高水頭、大直徑污水管道水囊封堵及地面塌陷快速修復(fù)技術(shù)探討

龍桂華 湯志明 楊山青 歐陽枧

1. 深圳市市政工程總公司 廣東 深圳 518109；2. 深圳市隧道工程有限公司 廣東 深圳 518048

隨著城市化建設(shè)步伐的加快，地下管網(wǎng)日趨完善，而管道在使用過程中難免會由于外力損傷、材料設(shè)備腐蝕、施工質(zhì)量、違規(guī)操作、自然災(zāi)害等原因發(fā)生管道泄漏事故，這些泄漏事故造成了經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境污染和人民生命財產(chǎn)損害，因此氣囊封堵及快速修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用有著重要的現(xiàn)實意義[1-2]。在大直徑、超大直徑輸水管道進(jìn)行修復(fù)等施工時，采用氣囊封堵及快速修復(fù)技術(shù)更能發(fā)揮節(jié)約施工時間、優(yōu)化施工環(huán)境、減少對社會負(fù)面影響等優(yōu)勢，在實際應(yīng)用中有著巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益[3]。使用氣囊對流體介質(zhì)（水、油、氣等）進(jìn)行封堵，在許多行業(yè)中早已應(yīng)用。在供水行業(yè)，對輸水管道進(jìn)行修漏、改接施工時，也采用氣囊堵水技術(shù)[4]，但目前工程中比較成熟的是300 mm以下的管道封堵氣囊，1 600 mm以上大口徑的管道封堵氣囊在實際應(yīng)用中極少。究其原因，一方面氣囊受到的水壓力隨著管徑的增大而呈幾何級數(shù)增加，另一方面大口徑氣囊所能承受的水頭壓力反而降低[5]。為解決此問題，本文總結(jié)出一套高水頭、大直徑污水管道水囊封堵及地面塌陷快速修復(fù)施工工藝，并在多項工程實踐中得到了成功應(yīng)用。

1 工程概況與背景

深圳市梅龍路清湖小學(xué)對面的觀瀾河左岸坡出現(xiàn)塌陷，塌陷面積約6 m2，塌陷區(qū)下方埋深10 m處為DN2 400污水干管，為通往污水廠主干管，此管道橫穿梅龍大道，上游有2根管道接入，即觀瀾河西岸DN2 200管道及觀瀾河?xùn)|岸DN1 500管道，經(jīng)探測判斷為污水干管破損導(dǎo)致地面塌陷。在塌陷區(qū)附近共發(fā)現(xiàn)6處土體松散或土體松散局部空洞異常，其中，護(hù)坡1處、梅龍大道東側(cè)路面4處、人行道1處。現(xiàn)需要對塌陷處污水管道進(jìn)行緊急修復(fù)，方法為：初步采用300 m3石粉回填塌陷處空洞，利用注水式堵水氣囊對管道破損段兩端水流進(jìn)行阻斷并導(dǎo)流，隨后通過開挖逆作井，對管道破損段采用鋼管內(nèi)穿進(jìn)行結(jié)構(gòu)性整體修復(fù)，以提高強度。

2 工程重難點

塌陷處為三通井，管徑大，污水經(jīng)由DN2 200及DN1 500管道流入DN2 400管道；污水管道埋深約10 m，污水水位高8 m，井內(nèi)流速1 m/s，管口處流速更快；干管污水流量約40萬 t/d。污水干管管徑大、水位高、流速快、水量大，現(xiàn)狀井為磚砌井，且溢流污水井邊坡內(nèi)掏空，導(dǎo)流施工、管道封堵施工難度大。如何更快、更好、更經(jīng)濟(jì)地將高水頭、大直徑、快流速下的管道事故段兩端水流進(jìn)行阻斷并導(dǎo)流，形成一個安全、可靠的施工空間，是一個比較大的技術(shù)難題。

3 工藝原理及流程

本技術(shù)在傳統(tǒng)的氣囊封堵技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，采用天然橡膠材質(zhì)，壁厚12 mm、長度為4 800 mm、質(zhì)量為260 kg，氣囊拉環(huán)厚度為20 mm，氣囊出廠檢測壓力為0.2 MPa，氣囊可封堵水深≤10 m。管道封堵氣囊是利用優(yōu)質(zhì)橡膠做成的圓柱形氣囊，通過先往氣囊里注入氣囊容積80%的水，然后再采用往氣囊里充氣的方式使其快速膨脹形成柔性塞體，當(dāng)堵水氣囊內(nèi)的氣體壓力達(dá)到規(guī)定要求時，堵水氣囊填滿整個管道斷面，利用管道封堵氣囊與管道產(chǎn)生的摩擦力堵住漏水，從而達(dá)到目標(biāo)管段內(nèi)無滲水的目的[6]。

