城市地下排水管網氣動碎裂管道置換技術

葛 琛

(中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司，天津 300222)

城市排水管道設施是城市基礎設施的重要組成部分，在城市雨、污水集輸、防洪排澇、民生服務保障等方面發揮著極其重要的作用。隨著中心城區的人口與城鎮建設趨于平衡，雨、污水管道的維修保養將日益增多。以往非開挖修復工藝僅采用管道內襯及點修“打補丁”的形式進行修復，造成道路損壞、交通影響、商業活動中斷諸多問題。開挖替換管道修復受周邊交通環境等因素影響無法施工，地下排水管網的非開挖修復是近年來城市管網維護發展的一個重要趨勢[1]。

本文以氣動破碎錘破碎原管后將新管進行地下替換完成管網修復，施工投資成本低、施工周期短、周邊影響小、操作流程簡單、成品質量合格率高，社會經濟效益高。

1 工程概況

福州市城區排水管網改擴建工程(連坂片區)——首山路管網道路地處福州市倉山區大學城，雙向四車道，全寬16 m、全長1 680 m，人口聚集密度高，全天交通流量大，地質以雜填土、淤泥為主，排水管道為DN315 PE管，管壁厚度12.1 mm，埋深2 m，管道常年失修，出現不同塌陷、變形等功能性病害，以至雨水內澇污水冒溢。

2 工作原理

氣動碎裂管道置換工作原理利用氣態動力(高壓空氣)碎裂管系統氣動錘產生180～580次/min頻率的沖擊力，形成—種“環狀”壓力作用于舊管線中，依靠撞擊動作來破碎舊管線，同時通過碎裂管頭擠壓舊管線碎片進入周圍土壤為新管線提供空間[2]。氣動碎裂管工作原理如圖1所示。

圖1 氣動碎裂管工作原理

氣動錘對爆管頭的每一次敲擊都將對管道產生一些小的破碎，因此持續的沖擊將破碎整個舊管道。爆管頭的敲擊過程中還伴隨來自鋼索施加的拉力，鋼索通過舊的管道連接到爆管頭的前端，其作用是使爆管頭對舊的管道的管壁施加一個壓力、加速其破碎并且拉入爆管頭尾部連接新管道。

3 安全性數值模擬分析

碎裂管法施工過程，最大的風險就是產生土體位移，從而導致出現地面沉降或隆起、周圍管線變形等一系列問題。施工前，可通過數值模擬研究碎裂管法施工對周圍土體的擾動程度[3]。

3.1 建立模型

本次以外徑315 mm的PE管、管壁厚度12.1 mm、埋深2 m為例，建立氣動碎裂管法施工模型，如圖2所示。通過改變碎裂管切削刀頭外徑大小，研究刀頭外徑大小對地面沉降的影響。

圖2 施工模型

原管道為PE管，土體采用 M-C彈塑性本構，模型主要參數如表1和表2所示。

表1 選用土體參數

表2 PE管的材料參數

3.2 模擬結果分析

通過改變碎裂管切削刀頭外徑大小，研究刀頭大小對地面沉降的影響，其地面沉降云圖如圖3所示。

圖3 不同外徑刀頭的地面沉降云圖

隨著碎裂管施工中選用的刀頭外徑的增大，對地面的擾動在不斷的增大。碎裂管施工時對管道附近的土體影響較大[4]，隨著與管道距離的增大，影響在不斷的減小，碎裂管法對附近土體的影響較大的范圍在0.5 m左右，當距離管道1.5 m時已經基本無影響；碎裂管法施工對管道上部土體影響較大，下部土體影響較小。施工過程中由于氣動錘的敲擊，對周圍地層會造成振動，做好對周圍管道或建構筑物影響的預防。

4 關鍵施工技術

4.1 選擇碎裂管頭型式

本工程施工中根據不同的施工情況采用了4種碎裂管頭型式，如圖4所示。

圖4 碎裂管頭型式

(1)前置碎裂管頭組合：用于存在人井的施工項目，能降低開挖成本，是在城市擁擠地區進行等直徑管道更換或擴徑管道更換中最合適的最常用的碎裂管頭。

(2)前置碎裂管頭+管道導向器組合：用于砂質地層或用于管線出現塌陷的情況，以及出現樹根嚴重侵入管道的情況。在這些條件下，該組合能減少管道出現犁溝和土楔現象，因而能增加施工管道長度。管道導向器也可用于鑄鐵管碎裂管項目。

