排水管道非開挖修復技術在市政管養(yǎng)中的應用分析

田 豐

(合肥市新站高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)城市管理局,安徽 合肥 230000)

0 引 言

近年來,排水管道系統(tǒng)隨著我國城市市政系統(tǒng)的迅速發(fā)展而逐步完善,貫穿城市的大街小巷,但排水管道施工時間不同,疏于排水管網(wǎng)維護,造成部分管道接口泄露、接頭松動、錯位等。排水管道連接松動會有縫隙,管道周圍的泥土進入管道,在沒有土壤支撐的情況下管道會下沉,管道接口錯位,在承受外力時不均勻,容易產(chǎn)生裂縫,導致管道緩慢變形。排水管道缺陷導致道路坍塌、水環(huán)境污染,增加處理成本等[1-3]。

當前,中國城市地下排水系統(tǒng)長期存在“重建設輕養(yǎng)護”的情形。雖然采用開挖修復的方式相對簡單,直接建設費用較低,但在多數(shù)情況下,開挖方法會給社會帶來許多負面影響[4,5]。例如開挖時交通車輛和行人的混亂,以及施工人員的安全,修復后道路使用壽命的降低等。管線位置的特殊性帶來了修復方式的局限性,而非開挖修復技術使管線修復和妨礙城市交通之間的矛盾達到了平衡。

1 國內(nèi)外非開挖修復技術發(fā)展現(xiàn)況

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

1971年,英國最早研發(fā)出排水管道非開挖修復技術,即CIPP翻轉(zhuǎn)法和滑動襯里法。在進行排水管道修復的過程中,首先需要檢測埋地管道損壞的位置和損壞情況,因此應用了閉路電視(CCTV)檢測管道的檢測方法。20世紀80年代,排水管道非開挖修復技術在英國得到廣泛應用,并逐步推廣到全球,各種非開挖修復技術施工方法標準、驗收標準等相關標準正式發(fā)布。90年代,西歐、美國、日本等發(fā)達國家開始廣泛使用該技術,其良好的可加工性和經(jīng)濟性得到世界范圍的認可。日本創(chuàng)立了“管道再生方法與技術協(xié)會”,組成各種非開挖修復技術協(xié)會[6]。該協(xié)會統(tǒng)一了技術術語,聯(lián)合舉辦了技術研討會等。在日本,翻轉(zhuǎn)襯里技術和牽引技術經(jīng)過大量工程實踐已經(jīng)非常成熟,一些公司也參與研究,創(chuàng)新了非開挖修復技術。而在一些發(fā)達國家,非開挖技術的建設量已占所有地下管道工程的10%,個別城市如柏林市已達到40%。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國于1998年首次引進非開挖修復技術,該技術在我國起步相對較晚,還需要進一步完善。目前北京、上海、廣州等大中型城市在應用排水管道非開挖修復技術。以上海為例,管道非開挖修復年投資金額已達2 000萬元,而且投資還可能會進一步加大。國內(nèi)排水管道修復工程已成功采用減少HDPE管道修復技術、短管內(nèi)襯焊接修復技術、轉(zhuǎn)CIPP內(nèi)襯修復技術和機械系統(tǒng)螺旋管內(nèi)襯修復技術等多種非開挖技術,尤其是轉(zhuǎn)CIPP內(nèi)襯修復技術得到了更廣泛的應用[7]。2013年4月,《上海市城市排水管道非開挖修復技術實施指南(試行)》由上海市水務局發(fā)布,該文件詳細介紹了各種非開挖修復技術的工藝特點和適用范圍等。我國還向全國主要城市制定了城市排水管道非開挖修復技術的技術法規(guī),非開挖修復技術在我國正處于蓬勃發(fā)展的關鍵時期[8]。

2 排水管道非開挖技術介紹

根據(jù)修復范圍,排水管道非開挖修復技術可分為輔助性修復、局部性修復和整體性修復三大類。

輔助性修復往往與其他非開挖修復技術配套使用,作為非開挖修復的預處理方法,可保證管道及路基在搶修過程中的穩(wěn)定。

局部性修復是利用非開挖技術修復管道局部缺陷的一種方法,該方法主要針對局部的管道內(nèi)部破裂、滲漏等結(jié)構(gòu)性缺陷,與整體修復相比更為經(jīng)濟。常見的局部修復技術包括局部樹脂固化、不銹鋼泡沫筒、雙環(huán)和局部現(xiàn)場固化修復技術等。

