近年來,城市核心區(qū)地下淺層空間的各類市政管道腐蝕老化嚴(yán)重,瀕臨甚至超過設(shè)計年限的問題突出,管道錯臺、滲漏、破損、異物侵入等病害高發(fā),是污水外溢、水體污染、城市大雨內(nèi)澇、湖泊“ 黑水”、管道爆裂、路面坍塌等問題和事故的根源。隨著城市管網(wǎng)系統(tǒng)接近全面更新時期,受損管道的修復(fù)、更新問題亟需解決。
目前國內(nèi)外學(xué)者針對管道的修復(fù)問題,主要提出了以下三種技術(shù):明挖法、非開挖修復(fù)技術(shù)、非開挖更新技術(shù)。通過開挖的方式對管道進(jìn)行更換,具有施工工效高,地層適應(yīng)性與經(jīng)濟性好的特點;現(xiàn)有的管道非開挖修復(fù)技術(shù),應(yīng)用較為廣泛的有 UVCIPP 法、螺旋纏繞法、內(nèi)襯法等,該技術(shù)可以在非開挖的前提下對破損管道進(jìn)行修復(fù),具有施工速度快,對環(huán)境影響小的優(yōu)勢;現(xiàn)有的非開挖更新技術(shù)可供選擇的并不多, 具有代表性的就是碎(裂)管法,該法以機械擴張頭為主要設(shè)備將原管道擠碎或割裂,隨后拉入新管道。
盡管當(dāng)前可供選擇的管道修復(fù)更新方式很多,卻仍存在著不同程度的局限性。隨著時代的進(jìn)步,利用明挖法進(jìn)行管道的更新修復(fù)已較難滿足城市核心區(qū)的諸多要求;非開挖修復(fù)技術(shù)均是在管道內(nèi)襯上“做文章” ,這些修復(fù)方法會不同程度的降低管徑,減小過水?dāng)嗝?修復(fù)前還需要清淤、排水等大量繁瑣的預(yù)處理工作。修復(fù)后的管道只是內(nèi)襯得到了加強,各類修復(fù)材料也以化學(xué)材料為主,這些新材料在力學(xué)性能、防腐耐久方面缺乏長時間的檢驗,并且該技術(shù)針對破損管道的錯臺問題也是捉襟見肘;碎(裂) 管法雖然能夠?qū)εf管道進(jìn)行全結(jié)構(gòu)更新,但主要適用于小直徑脆性管道,目前已有的應(yīng)用案例多集中在直徑 300mm 左右,該法在擴容尺度方面也嚴(yán)重依賴周圍土質(zhì)情況,且管道碎片留存在土體會造成較多不利影響。
基于此,本文依托現(xiàn)代全斷面掘進(jìn)機技術(shù)的發(fā)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 ) , 利用機械化非開挖的方式實現(xiàn)了老舊管道的原位更新、擴容更新,并對PBR工法及其配套設(shè)備進(jìn)行了刀盤試驗和工程應(yīng)用實踐。
PBR 工法是利用專用管道更新掘進(jìn)機,對舊管道原位破除的同時,采用頂進(jìn)的方式更換新管道,實現(xiàn)管道全結(jié)構(gòu)更換(圖 1) 。管道更新掘進(jìn)機的刀具、刀盤經(jīng)特殊設(shè)計和加工制造可以對鋼筋混凝土管道、各類無筋脆性管道以及斷面擴徑范圍的巖石、土體進(jìn)行切削,并利用泥水(或土壓) 平衡保持掘進(jìn)面土層穩(wěn)定,控制地表變形。切碎的管道碎渣以及斷面擴容所超挖的巖土可以通過水平運輸裝置或泥水循環(huán)方式從工作井排出。
此外,PBR 工法可根據(jù)工程需要,設(shè)計超前保通裝置,該裝置可在既有管道內(nèi)移動并與管道密貼,裝置中間設(shè)計了可供管道內(nèi)水流通過的孔道,可使運營管道中的污水從盾體中通過,實現(xiàn)原有管道的不斷流施工,并且超前保通裝置還能為掘進(jìn)面保壓提供密封,隔離泥水倉和污水倉,實現(xiàn)泥水污水分流。
圖 1 原位破除更新工法工作原理
2.基于 PBR 工法的專用設(shè)備研制
