葛 琛

(中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，天津 300222)

城市排水管道設(shè)施是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在城市雨、污水集輸、防洪排澇、民生服務(wù)保障等方面發(fā)揮著極其重要的作用。隨著中心城區(qū)的人口與城鎮(zhèn)建設(shè)趨于平衡，雨、污水管道的維修保養(yǎng)將日益增多。以往非開挖修復(fù)工藝僅采用管道內(nèi)襯及點(diǎn)修“打補(bǔ)丁”的形式進(jìn)行修復(fù)，造成道路損壞、交通影響、商業(yè)活動(dòng)中斷諸多問題。開挖替換管道修復(fù)受周邊交通環(huán)境等因素影響無法施工，地下排水管網(wǎng)的非開挖修復(fù)是近年來城市管網(wǎng)維護(hù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)[1]。

本文以氣動(dòng)破碎錘破碎原管后將新管進(jìn)行地下替換完成管網(wǎng)修復(fù)，施工投資成本低、施工周期短、周邊影響小、操作流程簡(jiǎn)單、成品質(zhì)量合格率高，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益高。

1 工程概況

福州市城區(qū)排水管網(wǎng)改擴(kuò)建工程(連坂片區(qū))——首山路管網(wǎng)道路地處福州市倉(cāng)山區(qū)大學(xué)城，雙向四車道，全寬16 m、全長(zhǎng)1 680 m，人口聚集密度高，全天交通流量大，地質(zhì)以雜填土、淤泥為主，排水管道為DN315 PE管，管壁厚度12.1 mm，埋深2 m，管道常年失修，出現(xiàn)不同塌陷、變形等功能性病害，以至雨水內(nèi)澇污水冒溢。

2 工作原理

氣動(dòng)碎裂管道置換工作原理利用氣態(tài)動(dòng)力(高壓空氣)碎裂管系統(tǒng)氣動(dòng)錘產(chǎn)生180～580次/min頻率的沖擊力，形成—種“環(huán)狀”壓力作用于舊管線中，依靠撞擊動(dòng)作來破碎舊管線，同時(shí)通過碎裂管頭擠壓舊管線碎片進(jìn)入周圍土壤為新管線提供空間[2]。氣動(dòng)碎裂管工作原理如圖1所示。

圖1 氣動(dòng)碎裂管工作原理

氣動(dòng)錘對(duì)爆管頭的每一次敲擊都將對(duì)管道產(chǎn)生一些小的破碎，因此持續(xù)的沖擊將破碎整個(gè)舊管道。爆管頭的敲擊過程中還伴隨來自鋼索施加的拉力，鋼索通過舊的管道連接到爆管頭的前端，其作用是使爆管頭對(duì)舊的管道的管壁施加一個(gè)壓力、加速其破碎并且拉入爆管頭尾部連接新管道。

3 安全性數(shù)值模擬分析

碎裂管法施工過程，最大的風(fēng)險(xiǎn)就是產(chǎn)生土體位移，從而導(dǎo)致出現(xiàn)地面沉降或隆起、周圍管線變形等一系列問題。施工前，可通過數(shù)值模擬研究碎裂管法施工對(duì)周圍土體的擾動(dòng)程度[3]。

3.1 建立模型

本次以外徑315 mm的PE管、管壁厚度12.1 mm、埋深2 m為例，建立氣動(dòng)碎裂管法施工模型，如圖2所示。通過改變碎裂管切削刀頭外徑大小，研究刀頭外徑大小對(duì)地面沉降的影響。

圖2 施工模型

原管道為PE管，土體采用 M-C彈塑性本構(gòu)，模型主要參數(shù)如表1和表2所示。

表1 選用土體參數(shù)

