基于非开挖技术的市政给水管道工程施工技术浅析

2023-01-06安磊

散装水泥 2022年3期

安磊

（青岛经济技术开发区投资控股集团有限公司，山东青岛 266400）

传统市政给水管道工程普遍采用管道明挖施工方法，操作挖掘机械沿管道走向挖设沟槽，在槽内完成管道安装、更换、修复作业，对城市环境、道路交通等基础设施使用造成明显影响。随着工程建设规模的扩大，管道明挖方法缺乏适用性，有待改进。非开挖技术可在地表小部分开挖情况下顺利开展给水管道施工活动，解决干扰居民生活、破坏建筑物与基础设施的施工难题，为市政给水管道工程提供了全新发展方向。

1 给水管道非开挖施工技术概述

1.1 非开挖技术含义

非开挖技术是一项不破坏地表或在出入口小面积开挖地表的情况下，运用顶管法、定向钻进铺管法、原位换管法、爆管法等手段完成地下管线铺设、更换与修复任务的新型工程技术。相比于传统管道明挖技术，非开挖技术有着快速高效、铺管能力强、引入管道轨迹测量控制内容、具备复杂地层条件施工能力的特点，可以将施工活动造成的影响控制在最低程度。

1.2 非开挖技术类型

管道非开挖技术由新管道铺设、管道更新、管道修复三项分支技术组成，新管道铺设技术包括衬垫法、水平旋转钻进、冲击矛法、水平定向钻进、顶管法等；管道更新技术包括爆管法、吃管法；管道修复技术包括结构性、半结构性与非结构性修复方法。同时，各项具体技术的适用范围存在差异，需要根据工程情况加以选择。例如，水平定向钻进法适用于在沙土、卵石等地况条件下铺设塑料材质与钢制给水管道，衬垫法适用于铺设混凝土、塑料、铸铁等类型的全口径给水管道，爆管法适用于更新PE、GRP、PP等类型的重力管道及压力管道。

1.3 非开挖技术的优越性

相比于管道明挖技术，管道非开挖技术的优越性主要体现在不阻断地面交通与破坏环境、工效高、适用范围广、管道控制精度高四个方面。

（1）不阻断地面交通与破坏环境方面。施工人员仅需在入口处与出口处小面积开挖地表，即可在地层下方全程开展管道铺设、更换与修复作业，无需沿线开挖大范围沟槽，不会对地面交通设施、周边城市环境与地表植被造成过度影响。

（2）高工效方面。在应用非开挖施工技术的前提下，施工人员无需沿管道走向在地表开挖沟槽和恢复地表，明显减少工程量，提升施工效率，可以在短时间内完成市政给水管道施工任务，并将工程造价成本控制在较低程度。

（3）适用范围方面。传统的管道明挖技术应用范围有限，受到地形环境限制和满足城市运行需要，无法在河流、交通干线处挖设沟槽，而非开挖技术的应用不受地表交通干线与河流水域影响，甚至能穿过沿线建筑物。

（4）管道控制方面。在给水管道施工期间，使用地下管线探测仪、气体故障检测仪、探地雷达等多种新型仪器设备，帮助施工人员全面、详细地掌握地下施工情况，可以将市政给水管道的施工误差控制在极小程度，有利于预防管道偏位问题。

2 非开挖技术在市政给水管道工程中的实际应用及注意事项

2.1 新管道铺设技术

2.1.1 顶管法

顶管法是使用液压千斤顶与顶铁等设备开挖正面土壤，在后方导向轨道安装给水管道，逐节将管道顶入土层进行固定连接，从而在非开挖条件下完成给水管道铺设任务的一项施工技术。顶管法工艺流程由穿墙、挖土、管道顶进、顶管出洞、注浆减阻五个步骤组成。

①穿墙。清理穿墙管内泥土杂物，管内填充纸筋黏土，对穿墙孔外不稳固土体进行注浆加固，开启穿墙管闷板后推出工具管，安装止水法兰加压板。

②挖土。在导轨处将给水管道安装就位，安装顶铁，测量管道中心点及标高，于前端挖土，持续观察挖土方向和开挖形状，使用双筒卷扬机牵引车将挖掘土料运至地面，在挖土至预定位置后，在前端挖设0.5m深坑道。