PBR 工法是土木-機械高度結(jié)合的管道更新機械化施工工法�；� PBR 工法理念,設(shè)計和制造出性能、功能均滿足工法需要的專用掘進(jìn)機設(shè)備是PBR 工法研究過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
2. 1 管道更新掘進(jìn)機
基于PBR工法研發(fā)的管道更新掘進(jìn)機 ( 圖2) ,由中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司設(shè)計 和制造。設(shè)備主機總長為2685mm,主機重為10t,開挖直徑 為1480mm, 可用于鋼 筋混凝土預(yù)制管道DN1000 更換為DN1200 的管道原位更新工程。中鐵裝備研制的管道更新掘進(jìn)機由刀盤、盾體、驅(qū)動、泥水環(huán)流系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)和始發(fā)裝置等主要部分組成。刀盤為面板式,配置了滾刀、切刀、魚尾刀。
本文研發(fā)的管道更新掘進(jìn)機主要特色為:
(1)刀盤。螺旋齒形滾刀由多道左旋或右旋條齒形刀組成,能夠擠破混凝土并切斷鋼筋,針對管道薄壁結(jié)構(gòu)布置刀具,其設(shè)計極具辨識度和顯著特色;
(2)頂推裝置。頂推裝置采用增程式油缸設(shè)計,通過換步頂進(jìn),可以有限縮短油缸的長度,減少設(shè)備布置空間,降低工作井尺寸從而降低造價;
(3)保通器。保通器由多道橡膠唇形密封組成,試驗檢驗可以保壓 2. 0Bar 以上。能夠有效封堵掘進(jìn)面前 5 m 的污水,將掘進(jìn)面泥水倉和前方污水隔離,實現(xiàn)掘進(jìn)中管道正常運行。
圖 2 管道更新掘進(jìn)機樣機
2. 2 刀盤研制
管道更新掘進(jìn)機的設(shè)計研制過程中,首先要解決是鋼筋混凝土管道的切削問題。預(yù)制排水三級管鋼筋多采用冷軋帶肋鋼筋,屈服強度高,鋼筋直徑通常也在 5 mm 以上,混凝土強度在 C40 以上。如何有效的切斷鋼筋,并將鋼筋切斷長度控制在合理范圍,同時避免鋼筋纏繞刀盤,防止扭矩的激增造成卡機是關(guān)鍵問題之一,刀盤的設(shè)計需要保證鋼筋的破壞形式滿足要求,還需要保證混凝土粉碎程度滿足排渣設(shè)計要求。
鋼筋混凝土管道切削破壞形式和碎斷形態(tài)和刀盤設(shè)計有直接關(guān)系,同時和刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩、推進(jìn)速度等掘進(jìn)參數(shù)也有關(guān)聯(lián)。為探究掘進(jìn)參數(shù)變化對管節(jié)切削效果影響,分析了刀盤推進(jìn)速度控制為24 mm / min、轉(zhuǎn)速控制為 1 r / min 時,推力和扭矩的變化如圖 3 所示�？梢钥闯�:刀盤切削鋼砼管節(jié)推力為 500 ~ 700 kN,扭矩為 6 ~ 8 kN· m,且推力與扭矩的波動變化小。
圖 3 推力和扭矩隨時間變化曲線
經(jīng)過大量工廠試驗,確保管道更新機具備對鋼筋混凝土管道的切削能力后,為進(jìn)一步的檢驗和探索 PBR 工法實際應(yīng)用情況,驗證土層中實際切削效果和泥水循環(huán)對鋼筋混凝土渣土的攜帶效果以及設(shè)備整機各系統(tǒng)的運行情況,通過構(gòu)建模擬場地,開展了試驗段工程研究。
3. 1 試驗段工程概況
試驗段工程位于河南鄭州,試驗段更新前的原管道由 3 個區(qū)間 2 個檢查井組成(圖 4) ,每個區(qū)間長度約 20 m,總長 60 m,管道埋深 3 m,土層以粉砂為主。管道為 DN1000 的預(yù)制鋼筋混凝土承插式三級管。試驗段區(qū)間 1 為砂石基礎(chǔ),區(qū)間 2 為素砼基 礎(chǔ), 區(qū) 間 3 為 錯 臺 工 況, 錯 臺 高 度 分 別 為200 mm、 400 mm、 600 mm。更 新 后 的 管 道 為DN1200 柔 性 B 類 鋼 承 口 預(yù) 制 鋼 筋 混 凝 土 三 級管(圖 5) 。
