静压裂管法修复施工技术简析

袁大英，焦宇晨，温 鑫，沈 阳

（中交上海航道局有限公司江苏交通建设工程分公司，江苏南京 210000）

引言

随着城市化进程的加快，城镇地下排水管网规模不断扩大，根据《城乡建设统计年鉴》（2020）最新统计结果，已统计的全国排水管道长度累计达到80.27 万km[1]。市政管网建成投入使用后，因其施工质量、地质条件、管网运维等影响因素的不同，使用寿命也不同。部分管网在使用一段时间后会出现结构缺陷和功能缺陷，例如破裂、变形、腐蚀、起伏、渗漏、沉积、结垢等问题，直接影响到了排水管道的正常使用，需要及时进行修复或更换管道，否则会引起地面积涝、水土流失、环境污染、污水处理厂进水水质不达标等后果[2]。传统的办法是开挖施工，就是将需要更换的旧管道挖除后敷设新的管道。开挖更换虽然能彻底解决管道存在的问题，但是施工受到地上地下障碍物、各类管线的制约，同时会对居民的出行和道路交通造成很大影响。

以六安市城区供排水一体化特许经营项目为例，通过排查城北片区长安南路、龙河中路等8 条市政道路管网共25 处需要开挖修复管段的现场施工条件，发现其中13 处因地面有高压线、绿化带、各类杆线、公交站台等原因无法组织施工或者施工困难，这还不包括地下管线的影响。可见，在城区内进行管网开挖修复除了交通影响外，受制因素还很多，可以说是困难重重[3]。因此，近年来非开挖修复地下管道技术越来越受到青睐。目前，常用的管道整体非开挖修复技术主要有穿插法、原位固化法、机械制螺旋缠绕法、内衬法和裂管法，其中静压裂管法具有截面无损失，甚至还能大于原有管径等优点[4]，在工程实践中得到了一定的应用[4]。

1 工程背景

六安市城区供排水一体化特许经营项目包含两个子项目，分别为六安市第三批小区（单位）、街巷雨污混接整治工程和六安市城区市政排水管网修复改造二期扩建工程。其中六安市城区市政排水管网修复改造二期扩建工程施工内容是对市政管网已经排查出的各类缺陷进行开挖修复和非开挖修复以及部分新建，涉及六安市城北片区、城南镇、河西片区、平桥工业园等几十条道路。根据管道缺陷类型和等级，本项目分别采用了紫外光原位固化修复、点状原位固化修复、静压裂管更新等工艺。其中，龙河中路43WS0173-43WS0174 采用静压裂管更换原内径DN500 的HDPE 双壁波纹管，本文以此为背景探讨静压裂管施工技术。

2 静压裂管工艺原理和适用范围

2.1 工艺原理

静压裂管工艺就是利用液压裂管设备从管道内部将老管道切割、挤压至周边土体，同时将新管道牵引至原有管位的施工技术（图1）。施工时先在上下游各制作一个工作井，一般上游为接收井，下游为插入井，原有检查井经过加固后也可以做工作井使用。工作井准备好之后，在接收井安装液压顶拉油顶，并从接收井逐根向插入井插入顶拉杆。在顶拉杆从接收井贯通至插入井后，在插入井内安装静压裂管头、新管节、拉管器和管道顶接千斤顶等设备和顶拉杆连接。在接收井液压千斤顶的拉力下，顶拉杆带动裂管头、新管节、拉管器同步移动，在裂管的过程中，旧管道在裂管器切割挤压的作用下被挤压到原管道周边土体中，同时新管道被拉入。

图1 静压裂管工艺原理

裂管施工过程中，裂管头锥形尾部因为直径大于原管道，在顶拉杆的拉力作用下产生一个向外的压力，周围土体受到挤压产生塑形变形，旧管道受到径向压力向外扩张后回缩量较小，形成一个相对稳定的圆形腔体供新管道穿入。

2.2 静压裂管的优点

静压裂管不但可以更换同等尺寸的管道，还可以更换较大尺寸的管道，其优势包括：①无需对原管道进行清淤、清洗，节省人力物力和施工时间；②工作坑开挖面积小，方便在城市交通繁忙的路段进行施工，甚至在允许的条件下，可以直接利用原检查井作为工作坑使用；③对周围的其他地下管道设施几乎没有影响；④与其他非开挖管道修复技术相比，施工风险较低[5]。