③管道顶进。保持后背固定不动，开启千斤顶和油泵，持续向前推动管子，遵循“先挖后顶、随挖随顶”原则，连续性完成首节与后续节段管子的顶进作业。

④顶管出洞。在工作井外布置直径稍大于管径的预留洞口，封闭洞口间隙处和埋设法兰件，操作顶管机控制首节管子破开洞口进入土内，重点检查是否存在下跌情况，必要时对工具管进行纠偏调整。

⑤注浆减阻。配备中继加压泵、存浆箱等装置，参照施工图在现场钻设注浆孔，制备触变泥浆，在顶管过程中，自注浆孔持续灌注触变泥浆，泥浆在压力作用下填充给水管道空隙，固结后形成泥浆保护套，以此控制顶管阻力、固定管道。同时，在注浆情况发生变化时，调节注浆量等工艺参数，如在开展顶管拐角处注浆作业时，上调注浆量。

2.1.2 水平定向钻进法

水平定向钻进是一项适用于黏性土地况、管径不超过70cmPVC管和钢管等类型的非开挖管道铺设技术，有着施工扰动小、具备水下作业条件、进出场速度快的优势。在应用水平定向钻进法时，首先，提前做好施工准备工作，参照施工图在现场划设钻机控制线、开挖点与标记设备安装位置，对场地进行平整处理，依次放置钻机、钻杆等工具设备，并根据现场情况规划管线作业带，在穿越中心线位置挖设地锚坑、砌筑砖墙或灌注混凝土加固。其次，对钻机位置和垂直度进行测量校正，将钻头控制在横过中心线部位，校准钻机定向控制参数，开展钻机试钻作业。在试钻结束后，控制钻机沿指定方向角度开展钻进，钻设导向孔，同步检查钻头钻进方向角度与钻机参数是否正常，及时采取纠偏措施。再次，当完成全线钻进作业后，进入扩孔步骤，重复开展交叉绞孔与洗孔作业，同步倒运、连接钻杆及钻具，持续观察绞孔情况，判断是否具备继续扩孔条件，当存在绞孔不顺情况时，额外开展洗孔作业，直至孔径被扩充到设计值，一般情况下，扩孔值为最初导向孔径的1.3～1.5倍。最后，开展管线回拖作业，搭配使用万向节、钻杆、钻机转盘、桶式扩孔器等工具设备，提前检查管道连接部位牢固情况，确定无误后，启动钻机转盘提供驱动力，控制钻杆执行后退动作，匀速将管线回拖，提前在孔内注入适量泥浆，使得管道在泥浆作用下保持悬浮状态，从而减少回拖阻力，避免管道与孔壁相互摩擦形成过深表面划痕。在管道回拖至预定位置后，清理孔内泥浆，恢复地表、地貌，即可完成给水管道铺设作业。

2.2 管道更新技术

2.2.1 爆管法

爆管法适用于更换具备易碎性、管径在50～900mm范围内的给水管道，如普通混凝土、铸铁、塑料等材质的管道，并配置气动锤、静力牵引器、液压胀管器等工具设备。管道施工期间，在原有市政给水管道中放入气动锤和爆管头等锥形工具，启动气动锤，推动爆管头笔直前进，在穿过旧有管道时产生较大冲击力，使得管道结构破碎，碎片被延碾机挤压至周边土层当中。同时，在爆管头后方拉入全新给水管道，牵引钢丝绳向管道提供拉力，将管道拉入孔内进行固定，完成管道更换作业，由于爆管头后部直径略大于新旧给水管道，可以起到减小管道拉入摩擦阻力的作用。在应用爆管法时，重点考虑土壤条件、管径扩张程度、爆管深度三项因素。

①提前开展地质勘察作业，综合分析体积模量、弹性模量、摩擦角等土壤参数，判断是否具备爆管法应用条件，如果沿线土壤条件均衡性较差，或是管道下方分布坚硬岩石基底或松散沙层，容易出现抑制管道下腹爆裂、管道偏离、管道下沉、局部坍塌等问题，应采取其他管道更换技术。

②根据现场土壤条件与新管管径选择合理的管径扩张程度，尽量将扩张程度控制在旧管管径2倍以内，在设定大比例扩管管径时不得采取静力牵引技术，可采取液压胀管技术，保持绞车与液压扩张钻头连接状态，控制钻头间歇性扩张旧管，向管道垂直施加张力。

