夹板、管箍、焊接、粘结及更换管段等方法，见表1。

作为传统的修复方法，开挖修复技术成熟，施工难度低，对施工人员技术要求不高，目前仍是管网修复的主要方式。但传统的开挖修复也存在着一些问题，如城市供水管网为有压管道，更容易发生漏损情况，缠绕、夹板、管箍等方法可以迅速有效地处理供水管网的漏损及爆管问题，然而此类方法并不能长久地解决管道老化及腐蚀导致的管道结构强度降低、漏损及爆管问题越来越严重的问题。对于开挖修复方法，若想长久解决该类问题，只能采用更换管道的方法，其成本一般较高。

2.2 非开挖修复技术

非开挖修复技术，即是在管道修复时采用特殊的方法和设备，不开挖或极少开挖沟渠，完成对管道的修复，基本不会对社会和环境造成影响，属于环境友好的施工技术。目前非开挖修复技术方法比较多，常用的非开挖修复方法及其适用条件见表2。

非开挖修复技术突破了管道所处环境的限制，只需在需修复管段两端开挖两个工作坑，直接从原管道内部进行修复，解决了城市地下管线修复时采用开挖修复面临的阻碍交通出行、破坏环境、影响商业活动及居民的日常生活及工作等难题。因此非开挖修复技术具有广泛的应用前景。

非开挖修复技术与方法根据修复原理及功能不同可分为以下几类：①首先是更换原管道的方法，碎管法作为管道的整体结构性修复的方法，在原管道需要更换时，可采用该方法，用专业器械将原管道在地下直接进行破碎并挤压进入周围土壤，并将原管道空间扩径形成新的空间，同时带入新的管道取代原有管道，新的管径可以大于原管径，当原管道不能继续使用或希望提升管网输水能力时可选择该方法；②其次是添加内村管道的方法，如运用较多的穿插法、原位固化法、折叠内衬法等技术，虽然几种技术采用的方法和材料不相同，但其核心思想都是将新的内衬管道直接安装到原管道中，用特定的方法伸展固定，让内衬管道成为原管道的一部分，承担输水任务，改善水力条件，此类方法不需要更换管道，主要是针对管道老化腐蚀导致漏损、输送能力不足及水质变差等问题，目前我国非开挖工程中，折叠内衬法和缩径内衬法运用最多，二者之和超过总非开挖工程的一半以上，而原位固化法中的紫外线光固化法由于工期短、寿命长、施工限制条件低等优点，是近年来的热门修复方法；③最后是管道局部修复技术，局部修复是对原管道内的局部问题采用“点对点”的修复手段，主要包括管道的腐蚀、破损、接口错位等缺陷引起的管道局部漏损；其中喷涂法则主要是针对管道腐蚀问题，改善管道内壁水力条件，同时可减少一些管道的渗漏问题。

开挖修复技术方法特征表1

非开挖修复技术方法特征表2

3 管网修复经济特征分析

从施工技术特点及限制条件来看，非开挖修复技术的适用情况更广。然而实际情况却是由于我国非开挖技术起步较晚，相关技术仍不成熟，非开挖修复技术的运用比例相对较低，主要在北京、上海、广州、杭州等大中城市应用相对较多，以上海和广州部分修复工程为例，其成本比较见表3 及表4。

从以上实例中可以看出非开挖修复的直接成本整体上高于开挖修复，且非开挖修复的成本浮动较大，而开挖方法技术成熟，成本相对稳定。但对于管道修复的经济比较，还要注意到其他影响因素：①应考虑到施工对社会及环境造成的影响所对应的间接成本，如熊露在计算管道修复成本时，除了考虑管道修复的直接成本，同时将修复过程中造成的交通延迟成本及工商业损失作为修复工程的社会成本，将扬尘污染和噪声污染对人体健康造成的损失作为环境成本，得出开挖修复方法综合成本大于非开挖修复方法；②非开挖修复的成本受到当前我国非开挖修复技术不够成熟等因素影响，非开挖修复所使用的材料费、人工费高，尤其购买国外材料及雇佣国外技术人员，使成本进一步提高；③受管道埋深的影响，开挖修复的成本有可能大于非开挖修复的成本。根据德国某公司提供的管道在不同管径及埋深所对应的成本数据，得到成本对应埋深的关系，见图1。可知采用开挖方法的成本随着埋深的增大而显著增加，而管道埋深对非开挖方法成本影响却较小。因此对于埋深较大的管道，采用非开挖方法的成本会比开挖方法更低。

