管道胀管技术
管道胀管技术
胀管法是用液压胀管机等专用非开挖设备胀破旧管线同时完成等径或增大直径的新管线安装的管线更换方法。它是一种在全球均得到认可的非开挖施工方法。
关键词：液压胀管机、胀管法、管线更换、非开挖
胀管法也称裂管法或爆管法，是用特殊工具胀破旧管线同时完成等径或增大直径新管线安装的管线更换方法。它是一种在全球均得到认可的非开挖施工方法。胀管过程可用于现有污水管线、给水主干管线以及输气管线的更换，也可用于其他适合采用该方法施工的地下公用设施的更新。目前胀管法无论是工艺还是工具都得到了很大程度的改进，到目前为止，如果采用等径或增大直径的管线更换现有管线以保证有相同或必要时增大的通流能力，那非开挖胀管法是除传统的开挖方法以外唯一切实可行的管道更换方法。虽然胀管过程看起来容易实施，并且在许多场合下它确实是一种快速高效的管道更新方法，但这种方法在应用过程中也不乏失败的实例。即便如此，这种方法仍然受到承包商们的青睐。据不完全统计，到目前为止，全球采用这种方法更换的各类地下管线已经超过了20,000km。
本文重点讨论的问题设计到采用胀管法对各类材质的旧管线进行更换的过程以及新型材料管线在更换过程中可能遇到的问题和可用的胀管方式。本文还强调指出了胀管施工之前的设计原则，尤其强调了胀管前后可能要考虑的问题，其中包括：胀管头引起的地下土整体移位、可能产生的地面隆起、胀破力的计算、工作井及人井的开挖等等。
一．常用胀管法
目前两种常用的胀管系统，分别如下：
1.1气动冲击胀管法
1.1.1遁地穿梭矛（又称夯管锤，以下简称矛）
它除了能够用来顶管施工外，也是胀管施工的有效工具。胀管头套在矛体外面与新管线相连。矛冲击胀管头，胀管头破碎旧管线，同时碎片被挤压至周围土壤，新管线随之前进，通常应用液压卷扬机提供持续的牵引力，以保持矛前进的方向。目前水平导向钻机与矛配合的工艺在国外也很流行，这时钻机与矛体头部相连，保持矛前进方向的稳定，冲击力还是靠矛来提供。这种方法适合更换直径介于100mm到600mm之间的污水管线，并可以轻松实现直径增大10%到30%新管线的更换。
1.1.2空气锤（结合水平导向钻机的胀管法施工）
空气锤（Air Impactor）是美国Vermeer公司的专利产品，用来与水平导向钻机配合使用（Vermeer系列钻机都内置高压空气接口）；它体积小，结构紧凑，安装方便，特适用于狭小的人井中使用。它的驱动也是靠高压空气，高压空气通过钻杆传送给空气锤，空气锤外面套装胀管头，胀管头与新管线相连。当冲击锤被启动后冲击胀管头，胀管头破碎旧管线，同时牵引新管线进入。施工时首先用水平导向钻机从路面钻进，到达旧管线埋深时调平，钻头沿旧管线继续钻进，直到管线人井另一端，连接钻杆与空气锤。钻杆牵引空气锤而使之启动。
1.2静态胀管法
静态胀管法是采用恒力胀破管道，依靠液压油缸提供拉力牵引刀具和胀管头，胀管头与新管线相连，当刀具在拉杆的牵引下切割旧管线，同时胀管头挤压旧管线碎片进入周围土壤，新管线也随之铺设完成。这种方法因为解决了其他胀管法无法解决的塑性管材的更换问题，而且是小管径塑性管线更新的唯一切实可行的非开挖方法，所以辈受青睐。
1.2.1液压胀管机胀管工艺如下图所示
