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        小口徑塑料排水管道環(huán)切復(fù)頂置換修復(fù)工藝研究與應(yīng)用

        2023-08-28 11:43:41程明張建清丁亮清
        水利水電快報(bào) 2023年7期

        程明 張建清 丁亮清

        摘要:為解決小口徑塑料排水管道發(fā)生嚴(yán)重變形、破裂、塌陷時(shí)的修復(fù)難題,提出非開挖環(huán)切復(fù)頂置換修復(fù)技術(shù),將原管道和坍塌部位全部旋轉(zhuǎn)切割清除后帶入新管,以達(dá)到等徑或擴(kuò)徑置換修復(fù)的目的。將環(huán)切復(fù)頂置換工藝應(yīng)用于武漢光谷七路污水管道修復(fù)中,結(jié)果表明:該工藝可有效修復(fù)出現(xiàn)二級以上變形、破裂的300~800 mm管徑塑料排水管道,并解決靜壓裂管水平受力易卡鉆頭問題。

        關(guān)鍵詞:塑料排水管道; 非開挖修復(fù); 等徑替換; 擴(kuò)徑替換; 旋轉(zhuǎn)切割

        中圖法分類號:TU992

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        DOI:10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.011

        文章編號:1006-0081(2023)07-0067-04

        0 引 言

        2004年以后,隨著塑料管大量運(yùn)用于排水管道,管道的預(yù)處理和修復(fù)難度加?。?]。排水管網(wǎng)修復(fù)的主流工藝包括熱水翻轉(zhuǎn)固化、紫外光固化、熱塑成型等[2-3],雖工藝繁多,但均以原位固化為主,工藝局限性大,不能適用于所有的管道結(jié)構(gòu)性缺陷,如管道發(fā)生嚴(yán)重變形和塌陷時(shí),預(yù)處理工作量非常大[4-6],作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)高,切割變形坍塌部分的費(fèi)用高,工期長,次生影響大[7]。

        早期引進(jìn)的碎(裂)管法[8-10]采用靜壓裂管或氣動碎管兩種工藝,通過裂管頭破碎原有管道,再帶入新管進(jìn)行置換。這種工法對混凝土管效果較好,但應(yīng)用于塑料管時(shí),其破碎方式極易造成材料擠壓收縮而導(dǎo)致鉆頭卡死、置換失敗。也有將裂管頭改進(jìn)成滾刀式脹頭的方法,使脹頭在向前拉的過程中利用滾刀切破原管壁。滾刀式脹頭可以提高切割效率,減少卡鉆的風(fēng)險(xiǎn),但是其力學(xué)方式?jīng)]有改變,始終是縱向受力,沒有從根本上解決問題。此外,碎(裂)管主機(jī)需要放置在井下作業(yè),動力弱、體積較大,在修復(fù)之前需要將檢查井破除并加固,增加了開挖風(fēng)險(xiǎn)。

        從力學(xué)角度分析,縱向強(qiáng)拉硬擠是導(dǎo)致塑料管收縮卡鉆的根本原因,因而改變受力角度,利用現(xiàn)有檢查井避免開挖破壞路面,同時(shí)增大置換動力是從根本上解決塑料管置換難題的關(guān)鍵。基于此,本文提出了針對小口徑塑料管道的環(huán)切復(fù)頂置換工藝,其將預(yù)處理和修復(fù)合二為一,且不需要擴(kuò)井,可在提高工作效率的同時(shí)有效解決卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

        1 環(huán)切復(fù)頂置換工藝

        1.1 方法原理

        環(huán)切復(fù)頂置換工藝原理如圖1所示,定向鉆單邊造斜到第一口檢查井,進(jìn)入原管道后水平頂進(jìn),鉆桿利用原有管道路徑從管中心穿到最末端檢查井,在末端井內(nèi)安裝旋轉(zhuǎn)切割鉆頭,利用定向鉆給特制切割鉆頭提供水平拉力和旋轉(zhuǎn)動力,將原管道及變形坍塌部分全部環(huán)向切割打碎并帶出管道,同時(shí)利用末端井安裝自密封自鎖承插接口纏繞實(shí)壁短管,通過前拉后頂?shù)姆绞酵瓿赏街脫Q。

        1.2 系統(tǒng)組成

        1.2.1 動力部分

        在面臨不同管材和土質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí),管道等徑或者擴(kuò)徑置換需要有強(qiáng)勁的動力單元作為保障。置換不但要切割原管材,還需要清除變形坍塌下來的土體[11-12],所以該工法選擇采用定向鉆作為前置動力裝置。

