盧泓方 吳曉南 Tom Iseley John Matthews 彭善碧

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2.美國路易斯安那理工大學(xué)非開挖技術(shù)中心3.西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院

1 我國天然氣管道非開挖安裝、修復(fù)和更換技術(shù)需求

目前，我國天然氣管道行業(yè)主要面臨兩大問題：一方面，截至2016年底，我國長輸天然氣管道總長度約7.43×104km，根據(jù)國家能源、石油、天然氣、頁巖氣和煤層氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃中提出的管道設(shè)施建設(shè)目標(biāo)，2016—2020年我國將新建長輸天然氣管道4×104km，近年來我國大力開展天然氣管道的建設(shè)，即便如此，當(dāng)前天然氣供應(yīng)的快速增加與基礎(chǔ)設(shè)施不足的矛盾依舊非常突出，主干管網(wǎng)系統(tǒng)尚未完善，部分區(qū)域還未覆蓋管網(wǎng)[1]；另一方面，根據(jù)我國統(tǒng)計(jì)年鑒的數(shù)據(jù)，我國80%以上的天然氣管道是2005年以后建設(shè)的，而服役年齡超過12年的管道約占20%（圖1），再過10～20年，大多數(shù)天然氣管道將進(jìn)入老齡期，屆時(shí)將面臨修復(fù)或更換的問題[2-3]。

圖1 2005—2015年我國天然氣管道建設(shè)情況圖

目前，國內(nèi)大多數(shù)管道的安裝、修復(fù)和更換依舊采用開挖施工的方式，需要開挖溝槽、將管道放入管溝、土壤回填、壓實(shí)以及恢復(fù)路面等操作[4]，這一系列過程約占項(xiàng)目總成本的70%。除此之外，開挖路面還會對周圍交通和環(huán)境造成很大影響，特別是對于城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿?，由于施工需要開挖路面，會占用交通干道致使車輛繞行，并長時(shí)間產(chǎn)生大量噪音和灰塵，對環(huán)境產(chǎn)生影響。

非開挖是一種能夠以極小破壞路面的方式進(jìn)行管道安裝、修復(fù)和更換的施工方法，美國在20世紀(jì)90年代就將該項(xiàng)技術(shù)列入國家研究計(jì)劃之中，美國路易斯安那理工大學(xué)、英國曼徹斯特工業(yè)大學(xué)等都設(shè)立了非開挖技術(shù)專業(yè)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)，非開挖技術(shù)在國外主要應(yīng)用于供水管道和下水道，不僅能夠最大程度地減小對地表的影響，減少95%的碳排放量，還能使埋地管道所受載荷的分布更加均勻，從而減小管道的變形（圖2）[5]。隨著非開挖技術(shù)的不斷創(chuàng)新和改良，國外的管道非開挖技術(shù)已逐漸走向成熟，形成的相關(guān)非開挖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。除此之外，根據(jù)施工要求的不同，形成了適用于不同情況的管道修復(fù)和更換技術(shù)，根據(jù)《Trenchless Technology Piping ： Installation and Inspection》[5]，選擇非開挖技術(shù)的決策流程如圖3所示。我國從20世紀(jì)90年代中期開始引進(jìn)非開挖技術(shù)，1998年成立了中國地質(zhì)學(xué)會非開挖技術(shù)專業(yè)委員會（CSTT）。非開挖修復(fù)技術(shù)雖然在我國起步較晚，但發(fā)展迅速，并在近幾年初具規(guī)模。2010年7月，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部（以下簡稱住建部）發(fā)布了《城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿婪情_挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 147—2010）[6]，規(guī)程中介紹了幾種主要非開挖修復(fù)技術(shù)的一般規(guī)定、施工準(zhǔn)備和過程準(zhǔn)備等內(nèi)容?；诹己玫膽?yīng)用前景，在大量調(diào)研了國外管道非開挖安裝、修復(fù)和更換技術(shù)后，綜合考慮了技術(shù)的適用性、經(jīng)濟(jì)性及高效性，對國外非開挖典型技術(shù)進(jìn)行了介紹，為我國未來天然氣管道的非開挖施工提供依據(jù)。

