液壓裂管技術(shù)在污水管道原位置換中的應(yīng)用

伍曉龍， 董向宇， 王舒婷

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

液壓裂管技術(shù)在污水管道原位置換中的應(yīng)用

伍曉龍， 董向宇， 王舒婷

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

介紹了液壓裂管技術(shù)的工作原理、施工步驟，并結(jié)合在長春污水管道更換的施工案例，對(duì)液壓裂管技術(shù)應(yīng)用于污水管道原位置換的施工步驟、施工遇到的問題和處理措施、以及施工注意事項(xiàng)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。在該工程中，液壓裂管技術(shù)體現(xiàn)出了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，取得了很好的效果，其中的經(jīng)驗(yàn)為今后的非開挖換管工程提供借鑒。

液壓裂管；裂管機(jī)；脹管；管道原位置換；非開挖技術(shù)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，長期埋于地下的污水管道已不能滿足排污需要，再加上周圍的開發(fā)建設(shè)，施工占?jí)杭叭藶榈钠茐?，造成管道泄漏頻次不斷增加，不僅影響污水的正常排放，也增加了維修的成本，更嚴(yán)重的是對(duì)管道周圍環(huán)境及居民生活也造成一定影響。從生產(chǎn)和生活、環(huán)保等方面綜合考慮，對(duì)污水管道進(jìn)行修復(fù)是非常必要的。城市地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，城市道路負(fù)荷嚴(yán)重，使得污水管線在修復(fù)的過程中遇到很多技術(shù)問題，而管道如果長期不修復(fù)，輕則污染地下水，重則導(dǎo)致道路塌陷，交通癱瘓。

目前更換舊管道常用的方式有直接開挖法和非開挖法。眾所周知，非開挖施工技術(shù)具有不影響交通，對(duì)環(huán)境破壞小，施工周期短，投入成本小，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著等特點(diǎn)，在我國大多數(shù)城市的管道鋪設(shè)過程中進(jìn)行了應(yīng)用。經(jīng)常采用的非開挖施工設(shè)備有非開挖鉆機(jī)、氣動(dòng)夯管錘、水平鉆機(jī)等，這些非開挖施工技術(shù)在新老城區(qū)修建、高速公路、河流、橋梁、建筑物等地下新管道鋪設(shè)過程中已經(jīng)日趨成熟，與傳統(tǒng)開挖技術(shù)相比體現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。但在老城區(qū)破舊管道的更換、擴(kuò)容過程中，若采用以上技術(shù)施工，成本投入大，施工復(fù)雜，難度大，周期長，因此尋找行之有效的修復(fù)方案是目前市政排水管理部門迫切的需求。我所研究的液壓裂管技術(shù)可以解決破舊管道原位置換問題，既能體現(xiàn)傳統(tǒng)非開挖技術(shù)的優(yōu)越性，又能降低成本，減小難度，滿足施工需求。該技術(shù)在管道原位置換過程中，能夠?qū)ζ婆f管道進(jìn)行脹裂破碎的同時(shí)帶入新管道，對(duì)原管道進(jìn)行同徑置換或者擴(kuò)容，具有施工周期短、施工方法簡便且對(duì)城市交通影響小等特點(diǎn)。

1 管道原位置換簡介

1.1 原位置換工作原理

非開挖液壓裂管管道原位置換技術(shù)就是將液壓油缸產(chǎn)生的靜拉力通過桿件傳遞到破碎脹頭，將舊管道脹碎，擠壓至周圍土層，同時(shí)拉入新管。工作原理見圖1，拉桿牽引破碎脹頭和拉管器(位于破碎脹頭內(nèi))，同步拖帶新管前進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)脹碎舊管、換裝新管的目的。

1—新管；2—拉管器；3—破碎脹頭；4—柔性桿；5—入管坑；6—舊管；7—拉桿；8—擋板；9—主機(jī)；10—設(shè)備坑

圖1管道置換示意圖

1.2 原位置換主要技術(shù)特點(diǎn)

