排水管道非开挖修复技术在市政管养中的应用分析

田 丰

(合肥市新站高新技术产业开发区城市管理局,安徽 合肥 230000)

0 引 言

近年来,排水管道系统随着我国城市市政系统的迅速发展而逐步完善,贯穿城市的大街小巷,但排水管道施工时间不同,疏于排水管网维护,造成部分管道接口泄露、接头松动、错位等。排水管道连接松动会有缝隙,管道周围的泥土进入管道,在没有土壤支撑的情况下管道会下沉,管道接口错位,在承受外力时不均匀,容易产生裂缝,导致管道缓慢变形。排水管道缺陷导致道路坍塌、水环境污染,增加处理成本等[1-3]。

当前,中国城市地下排水系统长期存在“重建设轻养护”的情形。虽然采用开挖修复的方式相对简单,直接建设费用较低,但在多数情况下,开挖方法会给社会带来许多负面影响[4,5]。例如开挖时交通车辆和行人的混乱,以及施工人员的安全,修复后道路使用寿命的降低等。管线位置的特殊性带来了修复方式的局限性,而非开挖修复技术使管线修复和妨碍城市交通之间的矛盾达到了平衡。

1 国内外非开挖修复技术发展现况

1.1 国外发展现状

1971年,英国最早研发出排水管道非开挖修复技术,即CIPP翻转法和滑动衬里法。在进行排水管道修复的过程中,首先需要检测埋地管道损坏的位置和损坏情况,因此应用了闭路电视(CCTV)检测管道的检测方法。20世纪80年代,排水管道非开挖修复技术在英国得到广泛应用,并逐步推广到全球,各种非开挖修复技术施工方法标准、验收标准等相关标准正式发布。90年代,西欧、美国、日本等发达国家开始广泛使用该技术,其良好的可加工性和经济性得到世界范围的认可。日本创立了“管道再生方法与技术协会”,组成各种非开挖修复技术协会[6]。该协会统一了技术术语,联合举办了技术研讨会等。在日本,翻转衬里技术和牵引技术经过大量工程实践已经非常成熟,一些公司也参与研究,创新了非开挖修复技术。而在一些发达国家,非开挖技术的建设量已占所有地下管道工程的10%,个别城市如柏林市已达到40%。

1.2 国内发展现状

我国于1998年首次引进非开挖修复技术,该技术在我国起步相对较晚,还需要进一步完善。目前北京、上海、广州等大中型城市在应用排水管道非开挖修复技术。以上海为例,管道非开挖修复年投资金额已达2 000万元,而且投资还可能会进一步加大。国内排水管道修复工程已成功采用减少HDPE管道修复技术、短管内衬焊接修复技术、转CIPP内衬修复技术和机械系统螺旋管内衬修复技术等多种非开挖技术,尤其是转CIPP内衬修复技术得到了更广泛的应用[7]。2013年4月,《上海市城市排水管道非开挖修复技术实施指南(试行)》由上海市水务局发布,该文件详细介绍了各种非开挖修复技术的工艺特点和适用范围等。我国还向全国主要城市制定了城市排水管道非开挖修复技术的技术法规,非开挖修复技术在我国正处于蓬勃发展的关键时期[8]。

2 排水管道非开挖技术介绍

根据修复范围,排水管道非开挖修复技术可分为辅助性修复、局部性修复和整体性修复三大类。

辅助性修复往往与其他非开挖修复技术配套使用,作为非开挖修复的预处理方法,可保证管道及路基在抢修过程中的稳定。

局部性修复是利用非开挖技术修复管道局部缺陷的一种方法,该方法主要针对局部的管道内部破裂、渗漏等结构性缺陷,与整体修复相比更为经济。常见的局部修复技术包括局部树脂固化、不锈钢泡沫筒、双环和局部现场固化修复技术等。

整体性修复是指在开挖或少量开挖的情况下,对管道进行修复的一种施工方法。CIPP内衬修复技术、内衬螺旋缠绕修复技术、短管内衬修复焊接技术、折叠牵引内衬修复技术、水泥基聚合物涂层修复技术等是整体修复方法中较常用的方法。目前,世界上80%的非开挖修复技术是CIPP内衬修复技术,该技术是1971年由英国发明的。

3 不锈钢泡沫钢瓶修复技术简介

非开挖设计主要采用不锈钢发泡瓶修复工艺,现将有关工艺介绍如下:不锈钢发泡钢瓶工艺产自加拿大,针对不开挖就地修复的管道破裂、漏水、漏泥等专业方法,能有效强化,避免泥浆密封;耐用,不会脱落对截面造成影响;不锈钢泡沫筒的宽度在400～600mm,适用于直径在300mm到1 500mm之间轻度/中度管道泄漏,不适用于严重损坏的管道。直径小于800mm时,需要管道专用TV内窥镜检测设备辅助;当直径大于800mm时,需要人工辅助修复。

如果空间口径大,便于工人进入管道施工,人工辅助修复成本低。如果修复管道直径在400mm到800mm之间,建议使用人工辅助修复,相关修复工艺如下:

(1) 为保障长期在管道内工作的维修人员的安全,在操作前,要对管道进行停水清洗,检查管道内的气体是否安全,将危险完全排除。

(2) 接口处漏水或管路破裂,可做一些水封、泥浆密封或其他预处理,然后将不锈钢泡沫筒摆动至接口处,在需要维修的管道上做一些维修施工。

不锈钢发泡筒的最外层是吸附材料,上面涂有特殊的发泡剂;中间层是特制的钢桶,卷曲的桶在维修过程中通过膨胀机进行膨胀,当不锈钢桶与管壁紧密贴合时,桶上的定位卡将桶锁住,可保证膨胀收缩后不反弹,再将树脂浆注于规定时间内使其发泡,从而使不锈钢桶和吸附材料及管路浑然一体,不锈钢泡沫筒和土壤周围的所有破裂缝隙被完全填满,可加强支撑和长期彻底检查泥水和泥浆密封,发泡胶固结数小时后即可浇水。

不锈钢泡沫钢瓶修复技术在一定程度上会减少管道断面,造成管道回水,在管道较小坡度处易淤积,因此,该技术不适用于较小坡度的管道处。

4 给排水施工非开挖技术的应用范围

4.1 管道修复技术

在城市道路施工给排水非开挖技术的施工过程中,需要对管道进行维护、更换、维修,从而保证管道的安全。管道修复技术,主要是对发生损坏和泄漏的管道进行修复,使其能够正常使用。对于管道的修复,通常采用外防腐修复技术和内修复技术两种方法。采用水压和气压衬里材料,将复合软管翻转衬在管道内壁进行翻转,然后通过热水和蒸汽使其更加坚硬,从而更好地修复管道内壁。管道修复时,可以采用PE材质,它具有良好的使用特性,对旧管道内衬的修复有一定的作用。管道修复采用PE材质,采用高压抓水技术,对管道内部的污垢和杂质进行冲洗,去除管道内部的污垢,保持管道的清洁,使管道恢复到原来的状态。对于管道的修复,也可以采用这种技术,从而使不锈钢模衬提高管道的使用寿命,增强它的耐腐蚀性。

4.2 管道更换

对于城市道路管线的更换,通常采用爆破法。事实上是使用锥管工具,插入到需要更换旧管道,使用推力打破管道,从而达到管道断裂破碎的目标,管碎片落进周围的土壤,新管通过张力和推力放置到原始位置,从而完成管道的更换。在微巷道掘进法中,也称原位管道置换法。

管道置换法主要是利用专用的隧道掘进机,沿着旧管的方向进行操作,然后安装直径较大的管道。此法可以提高管道输送能力,主要适用于地下埋深较大的排污管道。管道更换非开挖技术可以根据管道的特点采取适当的技术手段,以方便管道的更换。

4.3 管道铺设

管道敷设采用非开挖技术施工,在操作过程中,利用导轨和顶铁将液压千斤顶上的泥土及管内的泥土清除干净。第一段管一路进土,第二段管继续进土作业,随后循环将所有的土进土并使界面连接,从而完成管道敷设。非开挖技术特别适用于涉及湖泊、河流及古建筑的管道修复。采用非开挖技术,管道敷设可以提高工作效率,减少工作时间,方便工作人员操作,对环境影响小,不会产生较大的噪声和粉尘。

5 给排水非开挖施工技术的应用

5.1 非开挖技术在新管道敷设中的应用

城市道路施工给排水施工过程中,采用非开挖技术,主要采用水平定向钻进法、锤击法、顶管作业铺设新管道。旧管道维修主要采用就地固化法和缠绕法进行操作。

5.1.1 水平定向钻井方法

水平定向钻井法,是一种比较常见的新型管道敷设技术,无须开挖就能实现管道敷设。水平定向钻井方法是在控制技术和钻井技术发展的基础上,运用现代科学技术与新技术相结合发展而成的一种非开挖技术。水平式钻孔法的工作原理是,根据管道已经架起的管线,利用楔形钻孔器配合,将钻杆埋入地面,然后按照规划的方向,通过计算机控制,绕过障碍物向前推进,直到到达目的地。在这种情况下,有必要拆下钻头并安装一种特殊类型的合适的回位铰刀,使其能够完成钻取钻杆至所需直径,将钻杆用于敷设孔入口,从而避免在操作过程中,因空间不足而造成钻杆磨损或损坏。在钻孔作业过程中,需要注意加入化学泥浆,防止在钻井施工过程中发生垮塌。水平导向钻孔法的工作主要有:施工准备—测量定位—钻孔机就位—导向钻孔—扩孔—拉管—检查砌体—工作坑回填—地貌回收。工程建设中使用的主要机械设备有导向钻床、导航仪、辅助增压装置、管道探测器、电探测器、夯击设备等。卧式钻孔法,可对PVC管、PE管等管道进行刚性连接。需要注意的是,在铺设管道之前,需要对地面上的管道进行连接。钻孔的最远距离为800m,导向定位系统可勘测最深层次为30m,在此范围内开展施工作业。水平导向钻进法的主要优点是在施工中遇到问题时可以及时处理并加以简化,从而保证工程的正常施工。如果在钻孔扩孔的过程中遇到了巨大的石块等障碍物,这时会导致通道不能形成直线,需要重新冲孔操作,新的冲孔不会导致材料损失。