整體性修復是指在開挖或少量開挖的情況下,對管道進行修復的一種施工方法。CIPP內(nèi)襯修復技術、內(nèi)襯螺旋纏繞修復技術、短管內(nèi)襯修復焊接技術、折疊牽引內(nèi)襯修復技術、水泥基聚合物涂層修復技術等是整體修復方法中較常用的方法。目前,世界上80%的非開挖修復技術是CIPP內(nèi)襯修復技術,該技術是1971年由英國發(fā)明的。

3 不銹鋼泡沫鋼瓶修復技術簡介

非開挖設計主要采用不銹鋼發(fā)泡瓶修復工藝,現(xiàn)將有關工藝介紹如下:不銹鋼發(fā)泡鋼瓶工藝產(chǎn)自加拿大,針對不開挖就地修復的管道破裂、漏水、漏泥等專業(yè)方法,能有效強化,避免泥漿密封;耐用,不會脫落對截面造成影響;不銹鋼泡沫筒的寬度在400～600mm,適用于直徑在300mm到1 500mm之間輕度/中度管道泄漏,不適用于嚴重損壞的管道。直徑小于800mm時,需要管道專用TV內(nèi)窺鏡檢測設備輔助;當直徑大于800mm時,需要人工輔助修復。

如果空間口徑大,便于工人進入管道施工,人工輔助修復成本低。如果修復管道直徑在400mm到800mm之間,建議使用人工輔助修復,相關修復工藝如下:

(1) 為保障長期在管道內(nèi)工作的維修人員的安全,在操作前,要對管道進行停水清洗,檢查管道內(nèi)的氣體是否安全,將危險完全排除。

(2) 接口處漏水或管路破裂,可做一些水封、泥漿密封或其他預處理,然后將不銹鋼泡沫筒擺動至接口處,在需要維修的管道上做一些維修施工。

不銹鋼發(fā)泡筒的最外層是吸附材料,上面涂有特殊的發(fā)泡劑;中間層是特制的鋼桶,卷曲的桶在維修過程中通過膨脹機進行膨脹,當不銹鋼桶與管壁緊密貼合時,桶上的定位卡將桶鎖住,可保證膨脹收縮后不反彈,再將樹脂漿注于規(guī)定時間內(nèi)使其發(fā)泡,從而使不銹鋼桶和吸附材料及管路渾然一體,不銹鋼泡沫筒和土壤周圍的所有破裂縫隙被完全填滿,可加強支撐和長期徹底檢查泥水和泥漿密封,發(fā)泡膠固結(jié)數(shù)小時后即可澆水。

不銹鋼泡沫鋼瓶修復技術在一定程度上會減少管道斷面,造成管道回水,在管道較小坡度處易淤積,因此,該技術不適用于較小坡度的管道處。

4 給排水施工非開挖技術的應用范圍

4.1 管道修復技術

在城市道路施工給排水非開挖技術的施工過程中,需要對管道進行維護、更換、維修,從而保證管道的安全。管道修復技術,主要是對發(fā)生損壞和泄漏的管道進行修復,使其能夠正常使用。對于管道的修復,通常采用外防腐修復技術和內(nèi)修復技術兩種方法。采用水壓和氣壓襯里材料,將復合軟管翻轉(zhuǎn)襯在管道內(nèi)壁進行翻轉(zhuǎn),然后通過熱水和蒸汽使其更加堅硬,從而更好地修復管道內(nèi)壁。管道修復時,可以采用PE材質(zhì),它具有良好的使用特性,對舊管道內(nèi)襯的修復有一定的作用。管道修復采用PE材質(zhì),采用高壓抓水技術,對管道內(nèi)部的污垢和雜質(zhì)進行沖洗,去除管道內(nèi)部的污垢,保持管道的清潔,使管道恢復到原來的狀態(tài)。對于管道的修復,也可以采用這種技術,從而使不銹鋼模襯提高管道的使用壽命,增強它的耐腐蝕性。