(1)無需開挖，在原舊管道內(nèi)施工，對(duì)施工場(chǎng)地要求小。

(2)施工方法簡單易行，效率高、成本低。

(3)施工過程噪聲小、無污染，對(duì)周圍環(huán)境影響小。

(4)更換的新管直徑可大于原舊管，能夠根據(jù)實(shí)際需要滿足管道設(shè)計(jì)要求。

(5)更換距離根據(jù)設(shè)備和場(chǎng)地易于變換，施工范圍廣。

(6)只可用于直線管道的更換。

1.3 置換管道選擇

在液壓裂管置換施工中，置換的舊管道類型包括：鋼管、鑄鐵管、玻璃化粘土管，以及鋼筋凝土管等。

新管道的材料最常用的是HDPE和MDPE，它是一種通用材料，能滿足煤氣、供水和廢水管道的一切其他方面的要求。該管連續(xù)性好、材韌性好、粗糙系數(shù)低、排水流動(dòng)性好、無滲漏、無毒、符合環(huán)保要求、整體性強(qiáng)、可以大大降低日常維護(hù)檢修的工作量。在插入拉管器前，通過在現(xiàn)場(chǎng)將一節(jié)一節(jié)的管道進(jìn)行熱熔合而連在一起，就獲得了連續(xù)性。在管道置換期間，這種連續(xù)性能夠減少對(duì)裂管過程的干擾。柔軟性則能夠在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行管道彎角插入時(shí)，使得管道彎曲，易于入坑進(jìn)入舊管。

2 設(shè)備選型

2012年10月，我所研制的LY80型液壓裂管機(jī)在長春市試驗(yàn)取得了滿意的效果，在此基礎(chǔ)上又研制了LY120、LY200型系列液壓裂管機(jī)。施工方結(jié)合成本及設(shè)備能力，本次原位置換設(shè)備選用的是LY120型管道原位置換系統(tǒng)(見圖2)，由液壓動(dòng)力站、裂管機(jī)主機(jī)、拉桿、拉管器、破碎脹頭等組成。主機(jī)參數(shù)如下。

最大拉力：1200 kN；

最大回拉速度：3 m/min；

最大推桿速度：4 m/s；

拉桿直徑：65 mm；

拉桿長度：800 mm；

拉桿質(zhì)量：19 kg；

功率：60 kW@2000 r/min；

主機(jī)質(zhì)量：1600 kg；

主機(jī)尺寸：2500 mm×820 mm×510 mm；

泵站質(zhì)量：1450 kg；

裝載形式為輪式。

圖2 LY120型液壓裂管機(jī)

3 管道原位置換應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

管道原位置換技術(shù)于2014年5月中旬在吉林省長春市進(jìn)行應(yīng)用。長春作為我國工業(yè)老城市，地下污水管道鋪設(shè)時(shí)間較長，地下管網(wǎng)復(fù)雜，管線鋪設(shè)可查詳細(xì)資料少，給施工帶來較大困難，其中長春市火車站黑水路管道直管更換工程較為典型。該地段路面狹窄、行人眾多、車流量大(如圖3所示)，作業(yè)場(chǎng)地小，管道原位置換工作量約2 km，將污水主管道DN400水泥管置換為?400 mm×12 mm PE管，待施工區(qū)域管道為居民區(qū)下水道主管道，污水流量大、管道周圍分支多，施工難度大，工期要求15天。該區(qū)域有污水管道、天然氣管道、地下電纜等，管道交叉極其復(fù)雜，另外地下空間已無管位進(jìn)行新管鋪設(shè)，無法采用其他非開挖管道鋪設(shè)技術(shù)施工。針對(duì)這種情況確定采用管道原位更換技術(shù)更換污水管道。這樣既能夠保證道路的正常通行，又解決了無地下管位空間的問題。施工由長春和記中電非開挖工程有限公司實(shí)施，我所負(fù)責(zé)技術(shù)支持。

圖3 施工區(qū)遠(yuǎn)景圖

3.2 施工前準(zhǔn)備

3.2.1 施工區(qū)域管線詳查

確定施工區(qū)域后，對(duì)置換管道相鄰、相交管線進(jìn)行詳細(xì)勘查，繪制管線詳圖。對(duì)埋深、管距、覆土狀況、舊管流量、分支管位置及連接情況等進(jìn)行圖上標(biāo)注。

其中舊管道內(nèi)部狀況宜采用管道CCTV(管道內(nèi)窺鏡系統(tǒng))進(jìn)行探查，確定舊管內(nèi)部是否有局部坍塌、樹根侵入、內(nèi)部淤積物淤積情況、分支管位置等。如果舊管道內(nèi)部淤積污垢較多，需先進(jìn)行管道清洗工作，當(dāng)管內(nèi)沉積物較為疏松時(shí)(小于1 cm)，可選用機(jī)械清理；當(dāng)管內(nèi)沉積物較多(大于1 cm)并結(jié)垢特別堅(jiān)硬時(shí)，可選用高壓水清洗；當(dāng)管內(nèi)沉積物為粘稠油狀物時(shí)，應(yīng)用化學(xué)清洗。

本工程待更換管道為正在使用的污水主管道，經(jīng)探測(cè)內(nèi)部淤積物少，可直接進(jìn)行更換。

3.2.2 施工設(shè)備、材料準(zhǔn)備

準(zhǔn)備好施工用設(shè)備，未運(yùn)抵施工現(xiàn)場(chǎng)前，對(duì)設(shè)備做全面保養(yǎng)，調(diào)試設(shè)備正常；檢查管道置換系統(tǒng)所用工具齊全；施工用安全牌及警示標(biāo)志、圍欄充足；購買PE管，檢查質(zhì)量。

