脹管法在西安市管道建設中的應用

段景凡 雷江鎖 李輝輝

（陜西中科非開挖技術(shù)股份有限公司 西安710016）

引言

近年來，隨著西安市的快速發(fā)展和城市的迅速擴大，老城原有管道已經(jīng)越來越無法滿足現(xiàn)今的供應需求，而當前地下管線不明，暗接私接在老城區(qū)屢見不鮮，導致新管位的建設在老城中難以實現(xiàn)。脹管法作為唯一的可擴容非開挖更換施工技術(shù)，既兼容了非開挖的交通、環(huán)境效益，又解決了管道規(guī)劃不足、新管位無法安排的困境。同時，陜西關(guān)中平原及陜北大部分地區(qū)，地層為黃土，土體具有較好的壓縮性，十分適合脹管法管道更換施工。這種對于脹管施工的優(yōu)良地質(zhì)條件，也為其在西安市老舊管道的改造中提供了有利條件和物質(zhì)基礎。

1 脹管法技術(shù)介紹

1.1 工作原理

脹管法是利用切割刀頭等設備破壞切割舊管，擴孔頭脹大原有孔洞到需求直徑，后接新管拖入的非開挖施工工法，其根據(jù)破壞舊管的動力施加方式分為靜拉脹管和氣動脹管［1］。

1.2 土質(zhì)分析

由于脹管法是利用土體的空隙和可壓縮性完成管道的擴容和更換，這種非開挖施工技術(shù)對于周邊的地質(zhì)土體情況及埋深均有較高要求。土質(zhì)情況不僅是設備選擇的依據(jù)，同時也是施工成敗的關(guān)鍵因素。按不同的土質(zhì)條件劃分脹管施工的難度系數(shù)從低到高依次為：回填土、可擠壓粘土、疏松鵝卵石、沙灘與流沙層、高密度粘土、沙石層［2，3］。西安市地層多為黃土（通常是可擠壓粘土，一些是高密度粘土）等，有利于脹管法的應用與推廣。

1.3 技術(shù)優(yōu)勢

脹管法相對于其他工程的優(yōu)勢有：

（1）在原有管位上鋪設全新管道，節(jié)約地下空間資源，有效解決管位申請和規(guī)劃問題。

（2）非開挖施工作業(yè)，具有優(yōu)良的交通和環(huán)境效益，不影響地上交通。

（3）唯一能夠增大管道直徑的非開挖施工技術(shù)，維持甚至增加原管道能力。

（4）設備及人力的投入較小、施工速度快。

1.4 施工流程

脹管法施工時，應注意周邊管線的調(diào)查確定，尤其針對自來水和天然氣的分析和保護應著重考量。首先對地下構(gòu)筑物及地下原有管線進行實地調(diào)查，規(guī)劃出可行的施工方案，以免對其他原有管線造成損壞。

脹管法基本工藝流程如圖1所示。

圖1 脹管法施工基本流程Fig.1 Basic flow of pipe-burstingmethod

2 脹管法工程應用

2.1 雨水管道更換工程實例（靜抗法）

1.工程概況

西安市雁南三路原雨水管道為φ300鋼筋混凝土管道，現(xiàn)因道旁高層建筑施工時不慎將商用混凝土排入雨水管道，導致現(xiàn)有管道堵塞。自芙蓉西路以西1～3號井段已經(jīng)完全堵死，雨水無法排走；3～8號井管道的2／3面積堵塞。根據(jù)現(xiàn)場情況，擬將1～8號井管道進行管道更換，采用新工藝脹管法進行管道更換施工，新管道材質(zhì)為 HDPE100，外徑 PE355，壁厚21.5mm，長度300m，分三段施工?，F(xiàn)場情況如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場平面圖Fig.2 Site plan