水平方向钻孔法,具有一定的局限性,对施工场地有较高的要求,需要敷设管道留有一定的空间,要放置钻孔和下一管坑开挖。如果与建筑物的距离很近,并且没有下方开挖的区域,则不宜采用水平导向钻孔法敷设新管道。

5.1.2 锤击法

锤击法,主要是使用气动夯锤锤击,需要敷设埋在地层中的钢管。需要注意的是,气动夯锤锤击需要使用频率低,冲击大。我国使用的夯击设备,主要是国外进口的,可铺设直径2m以上范围。

长度小于100m的各类钢管,与水平导向钻井方法相比,冲塞方法相对较低。只需要能进下一根钢管即可,可以有效铺设直径较大的钢管,且操作简单,效率高。使用锤击法进行施工时,需要用到的主要设备有空气压缩机、发动机阻力、夯锤等。在操作过程中,后期的钢管主要是承担钢管锤的作用,然后通过钢管的动力到前面的钢管靴上盗取土块,操作过程中需要克服钢管和土体的作用力作用,将钢管埋入地面。用预埋钢管将泥土切割入钢管中,将第一段钢管放入地下,第二段钢管继续预埋,做钢管之间的连接接口,直到最后一段钢管完全预埋,再用压缩空气、螺旋钻钢管或人工开挖的方法,将钢管中的泥土清除干净。

5.1.3 顶管法

顶管法是一种非开挖技术,这种技术应用于盾构后的研发技术,它可以在直径600～4 000mm的管道内敷设。较早时顶管法作为一种特殊的敷设方法,使用起来并不容易。目前顶管的使用比较普遍,并得到了业主的认可。随着社会的进步,顶管法的应用逐渐扩大。它的应用范围主要包括水管、燃气管道以及电力电缆,未来的应用领域还会不断扩大。顶管法具有一定的优势,它可以在不破坏交通的情况下方便城市交通的施工。它对交通的影响较小,对于城市道路的建设非常重要。

5.2 非开挖技术在旧管道修复中的应用

5.2.1 就地固化法

非开挖技术在旧管道修复中的应用促进了管道修复行业的发展,节省了管道修复的时间和成本,为管道修复工作带来了极大的便利。就地固化法主要用于下水管道修复。

就地固化法最初只是作为一种常见的管道施工方法,在不破坏土壤的情况下对管道进行养护。随着社会的发展,这项技术在我国得到了应用,并在此基础上发展为我国最常用的管道维修方法。就地固化法,可以对不同形状和不同尺寸的管道进行修复处理。现场固化方法适用于直径在100～3 000mm的管道,其工作原理主要是在旧管壁上涂上一层液体热固性树脂,利用热固化剂与旧管壁形成一层紧密结合的黏膜,进行封闭修复,增强管道过流。采用就地固化法进行管道修复,可将管道的使用寿命延长30～60年。采用就地固化方法,能够对弯头、变径管道进行修复,修复长度可在数千米。紧密附着在墙面上的树脂材料,可以承受管道的脏水污染,可适用于含高浓度化学物质的污水管道。

5.2.2 缠绕法

缠绕法主要是用聚氯乙烯或高浓度聚乙烯设置母棒材和t形棒材的边。然后将管机做成螺旋状,放入管件内嵌锁,并用硅胶密封。在混凝土与螺旋管之间需要注入水泥浆,此操作需要在管后进行。

缠绕法的具体操作流程为:准备—清理管道—cctv检测绕线机到位—加润滑剂—管子绕线到位—张紧钢丝—缝浆—支管—cctv检测—洪水试验。采用缠绕法进行管道维修,在法国、日本、德国已得到广泛应用,我国有一些地区也开始采用这种方法,且效果较好。缠绕法适用于管道的直径在150～2 500mm,管道的长度在300m左右,对于各种类型的污水管道,都可以进行修理。缠绕法用于污水管道的修复具有良好的发展前景。

6 结束语

排水管道非开挖修复技术可以有效减少对交通、环境及周边设施的影响,特别是在一些不能直接开挖的特殊区域,只有采用非开挖技术才能解决管道修复问题。

虽然非开挖法修复的直接费用比开挖法要高,但深入研究表明,非开挖法的单位平均成本(6 624元/m)强于开挖法(9 425元/m)。目前,我国的非开挖修复技术还处于发展阶段,非开挖修复技术不够成熟,标准规范还不够完善。为此,加大非开挖修复技术推广力度,加快制定中国市政工程非开挖修复技术标准和规范,使非开挖修复技术应用范围逐步扩大,进而逐步提高我国非开挖修复技术水平非常必要。