城市地下排水管网气动碎裂管道置换技术

葛 琛

(中铁十八局集团建筑安装工程有限公司，天津 300222)

城市排水管道设施是城市基础设施的重要组成部分，在城市雨、污水集输、防洪排涝、民生服务保障等方面发挥着极其重要的作用。随着中心城区的人口与城镇建设趋于平衡，雨、污水管道的维修保养将日益增多。以往非开挖修复工艺仅采用管道内衬及点修“打补丁”的形式进行修复，造成道路损坏、交通影响、商业活动中断诸多问题。开挖替换管道修复受周边交通环境等因素影响无法施工，地下排水管网的非开挖修复是近年来城市管网维护发展的一个重要趋势[1]。

本文以气动破碎锤破碎原管后将新管进行地下替换完成管网修复，施工投资成本低、施工周期短、周边影响小、操作流程简单、成品质量合格率高，社会经济效益高。

1 工程概况

福州市城区排水管网改扩建工程(连坂片区)——首山路管网道路地处福州市仓山区大学城，双向四车道，全宽16 m、全长1 680 m，人口聚集密度高，全天交通流量大，地质以杂填土、淤泥为主，排水管道为DN315 PE管，管壁厚度12.1 mm，埋深2 m，管道常年失修，出现不同塌陷、变形等功能性病害，以至雨水内涝污水冒溢。

2 工作原理

气动碎裂管道置换工作原理利用气态动力(高压空气)碎裂管系统气动锤产生180～580次/min频率的冲击力，形成—种“环状”压力作用于旧管线中，依靠撞击动作来破碎旧管线，同时通过碎裂管头挤压旧管线碎片进入周围土壤为新管线提供空间[2]。气动碎裂管工作原理如图1所示。

图1 气动碎裂管工作原理

气动锤对爆管头的每一次敲击都将对管道产生一些小的破碎，因此持续的冲击将破碎整个旧管道。爆管头的敲击过程中还伴随来自钢索施加的拉力，钢索通过旧的管道连接到爆管头的前端，其作用是使爆管头对旧的管道的管壁施加一个压力、加速其破碎并且拉入爆管头尾部连接新管道。

3 安全性数值模拟分析

碎裂管法施工过程，最大的风险就是产生土体位移，从而导致出现地面沉降或隆起、周围管线变形等一系列问题。施工前，可通过数值模拟研究碎裂管法施工对周围土体的扰动程度[3]。

3.1 建立模型

本次以外径315 mm的PE管、管壁厚度12.1 mm、埋深2 m为例，建立气动碎裂管法施工模型，如图2所示。通过改变碎裂管切削刀头外径大小，研究刀头外径大小对地面沉降的影响。

图2 施工模型

原管道为PE管，土体采用 M-C弹塑性本构，模型主要参数如表1和表2所示。

表1 选用土体参数

表2 PE管的材料参数

3.2 模拟结果分析

通过改变碎裂管切削刀头外径大小，研究刀头大小对地面沉降的影响，其地面沉降云图如图3所示。

图3 不同外径刀头的地面沉降云图

随着碎裂管施工中选用的刀头外径的增大，对地面的扰动在不断的增大。碎裂管施工时对管道附近的土体影响较大[4]，随着与管道距离的增大，影响在不断的减小，碎裂管法对附近土体的影响较大的范围在0.5 m左右，当距离管道1.5 m时已经基本无影响；碎裂管法施工对管道上部土体影响较大，下部土体影响较小。施工过程中由于气动锤的敲击，对周围地层会造成振动，做好对周围管道或建构筑物影响的预防。

4 关键施工技术

4.1 选择碎裂管头型式

本工程施工中根据不同的施工情况采用了4种碎裂管头型式，如图4所示。

图4 碎裂管头型式

(1)前置碎裂管头组合：用于存在人井的施工项目，能降低开挖成本，是在城市拥挤地区进行等直径管道更换或扩径管道更换中最合适的最常用的碎裂管头。

(2)前置碎裂管头+管道导向器组合：用于砂质地层或用于管线出现塌陷的情况，以及出现树根严重侵入管道的情况。在这些条件下，该组合能减少管道出现犁沟和土楔现象，因而能增加施工管道长度。管道导向器也可用于铸铁管碎裂管项目。