圖 4 更新前的管道
圖 5 更新后的管道
3. 2 施工關(guān)鍵技術(shù)
PBR 工法施工的主要步驟為:工作井施工—設(shè)備安裝—設(shè)備始發(fā) ( 圖 6) —破管掘進(jìn) ( 管節(jié)安裝) —設(shè)備接收。管道破除施工不同于普通地層的掘進(jìn)施工,設(shè)備面臨的是對既有構(gòu)筑物的破除掘進(jìn)施工,既要切削老舊管道,又要通過中間檢查井。對施工掘進(jìn)參數(shù)的控制,姿態(tài)控制、地表變形控制要求較高。管道破除更新的施工關(guān)鍵點在于:
圖 6 設(shè)備始發(fā)
(1)掘進(jìn)參數(shù)控制。管道更新掘進(jìn)面臨的工況較為復(fù)雜,既有鋼筋混凝土管道,又有砂土層,掌子面有軟有硬,屬復(fù)合土層。合理控制推力、掘進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系,可以保證鋼筋和混凝土的碎塊、碎段的大小和長度,從而降低泥水循環(huán)的堵管風(fēng)險。通過收集排除的渣土,發(fā)現(xiàn)排除混凝土碎渣可控制在 10 mm 以下,鋼筋在 5 cm 左右的占比較大, 同時還收集到了切碎的舊管道的密封條(圖 7—9) 。
圖 7 排出混凝土渣粒
圖 8 排出鋼筋
圖 9 排出膠圈
(2)線路姿態(tài)控制。掘進(jìn)過程中因為管節(jié)切削接近接口處時,管段剩余長度變少,掘進(jìn)過程中極易造成方向線路的突變,加上試驗段區(qū)間 3 設(shè)置為錯臺的工況,偏心切削對于掘進(jìn)線路的影響也很大。掘進(jìn)時對線路姿態(tài)的控制是關(guān)鍵所在。還需要注意的是,試驗段工程涉及兩座檢查井,設(shè)備需要空推過井,設(shè)備線路必須控制在 3 cm 以下才能保證過井順利。
(3)地表變形控制。設(shè)備采用泥水平衡控制掘進(jìn)面穩(wěn)定,但設(shè)備掘進(jìn)面較小,土質(zhì)為砂土,屬于較難控制的不良地質(zhì),加上軟硬兼有的土層狀況需要格外留意地表的變化情況,管道更新施工期間,應(yīng)該注意加強掘進(jìn)中的地表監(jiān)測,通過沉降量的變化,及時調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)、改變控制策略。
3. 3 施工參數(shù)分析
為探究施工過程中的掘進(jìn)參數(shù)變化規(guī)律,采集施工時扭矩、推力隨時間的變化,如圖 10、11 所示。正常掘進(jìn)時,刀盤轉(zhuǎn)速控制在2.5r/min,推進(jìn)速度維持在20mm/min左右, 刀盤推力為750~1050 kN,扭矩為7~22kN·m�？梢钥闯鼍蜻M(jìn)參數(shù)選取合理時,掘進(jìn)過程中推力及扭矩波動較小,掘進(jìn)過程較為穩(wěn)定。
圖 10 推力隨時間變化曲線
圖 11 扭矩隨時間變化曲線
(1)管道破除更新法具有機械化、非開挖的特點,相較傳統(tǒng)明挖法“開膛破肚” 式的修復(fù)更新,具有綠色環(huán)保、安全高效的優(yōu)勢,社會效益優(yōu)勢顯著。
(2)管道更新專用設(shè)備研制成功,并通過大量刀盤試驗的驗證,表明管道更新機具備鋼筋混凝土管道破碎能力。
(3)試驗段工程的成功貫通,表明 PBR 工法具有可實施性,同時也進(jìn)一步證明了管道更新機的可靠性和穩(wěn)定性。
網(wǎng)址：www.cscottphotography.com
掃碼微信直接咨詢
