管道修复人的圈子

近年来,城市核心区地下浅层空间的各类市政管道腐蚀老化严重,濒临甚至超过设计年限的问题突出,管道错台、渗漏、破损、异物侵入等病害高发,是污水外 溢、水 体 污 染、城 市 大 雨 内 涝、湖 泊 “ 黑水” 、管道爆裂、路面坍塌等问题和事故的根源。随着城市管网系统接近全面更新时期,受损管道的修复、更新问题亟需解决。

目前国内外学者针对管道的修复问题,主要提出了以下三种技术:明挖法、非开挖修复技术、非开挖更新技术。 通过开挖的方式对管道进行更换,具有施工工效高,地层适应性与经济性好的特点;现有的管道非开挖修复技术,应用较为广泛的有 UVCIPP 法、螺旋缠绕法、内衬法等,该技术可以在非开挖的前提下对破损管道进行修复,具有施工速度快,对环境影响小的优势;现有的非开挖更新技 术 可 供 选 择 的 并 不 多, 具 有 代 表 性 的 就 是碎(裂)管法,该法以机械扩张头为主要设备将原管道挤碎或割裂,随后拉入新管道。

尽管当前可供选择的管道修复更新方式很多,却仍存在着不同程度的局限性。 随着时代的进步,利用明挖法进行管道的更新修复已较难满足城市核心区的诸多要求;非开挖修复技术均是在管道内衬上“做文章” ,这些修复方法会不同程度的降低管径,减小过水断面,修复前还需要清淤、排水等大量繁琐的预处理工作。 修复后的管道只是内衬得到了加强,各类修复材料也以化学材料为主,这些新材料在力学性能、防腐耐久方面缺乏长时间的检验,并且该技术针对破损管道的错台问题也是捉襟见肘;碎(裂) 管法虽然能够对旧管道进行全结构更新,但主要适用于小直径脆性管道,目前已有的应用案例多集中在直径 300mm 左右,该法在扩容尺度方面也严重依赖周围土质情况,且管道碎片留存在土体会造成较多不利影响。

基于此,本文依托现代全断面掘进机技术的发展,提 出 了 管 道 原 位 破 除 更 新 工 法, 即 PBR 工法( Pipeline In-situ Break-and-replace Method ) , 利用机械化非开挖的方式实现了老旧管道的原位更新、扩容更新,并对 PBR 工法及其配套设备进行了刀盘试验和工程应用实践。

1.PBR 工法原理

PBR 工法是利用专用管道更新掘进机,对旧管道原位破除的同时,采用顶进的方式更换新管道,实现管道全结构更换(图 1) 。 管道更新掘进机的刀具、刀盘经特殊设计和加工制造可以对钢筋混凝土管道、各类无筋脆性管道以及断面扩径范围的岩石、土体进行切削,并利用泥水(或土压) 平衡保持掘进面土层稳定,控制地表变形。 切碎的管道碎渣以及断面扩容所超挖的岩土可以通过水平运输装置或泥水循环方式从工作井排出。

此外,PBR 工法可根据工程需要,设计超前保通装置,该装置可在既有管道内移动并与管道密贴,装置中间设计了可供管道内水流通过的孔道,可使运营管道中的污水从盾体中通过,实现原有管道的不断流施工,并且超前保通装置还能为掘进面保压提供密封,隔离泥水仓和污水仓,实现泥水污水分流。

图 1　 原位破除更新工法工作原理

2.基于 PBR 工法的专用设备研制

PBR 工法是土木-机械高度结合的管道更新机械化施工工法。 基于 PBR 工法理念,设计和制造出性能、功能均满足工法需要的专用掘进机设备是PBR 工法研究过程的关键环节。

2. 1　 管道更新掘进机

基于 PBR 工 法 研 发 的 管 道 更 新 掘 进 机 ( 图2) ,由中 铁 工 程 装 备 集 团 有 限 公 司 设 计 和 制 造。设备主机总长为 2 685 mm,主机重为 10 t,开挖直径 为 1 480 mm, 可 用 于 钢 筋 混 凝 土 预 制 管 道DN1000 更换为 DN1200 的管道原位更新工程。 中铁装备研制的管道更新掘进机由刀盘、盾体、驱动、泥水环流系统、电气系统、液压系统、导向系统和始发装置等主要部分组成。 刀盘为面板式,配置了滚刀、切刀、鱼尾刀。

本文研发的管道更新掘进机主要特色为:

(1)刀盘。 螺旋齿形滚刀由多道左旋或右旋条齿形刀组成,能够挤破混凝土并切断钢筋,针对管道薄壁结构布置刀具,其设计极具辨识度和显著特色;

(2)顶推装置。 顶推装置采用增程式油缸设计,通过换步顶进,可以有限缩短油缸的长度,减少设备布置空间,降低工作井尺寸从而降低造价;

(3)保通器。 保通器由多道橡胶唇形密封组成,试验检验可以保压 2. 0Bar 以上。 能够有效封堵掘进面前 5 m 的污水,将掘进面泥水仓和前方污水隔离,实现掘进中管道正常运行。