圖2 天然氣管道所受載荷示意圖[5]

2 天然氣管道非開挖安裝技術(shù)

2.1 常規(guī)方法

目前，能用于我國天然氣管道非開挖安裝的常規(guī)技術(shù)主要有：水平定向鉆技術(shù)（Horizontal Directional Drilling，HDD）、微型隧道技術(shù)（Micro Tunneling，MT）和頂管技術(shù)（Pipe Jacking，PJ）[5]。

水平定向鉆技術(shù)在我國的發(fā)展時(shí)間較短，它具有先進(jìn)的導(dǎo)向系統(tǒng)，多用于河流、道路穿越管道的安裝施工，并適用于黏土、沙土等硬度較小的土壤。拖車式鉆機(jī)和管道及其他附屬設(shè)備位于穿越目標(biāo)（河流、湖泊和道路等）兩側(cè)，需要3個(gè)步驟完成導(dǎo)向孔掘進(jìn)和管道安裝：①鉆桿按指定方向（水平傾角為8°～20°）鉆直徑為50～150 mm的導(dǎo)向孔，在機(jī)械切削（鉆頭旋轉(zhuǎn)）和水流的共同作用下實(shí)現(xiàn)直線鉆進(jìn)，在靜壓和水流下依靠鉆頭板斜面上的垂直力（鉆頭不轉(zhuǎn)），實(shí)現(xiàn)方向的改變；②反拉擴(kuò)孔器將導(dǎo)向孔逐級擴(kuò)大至敷管所需管徑；③將需要敷設(shè)的管道牽引回拉。水平定向鉆法的優(yōu)點(diǎn)包括：①施工精度高、操控性好，不會對兩岸的防護(hù)措施或河床產(chǎn)生破壞；②不受季節(jié)影響，施工周期短；③人員和設(shè)備用量小，安全可靠性高，成本相對較低。該技術(shù)通常用于施工長度為50～1 500 m且管徑為100～1 000 mm的管道。

表1 國外燃?xì)夤艿婪情_挖修復(fù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)表

我國在1954年首次完成頂管施工，頂管技術(shù)是繼盾構(gòu)施工之后發(fā)展起來的一種地下管道施工方法，適用于軟土或富水軟土層。頂管法施工就是在工作井內(nèi)設(shè)置支座和安裝主千斤頂，借助于頂進(jìn)設(shè)備產(chǎn)生的頂力，克服管道與周圍土壤的摩擦力，將管道按設(shè)計(jì)的坡度頂入土中，并將土方運(yùn)走。一節(jié)管道頂入土層之后，再下第二節(jié)管道繼續(xù)頂進(jìn)。其原理是借助于主頂油缸及管道間、中繼站間的推力，把工具管或掘進(jìn)機(jī)從工作坑內(nèi)穿過土層一直推進(jìn)到接收坑內(nèi)吊起。管道緊隨工具管或掘進(jìn)機(jī)后，埋設(shè)在兩個(gè)工作井之間。頂管技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括：①經(jīng)濟(jì)、高效、保護(hù)環(huán)境；②可以在很深的地下敷設(shè)管道，操作簡便。頂管法常用于管徑為350～4 000 mm的管道施工。

微型隧道法是一種遙控小直徑頂管技術(shù)，適用于各種類型的土壤和巖石。典型的微型隧道法通常被稱作單步施工法，微型隧道法可用于穿越長度超過500 m且管徑大于2 000 mm的管道，新管跟在切削頭的后面直接頂進(jìn)，整個(gè)敷管工程一次完成。

圖3 天然氣管道修復(fù)或更換決策流程圖[6]