為防止氣囊泄氣或氣壓不足，保證施工段形成一個安全、可靠的施工空間，注水式堵水氣囊封堵完成后，再抽排氣囊封堵段管道內(nèi)的水，在下游堵水氣囊的前部砌筑二次截水裝置，采用早強水泥和磚砌筑堵水磚墻，并時刻監(jiān)測注水式堵水氣囊內(nèi)部壓力的變化情況。

待封堵完成后再進(jìn)行管道修復(fù)作業(yè)，采用逆作井開挖修復(fù)的方法。由于塌陷段管徑大，塌陷嚴(yán)重，管段修復(fù)采用內(nèi)穿鋼管，以鋼管頂進(jìn)的形式，并隨時監(jiān)測塌陷段土體及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，直至塌陷段管段修復(fù)完成。管道封堵及修復(fù)技術(shù)實施工藝流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)實施工藝流程

依照技術(shù)路線和控制要點，在項目實施過程中的施工情況如下。

3.1導(dǎo)流情況

1）西岸DN2 200污水管道是通過在導(dǎo)流點2、3設(shè)置DN600虹吸管，將污水分別導(dǎo)流至西岸DN2 000箱涵和東岸DN2 500箱涵；導(dǎo)流點2、3水導(dǎo)流至箱涵。

2）東岸DN1 500污水管道是通過在導(dǎo)流點1埋設(shè)DN600的管道，將污水導(dǎo)流至東岸DN2 500箱涵（圖2）。

圖2 平面示意

3.2管道封堵施工

此管道封堵施工方法是在傳統(tǒng)氣囊封堵技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化。

封堵氣囊直徑、長度確定：管道規(guī)格為DN2 200，根據(jù)計算采用直徑為2 200 mm的氣囊滿足使用要求。考慮現(xiàn)場實際情況，暫定氣囊長度為4.8 m，并通過受力計算后進(jìn)行確定。

計算原理：通過對比氣囊注水、氣囊充氣情況下，氣囊與管道混凝土之間產(chǎn)生的摩擦力對抵抗最大水頭差壓力的能力，并以抗壓安全系數(shù)來表示。

水壓力與氣囊摩擦力對比計算：

1）水壓力計算[7-8]。水的密度ρ＝1×103kg/m3，重力加速度g＝10 N/kg，最大水頭為8 m，因此，水頭對氣囊的水壓力為：

式中：r——氣囊截面半徑；

h——最大水頭；

t——某一液面到X軸的高度，如圖3所示。

圖3 直角坐標(biāo)系法計算水頭壓力斷面示意

2）氣囊中壓力計算。

① 氣囊充氣時氣體壓力計算：直徑為2.2 m的氣囊最大工作壓強為0.2 MPa，取0.15 MPa，因此，P2＝0.15 MPa。制作長4.8 m的氣囊，其中，與管道有效接觸的長度L＝3 m，因此，受力面積S氣＝27.632 m2。氣體壓力F2＝P2S氣。

② 氣囊注水時壓力計算：同樣直徑為2.2 m的氣囊，充入80%左右的水再充氣，取壓強P3＝0.15 MPa，即P3＝0.15 MPa，氣囊的液面高度h＝1.8 m。因此需分別求出氣體壓力F氣和水壓力F水，如圖4所示。

圖4 直角坐標(biāo)系法計算氣囊壓力斷面示意

氣囊中總壓力F3＝F氣＋F水。

3）摩擦力計算。根據(jù)JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》，橡膠與混凝土摩擦因數(shù)取0.3，通過蛙人水下探摸的管道情況，管道內(nèi)部附著淤泥及其他雜物，考慮摩擦因數(shù)受影響，預(yù)測摩擦因數(shù)約為0.1，因此，充氣時摩擦力F4＝F2×0.1，注水時摩擦力F5＝F3×0.1。

4）抗壓安全系數(shù)。F4＞F1，抗壓安全系數(shù)＝F4/F1≈1.7倍。F5＞F1，抗壓安全系數(shù)＝F5/F1≈2.0倍。

由此可見，氣囊注水相比氣囊充氣，既有安裝方便、施工速度快的特點，針對高水頭、大直徑管道封堵時，又有安裝后穩(wěn)定、不移動、封堵效果好的優(yōu)點，同時增加了安全系數(shù)，即便氣囊被管壁刺破或在管道修復(fù)完成后的放氣過程中，囊內(nèi)水體也不會瞬間流失導(dǎo)致氣囊滑脫，減小了下游修復(fù)作業(yè)風(fēng)險，配合二次截水裝置——封堵墻，為工人修復(fù)管道提供一個安全可靠的施工作業(yè)環(huán)境。

整個封堵是注水式堵水氣囊和擋水墻組合封堵裝置，堵水氣囊施工完畢后，將堵水氣囊封堵段至下游段管道內(nèi)水抽排，并在下游堵水氣囊的前部設(shè)二次截水裝置。二次截水裝置的作用，一是封堵氣囊堵水后的少量滲水；二是防止氣囊突然的滑脫。