        根據(jù)管網(wǎng)埋設(shè)深度確定鉆機(jī)擺放位置:城區(qū)市政管網(wǎng)埋深一般在2~5 m,鉆機(jī)距第一口井8~12 m為宜。單邊造斜只下鉆導(dǎo)向,不擴(kuò)孔,對路面和土體影響小。定向鉆造斜、水平頂進(jìn)、回拉工藝成熟,具有地質(zhì)適應(yīng)廣、障礙處理能力強(qiáng)、次生災(zāi)害小、頂管標(biāo)高控制準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)對空間要求小,管道密封性好、整體性強(qiáng)。而傳統(tǒng)的坑道機(jī)需要放置在井底,不但需要擴(kuò)井加固,而且受坑道限制,機(jī)動力有限,極易造成卡鉆和拉塌井室[13-14]。

        1.2.2 切割破碎部分

        切割破碎部分通過末端檢查井安裝,切割破碎的同時(shí)帶回置換短管,同步進(jìn)行預(yù)處理和修復(fù)。采用自制環(huán)向切割鉆頭,如圖2所示,其由兩部分組成:前端為切割刀頭,后端是破碎鉆頭。切割刀頭主要用于縱向切割原管材,破壞管道的整體結(jié)構(gòu);其在使用時(shí)由傳動軸控制張開切刀,刀頭以180°角度切開塑料管材,再通過控制傳動軸收縮切刀,后端的破碎鉆頭在切刀收縮后進(jìn)入已經(jīng)割開的管道,將原管材和坍塌部分全部粉碎,一部分碎渣隨鉆頭帶出管道,一部分被擠入土體。

        裂管法通過氣動或者靜壓方式擠壓破碎原管道時(shí),鉆頭只有水平作用的力,其采用強(qiáng)拉硬擠的方式將原管材破碎擠入土體。當(dāng)待修管道為塑料管時(shí),因塑料管是柔性材質(zhì),極易造成管道擠壓收縮致使鉆頭卡死。相比之下,環(huán)切鉆頭通過定向鉆提供強(qiáng)大扭矩進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割,將塑料管全部打碎,進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)等徑或者擴(kuò)徑置換。

        2 工藝效果對比

        目前行業(yè)內(nèi)頂管置換工藝如泥水平衡、螺旋頂管等在應(yīng)對塑料管置換方面存在弊端[15-16],從工藝和效果上將二者與環(huán)切復(fù)頂置換工藝對比,如表1所示。經(jīng)過對比,在小口徑排水管道非開挖施工中,尤其是建筑物密集、橫穿路口等復(fù)雜的工況下,環(huán)切復(fù)頂置換工藝是目前最優(yōu)的工法。該工藝對空間要求小,復(fù)雜施工環(huán)境均能滿足,同時(shí)具備頂管精度高、標(biāo)高可控的優(yōu)點(diǎn),尤其是重力流管道對標(biāo)高要求高,環(huán)切復(fù)式頂管能滿足設(shè)計(jì)要求。修復(fù)后成品管道整體性強(qiáng)、密封性好,接口無滲漏和錯(cuò)位風(fēng)險(xiǎn),柔性管還能適應(yīng)地層的不均勻沉降,總體性價(jià)比高。

        3 應(yīng)用實(shí)例

        2021年5月,武漢東湖高新光谷七路污水管道變形、破裂嚴(yán)重,且道路出現(xiàn)輕微下陷。根據(jù)管網(wǎng)檢測與評估報(bào)告:該管道為DN400波紋管,長119 m,埋深3.5 m,管道全線出現(xiàn)不同程度的嚴(yán)重變形、破裂、坍塌,周圍土體進(jìn)入管道內(nèi),同時(shí)污水滲入土壤,導(dǎo)致上游污水從檢查井外溢,管道上方路面開裂、道路輕微下陷,已嚴(yán)重影響排污管道的正常使用,同時(shí)有地陷風(fēng)險(xiǎn)。

        因光谷七路有軌道交通運(yùn)行,間隔污水管道水平距離不到5 m,為避免開挖施工對其造成影響,只能采用非開挖修復(fù)方式。管道嚴(yán)重變形,原施工單位選用裂管法施工,因施工難度大,將管徑DN400縮徑置換成DN355,在置換20 m之后,波紋管隨著鉆頭擠壓收縮,導(dǎo)致鉆頭卡死,通過開挖將鉆頭取出。