4.2 管道更換

對于城市道路管線的更換,通常采用爆破法。事實上是使用錐管工具,插入到需要更換舊管道,使用推力打破管道,從而達到管道斷裂破碎的目標,管碎片落進周圍的土壤,新管通過張力和推力放置到原始位置,從而完成管道的更換。在微巷道掘進法中,也稱原位管道置換法。

管道置換法主要是利用專用的隧道掘進機,沿著舊管的方向進行操作,然后安裝直徑較大的管道。此法可以提高管道輸送能力,主要適用于地下埋深較大的排污管道。管道更換非開挖技術可以根據(jù)管道的特點采取適當?shù)募夹g手段,以方便管道的更換。

4.3 管道鋪設

管道敷設采用非開挖技術施工,在操作過程中,利用導軌和頂鐵將液壓千斤頂上的泥土及管內(nèi)的泥土清除干凈。第一段管一路進土,第二段管繼續(xù)進土作業(yè),隨后循環(huán)將所有的土進土并使界面連接,從而完成管道敷設。非開挖技術特別適用于涉及湖泊、河流及古建筑的管道修復。采用非開挖技術,管道敷設可以提高工作效率,減少工作時間,方便工作人員操作,對環(huán)境影響小,不會產(chǎn)生較大的噪聲和粉塵。

5 給排水非開挖施工技術的應用

5.1 非開挖技術在新管道敷設中的應用

城市道路施工給排水施工過程中,采用非開挖技術,主要采用水平定向鉆進法、錘擊法、頂管作業(yè)鋪設新管道。舊管道維修主要采用就地固化法和纏繞法進行操作。

5.1.1 水平定向鉆井方法

水平定向鉆井法,是一種比較常見的新型管道敷設技術,無須開挖就能實現(xiàn)管道敷設。水平定向鉆井方法是在控制技術和鉆井技術發(fā)展的基礎上,運用現(xiàn)代科學技術與新技術相結(jié)合發(fā)展而成的一種非開挖技術。水平式鉆孔法的工作原理是,根據(jù)管道已經(jīng)架起的管線,利用楔形鉆孔器配合,將鉆桿埋入地面,然后按照規(guī)劃的方向,通過計算機控制,繞過障礙物向前推進,直到到達目的地。在這種情況下,有必要拆下鉆頭并安裝一種特殊類型的合適的回位鉸刀,使其能夠完成鉆取鉆桿至所需直徑,將鉆桿用于敷設孔入口,從而避免在操作過程中,因空間不足而造成鉆桿磨損或損壞。在鉆孔作業(yè)過程中,需要注意加入化學泥漿,防止在鉆井施工過程中發(fā)生垮塌。水平導向鉆孔法的工作主要有:施工準備—測量定位—鉆孔機就位—導向鉆孔—擴孔—拉管—檢查砌體—工作坑回填—地貌回收。工程建設中使用的主要機械設備有導向鉆床、導航儀、輔助增壓裝置、管道探測器、電探測器、夯擊設備等。臥式鉆孔法,可對PVC管、PE管等管道進行剛性連接。需要注意的是,在鋪設管道之前,需要對地面上的管道進行連接。鉆孔的最遠距離為800m,導向定位系統(tǒng)可勘測最深層次為30m,在此范圍內(nèi)開展施工作業(yè)。水平導向鉆進法的主要優(yōu)點是在施工中遇到問題時可以及時處理并加以簡化,從而保證工程的正常施工。如果在鉆孔擴孔的過程中遇到了巨大的石塊等障礙物,這時會導致通道不能形成直線,需要重新沖孔操作,新的沖孔不會導致材料損失。

水平方向鉆孔法,具有一定的局限性,對施工場地有較高的要求,需要敷設管道留有一定的空間,要放置鉆孔和下一管坑開挖。如果與建筑物的距離很近,并且沒有下方開挖的區(qū)域,則不宜采用水平導向鉆孔法敷設新管道。

5.1.2 錘擊法

錘擊法,主要是使用氣動夯錘錘擊,需要敷設埋在地層中的鋼管。需要注意的是,氣動夯錘錘擊需要使用頻率低,沖擊大。我國使用的夯擊設備,主要是國外進口的,可鋪設直徑2m以上范圍。