3.3 施工步驟

3.3.1 確定下管坑和設(shè)備坑位置

施工方對(duì)施工管道周圍的情況已進(jìn)行了解，并和相關(guān)部門進(jìn)行溝通，根據(jù)舊管線走向、LY120型液壓裂管機(jī)能力大小及人工井的位置，安排下管坑和設(shè)備坑相距80～150 m，這樣避免在施工過程中損壞其他管道，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

3.3.2 PE管焊接

PE管以分段的形式被送到施工現(xiàn)場(chǎng)，放置在下管坑周圍，然后再根據(jù)所需要的長度，通過熔合而成為一根連續(xù)性的管道。其最大長度受到裂管前對(duì)管道進(jìn)行組裝的場(chǎng)地大小及拖拽作業(yè)過程中可能受到的最大拉伸應(yīng)力的限制，計(jì)算管道長度，進(jìn)行熔合，熔合工作遵守新管道連接所建議使用的方法，由對(duì)熔合設(shè)備操作熟練且有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的工人進(jìn)行操作。記錄加熱時(shí)間、熔合和冷卻時(shí)間、每個(gè)接頭的溫度和壓力等，以便確保對(duì)施工質(zhì)量加以記錄和控制。

3.3.3 開挖設(shè)備坑和下管坑

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)清理，四周設(shè)置藍(lán)色鐵皮圍欄，懸掛安全牌及警示標(biāo)志，設(shè)備進(jìn)場(chǎng)。在污水管道人工井前面開挖設(shè)備坑和入管坑(對(duì)于煤氣和供水管道，可以將輔助坑加以擴(kuò)大，來作為入管坑和設(shè)備坑)，開挖的設(shè)備坑長寬在4.5 m×2.0 m左右，深度約2.5 m,坑周圍用槽鋼和木板進(jìn)行支護(hù)。由于設(shè)備坑深度>1.5 m，且周圍土體較松散，進(jìn)行了支護(hù)，避免在施工過程中出現(xiàn)塌方，危及人身安全和設(shè)備。下管坑主要是輸送要更換的PE管，必須足夠大，以便能允許將管道插入。對(duì)于連續(xù)性的HDPE管道來說，這意味著管道能夠從地表送入到現(xiàn)有管道的軸線中去，而不會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生過度的彎曲。制造商指南關(guān)于最小的彎曲半徑有明確的規(guī)定，施工時(shí)必須嚴(yán)格遵守該規(guī)定。實(shí)際施工過程中綜合考慮PE管最小彎曲半徑及現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境。在舊管道管底出露后，按與地面夾角45°～60°的坡度開挖。出露的相交管線采取探測(cè)、避讓、人工開挖等保護(hù)措施，避免破壞其他管線。

3.3.4 設(shè)備安裝

在設(shè)備坑中安裝液壓裂管機(jī)主機(jī)，安裝設(shè)備前，在坑內(nèi)底面鋪上一層木板(有條件的情況下，在木板下可鋪設(shè)20 cm厚級(jí)配碎石)確保地基穩(wěn)固。管道進(jìn)入側(cè)安裝擋板和支架，設(shè)備緊貼支架放置，使得夾持器中心與管道中心重合，固定好設(shè)備，拉桿箱放在操作主機(jī)本體上，便于取出、放入拉桿。液壓動(dòng)力站放置在設(shè)備坑外，連接液壓管路，啟動(dòng)動(dòng)力站，預(yù)熱液壓系統(tǒng)10～20 min(隨季節(jié)變化及環(huán)境溫度高低具體確定，一般為溫度越低，預(yù)熱時(shí)間越長，便于液壓油流動(dòng))，液壓系統(tǒng)換向閥處于中位。預(yù)熱完成后在空載的情況下通過遙控器調(diào)式設(shè)備，將油缸給進(jìn)和回拉2～3次，正常后開始施工。

3.3.5 置換施工

裂管機(jī)主機(jī)將拉桿推送入舊管道內(nèi)，柔性導(dǎo)向桿到達(dá)入管坑后，卸下導(dǎo)向桿，連接破碎脹頭、拉管器及新管，連接好后慢慢回拉，注意管道拉入狀況，確保脹頭準(zhǔn)確入位，密切觀察動(dòng)力站上壓力表的數(shù)值變化，控制回拉力，防止新管被拉斷及受力土體隆起等情況。拉管器拖帶新管在設(shè)備坑出露到設(shè)計(jì)位置后，新管置換就位。拆卸破碎脹頭和拉管器，設(shè)備掉換方向，再向反方向操作，將對(duì)向的管道進(jìn)行置換。拆卸設(shè)備液壓管路，清洗設(shè)備，吊裝出坑，設(shè)備坑處砌人工井，填埋土方，恢復(fù)地貌。