4 管网修复发展现状及前景

上海市某10 段管道修复成本比较（元/m）表3

广州市某6 段管道修复成本比较（元/m）表4

图1 不同管径的埋深与成本关系图

图2 近年来我国管线非开挖更换和修复工程量

近年来我国管道开挖修复技术已经相对成熟，施工成本趋于稳定。非开挖技术快速发展，采用非开挖技术改造更新管道的工程量在本世纪初快速增长，见图2。同时，我国非开挖技术在实际运用方面也不断进步，如福建省东辰岩土基础工程公司使用大口径三维曲线顶管技术在电力管道施工中的应用，香港国际机场5.2km 水平定向钻施工案例研究等。此外，近年来由中国地质学会非开挖技术专业委员会主办的中国国际非开挖技术研讨会的规模不断扩大，吸引众多国外设备采购商前来观展采购，我国非开挖行业的国际影响力和竞争力得到逐步提升。总的来说，近年来我国非开挖行业有着巨大的商机和活力，正在迅速发展，不断进行突破和创新。

可以预见，在城市管网修复行业中，开挖修复方法由于操作简便、快捷，技术要求低，仍然会是管道修复的首选，是管网修复不可被替代的方法。同时非开挖修复方法将会迎来更加快速的发展，尤其是原位固化法有很大发展空间。对于管道修复，没有最好的方法，只有最合适的方法，未来管道修复发展方向有以下几点：

①修复成本低廉化，管道修复从方法技术到设备材料再到施工，其成本都有不小的下降空间，是城市管网修复发展的主要目标之一；

②修复技术信息化、智能化，管道检测及修复过程的信息化是必然的发展趋势，同时随着技术的进步，管道修复技术智能化程度也将逐步提高，检测和修复趋向自动化，管道机器人的功能更加全面，逐渐“去人工化”；

③城市地下综合管廊建设的普及，地下综合管廊可以将复杂的城市地下管线“梳理”在一起，使得管道的日常维护及修复极为方便，同时减小对城市的影响，是未来城市建设的重要方向。

虽然对于非开挖修复技术的理论和方法研究较多，但由于技术及其成本等原因，非开挖技术的使用相对较少。随着城市建设发展，地上地下空间越来越复杂，很多情况下不宜进行开挖修复，而非开挖修复作为一种对社会及环境低影响的技术，其产生的社会及环境等间接成本很低，必须受到重视。对于非开挖技术未来的发展，需要注意以下几点：

①面对巨大城市管道修复市场，应加大力度培养更多相关专业技术人员，弥补技术人员的不足的缺口；

②加大对非开挖修复技术相关设备及材料的研发（如聚脲喷雾、纳米复合材料的应用、新型管道机器人等），对原有技术做出创新，例如对于管道漏损监测定位技术的突破（如噪声信号定位、光纤传感定位等），重视相关产品的质量标准，使其更加具有国际竞争力；

③政府应积极发挥其引导作用，加强企业对非开挖技术的认识，鼓励和引导企业采用非开挖修复技术，同时加强技术研发部门与企业的合作，加速新技术的推广和使用；

④相关部门应制定更多更详细的相关技术规范与技术指南，让管道修复技术有章可循，使管道修复更加规范化；

⑤重视施工质量，规范施工，加强对管道修复后的监测与效果，完善管道修复评价管理体系，为将来管网修复提供帮助，使管网的运行维护系统化。