長度小于100m的各類鋼管,與水平導向鉆井方法相比,沖塞方法相對較低。只需要能進下一根鋼管即可,可以有效鋪設直徑較大的鋼管,且操作簡單,效率高。使用錘擊法進行施工時,需要用到的主要設備有空氣壓縮機、發(fā)動機阻力、夯錘等。在操作過程中,后期的鋼管主要是承擔鋼管錘的作用,然后通過鋼管的動力到前面的鋼管靴上盜取土塊,操作過程中需要克服鋼管和土體的作用力作用,將鋼管埋入地面。用預埋鋼管將泥土切割入鋼管中,將第一段鋼管放入地下,第二段鋼管繼續(xù)預埋,做鋼管之間的連接接口,直到最后一段鋼管完全預埋,再用壓縮空氣、螺旋鉆鋼管或人工開挖的方法,將鋼管中的泥土清除干凈。

5.1.3 頂管法

頂管法是一種非開挖技術,這種技術應用于盾構(gòu)后的研發(fā)技術,它可以在直徑600～4 000mm的管道內(nèi)敷設。較早時頂管法作為一種特殊的敷設方法,使用起來并不容易。目前頂管的使用比較普遍,并得到了業(yè)主的認可。隨著社會的進步,頂管法的應用逐漸擴大。它的應用范圍主要包括水管、燃氣管道以及電力電纜,未來的應用領域還會不斷擴大。頂管法具有一定的優(yōu)勢,它可以在不破壞交通的情況下方便城市交通的施工。它對交通的影響較小,對于城市道路的建設非常重要。

5.2 非開挖技術在舊管道修復中的應用

5.2.1 就地固化法

非開挖技術在舊管道修復中的應用促進了管道修復行業(yè)的發(fā)展,節(jié)省了管道修復的時間和成本,為管道修復工作帶來了極大的便利。就地固化法主要用于下水管道修復。

就地固化法最初只是作為一種常見的管道施工方法,在不破壞土壤的情況下對管道進行養(yǎng)護。隨著社會的發(fā)展,這項技術在我國得到了應用,并在此基礎上發(fā)展為我國最常用的管道維修方法。就地固化法,可以對不同形狀和不同尺寸的管道進行修復處理?，F(xiàn)場固化方法適用于直徑在100～3 000mm的管道,其工作原理主要是在舊管壁上涂上一層液體熱固性樹脂,利用熱固化劑與舊管壁形成一層緊密結(jié)合的黏膜,進行封閉修復,增強管道過流。采用就地固化法進行管道修復,可將管道的使用壽命延長30～60年。采用就地固化方法,能夠?qū)濐^、變徑管道進行修復,修復長度可在數(shù)千米。緊密附著在墻面上的樹脂材料,可以承受管道的臟水污染,可適用于含高濃度化學物質(zhì)的污水管道。

5.2.2 纏繞法

纏繞法主要是用聚氯乙烯或高濃度聚乙烯設置母棒材和t形棒材的邊。然后將管機做成螺旋狀,放入管件內(nèi)嵌鎖,并用硅膠密封。在混凝土與螺旋管之間需要注入水泥漿,此操作需要在管后進行。

纏繞法的具體操作流程為:準備—清理管道—cctv檢測繞線機到位—加潤滑劑—管子繞線到位—張緊鋼絲—縫漿—支管—cctv檢測—洪水試驗。采用纏繞法進行管道維修,在法國、日本、德國已得到廣泛應用,我國有一些地區(qū)也開始采用這種方法,且效果較好。纏繞法適用于管道的直徑在150～2 500mm,管道的長度在300m左右,對于各種類型的污水管道,都可以進行修理。纏繞法用于污水管道的修復具有良好的發(fā)展前景。

6 結(jié)束語

排水管道非開挖修復技術可以有效減少對交通、環(huán)境及周邊設施的影響,特別是在一些不能直接開挖的特殊區(qū)域,只有采用非開挖技術才能解決管道修復問題。

雖然非開挖法修復的直接費用比開挖法要高,但深入研究表明,非開挖法的單位平均成本(6 624元/m)強于開挖法(9 425元/m)。目前,我國的非開挖修復技術還處于發(fā)展階段,非開挖修復技術不夠成熟,標準規(guī)范還不夠完善。為此,加大非開挖修復技術推廣力度,加快制定中國市政工程非開挖修復技術標準和規(guī)范,使非開挖修復技術應用范圍逐步擴大,進而逐步提高我國非開挖修復技術水平非常必要。