公路施工：气动碎裂管法修复地下排水管网施工工法

气动碎裂管法修复地下排水管网施工工法气动碎裂管法修复地下排水管网施工工法 中铁十八局集团建筑安装工程有限公司 史德辉张永张建伟范博毅方海成 1.1.前言前言 城市排水管道设施是市政基础设施的重要组成部分，在城市雨、污水收集与 输送、 防汛排涝民生服务保障方面发挥着极为重要的作用。随着中心城区的人口 与城镇建设趋于平衡，对雨、污水管道的修复与维护工作将日益加大，雨污水管 网系统存在的问题已制约了城市管网建设工程的开展， 地下排水管网非开挖修复 是近年城市管网修复发展重要趋势。 本次主要介绍应用于城区排水管网改扩建工程（连坂片区）的气动碎裂管法 修复地下排水管网施工，以往非开挖修复工艺仅采用管道内衬及点修“打补丁” 的形式进行修复，而开挖替换管修复受周边交通环境等因素影响无法施工，本次 介绍的工艺主要是以气动破碎锤破碎原管后将新管进行地下替换完成管网修复， 施工投资成本低、 施工周期短、 周边影响小、 操作流程简单、 成品质量合格率高， 社会经济效益高。项目自主研发课题复杂地层条件霞城区排水管网非开挖修复 关键技术研究的科研成果于 2020 年 12 月 16 日，经中国铁建股份有限公司专 家评审委员会鉴定为国际先进水平。该工法的研究开发，为今后城市地下排水管 网的施工积累了经验，对促进我国管道非开挖的发展有很高的推广价值。 2 2．工法特点．工法特点 1、修复质量好。采用气动碎裂管法能够准确的采用新管对原有管线进行破 碎替换；施工过程避免了旧管病害对地面留下的安全隐患，且套管施工过程保护 良好。 2、施工占地少。由于施工由大面积施工区间缩成两个施工点，施工占地仅 需占用 3m*3m 作为始发井，占用 3m*3m 作为接收井。 3、施工周期短。与开挖换管修复对比，无需沟槽支护，渣土外运等工序； 与顶管修复对比，无需新建工作井接收井。既有井进行始发接收。 4、施工效益高。穿越铁路、公路、沟渠、建筑物等障碍物以及敏感地带施 工时， 缩小施工占道， 减少周边拆迁， 在不破坏原有建筑的同时缩短了施工周期， 因此不仅节省了工程投资，还有较好的间接效益和社会效益。 第 1 页 共 16 页 5、新管要求局限性小，选择性广。破碎现状旧管线，更换直径与之相等或 更大的新管线，一般可以加大原管径 20～30，可以对灰口铸铁管、无筋水泥 管、钢管、石棉管、陶瓷管等其他脆质管材进行碎裂管，替换的新管材可以是高 密度聚乙烯管、陶瓷管、钢管。在管材选取要求局限性小，可选性强。 3 3．适用范围．适用范围 适用于管径 DN300～DN1300 之间穿越城市道路障碍物的管道替换或扩径工 程。 4 4．工艺原理．工艺原理 利用气态动力（高压空气）碎裂管系统气动锤产生 180 次/min～580 次/min 频率的冲击力，形成种“环状“压力作用于旧管线中，依靠撞击动作来破碎旧 管线， 同时通过碎裂管头挤压旧管线碎片进入周围土壤为新管线提供空间。卷扬 机钢丝绳（钢管）与碎裂管头的拉环连接，卷扬机提供一种稳定向前的拉力，保 证裂管时冲击正确的方向与倾角，循序前进，直到破碎锤帽露出接收井中为止； 然后处理管道与井壁接缝，完成主管替换穿越。装置如图 4.0.1 所示。 图图 4.0.14.0.1气动碎裂管示意图气动碎裂管示意图 5 5．施工工艺流程及操作要点．施工工艺流程及操作要点 5.5.1 1 施工流程施工流程 第 2 页 共 16 页 图图 5.0.15.0.1施工流程图施工流程图 5.25.2 施工要点施工要点 5.2.15.2.1 通过建立模型分析通过建立模型分析碎裂管碎裂管 碎裂管法施工过程，最大的风险就是产生土体位移，从而导致产生地面沉降 或隆起、周围管线变形等一系列问题。