經(jīng)過14 d的施工，共計(jì)完成管道原位置換路面2.3 km，其中單次最大置換管道長度162.8 m，施工順利完成。施工過程如圖4所示。

圖4 施工過程

3.4 施工中遇到的問題及處理措施

(1)施工區(qū)域地下管線勘查不夠細(xì)致，未作出相應(yīng)管線布置圖，在施工過程中地面全部開挖難度大，輔助時(shí)間長，開挖時(shí)只能以試探方式進(jìn)行。

(2)施工方首次對(duì)破舊管道進(jìn)行原位置換，對(duì)設(shè)備坑重要性認(rèn)識(shí)不足，剛開始開挖設(shè)備坑小于3.5 m×2 m，未采取支護(hù)措施，坑內(nèi)污水未及時(shí)排出，污水浸泡設(shè)備坑后，設(shè)備坑內(nèi)塌陷，無法繼續(xù)施工，設(shè)備坑報(bào)廢，重新開挖。

(3)置換工作時(shí)，設(shè)備拉力>15 MPa時(shí)，設(shè)備坑受力側(cè)地面隆起，設(shè)備移動(dòng)，無法進(jìn)行置換。加固受力側(cè)土方，繼續(xù)施工。

(4)熱熔焊接后的PE管，未進(jìn)行抗拉強(qiáng)度、密封性等檢測(cè)，回拉時(shí)未記錄新管進(jìn)入坑的長度，導(dǎo)致在回拉過程中拉力達(dá)到19 MPa時(shí)管子斷裂，難以確定脹頭具體位置。通過計(jì)算卸開拉桿長度，估算新管斷裂位置，開挖地基。經(jīng)過2次開挖找到管道斷裂位置，重新焊接、連接拉管器及破碎脹頭后繼續(xù)施工。

4 管道原位置換施工注意事項(xiàng)

(1)管道原位置換前應(yīng)詳細(xì)了解置換管道的類型及周圍管道分布狀態(tài)，施工方要高度重視。

(2)測(cè)算管道置換所需最大拉力，選用合適的裂管設(shè)備及裂管工具。

(3)聚乙烯管道應(yīng)當(dāng)在現(xiàn)場(chǎng)使用熱熔合對(duì)接法加以組裝和連接，不得使用螺紋接頭和水泥溶劑形成的接頭進(jìn)行連接。熱熔合后對(duì)管道的抗拉強(qiáng)度、水密性、磨損、砂眼等要進(jìn)行相應(yīng)檢測(cè)，確保質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

(4)記錄拉桿出孔數(shù)量，在拉入新管上做標(biāo)識(shí)，記錄拉入距離，隨時(shí)掌握破碎脹頭所處位置。

(5)裂管過程中時(shí)刻注意拉力變化，及時(shí)判斷異常情況，入管坑和設(shè)備坑兩端工作人員隨時(shí)保持聯(lián)系，如遇異常情況應(yīng)暫停施工。

(6)施工過程中嚴(yán)格填寫施工紀(jì)錄。

5 結(jié)語

通過本次施工，將管道原位置換技術(shù)在老舊污水管道更換工程中進(jìn)行了應(yīng)用檢驗(yàn)，其優(yōu)越性得到了施工單位和市政管道管理部門的認(rèn)可，希望管道原位置換技術(shù)以后能夠在燃?xì)?、自來水、污水管道等各種老舊管道改造中充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

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ApplicationofHydraulicPipe-fracturingTechnologyinIn-situSewagePipeReplacement

WUXiao-long,DONGXiang-yu,WANGShu-ting

(The Institute of Exploration Techniques, CAGS, Langfang Hebei 065000, China)

This paper mainly introduces the working principles and construction steps of hydraulic pipe-fracturing technology. Combining with the construction case in Changchun sewage pipeline replacement, the detail exposition are given to the construction steps, the difficult problems and treatment measures as well as the construction precautions for the application of the hydraulic pipe-fracturing technology in sewage pipeline in-situ replacement. In this construction, hydraulic pipe-fracturing technology showed its unique advantages with good effects, the experience can be reference to the trenchless pipe replacement.

hydraulic pipe fracturing; pipe fracturing machine; pipe expanding; in-situ pipeline replacement; trenchless technology

2017-05-18；

2017-06-30

伍曉龍，男，漢族，1987年生，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，從事鉆探設(shè)備設(shè)計(jì)研發(fā)工作，河北省廊坊市金光道77號(hào)，wxl1987516@163.com。

P634；TU992

B

1672-7428(2017)09-077-04