1.2.2可更换管线分类
-污水管线更换
一般情况下，不再另外配刀具，胀管头会在回拉过程中在旧管壁上施加径向力，从而导致原管线受拉撕裂。胀管头会在前进过程中把胀破的旧管碎片挤入周围土壤，这样就形成了新的孔道供新管进入。这种方法适合更换直径介于200mm到1000mm之间的污水管线。目前国外采用拉力较大的液压胀管机，已经成功的安装了直径是原有管线150%的新管线。
-给水和燃气管线更换
配备适当刀具的液压胀管机便可以更换钢管、球墨铸铁、PVC以及其他有延展性的旧管线。这些刀具都是经过特别设计的，用于切割管线、连接夹具以及其他小型管接头。采用这种方法还有另一个优点，也就是在给水管道更换施工中，安装经过预氯化处理的HDPE管，新管道在安装之前经过消毒处理之后，有助于进一步降低与胀管法相关的施工时间和成本。
-刚性分段管线安装
静态胀管法是迄今为止我们所了解到的唯一一种可安装分段的陶管、玻璃钢管、石棉水泥管、加筋的混凝土管及其他刚性管道的胀管工艺。应用液压胀管机配合推进液压油缸，在胀管头破碎旧管线的同时推进成段的水泥/玻璃纤维等管线，从而完成管线的铺设。
二．管线更换相关数据
2.1更换尺寸
迄今为止采用胀管法成功的更换的已有地下管线，其尺寸范围如下：
2.1.1污水管线
-直径范围：50mm到1000mm
-更换长度：10m到250m
-管径增大尺寸范围：一般为20%到30%，最大为50%
-深度范围：1m到5m
2.1.2给水管线
-直径范围：50mm到600mm
-更换长度：10m到150m
-管径增大尺寸范围：一般为20%到30%
-深度范围：1m到2.5m
2.1.3燃气管线
-直径范围：50mm到300mm
-更换长度：10m到200m
-管径增大尺寸范围：一般为10%到50%
-深度范围：1m到2m
2.2旧管线材料
2.2.1能够采用胀管法进行更换的已有的旧管线通常的易碎材质管线，如：
陶土管、混凝土以及钢筋混凝土管、石棉水泥管、铸铁管
2.2.2 能够结合专门设计的适当管道切割及切削刀具进行更换的一些具有延展性的管线，如：球墨铸铁管、薄壁钢管、玻璃钢管、聚氯乙烯管（PVC）
2.3新管材料
高密聚乙烯管（HDPE）、陶土管（VCP）、混凝土管、增强型塑性灰浆小管推进管（HOBAS管等）、球墨铸铁管、钢管、聚氯乙烯管（PVC）、其他组合管道
三．胀管法施工设计考虑要素
3.1胀管过程中的土体移位
在胀管过程中，由于胀管头的外径大于旧管的直径，在回拉过程中会影响到周围的土质，另外在该位置有旧管剩余物，这些都会产生土体的移位，土体移位可能会影响到周围其他管线或建筑物，所以应尽可能的减少。土体移位则始终取定于以下因素：
-更换等径的管线还是增大了直径的管线
-胀管头和切割刀具的口径
-旧管直径及埋深
-土壤类型、密度和其他周边环境
建议在实际胀管之前，首先对土体移位量（排土量）进行计算，对周围地层情况进行估计。
排土量计算公式如下：
V(排土量)=[π(D-D')²/4]L m³(其中D为新管线直径，D'为旧管线直径，L为管线长度，各参数均以米为单位)
3.2地表隆起
密度与管线埋深不合适，不能容纳由于管线尺寸增加而造成的土壤排量变化，路面的隆起将会发生.