1）氣囊下放管道。將連接好的管道堵水氣囊里面的空氣排出，豎著卷起來，并將水壓車與氣泵的管道分別與氣囊上的連接管連接（任意連接都可，此處以水壓車連接管1，空壓機連接管2為例），然后通過輸水管道的檢查口放入待修復(fù)管段內(nèi)，在保證安全的前提下，將氣囊放至待修復(fù)管道內(nèi)的指定位置，用鐵鉤鉤住吊環(huán)，防止氣囊被沖走（圖5）。

圖5 注水式堵水氣囊結(jié)構(gòu)示意

2）氣囊充水。通過與連接管連接的水壓車加壓往氣囊里注水，至氣囊容積的80%后關(guān)閉閥門，緊接著利用氣泵往氣囊里充氣，至規(guī)定的使用壓力且氣囊緊貼在管道內(nèi)壁即可。

3）氣囊充氣。充氣時應(yīng)保持氣囊內(nèi)壓力均勻，嚴(yán)格控制充氣速度，應(yīng)緩慢充氣，觀察壓力表上升變化，若壓力表快速上升說明充氣過快，此時應(yīng)放慢充氣速度，否則速度過快，迅速超壓很有可能會打爆氣囊。

4）保持氣壓表連接。保持20 min內(nèi)壓力控制表與氣管連接，觀察氣囊內(nèi)部壓力的數(shù)據(jù)變化情況，若無變化，即可進(jìn)行下一步操作。

5）擋水墻的砌筑（圖6）。首先在管道底部砌筑寬1 500 mm的墻體，直至砌到高度為管道直徑的1/2時，改為砌筑寬1 200 mm的墻體，再砌至2/3高度時改為寬1 000 mm的墻體，在砌筑的過程中，將之前加工好的泄水管及閥門同步安裝在堵墻中部位置，根據(jù)需要可安裝2～3根泄水管，泄水管安裝到位后，用水泥與泡化堿拌制快凝水泥并立即進(jìn)行管底墊實與壓實。

圖6 擋水墻砌筑剖面示意

封堵完成后，輸水管道閉水修復(fù)施工過程中，每隔半個小時檢查一次氣壓表，當(dāng)氣壓不足時及時補充，若氣壓泄壓過快要及時上報并停止施工作業(yè)（圖7）。

圖7 管道封堵剖面示意

本工程采用“逆作井施工＋頂進(jìn)鋼管”的結(jié)構(gòu)性修復(fù)方案。管道修復(fù)流程如圖8所示：

圖8 管道修復(fù)流程

1）逆作井防水注漿施工。

① 主要注漿材料及性能：硅酸鈉溶液（水玻璃）及磷酸按1∶1比例混合，初凝時間1～2 s。

② 砂層注漿常規(guī)方案因凝固時間較長，漿液未凝固前已流失，達(dá)不到注漿效果。井內(nèi)沿井壁打設(shè)長2.5 m、間距60 cm鋼管，注雙液漿，選擇磷酸＋硅酸鈉溶液并在2 s內(nèi)凝固，砂層中堵水效果較好。

2）管道吊裝。管道吊裝由專業(yè)吊車指揮人員、司機、司索工及固定的配合人員共同完成。

3）鋼管在原管中頂進(jìn)及承插口對接。管道頂進(jìn)前，應(yīng)將管道調(diào)整好并對準(zhǔn)原管道口，同時千斤頂就位；管道頂進(jìn)時，應(yīng)緩慢進(jìn)行；鋼管共分2段，每段均為2 m，利用吊車分批次吊裝下井。第1節(jié)管節(jié)頂進(jìn)至原管管口后停止頂進(jìn)，將第2節(jié)管節(jié)吊裝至工作井內(nèi)，調(diào)整好方位，與第1節(jié)管節(jié)在原管管口進(jìn)行承插口對接，管段的承插接口結(jié)構(gòu)較為特殊，對接簡便，2節(jié)管段對口后，只需控制管節(jié)的頂進(jìn)速度即可完成承插口對接操作。承插口對接完成后，將對接好的2節(jié)管段繼續(xù)頂進(jìn)至原管塌陷段指定位置即可。

4）該段管道清淤檢測和修復(fù)完工驗收通過后進(jìn)行堵水裝置的拆除。水下封堵墻和氣囊拆除施工步驟為：管道抽排水→DN2 200管道檢查井封堵墻拆除→注水式氣囊拆除。

4 結(jié)語

本文根據(jù)現(xiàn)場實際工況設(shè)計出了一套可行性較高的地面塌陷快速修復(fù)技術(shù)，此技術(shù)在本次搶險中得到成功應(yīng)用，并有效解決了高水頭、大直徑、快流速的污水管道快速封堵修復(fù)的技術(shù)難題，實現(xiàn)了技術(shù)突破，而且綜合成本較低，取得了較好的社會、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)方案在項目上得到了順利推廣，并獲得了多方的認(rèn)可，可為相關(guān)施工項目提供借鑒。