2.2 直接敷管法（Direct Pipe）

直接敷管法是德國海瑞克（Herrenknecht）公司研發(fā)的管道敷設(shè)方法，它結(jié)合了微型隧道和水平定向鉆技術(shù)的優(yōu)勢。直接敷管法采用微型隧道掘進(jìn)機(jī)向前方掘進(jìn)，推管機(jī)后面頂推，實(shí)現(xiàn)預(yù)制管道和微型隧道掘進(jìn)同步完成，使預(yù)制管道僅通過一次推進(jìn)即可敷設(shè)完畢。2017年3月22日，我國首次將該施工方法應(yīng)用于陜京四線的無定河穿越工程（內(nèi)蒙古自治區(qū)烏審旗無定河鎮(zhèn)水清灣村東南側(cè)），穿越長度為423 m，管徑為1 219 mm。它可以快速而經(jīng)濟(jì)地安裝長度超過1 500 m的管道（管徑為800～1 500 mm），適用于軟土、非均質(zhì)地層及巖石（圖4）。

如圖4所示，穿越時(shí)，預(yù)制好的管道與敷管機(jī)相連，管道通過定向鉆的推力和敷管機(jī)的牽引力掘進(jìn)。從始發(fā)坑開始，用水平衡式微型隧道掘進(jìn)設(shè)備（AVN）進(jìn)行挖掘，利用安裝在預(yù)制管道內(nèi)部的泥水環(huán)路，將渣土泵送到位于地面的泥水分離站。預(yù)制管道在地面由托輥支撐，一端焊接在微型隧道掘進(jìn)設(shè)備的尾部，在隧道掘進(jìn)的同時(shí)被拖進(jìn)隧道。推管機(jī)可以產(chǎn)生高達(dá)750 t的推力，同時(shí)推動微型隧道掘進(jìn)設(shè)備和管道，每個(gè)行程5 m。推力由推管機(jī)的夾管器依次傳遞給管道和掘進(jìn)設(shè)備的刀盤。在掘進(jìn)過程中，利用泥水平衡掘進(jìn)技術(shù)對開挖區(qū)域進(jìn)行持續(xù)而安全的支撐，即使在非均質(zhì)的透水土壤中亦不會失控。上坡、下坡以及管線沿途的轉(zhuǎn)彎都可由通用導(dǎo)向系統(tǒng)精確控制。

與頂管技術(shù)和定向鉆技術(shù)相比，直接敷管法的技術(shù)優(yōu)勢為：①設(shè)備施工占地少、周期短，能適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件；②鉆孔和管道安裝同步完成，作業(yè)簡單、連續(xù)；③管道對鉆孔形成永久支護(hù)；④無需耗資建設(shè)始發(fā)井和接收井，僅在靠近地表處挖掘始發(fā)坑和到達(dá)坑即可；⑤上坡、下坡和轉(zhuǎn)彎處可實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)向。不同管徑的管道采用直接敷管法所對應(yīng)的技術(shù)要求如表2所示[15-16]。

2.3 易敷管（Easy Pipe）

易敷管是一種新型的敷管方法（圖5），其施工通常分為3步：①采用微型隧道法進(jìn)行鉆孔，拖入Easy Pipe鋼管；②鉆頭到達(dá)另一側(cè)目標(biāo)位置后，將鉆頭拆卸，安裝連接管；③將產(chǎn)品管道回拉完成施工過程。該施工方法適用于大多數(shù)地質(zhì)條件，由于鉆孔被Easy Pipe鋼管永久性支撐，最大限度地減小了地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)[17]。

圖4 直接敷管法工作步驟圖[17]

表2 不同管徑的管道采用直接敷管法的技術(shù)要求表[18]

2.4 燃?xì)夤艿婪情_挖安裝技術(shù)特點(diǎn)

燃?xì)夤艿婪情_挖安裝技術(shù)的特點(diǎn)總結(jié)如表3所示。

3 天然氣管道非開挖修復(fù)技術(shù)

天然氣管道非開挖修復(fù)分為沿線修復(fù)和局部修復(fù)，在選擇方法時(shí)還需考慮輸送介質(zhì)、原有管材、性價(jià)比及修復(fù)后管道對流體流動的影響（管徑和內(nèi)壁粗糙度）。主要對翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法（Cured-in-Place Pipe，CIPP）、插入法（Sliplining）以及原位噴涂法（SIPP）等的功能特點(diǎn)進(jìn)行介紹[19-21]。

3.1 翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法（Cured-in-Place Pipe，CIPP）

翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法又稱原位固化法，最早由英國工程師Eric Wood在1971年發(fā)明。內(nèi)襯材料為含膠的襯管，經(jīng)翻轉(zhuǎn)后使含膠的一面黏結(jié)在舊管的壁面，從而形成新的內(nèi)襯層。通常利用壓縮空氣或水壓使得軟管發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并使得軟管在被推入管道的同時(shí)可以緊壓在管壁上，再利用熱水使得軟管上的樹脂交聯(lián)固化，從而形成堅(jiān)硬襯里，與原管道形成復(fù)合管，更新后的管道外徑與原管內(nèi)徑相等，它是最為普遍使用的非開挖修復(fù)方法，該技術(shù)已通過ISO 9000國際認(rèn)證，并派生出許多相關(guān)技術(shù)，如美國的Inliner和Superliner、比利時(shí)的Nordline和德國的AMEXR等。

圖5 易敷管敷管法工作步驟圖[17]

表3 燃?xì)夤艿婪情_挖安裝技術(shù)特點(diǎn)表

CIPP目前常用的襯里材料包括有防滲膜的纖維增強(qiáng)軟管、編織軟管或無紡氈等，常用的樹脂材料有非飽和聚合樹脂、乙烯酯樹脂和環(huán)氧樹脂，常用的樹脂熱固化方式有利用熱水和蒸氣加熱，也有常溫固化以及紫外線固化的方式等。該方法適用于以防腐為主要目的、輸送壓力較低或腐蝕情況不是很嚴(yán)重的管道修復(fù)，適用管徑為100～2 700 mm。不宜用于變形嚴(yán)重、存在結(jié)構(gòu)性損壞、在公路下埋深較淺、動荷載長期作用、位于省際高速公路下的管道修復(fù)，在進(jìn)行修復(fù)之前需要對舊管進(jìn)行清洗，要求內(nèi)壁70%以上露出金屬光澤且內(nèi)壁保持無油污、無塵和無顆粒雜質(zhì)。整個(gè)內(nèi)襯修復(fù)過程中可采用閉路電視（Closed-Circuit Television，CCTV）進(jìn)行監(jiān)控，且能夠完成彎頭處的修復(fù)，由于承壓能力有限，該方法可用于城鎮(zhèn)燃?xì)飧邏築類及以下的管道。CIPP能夠縮短常規(guī)開挖施工周期的12.5%～25%，施工長度通常為30～150 m[6]。目前該技術(shù)已在40多個(gè)國家和地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在英國、法國和德國等工業(yè)國家應(yīng)用更為普及。圖6為CIPP修復(fù)管道的施工現(xiàn)場。

CIPP的技術(shù)優(yōu)勢為：①施工速度快，無需灌漿；②流量損失較小。其技術(shù)局限性為：①需要特殊的施工設(shè)備；②對施工人員的技能要求較高。

圖6 CIPP施工現(xiàn)場圖

3.2 插入法（Sliplining）

插入法是最早的管道非開挖修復(fù)方法，采用牽引設(shè)備將新管拖入舊管中，若內(nèi)襯材料為聚乙烯（PE），新管外徑較原管內(nèi)徑小且相差較大（Dnew≤0.90Dold，其中Dnew表示新管外徑，Dold表示舊管內(nèi)徑），因此，為了穩(wěn)定新管，通常在新管與舊管之間注漿穩(wěn)固。插入法更新后的管材為PE管，適用于管徑為100～1 000 mm的管道，分段施工的最大適宜長度為300 m。

插入法的技術(shù)優(yōu)勢為：①施工工藝簡單，對施工人員專業(yè)化程度要求不高；②施工速度快，施工周期減少1/3；③設(shè)備簡單，施工成本低。其應(yīng)用局限性為：①注漿較為困難；②新管天然氣輸送能力損失較大。