表2 PE管的材料參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

通過改變碎裂管切削刀頭外徑大小，研究刀頭大小對(duì)地面沉降的影響，其地面沉降云圖如圖3所示。

圖3 不同外徑刀頭的地面沉降云圖

隨著碎裂管施工中選用的刀頭外徑的增大，對(duì)地面的擾動(dòng)在不斷的增大。碎裂管施工時(shí)對(duì)管道附近的土體影響較大[4]，隨著與管道距離的增大，影響在不斷的減小，碎裂管法對(duì)附近土體的影響較大的范圍在0.5 m左右，當(dāng)距離管道1.5 m時(shí)已經(jīng)基本無影響；碎裂管法施工對(duì)管道上部土體影響較大，下部土體影響較小。施工過程中由于氣動(dòng)錘的敲擊，對(duì)周圍地層會(huì)造成振動(dòng)，做好對(duì)周圍管道或建構(gòu)筑物影響的預(yù)防。

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 選擇碎裂管頭型式

本工程施工中根據(jù)不同的施工情況采用了4種碎裂管頭型式，如圖4所示。

圖4 碎裂管頭型式

(1)前置碎裂管頭組合：用于存在人井的施工項(xiàng)目，能降低開挖成本，是在城市擁擠地區(qū)進(jìn)行等直徑管道更換或擴(kuò)徑管道更換中最合適的最常用的碎裂管頭。

(2)前置碎裂管頭+管道導(dǎo)向器組合：用于砂質(zhì)地層或用于管線出現(xiàn)塌陷的情況，以及出現(xiàn)樹根嚴(yán)重侵入管道的情況。在這些條件下，該組合能減少管道出現(xiàn)犁溝和土楔現(xiàn)象，因而能增加施工管道長(zhǎng)度。管道導(dǎo)向器也可用于鑄鐵管碎裂管項(xiàng)目。

(3)前置碎裂管頭+背置牽引器組合：用于多級(jí)擴(kuò)孔項(xiàng)目，該組合能允許碎裂管工具尺寸大于新管，這對(duì)在復(fù)雜條件進(jìn)行施工或進(jìn)行2～3級(jí)擴(kuò)孔是很重要的。

(4)前置碎裂管頭+全體擴(kuò)孔器組合：能產(chǎn)生“拖引”效應(yīng)，能有效的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生于碎裂管工具的能量，用于復(fù)雜條件下碎裂管、長(zhǎng)距離碎裂管或進(jìn)行較大的擴(kuò)徑碎裂管項(xiàng)目。

4.2 測(cè)量放線

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場(chǎng)交樁在工作井及接收井定出穿越管段的中心線并釘上控制樁，穿越管段中線對(duì)地下電纜、光纜、管道等其他障礙物等進(jìn)行標(biāo)記避讓[5]。

4.3 洞門準(zhǔn)備

由于工藝特點(diǎn)，將原有舊管破除拉入新管，為保證原有井室的安全，始發(fā)前將始發(fā)井及接收井管口洞門破除為新建管徑+100 mm，洞門應(yīng)保持規(guī)則完整，如圖5所示。

圖5 洞門破除

4.4 碎裂管頭與管材連接

PE管材進(jìn)行替換推薦采用螺紋承插，承插長(zhǎng)度與管節(jié)承插相同，如表3所示，在工作井內(nèi)采用特制管鉗使螺紋承插漏絲不超過2絲，管節(jié)之間均采用橡膠O型密封圈進(jìn)行密封。在連接過程中應(yīng)考慮土層與管壁、碎裂管頭的摩擦?xí)斐晒鼙谀Σ亮υ龃蠡蚬鼙趽p傷，一般情況下應(yīng)該采用在新管外壁涂抹潤(rùn)滑油脂等方式減小管壁及碎裂管頭的摩擦力。

表3 承插長(zhǎng)度與空壓機(jī)選型

4.5 接管

井室工作面建議采用螺紋承插，先由一人用長(zhǎng)撬棒從基礎(chǔ)將原有管道撬至設(shè)計(jì)高程，采用橫擋板將原有管道控制固定，然后另一人先將新管承插至預(yù)定螺紋位置，再用兩臺(tái)手扳葫蘆向兩側(cè)同步反向擰動(dòng)，讓橡膠密封圈固定就位，不活動(dòng)、不損傷。