2.3 适用范围

在城区管道修复施工中，当沟槽开挖深度较大或者地下、地上有障碍物无法进行开挖施工时，在缺陷等级允许的情况下，可以考虑采用静压裂管更换管道。

静压裂管适用的旧管材类型包括化学建材管、混凝土管、铸铁管，适用的管道缺陷类型包括破裂、渗漏、腐蚀、变形、脱节，适用的管径为200～1 200 mm[6]。

3 静压裂管施工流程

3.1 上下游封堵和导排

使用高压气囊对上下游检查井管道进行临时封堵，使用排水设备将上游来水排至下游管段，使施工管段可以进行无水作业。

大部分老旧管网在置换更新前处于运行状态，管道内有一定的水流量，操作人员要下检查井，要确保上下游检查井和待更新井段处于无水状态。一个井段静压裂管施工一般可以在48 h 内完成，施工前使用气囊对待更新井段和上下游进行封堵，并使用排水泵将上游的水排至下游井段内，以保证施工安全（图2）。

图2 管道施工临时导排

本工程静压裂管施工段上下游采用高压气囊进行封堵，正常工作情况下，气囊要保持0.1～0.2 MPa 气压（图3），人员进入检查井内作业时，上游安装2 个封堵气囊。利用原有检查井做为工作井使用时要严格落实有限空间作业安全管理要求，现场必须做到先通风，再检测，后作业。施工过程中需按照要求进行有毒有害气体和氧浓度等指标的实时监测，以确保施工安全。

图3 接收井平面

3.2 工作井

接收井和插入井可以直接利用原有修复管段的上下游检查井，如果不满足施工要求，则需要新建工作井。当原有检查井作为接收井使用时，井的内径不宜小于900 mm，根据情况预先进行加固和清理，必要时对检查井外侧下游的土体进行注浆，以便提供足够的被动土压力，满足裂管施工时油顶需要的反力。油顶和检查井井壁之间垫一块外弧面与检查井井壁一致的专用反力钢垫板（图4），以减小井壁压强，保护检查井不受损害。插入井则不要单独加固，有操作空间即可，在施工前要对插入井进行清理和检查。

图4 PE 管安装

3.3 设备

静压裂管主要设备包括主液压油顶及其液压设备、反力装置、顶拉杆、裂管头和副油顶及其液压设备。油顶的反力板使用钢板制作，主要目的是分散油顶对井壁的集中压力，避免施工时破坏检查井，液压油表和油顶在使用前进行标定。

主油顶是裂管施工的动力源，在接收井内主油顶和顶拉杆相连接，主要克服裂管头切割旧管道和挤压土体的阻力以及拖拽新管道的摩擦力，主油顶最大顶力是100 t；顶拉杆直径80 mm，单节长度500 mm，螺旋丝扣连接，顶拉杆上设置4～5 个插销孔，施工时插入钢板销子连接裂管头和油顶。

静压裂管头根据管径和管道材质定制，常用的裂管头结构简单，是由前段呈锥形后段是圆柱型的钢制结构。随着静压裂管施工工艺的不断成熟和对施工中出现的各类问题分析总结，可以对裂管头进行改造升级。例如，针对在塑料管进行明显扩大管径的裂管施工中，旧管道容易出现不能被完全胀裂而淤堵成堆的问题，在裂管头内部增加一个纵向旋转切割刀片，这种裂管头可以有效防止在裂管施工中旧塑料管淤堵成堆的问题。

裂管头的外径一般大于旧管道内径2 cm，前半段和后半段之间有钢板隔断并焊接牢固，裂管头的内径稍微大于新管道的外径（图7）。裂管头在主油顶的牵引下向前进，主要作用就是将旧管道切割破坏，同时将旧管道挤压至周边土体，使其产生塑形变形。副油顶的顶力值是10 t，安装在顶拉杆末端，以顶拉杆为反力支撑，主要作用有两个，一是安装新管节，二是使新管道和裂管头在顶拉杆的牵引下整体向前移动。

3.4 材料

新管使用PE 实壁管（图4），本工程设计采用PE100 级SDR17 管材，为了能在插入井内顺利逐节安装，预先用车床将PE 实壁管加工成单节长度为500 mm 的管节，丝扣为子母扣形式（图5），人工将单节管节从插入井放入，套在顶拉杆上，在管节的后面安装钢垫板和副油顶，用副油顶以顶拉杆为反力架将两节管子顶推连接。

图5 PE 管子母扣

3.5 施工方法

静压裂管施工流程如图6 所示。

图6 静压裂管施工流程

施工前要对上下游检查井进行必要的清理，以在检查井内创造一个较好的作业空间和环境。如果置换管道的管径大、长度大，需要的裂管拉力大，原有检查井不能满足要求时，需要对原有检查井进行加固或者新建工作井。