(3)前置碎裂管头+背置牵引器组合：用于多级扩孔项目，该组合能允许碎裂管工具尺寸大于新管，这对在复杂条件进行施工或进行2～3级扩孔是很重要的。

(4)前置碎裂管头+全体扩孔器组合：能产生“拖引”效应，能有效的转化产生于碎裂管工具的能量，用于复杂条件下碎裂管、长距离碎裂管或进行较大的扩径碎裂管项目。

4.2 测量放线

根据设计图纸和现场交桩在工作井及接收井定出穿越管段的中心线并钉上控制桩，穿越管段中线对地下电缆、光缆、管道等其他障碍物等进行标记避让[5]。

4.3 洞门准备

由于工艺特点，将原有旧管破除拉入新管，为保证原有井室的安全，始发前将始发井及接收井管口洞门破除为新建管径+100 mm，洞门应保持规则完整，如图5所示。

图5 洞门破除

4.4 碎裂管头与管材连接

PE管材进行替换推荐采用螺纹承插，承插长度与管节承插相同，如表3所示，在工作井内采用特制管钳使螺纹承插漏丝不超过2丝，管节之间均采用橡胶O型密封圈进行密封。在连接过程中应考虑土层与管壁、碎裂管头的摩擦会造成管壁摩擦力增大或管壁损伤，一般情况下应该采用在新管外壁涂抹润滑油脂等方式减小管壁及碎裂管头的摩擦力。

表3 承插长度与空压机选型

4.5 接管

井室工作面建议采用螺纹承插，先由一人用长撬棒从基础将原有管道撬至设计高程，采用横挡板将原有管道控制固定，然后另一人先将新管承插至预定螺纹位置，再用两台手扳葫芦向两侧同步反向拧动，让橡胶密封圈固定就位，不活动、不损伤。

4.6 施工前检查调试

(1)在始发井内采用经纬仪将导轨调平(按照现场经验导轨安装时靠近套管入土的一端比另一端略高后期施工效果较好，但最大不应超过0.5°，以防止施工过程中破碎头低头和影响导线)，导轨的安装直接决定了施工穿越精度误差，应在施工过程中能随时测量调整。安装好接收井内钢板垫块及牵引绳索架，牵引绳索也应通过准确定位，牵引绳索水平最大偏差每50 m不得超过1°。

(2)将新管吊入操作坑中放到导轨上。施工过程防止套管的防腐层被破坏，一般都会在套管与导轨之间放上麻袋做垫层。

(3)安装爆管头。根据管径大小选择配套的击帽安装到套管上。

(4)安装空压机。根据原管管材及管径确定不同功率空压机(直径≤600 mm混凝土管、PVC均可采用30～210 kW可移动空压机)，选型标准如表3所示。

(5)调试。采用热熔机(或者螺纹承插卡扣)将新管与锤帽连接，使锤帽、套管、卷扬机牵引线的中心线与设计中心线吻合，将破碎锤头部与新管固定紧后，启动空压机，打开破碎头开关，运行1 min；关闭破碎头开关，再次检验管道导轨的方位与水平角度，若偏差超过0.5°、牵引绳索偏差超过夯进长度的1%或导轨垂直偏移大于1 cm，需重新固定调整。

4.7 开启空压机气动破碎锤及牵引

应先启动空压机，打开操作阀，先对管材进行破碎，再开启牵引千斤顶向前拖拉。在施工过程中尽量减少关机，防止出现碎裂管头卡机。如施工长度较长过程中出现牵引困难，可配合工作井内备用千斤顶“前拉后推”。若施工过程中出现卡机无法向前拖拉，应先关闭牵引千斤顶，采用高压水枪由接收井向工作井方向射水冲土后开启牵引千斤顶继续工作。

4.8 角度复核调整

4.8.1 复测调整牵引线角度

完成前一节破碎拖拉施工后，应认真测量管道牵引线的轴线偏差，角度偏差不应超过0.5°、横向不应超过轴线±5 cm。

4.8.2 管道复测纠偏

若在复测过程中发现轴线偏差超出规定范围，应该进行及时纠偏，一般采用的纠偏方式有两种：①在工作井进管口向偏移的反方向的管道外壁打木楔。②在接收井内向偏移方向的反方向改变牵引的轴线位置。施工过程中采用第一种相对便捷。

5 施工效果分析

施工中采用CCTV管道检测技术，通过控制管道中行走的机器人摄像头远程采集图像，并通过有线传输显示和记录图像。气动碎裂法置换管道前后检测结果对比如图6所示。

图6 气动碎裂置换管道前后检测图像

6 结束语

福州市城区排水管网改扩建工程首次引入应用非开挖修复——气动碎裂管法，极大程度的缩短了施工周期，降低了安全隐患，减小了交通影响，社会效益极佳，修复效果显著。