由于新管施工完成之后天然氣的輸送能力降低，因此，該方法較適用于天然氣置換人工煤氣后管道的修復(fù)。

3.3 縮徑內(nèi)襯法（Deformed and Reformed）

縮徑內(nèi)襯法由英國煤氣公司于20世紀(jì)80年代開發(fā)，可用于結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性修復(fù)，它采用合適的牽引設(shè)備將PE管拖入需要修復(fù)的原管中，通過加壓或者自然復(fù)原的方法使PE管貼合在原管內(nèi)表面，新管外徑較舊管內(nèi)徑相差不大（0.90Dold≤Dnew≤1.04Dold）。通常為了加快復(fù)原速度，采用水壓恢復(fù)的方法，該方法適用于管徑為75～1 200 mm的管道，最大施工段長度為300 m[6,20]。

縮徑內(nèi)襯法的技術(shù)優(yōu)勢為：①天然氣輸送能力損失較??；②施工速度快，施工周期縮短20%；③可進(jìn)行長距離輸氣管道修復(fù)。其應(yīng)用局限性為：①施工配套設(shè)備昂貴，施工成本較高；②天然氣主管與支管的連接需開挖。

3.4 折疊內(nèi)襯法（Ford and Formed）

折疊內(nèi)襯法與縮徑內(nèi)襯法類似，它利用PE管的記憶功能，將圓形管折疊成“U”“C”或“H”形拖入新管（圖7），再通過加壓或升溫使其復(fù)原為原有形狀（溫度越高恢復(fù)速度越快[6]），折疊方法分為現(xiàn)場折疊和工程預(yù)制折疊。新管貼合在舊管內(nèi)壁，新管外徑略小于舊管內(nèi)徑（現(xiàn)場折疊：0.98Dold≤ Dnew≤ 0.99Dold，預(yù)制折疊 ：Dnew≤ 0.98Dold）。折疊內(nèi)襯法更新后的管材為PE，適用于管徑為100～ 1 200 mm的管道，分段施工的最大長度為300 m（現(xiàn)場折疊）和500 m（預(yù)制折疊）。

圖7 折疊內(nèi)襯管示意圖

折疊內(nèi)襯法的技術(shù)優(yōu)勢為：①對舊管清洗要求低；②可進(jìn)行長距離輸氣管道修復(fù)；③新管天然氣輸送能力損失較小；④無需注漿，施工速度快，施工周期縮短20%，潛在施工成本可節(jié)約30%；⑤斷面收縮率高達(dá)40%，穿插較為容易。其局限性為：舊管的結(jié)構(gòu)性破壞會使施工困難。

3.5 原位噴涂法（Spray-in-Place Pipe，SIPP）

原位噴涂法是一種利用遙控和自動化設(shè)備在管道內(nèi)噴涂涂層的非開挖管道修復(fù)技術(shù)，自動化設(shè)備在人工遠(yuǎn)程遙控下在管道內(nèi)部移動將涂層噴涂在管道內(nèi)表面，涂層固化之后會在管道內(nèi)部形成結(jié)構(gòu)密封，使管道恢復(fù)原來的設(shè)計(jì)參數(shù)，以防止可能的泄漏（圖8）。該技術(shù)適用于32～1 800 mm管徑的管道修復(fù)，修復(fù)過程主要包括以下3步[22-23]：

1）清洗：噴涂之前需要清潔管道內(nèi)部，從而使涂層在管道內(nèi)的分布能夠較為均勻，要求管道內(nèi)無積水。

2）管道檢測和評估：采用CCTV對清洗后的管道內(nèi)部進(jìn)行檢測和評估，從而確定是否需要進(jìn)一步清洗。

圖8 SIPP自動化噴涂設(shè)備示意圖

3）噴涂：襯里設(shè)備包括涂層材料的存儲設(shè)備、加熱系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)。加熱系統(tǒng)用于控制涂層材料溫度，泵送系統(tǒng)用于輸送涂層材料并控制混合比例，泵的流量和絞車速度決定了管道內(nèi)涂層的厚度，監(jiān)控設(shè)備用于查看噴涂過程及效果。

原位噴涂法的技術(shù)優(yōu)勢為：①能夠延長管道的使用壽命；②降低維護(hù)頻率，減少成本和停機(jī)時(shí)間；③有效延緩管道的內(nèi)腐蝕。