在接收井内安装油顶、液压泵、反力钢板时，先安装反力钢板，反力钢板要和接收井的井壁紧密接触。为此，反力钢板和检查井井壁接触面要做成弧形，其半径要与检查井内壁半径保持一致，反力钢板做成钢架形式，将主油顶安装在上面（图7）。本工程使用原有检查井作为接收井，施工时在反力钢板两侧又各加了一块钢板，以避免施工过程中因为拉力过大而破坏检查井。

图7 反力钢板安装

将顶拉杆利用接收井内的液压油顶沿旧管道从接收井顶入插入井，旧管道主要起到两个作用：①在顶拉杆顶进过程中起定向作用，保证顶拉杆能够顺利到达下游井位；②包裹新管道，起到支撑管道的“基础”作用[7]。为了避免顶拉杆在插入过程中受到障碍物的干扰，以及防止顶拉杆插入到旧管壁上不能顺利安装，在顶拉杆插入时在第一节杆头安装一个金属球，金属球直径比顶杆直径大，主要起到导向作用以及刺穿前方障碍物使得顶拉杆顺利沿着旧管道进入插入井。

顶拉杆插入完成后，在插入井安装裂管头。裂管头是套在顶拉杆上的，在裂管头锥形段前面和后面位置用固定销子插在顶拉杆的插孔内，将裂管头牢固地连接在顶拉杆上。新管节预先加工好，带自锁丝扣，单节长度500 mm，安装时逐节从地面吊入插入井内。第一节管段安装在裂管头尾部的圆柱段内，套在顶拉杆上，在管段的后面依次安装钢垫板、副油顶，最后在副油顶的后面插上固定销子。

现场检查液压设备、主副油顶、通讯设备等，检查合格后，首先启动副油顶，让PE 管在裂管头尾部圆柱内紧密接触后关闭副油顶（图8）；然后启动主油顶，在主油顶的拖动下，顶拉杆向接收井方向移动。因为裂管头、副油顶都已经和顶拉杆紧密牢固的连接在一起了，此时主油顶、顶拉杆、裂管头、新管道、副油顶是同步前移的，裂管头在顶拉杆的牵引下将旧管道挤压、切割、胀裂并挤入到周边土体，在原管位形成一个更大的新通道，为新管道进入创造条件（图9）。同时，新管段在副油顶的推动下，随着裂管头同步前移，裂管头不但起着开路先锋的作用[8]，同时也引导新管道前移的方向。

图8 裂管头和新管安装

图9 静压裂管头工作

顶拉杆和新管节的单节长度都是500 mm，完成一节的顶拉施工后，就在接收井内取出一节顶拉杆，在插入井内安装一节顶拉杆，同时在插入井内安装一节新管节，依次循环，直至全部完成管道置换。为了减少裂管置换新管施工过程的摩擦力，可以在新管道外壁涂抹膨润土泥浆。

新管道应随裂管设备一起拉入，并采用润滑剂降低新管道与土层之间的摩擦力。当施工过程中牵拉力陡增时，应立即停止施工，查明原因后方可继续施工。管道拉入后自然恢复时间不应小于4 h。裂管完成后，应对新管道与土体之间的环状间隙进行注浆加固，新管道与检查井接口应进行密封处理，确保新管道周围及与检查井接口处不发生渗漏。

裂管施工完成后，采用CCTV 闭路电视对管道更换后的质量进行全面检测和评判。本工程龙河中路43WS0173-43WS0174 旧管道主要存在渗漏、破裂、变形等缺陷，新管道采用PE100 级（SDR17）de500 管材，采用静压裂管施工技术更换后解决了原有管道存在的各类问题。

4 静压裂管工效分析

以龙河中路43WS0173-43WS0174 施工段为例，老管道为DN500HDPE 双壁波纹管，修复长度15 m，管底埋深4.6 m。从工期和工程造价两方面对静压裂管修复、开挖修复及紫外光原位固化修复三种施工技术进行了对比分析，结果表明：在相同的施工条件下，静压裂管修复和开挖修复相比，在工期和工程造价两个方面都有明显的优势。施工工期方面，裂管施工只有开挖施工的七分之一；工程造价方面，裂管施工比开挖施工节约资金约三分之一。

静压裂管修复和紫外光原位固化修复相比，工期方面，两者相同，但工程造价方面，静压裂管修复的费用比紫外光原位固化修复更高。

以上分析是在抛开现场施工条件和各施工技术适用条件的情况下进行的，在实际工程应用中，选用哪种工艺技术，要根据现场施工条件并结合各工艺技术的适用性进行综合分析。

5 结语

在城区老旧管网改造工程中，当管道缺陷类型和缺陷级别允许的情况下，管道埋深越大，静压裂管法和开挖施工相比优势就越明显，在地上地下障碍物较多的地方适应性也很好。合理选用该技术，不但在工程建设过程中能够缩短工期，还能节省工程费用。