        在分析現(xiàn)場工況后得出結(jié)論:① 縮徑置換不能滿足要求,通過水力模型計(jì)算,DN400基本符合流量要求,縮徑置換只會造成排水不暢導(dǎo)致溢流,所以必須等徑置換;② 通過CCTV檢測報(bào)告,管道基本都是3級以上變形,局部塌陷,砂石進(jìn)入管內(nèi),置換難度非常大。在進(jìn)行充分調(diào)研和準(zhǔn)備后,采取環(huán)切復(fù)頂置換工藝,具體施工步驟如下。

        (1) 鄰近管線調(diào)查及封堵導(dǎo)流。根據(jù)管網(wǎng)埋深計(jì)算水平定向鉆機(jī)安放位置,造斜區(qū)域采用物探方法探明穿插的管線,以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。采用高壓封堵氣囊對上下游進(jìn)行封堵作業(yè),為防止溢流,將上游來水導(dǎo)流至下游管道,并將待修復(fù)管段積水抽干。

        (2) 定向鉆機(jī)借道造斜頂進(jìn)及標(biāo)高控制。采用水平定向鉆機(jī)借道造斜,使鉆頭進(jìn)入第一口檢查井后水平頂進(jìn),從原管道中心到達(dá)末端井。在頂進(jìn)的過程中利用鉆頭中的導(dǎo)向儀探棒提供位置信息(深度、角度等),控制標(biāo)高與方位。

        (3) 安裝旋轉(zhuǎn)切割鉆頭。利用末端檢查井安裝旋轉(zhuǎn)切割鉆頭,鉆頭直徑約450 mm,不但要切割破除原有舊管道,還需要將坍塌部分和周圍土體擴(kuò)徑至新管外徑厚度。

        (4) 短管安裝尺寸及工藝選擇。根據(jù)檢查井內(nèi)徑選擇置換短管的長度,通常檢查井直徑為700~1 000 mm,一般選擇置換的短管為500 mm一節(jié),若原有井室空間足夠,也可選擇更長的短管。該工程根據(jù)現(xiàn)場工況和設(shè)計(jì)要求,采用長度為500 mm、管徑為400 mm的纏繞實(shí)壁管,管材壁厚35 mm。

        短管采用柔性密封自鎖承插接口工藝,在末端井室內(nèi)安裝管節(jié),利用鉆桿穿過管道中心連接定向鉆提供前拉動力,在尾端通過液壓頂進(jìn)設(shè)備完成短管安裝,并提供輔助頂進(jìn)動力。自鎖承插接口在壓力作用下自動鎖死。

        (5) 土體加固。光谷七路管道塌陷嚴(yán)重,長期泡水,周圍土壤沖空,形成空洞。采用路面打孔注漿方式對空洞進(jìn)行土體填充加固,以免造成路面塌陷。

        (6) 恢復(fù)路面及CCTV驗(yàn)收。用紅磚砌好流水槽,依照原坡度,用速凝水泥抹平刷黑,并采用CCTV檢測驗(yàn)收修復(fù)管道。修復(fù)前后的管道內(nèi)部情況如圖3所示。

        4 結(jié) 語

        環(huán)切復(fù)頂置換法非開挖修復(fù)工藝在光谷七路的成功應(yīng)用,證明了其對修復(fù)存在變形塌陷缺陷的小口徑塑料管道的優(yōu)勢。環(huán)切復(fù)頂置換法既可等徑置換,也能擴(kuò)徑置換;既恢復(fù)了原有管道的過水能力,還攻克了靜壓裂管在塑料管置換時(shí)易卡鉆問題,解決了行業(yè)難點(diǎn);定向鉆路面造斜頂拉改變了坑道機(jī)需要擴(kuò)井的繁瑣工藝,真正實(shí)現(xiàn)“非開挖修復(fù)”,可利用更大的動力設(shè)備,能適應(yīng)更大管徑的置換修復(fù);纏繞實(shí)壁短管和柔性密封自鎖承插接口工藝使管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到加強(qiáng)。閉水試驗(yàn)及內(nèi)襯材料力學(xué)性能檢測效果均較佳。該工法工期短,對交通影響小,適應(yīng)性強(qiáng),效果好,可為小口徑塑料排水管道置換修復(fù)提供參考。

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        (編輯:江 燾,高小雲(yún))

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