3.6 局部修復(fù)方法

當(dāng)燃?xì)夤艿勒w結(jié)構(gòu)完好，僅有部分缺陷時(shí)，可考慮采用非開挖局部修復(fù)技術(shù)，可減少施工成本，節(jié)約時(shí)間。

3.6.1 點(diǎn)狀CIPP修復(fù)

點(diǎn)狀CIPP修復(fù)是最常用的局部修復(fù)方法之一，已應(yīng)用超過30年（圖9）。如圖9所示，它用專用樹脂將玻璃纖維布織物浸透，再用專用修補(bǔ)器（可膨脹管筒）配合CCTV將玻璃纖維布織物送至管道損壞處，采用專用修補(bǔ)器充氣工藝將其與管壁緊貼，固化后（固化時(shí)間通常為1～4 h）的樹脂和玻璃纖維布共同封堵管道的破損點(diǎn)，最后將修補(bǔ)器釋放壓力并收回[19]。該方法適用于管徑為100～2 000 mm的燃?xì)夤艿?，通常修?fù)段長度為1.0～4.5 m，最大修復(fù)長度為15 m。

點(diǎn)狀CIPP修復(fù)方法的技術(shù)優(yōu)勢為：①能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)性修復(fù)；②襯管能緊密黏結(jié)在舊管內(nèi)壁；③已制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)ASTM F1216，可參照本文參考文獻(xiàn)[7]。該技術(shù)的局限性為：①僅能提高局部修復(fù)部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；②可能會降低管輸能力。

圖9 點(diǎn)狀CIPP修復(fù)圖

3.6.2 機(jī)器人修復(fù)

機(jī)器人修復(fù)技術(shù)是一種采用遙控設(shè)備（機(jī)器人）來進(jìn)行各種管內(nèi)操作的方法，是非開挖局部修復(fù)技術(shù)中較新的技術(shù)之一。機(jī)器人可在管道內(nèi)清除堵塞物，還能研磨裂縫和填充修復(fù)液，通常還與照明設(shè)備和CCTV系統(tǒng)配合使用，機(jī)器人修復(fù)技術(shù)適用于管徑為200～750 mm的管道，將管道修復(fù)機(jī)器人放入管道內(nèi)，采用CCTV確定修復(fù)位置（機(jī)器人在管道內(nèi)的定位采用輪式機(jī)構(gòu)），修復(fù)機(jī)器人研磨裂縫，并向裂縫位置填充修復(fù)液。除此之外，對于人工煤氣管道，由于氣質(zhì)中含有很多雜質(zhì)，易導(dǎo)致雜質(zhì)沉積并堵塞管道，此時(shí)，管道切削機(jī)器人可輕松清除管內(nèi)雜質(zhì)疏通管道。圖10為美國ULC Robotics公司研發(fā)的管道修復(fù)機(jī)器人，主要用于修復(fù)天然氣管道內(nèi)的泄漏。2013年，該機(jī)器人在英國進(jìn)行試驗(yàn)，它在20 d內(nèi)修復(fù)了90個(gè)泄漏點(diǎn)，而采用傳統(tǒng)方法則需要4～6個(gè)月。因此，對于局部需要修復(fù)的管道，機(jī)器人法無疑是一種快速、經(jīng)濟(jì)（可節(jié)約施工成本高達(dá)50%）的技術(shù)。

圖10 ULC Robotics公司研發(fā)的管道修復(fù)機(jī)器人Cisbot Robot照片

機(jī)器人修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢為：①一種設(shè)備可進(jìn)行多種作業(yè)；②施工速度快。其技術(shù)局限性為：①需要專業(yè)設(shè)備；②一次性投資較大[19]。

4 天然氣管道非開挖更換技術(shù)

對于一些需要更換的天然氣管道，無需開挖地表進(jìn)行更換，采用非開挖管道更換技術(shù)——裂管法可以高效地進(jìn)行管道替換。通常是將舊管道破壞的同時(shí)，在原有位置安裝一條新的管道，破壞后的舊管道被擠入土層或形成碎屑后被沖洗液帶出地表（圖11）。更換后的管道直徑可以與原有管道相同，也可以大于原有管道，可增加原管道管徑的20%～30%。根據(jù)破壞方法的不同，裂管法可以分為靜壓法、動壓法和鉆削法。天然氣管道更換通常采用靜壓法和動壓法[24]。