③分析地下水位、旧管埋深值、土壤膨胀等因素，设定爆管深度值，保持作业面与邻近地下结构的安全间隔距离，如与住宅建筑保持3.35m以上的安全间距，与邻近地下建筑保持2.45m以上的安全间距。

2.2.2 吃管法

吃管法是在现场安装微型隧道掘进机，施工人员操作掘进机沿旧有给水管道进行钻进，切割沿途坚硬岩石、土壤并运出碎屑，再顶入与断面尺寸基本一致的全新管道，待管道位置调整完毕后进行固定，即可完成管道更换任务。相比于爆管法，吃管法有着不会挤压周围土壤、适应多种地况、可更换铸铁管与钢管之外的全部类型管道的工艺优势。在应用吃管法时，需提前调查现场地质情况、确定所更换给水管道所处位置，在图纸上明确标记所需更换、无需更换的给水管道，根据工程情况选择相应的工艺设备，如AVP Crush Lining工艺设备、Pipe Replacer设备等。

3 给水管道非开挖修复技术

3.1 结构性修复

结构性修复技术多用于更换老化严重的给水管道，以碎管衬装法为主，操作方法与爆管法较为相似，施工人员操作卷扬机等设备拉动原有给水管道并进行破碎处理，将碎管向四周土层中挤压，在原位拖入全新给水管道进行安装，对管道位置进行调整，完成管道修复作业。由于管道外围土层中嵌入大量旧管碎片，为给水管道营造良好的环境条件，新给水管道实际承受的径向荷载、外部压力明显小于旧有管道，且新管管径可略大于旧管管径或保持一致。

3.2 非结构性修复

管道非结构性修复技术由环氧树脂衬里、水泥砂浆衬里等方法组成。在给水管道内部放入旋转喷头，清理管道内壁上附着的灰尘污渍，朝管道内壁旋转、均匀喷涂水泥砂浆、环氧树脂或环氧玻璃鳞片等材料，在旋喷结束后静置一段时间，涂层材料产生凝结固化现象，逐渐形成衬里保护层，与原有给水管道组成全新的复合管体，在不改变给水管道结构的前提下，完成管道修复任务，可以解决管道减压流、水体变色等问题。

根据实际应用情况来看，相比于其他修复技术，管道非结构性修复技术的适用范围有限，多用于修复结构状态良好、轻微腐蚀、未出现渗漏问题的给水管道，如果管道表面结垢层过厚、存在孔洞裂缝等质量通病，容易出现衬里层脱落问题，没有起到实际修复作用。同时，受到材料与厚度限制，衬里层的承压能力有限，无法起到提高管道结构强度与改善结构承压性能的作用。

3.3 半结构性修复

在非开挖技术体系中，管道半结构性修复技术包括内衬管滑入衬装法、CIPP原位固化法、无缝衬装法三项，不同修复方法的适用范围、效果存在差异，应根据管道工况和修复目的加以选择。

（1）内衬管滑入衬装法是提前拆除阀门、阀件与弯头，在原有给水管道内部装入全新的PE管，在新旧管道间隔部位灌注适量水泥砂浆，砂浆固结后起到固定PE管的作用，在修复完毕后安装所拆卸阀门配件。此项方法有着操作简单的优势，但无法控制内衬管道弯曲、转向，且PE管管径略小于原有管道管径，会影响市政给水管网的供水能力，多用于修复大口径给水管道。

（2）CIPP原位固化法适用于翻新修复管径在100～1 500mm范围内的给水管道，使用热固性树脂纤维材料编织内衬软管，在内衬管表面均匀涂刷聚合物涂料，并将内衬管放置在环氧树脂溶液中浸泡一段时间，随后，采取水重力或启动方式，将内衬管翻转至给水管道内部，将浸渍环氧树脂的内衬管与给水管道内壁保持紧密贴合状态，在高温条件下使环氧树脂固化，形成坚硬的“管中管”结构，即可完成管道修复作业，起到提高管道结构强度的作用。

（3）无缝衬装法是在旧有给水管道内部装入管径一致或略大的PE管，提前将PE管拉长，在张力作用下使管道截面积缩小，在PE管衬入旧管后，因失去张力和受到高温、高压条件影响，PE管逐渐恢复原有截面积，与外侧旧管管壁保持紧密贴合状态，实现无缝贴衬的目的。