施工前可以通过数值模拟的方法，研究碎 裂管法施工对周围土体的扰动情况。 1、模型介绍与几何参数 碎裂管法施工对周围土体的扰动程度进行分析，其模型如图 5.2.1-1 所示。 本次以外径 315mm 的 PE 管，管壁厚度 12.1mm，其埋深 2m 为例。通过改变碎 裂管切屑刀头外径大小，研究刀头大小对地面沉降的影响 第 3 页 共 16 页 图图 5.2.1-15.2.1-1气动碎裂管法施工模型图气动碎裂管法施工模型图 2、模型材料参数 若原管道为 PE 管，土体采用 M-C 弹塑性本构，模型主要参数见表 5.2.1-1 和表 5.2.1-2。 表表 5.2.1-15.2.1-1选用土体参数选用土体参数 层号土体名称厚度（m） 密度 （kg/m3） 内摩擦角 （） EMPa粘聚力 （KPa）υ 1杂填土4180017980.4 2黏土219001914400.35 3粉质黏土4200024.520220.32 表表 5.2.1-25.2.1-2PEPE 管的材料参数管的材料参数 材料名称泊松比密度（kg/m3）弹性模量 （MPa） 屈服强度（MPa） PE3150.495040512.23 3、结果与分析 通过改变碎裂管切屑刀头外径大小，研究刀头大小对地面沉降的影响，其地 面沉降云图如下 图图 5.2.1-25.2.1-2刀头外径刀头外径 320mm320mm 第 4 页 共 16 页 图图 5.2.1-35.2.1-3刀头外径刀头外径 325mm325mm 图图 5.2.1-45.2.1-4 刀头外径刀头外径 330mm330mm 通过对图 5.2.1-2 至图 5.2.1-4 土体变形云图进行分析， 发现随着碎裂管施 工技术中选用的刀头外径的增大，对地面的扰动在不断的增大。 由图 5.2.1-4 可知，碎裂管施工时对管道附近的土体影响较大，随着与管道 距离的增大， 影响在不断的减小， 碎裂管法对附近土体的影响较大的范围在 0.5m 左右，当距离管道 1.5m 时已经基本无影响；碎裂管法施工对管道上部土体影响 较大，下部土体影响较小。 对碎裂管法施工的有限元模拟结果显示 随着碎裂管施工技术中选用的刀头 外径的增大，对地面的扰动在不断的增大；裂管施工时对管道附近的土体影响较 大，随着与管道距离的增大，影响在不断的减小，碎裂管法对附近土体的影响较 大的范围在 0.5m 左右，当距离管道 1.5m 时已经基本无影响；碎裂管法施工对管 道上部土体影响较大，下部土体影响较小。 施工过程中由于气动锤的敲击，对周围地层造成震动，做好对周围管道或建 第 5 页 共 16 页 构筑物影响的预防。 5.2.25.2.2 选择碎裂管头种类选择碎裂管头种类 根据不同的施工情况选择不同的碎裂管爆管头 前置碎裂管头组合用于存在人井的施工项目，能降低开挖成本，是在城市 拥挤地区进行等直径管道更换或扩径管道更换中最合适的最常用的碎裂管头， 如 图 5.2.2（a）所示。 前置碎裂管头管道导向器组合用于砂质地层，或用于管线出现塌陷的情 况，以及出现树根严重侵入管道的情况。在这些条件下，该组合能减少管道出现 犁沟和土楔现象，因而能增加施工管道长度。管道导向器也可用于铸铁管碎裂管 项目，如图 5.2.2（b）所示。 前置碎裂管头背置牵引器组合用于多级扩孔项目，该组合能允许碎裂管 工具尺寸大于新管，这对在复杂条件进行施工或进行 2～3 级扩孔是很重要的，