圖11 裂管法施工原理圖[24]

靜壓裂管法中，首先將拉桿插入需要更換的管道，采用切割刀頭將需要更換的管道切開，用裂管頭脹裂舊管，同時(shí)將舊管碎片擠壓進(jìn)周圍土壤，從而使新管道位于原有管道的位置。

動壓裂管法分為氣動破碎法和液壓膨脹法，其中，液壓膨脹法用得較少。氣動破碎法由氣體沖擊矛和脹管器組成，由高壓空氣驅(qū)動（轉(zhuǎn)速為180～580 r/min）產(chǎn)生沖擊力作用于舊管道，使其受壓破裂，脹管器擠壓舊管道碎片進(jìn)入周圍土壤（圖12）。

圖12 氣動破碎法原理示意圖[23]

對于城市燃?xì)庵行枰龃筝斔土康奶烊粴夤艿栏鼡Q而言，裂管法無疑是一種最為有效的方法，但是該方法不宜用于埋設(shè)于異常堅(jiān)硬土壤的管道，且新管道管徑的大小受土壤、原本開挖寬度等因素的影響[5]，根據(jù)《ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice No. 112: Pipe Bursting Projects》[25]，裂管法的施工難度可分為3級：A（常規(guī)）；B（較難）；C（非常難）。具體分類依據(jù)如表4所示，裂管法施工現(xiàn)場如圖13所示。裂管法單次更換長度通常為90～150 m，裂管管徑通常為50～1 000 mm，目前施工的最大長度為910 m，最大管徑為1 200 mm。

圖13 裂管法施工現(xiàn)場圖

裂管法的技術(shù)優(yōu)勢為：①裂管法的實(shí)施受環(huán)境影響很小，對路面交通影響很小；②能夠經(jīng)濟(jì)、快速地進(jìn)行管道更換，可縮短40%的施工周期；③相對于開挖更換，減少了85%的工程量；④由于該方法沿著舊管道的線路施工，容易和臨近設(shè)施協(xié)調(diào)；⑤精度校準(zhǔn)和新管道的安裝可同時(shí)進(jìn)行。其局限性體現(xiàn)為：①裂管過程中產(chǎn)生的振動可能會影響周邊設(shè)施；②膨脹土壤可能會對施工造成困難；③采用韌性材料進(jìn)行局部修理的部位可能會影響裂管施工進(jìn)程；④舊管的彎頭處理較為困難。

表4 裂管法難度分級表[25]

5 結(jié)論及啟示

1）根據(jù)對燃?xì)夤艿婪情_挖安裝技術(shù)特點(diǎn)的總結(jié)，管道非開挖安裝技術(shù)正處于不斷改進(jìn)的階段，特別是很多技術(shù)結(jié)合了傳統(tǒng)施工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，主要的發(fā)展方向?yàn)椋耗軌蜻m用于各種類型的土壤、能夠敷設(shè)更大管徑的管道、能夠以更快的速度施工。

2）目前，我國非開挖修復(fù)和更換技術(shù)所面臨的問題主要包括：①缺乏評價(jià)管道修復(fù)或更換的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；②缺乏具有非開挖修復(fù)和更換技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和施工人員。

3）燃?xì)夤艿婪情_挖修復(fù)和更換的實(shí)施不僅需要相關(guān)的設(shè)備和施工手段，還需要配合非開挖檢測技術(shù)對修復(fù)前的管內(nèi)狀況和修復(fù)后的效果進(jìn)行評定，因此，在后續(xù)的發(fā)展中，需要將非開挖檢測、安裝、修復(fù)（或更換）技術(shù)形成完整的體系，該體系的形成更有利于管道的完整性管理。

4）國外非開挖修復(fù)技術(shù)已能夠適用于城鎮(zhèn)燃?xì)庵械蛪汗艿?，對于高壓管道的?yīng)用具有一定的局限性，因此，提高內(nèi)襯材料強(qiáng)度是解決該問題的關(guān)鍵。

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