(3)前置碎裂管頭+背置牽引器組合：用于多級擴孔項目，該組合能允許碎裂管工具尺寸大于新管，這對在復雜條件進行施工或進行2～3級擴孔是很重要的。

(4)前置碎裂管頭+全體擴孔器組合：能產生“拖引”效應，能有效的轉化產生于碎裂管工具的能量，用于復雜條件下碎裂管、長距離碎裂管或進行較大的擴徑碎裂管項目。

4.2 測量放線

根據設計圖紙和現場交樁在工作井及接收井定出穿越管段的中心線并釘上控制樁，穿越管段中線對地下電纜、光纜、管道等其他障礙物等進行標記避讓[5]。

4.3 洞門準備

由于工藝特點，將原有舊管破除拉入新管，為保證原有井室的安全，始發前將始發井及接收井管口洞門破除為新建管徑+100 mm，洞門應保持規則完整，如圖5所示。

圖5 洞門破除

4.4 碎裂管頭與管材連接

PE管材進行替換推薦采用螺紋承插，承插長度與管節承插相同，如表3所示，在工作井內采用特制管鉗使螺紋承插漏絲不超過2絲，管節之間均采用橡膠O型密封圈進行密封。在連接過程中應考慮土層與管壁、碎裂管頭的摩擦會造成管壁摩擦力增大或管壁損傷，一般情況下應該采用在新管外壁涂抹潤滑油脂等方式減小管壁及碎裂管頭的摩擦力。

表3 承插長度與空壓機選型

4.5 接管

井室工作面建議采用螺紋承插，先由一人用長撬棒從基礎將原有管道撬至設計高程，采用橫擋板將原有管道控制固定，然后另一人先將新管承插至預定螺紋位置，再用兩臺手扳葫蘆向兩側同步反向擰動，讓橡膠密封圈固定就位，不活動、不損傷。

4.6 施工前檢查調試

(1)在始發井內采用經緯儀將導軌調平(按照現場經驗導軌安裝時靠近套管入土的一端比另一端略高后期施工效果較好，但最大不應超過0.5°，以防止施工過程中破碎頭低頭和影響導線)，導軌的安裝直接決定了施工穿越精度誤差，應在施工過程中能隨時測量調整。安裝好接收井內鋼板墊塊及牽引繩索架，牽引繩索也應通過準確定位，牽引繩索水平最大偏差每50 m不得超過1°。

(2)將新管吊入操作坑中放到導軌上。施工過程防止套管的防腐層被破壞，一般都會在套管與導軌之間放上麻袋做墊層。

(3)安裝爆管頭。根據管徑大小選擇配套的擊帽安裝到套管上。

(4)安裝空壓機。根據原管管材及管徑確定不同功率空壓機(直徑≤600 mm混凝土管、PVC均可采用30～210 kW可移動空壓機)，選型標準如表3所示。

(5)調試。采用熱熔機(或者螺紋承插卡扣)將新管與錘帽連接，使錘帽、套管、卷揚機牽引線的中心線與設計中心線吻合，將破碎錘頭部與新管固定緊后，啟動空壓機，打開破碎頭開關，運行1 min；關閉破碎頭開關，再次檢驗管道導軌的方位與水平角度，若偏差超過0.5°、牽引繩索偏差超過夯進長度的1%或導軌垂直偏移大于1 cm，需重新固定調整。

4.7 開啟空壓機氣動破碎錘及牽引

應先啟動空壓機，打開操作閥，先對管材進行破碎，再開啟牽引千斤頂向前拖拉。在施工過程中盡量減少關機，防止出現碎裂管頭卡機。如施工長度較長過程中出現牽引困難，可配合工作井內備用千斤頂“前拉后推”。若施工過程中出現卡機無法向前拖拉，應先關閉牽引千斤頂，采用高壓水槍由接收井向工作井方向射水沖土后開啟牽引千斤頂繼續工作。

4.8 角度復核調整

4.8.1 復測調整牽引線角度

完成前一節破碎拖拉施工后，應認真測量管道牽引線的軸線偏差，角度偏差不應超過0.5°、橫向不應超過軸線±5 cm。

4.8.2 管道復測糾偏

若在復測過程中發現軸線偏差超出規定范圍，應該進行及時糾偏，一般采用的糾偏方式有兩種：①在工作井進管口向偏移的反方向的管道外壁打木楔。②在接收井內向偏移方向的反方向改變牽引的軸線位置。施工過程中采用第一種相對便捷。

5 施工效果分析

施工中采用CCTV管道檢測技術，通過控制管道中行走的機器人攝像頭遠程采集圖像，并通過有線傳輸顯示和記錄圖像。氣動碎裂法置換管道前后檢測結果對比如圖6所示。

圖6 氣動碎裂置換管道前后檢測圖像

6 結束語

福州市城區排水管網改擴建工程首次引入應用非開挖修復——氣動碎裂管法，極大程度的縮短了施工周期，降低了安全隱患，減小了交通影響，社會效益極佳，修復效果顯著。