因此考虑到潜在的可能性，我们会认为旧管上方土层的密度会小于两边和下面。所以在更换过程中，多余的土会更多的或者绝大部分挤向上方的表面。如果旧管上方的土层无法完全吸收多余的土量，或者管道埋深很浅，则会导致地表隆起。如下图：
很明显，如果更换相同直径的管线其直径较小，或者更换增大直径的管线增大的量不是很大，那么在胀管过程中，产生的土体移位较小，因此不可能对附近其他的管线或者设施造成损害，即使埋深相对较浅，这种有限的土体移位也不可能导致地表隆起。但是如果更换的管径相对较大，或者更换增大直径的管线其增大量很可观，那么胀管过程中产生的土体移位较为明显，这样有可能损害周围地下的公用设施，而且这种移位的结果足以导致地面隆起。
因此，工程技术人员必须掌握这种情况，确保更换管线周围的公用设施不会遭到破坏，而且要保证管线足够埋深并了解土质以避免发生过高的地面隆起。
3.3改善或减少隆起方法
利用水平导向钻机（或其他设备）在胀管施工前，沿旧管线方向，在它上方钻一个孔道，以容纳多余的排土量，从而消除地面隆起的发生。我们称这个孔道为压力释放孔。或者旁边有其他地下建筑物的情况下，也可以用同样的方法在旧管道的另一侧土层钻孔，以避免伤及其他地下设施。另外改变刀具的切割方向，安装位置等也可以减少地面隆起，同时可以减少对其他设施的损坏。
3.4胀破力计算
在工作开始之前一定要选择最为经济合理、又能保证完成更换工作的适当的设备和刀具。做出选择的最有力的依据是能够计算出更换已有管线的胀破力。
其中需要考虑：1）胀破力 2）摩擦力 3）土壤挤压力 4）管线重力 5）其他力。
液压胀管机选择的依据是：Fp>Fbp+Fscp+Ff
既液压胀管机拉力Fp大于Fbp（胀破力）、Fscp（挤压力）、与Ff（摩擦力）三者之和。
但是，一般为了处理地下未知的或者未曾考虑到因素，我们始终建议在受力分析上加上50%作为余量，以保证设备在出现特殊情况下也能够顺利完成工作。
3.5选择适当的胀管方法和刀具考虑因素：
-已有管线的材质和直径
-新管线的材质和直径
-更换等径的管线还是增大直径的管线
-旧管的埋深
-地层条件、土壤类型、密度等等
-修正夹具、三通、缩径管、阀门、混凝土包壳等等
-其他环境因素
四．现场危险性评估
施工现场地下管线的定位，搜集各种管线位置资料，钻孔勘察可能存在管线，钻孔勘察要求更换管线4英尺(1m)范围内的管线。填写胀管工程危险性评估报告，把施工风险降到最小范围。
4.1施工准备
依据现有管线的几何数据决定工作井的位置与更换次序，大部分准备工作在胀管前完成。-准备与工作井的开挖包括：
-清洗现有管线CCTV勘察。
-周围管线勘察
-通知用户临时管线的停止使用以及临时替代管线的安装
-管线的热熔
-人井的开挖
-交通改道与施工现场的安全
4.2施工现场的布置
4.3管线拉伸变形检测及保护
在胀管头后部HDPE管线内部，安装应力感应器，来测量由于拉力而产生的拉伸变形。施工中通常在HDPE管线内部安装一个细润滑油管，与胀管头后部的润滑剂分配器相连，施工中分配器喷射润滑剂，从而降低摩擦力并保护HDPE管线的外壁。由于HDPE管线的壁厚都留有安全余量，即使有部分划伤也不会影响管线的承压力。依照英国燃气协会的标准，管线有15%壁厚的划伤不会影响整个管线的性能，而事实应用中最大的划伤深度也低于10%。
五．案例分析
近期国内比较成功的一个胀管项目就是2005年12月12日在深圳市区长福花园内的一段钢管更换PE工程。
使用设备： Vermeer5058液压胀管机
被更换旧管：100mm镀锌钢管，壁厚4mm，连接处达到了12mm;
新管线：100mm DR17 PE管；
更换长度：33m;
管线深度：200mm~350mm;
拉力：平均15吨，联结处达到20吨；
时间；全部6小时（包括挖坑，穿过钻杆及其他准备工作），实际胀管时间为40分钟。
该工程因为是小管径更换，不能考虑非开挖技术的其他诸如内衬法、喷涂法等方法。如果要保证地面上设施完整，那胀管法是唯一切实可行的方法。工程虽然是100钢管换100PE的最基本案例，排土量也不是很大，但因为其埋深太浅而且要穿越网球场，从而显出其特别之处。在工程进行过程中，由于采取了有效的防隆措施，并针对具体问题具体分析处理，最终工程完毕后不仅没有损害到其他附近地下设施，就连网球场也没有丝毫发生隆起现象。由此可以看出，胀管技术在更换管线方面的优势已经相当突出了。
六．结论
胀管法虽然永远不可能完全替代传统的开挖方法，但是作为一种逐步成熟，切实可行的管线更换技术将会越来越广泛的应用于管线更换工程中。
实践表明，采用这种更换工艺已经能够更换几乎全部类型的旧管线，同时对社会环境、公用设施等方面造成的影响相对较小，此外还缩短了工期，节约了施工成本。