2.工程技術(shù)難點及解決措施

脹管工藝首先需要將鉆桿導入原管道后方能實施脹管作業(yè)，但1～3號井（第三段）管道內(nèi)已被混凝土完全堵死，無法導入鉆桿。經(jīng)商討和嚴密論證后，決定采用傳統(tǒng)定向鉆進技術(shù)，配置導向鉆頭進行控向打孔，之后延導向孔擴孔作業(yè)，松動打散管內(nèi)堵塞的密實混凝土，最終形成管中空洞，確保脹管鉆桿的探入和后續(xù)流程的有序進行。

施工期間多次連降大雨，對工程的進度、質(zhì)量、安全帶來了風險和難度，尤其在濕陷性黃土地質(zhì)情況下的坑洞施工，更是面臨著技術(shù)和管理上的挑戰(zhàn)。針對此種情況，施工中采取了多種防護措施：基坑周圍采用磚砌防水墻、坑口防雨采用篷布覆蓋、進入基坑的管道進行封堵等，保證工程的施工安全和順利實施。

3.現(xiàn)場施工

施工中采用靜拉脹管的工作方式，主要設備如表1所示。

表1 施工設備表（一）Tab.1 Construction equipment

雁南三路雨水管道更換工程自進場開始彩鋼圍擋后，第5日設備進場，第25日拖完三段，主體工程完工。第30日路面恢復，道路交通恢復正常，如期完成施工任務。

在本工程中，原管道埋設在黃土地層，具有優(yōu)良的土體壓縮性，脹管施工十分順利；第一段脹管作業(yè)用時不到3h，第二段用時不到2h，第三段用時不到1h，施工過程中回拖力最大為48 t。

工程完工后進行了閉水試驗工作，并對8個井的進水口、出水口管底標高進行了測量，閉水試驗及標高測量結(jié)果均滿足各項規(guī)范要求。

2.2 熱力脹管工程實例（氣動法）

1.工程概況

西安市科技一路（唐延路—楓林路）熱力管道更換工程是將原有蒸汽管更換為熱水管的舊城老管改造工程，范圍西起唐延路路中往東約38.5m處熱力井室，往東約120m，埋深3m。科技一路原有熱力管道為雙排鋼管，分別為鋼制529mm管道和鋼制159mm管道，管道中心間距1050mm。因老管道容量無法滿足新增需求，擬將原管道更換為兩根等徑的鋼制529mm管道，但由于老城內(nèi)管道密布、管位緊張，無法獲得新管位重新布管，故決定采用氣動脹管法施工工藝，整段完成施工。現(xiàn)場情況如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場平面圖Fig.3 Site plan

2.工程技術(shù)難點

熱力管道由于其功能的特殊性具有其鮮明的結(jié)構(gòu)特點：雙管排布小間距，外包保溫層等。這些都對脹管工藝的周邊擾動性、破管成孔等工程施工提出了挑戰(zhàn)。

（1）雙管排布

脹管施工是以土體的壓縮能力為基礎進行原孔洞擴大的過程，因此壓縮時必定會對影響范圍內(nèi)的土體造成擠壓和擾動，所以施工時周邊管線的調(diào)查和危險管線的保護十分重要。

熱力管道排布方法為雙管平行且間距較小，因此脹管施工時另一根管常常無法符合安全距離的要求，所以在熱力管道的脹管工程中，如何保證另外一根管道的安全性就成為了必須面對的問題之一。

（2）外包保溫層

近來的脹管工程多應用于單管無保溫的情況，碎管時僅需根據(jù)管材采用對應刀頭便可完成破壞作業(yè)，同時無保溫管的管壁較薄，破碎時較為簡單方便。

熱力的保溫層厚度通常為150mm或更多，保溫層的厚度很厚且材質(zhì)與熱力管鋼管材質(zhì)不同。面臨不同材質(zhì)的切割和如此大的厚度情況，如何有效地完成管道的切割破壞也成為了難點之一。