图 2　 管道更新掘进机样机

2. 2　 刀盘研制

管道更新掘进机的设计研制过程中,首先要解决是钢筋混凝土管道的切削问题。 预制排水三级管钢筋多采用冷轧带肋钢筋,屈服强度高,钢筋直径通常也在 5 mm 以上,混凝土强度在 C40 以上。如何有效的切断钢筋,并将钢筋切断长度控制在合理范围,同时避免钢筋缠绕刀盘,防止扭矩的激增造成卡机是关键问题之一,刀盘的设计需要保证钢筋的破坏形式满足要求,还需要保证混凝土粉碎程度满足排渣设计要求。

钢筋混凝土管道切削破坏形式和碎断形态和刀盘设计有直接关系,同时和刀盘转速、扭矩、推进速度等掘进参数也有关联。 为探究掘进参数变化对管节切削效果影响,分析了刀盘推进速度控制为24 mm / min、转速控制为 1 r / min 时,推力和扭矩的变化如图 3 所示。 可以看出:刀盘切削钢砼管节推力为 500 ~ 700 kN,扭矩为 6 ~ 8 kN· m,且推力与扭矩的波动变化小。

图 3　 推力和扭矩随时间变化曲线

3.PBR 工法的工程应用

经过大量工厂试验,确保管道更新机具备对钢筋混凝土管道的切削能力后,为进一步的检验和探索 PBR 工法实际应用情况,验证土层中实际切削效果和泥水循环对钢筋混凝土渣土的携带效果以及设备整机各系统的运行情况,通过构建模拟场地,开展了试验段工程研究。

3. 1　 试验段工程概况

试验段工程位于河南郑州,试验段更新前的原管道由 3 个区间 2 个检查井组成(图 4) ,每个区间长度约 20 m,总长 60 m,管道埋深 3 m,土层以粉砂为主。 管道为 DN1000 的预制钢筋混凝土承插式三级管。 试验段区间 1 为砂石基础,区间 2 为素砼基 础, 区 间 3 为 错 台 工 况, 错 台 高 度 分 别 为200 mm、 400 mm、 600 mm。 更 新 后 的 管 道 为DN1200 柔 性 B 类 钢 承 口 预 制 钢 筋 混 凝 土 三 级管(图 5) 。

图 4　 更新前的管道

图 5　 更新后的管道

3. 2　 施工关键技术

PBR 工法施工的主要步骤为:工作井施工—设备安装—设备始发 ( 图 6) —破管掘进 ( 管节安装) —设备接收。 管道破除施工不同于普通地层的掘进施工,设备面临的是对既有构筑物的破除掘进施工,既要切削老旧管道,又要通过中间检查井。对施工掘进参数的控制,姿态控制、地表变形控制要求较高。 管道破除更新的施工关键点在于:

图 6　 设备始发

(1)掘进参数控制。 管道更新掘进面临的工况较为复杂,既有钢筋混凝土管道,又有砂土层,掌子面有软有硬,属复合土层。 合理控制推力、掘进速度和转速之间的关系,可以保证钢筋和混凝土的碎块、碎段的大小和长度,从而降低泥水循环的堵管风险。 通过收集排除的渣土,发现排除混凝土碎渣可控制在 10 mm 以下,钢筋在 5 cm 左右的占比较大, 同 时 还 收 集 到 了 切 碎 的 旧 管 道 的 密 封 胶条(图 7—9) 。

图 7　 排出混凝土渣粒

图 8　 排出钢筋

图 9　 排出胶圈

(2)线路姿态控制。 掘进过程中因为管节切削接近接口处时,管段剩余长度变少,掘进过程中极易造成方向线路的突变,加上试验段区间 3 设置为错台的工况,偏心切削对于掘进线路的影响也很大。 掘进时对线路姿态的控制是关键所在。 还需要注意的是,试验段工程涉及两座检查井,设备需要空推过井,设备线路必须控制在 3 cm 以下才能保证过井顺利。

(3)地表变形控制。 设备采用泥水平衡控制掘进面稳定,但设备掘进面较小,土质为砂土,属于较难控制的不良地质,加上软硬兼有的土层状况需要格外留意地表的变化情况,管道更新施工期间,应该注意加强掘进中的地表监测,通过沉降量的变化,及时调整掘进参数、改变控制策略。

3. 3　 施工参数分析

为探究施工过程中的掘进参数变化规律,采集施工时扭矩、推力随时间的变化,如图 10、11 所示。正常掘进时,刀盘转速控制在 2. 5 r / min,推进速度维 持 在 20 mm / min 左 右, 刀 盘 推 力 为 750 ~1 050 kN,扭矩为 7 ~ 22 kN·m。 可以看出掘进参数选取合理时,掘进过程中推力及扭矩波动较小,掘进过程较为稳定。

图 10　 推力随时间变化曲线

图 11　 扭矩随时间变化曲线

4.结论

(1)管道破除更新法具有机械化、非开挖的特点,相较传统明挖法“开膛破肚” 式的修复更新,具有绿色环保、安全高效的优势,社会效益优势显著。

(2)管道更新专用设备研制成功,并通过大量刀盘试验的验证,表明管道更新机具备钢筋混凝土管道破碎能力。

(3)试验段工程的成功贯通,表明 PBR 工法具有可实施性,同时也进一步证明了管道更新机的可靠性和稳定性。

摘自《地下空间与工程学报 》