4.6 施工前檢查調(diào)試

(1)在始發(fā)井內(nèi)采用經(jīng)緯儀將導(dǎo)軌調(diào)平(按照現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)軌安裝時(shí)靠近套管入土的一端比另一端略高后期施工效果較好，但最大不應(yīng)超過0.5°，以防止施工過程中破碎頭低頭和影響導(dǎo)線)，導(dǎo)軌的安裝直接決定了施工穿越精度誤差，應(yīng)在施工過程中能隨時(shí)測(cè)量調(diào)整。安裝好接收井內(nèi)鋼板墊塊及牽引繩索架，牽引繩索也應(yīng)通過準(zhǔn)確定位，牽引繩索水平最大偏差每50 m不得超過1°。

(2)將新管吊入操作坑中放到導(dǎo)軌上。施工過程防止套管的防腐層被破壞，一般都會(huì)在套管與導(dǎo)軌之間放上麻袋做墊層。

(3)安裝爆管頭。根據(jù)管徑大小選擇配套的擊帽安裝到套管上。

(4)安裝空壓機(jī)。根據(jù)原管管材及管徑確定不同功率空壓機(jī)(直徑≤600 mm混凝土管、PVC均可采用30～210 kW可移動(dòng)空壓機(jī))，選型標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

(5)調(diào)試。采用熱熔機(jī)(或者螺紋承插卡扣)將新管與錘帽連接，使錘帽、套管、卷揚(yáng)機(jī)牽引線的中心線與設(shè)計(jì)中心線吻合，將破碎錘頭部與新管固定緊后，啟動(dòng)空壓機(jī)，打開破碎頭開關(guān)，運(yùn)行1 min；關(guān)閉破碎頭開關(guān)，再次檢驗(yàn)管道導(dǎo)軌的方位與水平角度，若偏差超過0.5°、牽引繩索偏差超過夯進(jìn)長(zhǎng)度的1%或?qū)к壌怪逼拼笥? cm，需重新固定調(diào)整。

4.7 開啟空壓機(jī)氣動(dòng)破碎錘及牽引

應(yīng)先啟動(dòng)空壓機(jī)，打開操作閥，先對(duì)管材進(jìn)行破碎，再開啟牽引千斤頂向前拖拉。在施工過程中盡量減少關(guān)機(jī)，防止出現(xiàn)碎裂管頭卡機(jī)。如施工長(zhǎng)度較長(zhǎng)過程中出現(xiàn)牽引困難，可配合工作井內(nèi)備用千斤頂“前拉后推”。若施工過程中出現(xiàn)卡機(jī)無法向前拖拉，應(yīng)先關(guān)閉牽引千斤頂，采用高壓水槍由接收井向工作井方向射水沖土后開啟牽引千斤頂繼續(xù)工作。

4.8 角度復(fù)核調(diào)整

4.8.1 復(fù)測(cè)調(diào)整牽引線角度

完成前一節(jié)破碎拖拉施工后，應(yīng)認(rèn)真測(cè)量管道牽引線的軸線偏差，角度偏差不應(yīng)超過0.5°、橫向不應(yīng)超過軸線±5 cm。

4.8.2 管道復(fù)測(cè)糾偏

若在復(fù)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)軸線偏差超出規(guī)定范圍，應(yīng)該進(jìn)行及時(shí)糾偏，一般采用的糾偏方式有兩種：①在工作井進(jìn)管口向偏移的反方向的管道外壁打木楔。②在接收井內(nèi)向偏移方向的反方向改變牽引的軸線位置。施工過程中采用第一種相對(duì)便捷。

5 施工效果分析

施工中采用CCTV管道檢測(cè)技術(shù)，通過控制管道中行走的機(jī)器人攝像頭遠(yuǎn)程采集圖像，并通過有線傳輸顯示和記錄圖像。氣動(dòng)碎裂法置換管道前后檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

圖6 氣動(dòng)碎裂置換管道前后檢測(cè)圖像

6 結(jié)束語

福州市城區(qū)排水管網(wǎng)改擴(kuò)建工程首次引入應(yīng)用非開挖修復(fù)——?dú)鈩?dòng)碎裂管法，極大程度的縮短了施工周期，降低了安全隱患，減小了交通影響，社會(huì)效益極佳，修復(fù)效果顯著。