3.解決措施

為解決熱力管道的雙排間距小的問題，考慮本次管道的特異性，即一條529mm管道為同徑置換，另一條為159mm管道變?yōu)?29mm管道的現(xiàn)狀進行了討論研究。根據(jù)計算，第二條管道變徑達到330%（通常為30%～150%）之多，脹管法工藝無法保證安全實施，故決定大管道脹管施工，而小管采用管道下方定向鉆施工進行管道鋪設。之后的脹管研究皆以529mm管道更換為例。

另外，針對熱力脹管面臨的外保溫層的處理問題，通過實地考察發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有鋼制529mm蒸汽管加保溫后直徑達到900mm，且最外層有一玻璃鋼套保護環(huán)繞，而更換后的鋼制529mm熱水管加保溫后直徑僅為670mm。同時，根據(jù)蒸汽管制作工藝，其保溫層和鋼管為脫開狀態(tài)，可自由移動。

故根據(jù)現(xiàn)管道直徑遠大于新管且有外玻璃鋼保護殼、鋼管與保溫層脫開等特點，最終方案確定為：（1）舊鋼管推出；（2）擴孔：使用自制的擴孔裝置將保溫層打碎取出。擴孔和成孔后，利用現(xiàn)管道的玻璃鋼外套保護孔洞；（3）拖入新管道完成鋪設。

4.工程施工

施工中采用Impactor氣動錘配合鉆機的氣動脹管工作方式，主要設備如表2所示。

表2 施工設備表（二）Tab.2 Construction equipment

（1）工作坑開挖

首先進行工作坑的開挖，根據(jù)需求擬定為入管坑15m×3m×4.5m、出管坑5m×3m×4.5m；為保證脹管推進時的無支線和固定裝置，將施工段中間兩個井室內(nèi)的閥門、支線、固定支架墻和混凝土井壁連接處切除，使施工段成為直線可活動的統(tǒng)一整體。

（2）推管切管

①使用定向鉆進行導向，引鉆后將鉆桿穿入待更換管道從另一端通出，待連接Impactor設備后開始推出舊管的施工作業(yè)。

②連接空壓機通氣，鉆機拉力啟動Impactor裝置進行推管作業(yè)。剛開始時推出速度較慢，需要拉力較大。隨著推出管道的長度增加，推進的速度逐漸加快，需要的拉力逐漸減小。后期僅為2～3min一根。

③推出管道后，達到一定長度后進行切割，切割速度約30min一根。

（3）成孔處理及拖管

鋼管完全推出后，使用鉆桿連接自制的擴孔、推掃裝置，將保溫層打碎推出，通過循環(huán)作業(yè)完成孔洞的擴大作業(yè)。擴孔完成后，進行脹管工作的拖管作業(yè)。至此，整個科技一路的氣動脹管施工作業(yè)就完成了。

3 結(jié)語

面對西安市老城管網(wǎng)改造，脹管法以其特有的優(yōu)勢和交通、環(huán)境效益占據(jù)著至關(guān)重要的地位。首先，雁南三路雨水管道更換工程作為陜西省乃至西北地區(qū)首例采用脹管法進行管道更換的項目，是西安市管道改造中靜拉脹管法施工的典型，為西安城區(qū)管網(wǎng)改造提供了新的技術(shù)方法，墊定了管道更換修復良好的基礎。同時面對黃土地層的脹管施工，其流程規(guī)范的靜拉法施工具有很強的借鑒和參考意義。另外，科技一路熱力脹管工程則是首次將脹管工藝應用在熱力管道，并在氣動脹管的基礎上，針對熱力管道的特殊性，結(jié)合實際改進施工工法，嘗試了Impactor氣動裝置推管更換管道新型工藝，為以后相似工程尤其是熱力管道氣改水工程提供了寶貴的資料和可借鑒的經(jīng)驗。

［1］靳學峰.脹管法在管線更換方面的應用［J］.非開挖技術(shù)，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.大直徑污水管道更換工程中的非開挖［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，董以廣，李斌.脹管法在排水管道更新中若干技術(shù)問題探討［J］.給水排水，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