大直径污水管道更换工程中的非开挖液压胀管施工技术

第 3 2卷第 3 期 VO l _ 3 2 No 3 建筑施工 B U I L D I N G C 0 N S T R U C T I O N 大直径 污水管道更换工程中 的非开挖 液 压 胀 管 施 工 技术 Con s t r uc t i on Te c hnol ogy of Tr e nc hl e s s Hy dr au l i c E xpa n d P i p e f o r B i g C a l i b r e S e we r L i n e R e p l a c e me n t P r o j e c t 口 丁小峰 ( 上海宝冶建设有 限公 司 2 0 0 9 4 1 ) 【 摘 要】 非开挖液压胀管技术在 国内使用不多，且多用于较小管径的施工，在大管径 ( 4 0 0 Iron以上)管道的成功应用较 少：在上海虹桥枢纽工程 中采用液压胀管技术 ，成功地 更换 了大管径排 水管道 ，并且取得 了较好效果 ，该 项技 术值 得进 一步推 广盘m 【 关键词】上海虹桥交通枢纽 非开挖 液压胀管 大管径污水管道 施工技术 【 中图分类号】 T U 7 5 3 文献标识码 B 【 文章编号】 1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 1 9 7 0 3 1 工程概 况 在上海市虹桥枢 纽工程 区域 内 ， 有一 段 D N 4 0 0 m m双壁 波纹污 水管道发 生局部塌 陷、 变形 ， 影 响了正 常使 用 ， 需进行 更换。需换管道总长度为 7 5 m， 中间有三个深 7 m的客井， 附近有高压电缆、 燃气、 给水及雨水管道等， 若采用传统开挖 施 工 ， 难度较大 ， 施工费 用比较高 ， 而且容易破 坏附近已投入 使 用的管线 。 2 更换方案的选择 2 1 方案分 析 结合近几年来非开挖管道修复技术的发展情况， 我们采 用了较 为成熟 的非开挖液压胀 管法 ， 其主要优点 是 ： 施 工成 本低、 效率高、 施工速度快、 不改变管道坡度、 对路面影D r J J , 、 可更换大 口径( 4 0 0 m m以上 ) 的管道。所 以在保证 管道必须 的通流能力的前提下， 胀管法是比较可行的的非开挖管道更 换施工工艺。因为待更换管道距离较长 ， 采 用液压方 式胀 管 较为便捷快速， 计算确定使用V e r m e e r H B 1 2 5液压胀管机完 成胀管施工， 胀管钻杆顶推与新管回拖见示意图 1 、 2 图 1 钻杆 顶推 2 2 液压胀管受力分析及相关参数计算 【 作者简介】 丁小峰( 1 9 7 7 一 ) ， 男， 本科， 工程师， 国家一级注册 建造师 联 系地址： 上海宝山区四元路 1 6 8号 9号楼 1 0 3( 2 0 0 9 4 1 ) 。 【 收稿日期】 2 0 1 0 0 l 一 2 2 2 0 1 0年 3月出版 图 2 连接 胀头与新管回拖 ( 1 )新 H D P E管环刚度 1 0 k N m ， 管道外径 4 5 0 m m ， 壁 厚 2 6 7 m m ， 内径 3 9 7 m m， 热熔连接方式。 ( 2 )原管道埋深约 6 5 m左右， 更换长度 7 5 m ， 要穿越 3 个窨井， 土质状况为般回填土。 ( 3 )设备参数见下表： 表 1 设备参数表 规 格 说 明 HB1 2 5 长度 1 2 5 ( 3 1 8 c m) 宽度 5 2 ”( 1 1 9 c m) 高度 4 2 ”( 1 0 7 c m) 重量 7 5 0 0 1 b s ( 3 4 0 2 k 曲 最小坑道 尺寸 1 2 5 ” 5 2 ” 最大拉 力 1 2 5 0 k N( 4 4 2 0 p s i ) 油缸 一个工作行程速度 ( 无栽荷 ， 单循环 ) 2 7 s 转速 2 5 0 r mi n 后部 固定装 置 有 钻杆重量 5 2 1 b s ( 2 3 6 k g ) 钻杆 长度 3 9 3 8 ”( 1 0 0 c m) 钻杆 直径 2 7 5 ( 7 0 mm) 2 3进行液压胀管应力计算 ( 1 ) 土质条件 不同土质划分胀管施工的难度系数。难度系数从低到 高依次为： 回填土， 可挤压黏土， 疏松鹅卵石， 沙滩与流沙层， 高密度黏土 ， 沙石层 。 第 3期 丁小峰： 太直径污水管道更换工程中的非开挖液压胀管施工技术0 3 2 0 1 0 ( 2 ) 胀管法施 工管线受力分析 ( 胀管设备 的选择 ) ： 受 力组成 _ a 、 胀破 力 ； b 、 土壤挤压力 ； C 、 摩擦 力； d 、 管线 重力 ； 计算得压胀管拉力约 6 5 0 k N 。 ( 3 ) 摩擦 力 F f = 1 8 k N， 这是一个大概值 ， 一般为安全 起见乘以 1 5 。计算所得 1 0 0 m的管线更换 F f = 2 4 k N ， 5 0 IT l 更换 F f = 1 2 k N ， 增加减少值约为O 6 k N 。 ( 4 )环刚度 S 2 承载外压负荷 8 k N m z 。 胀管施工中所承 受 的外压 受土质硬 度 影响 ，而管线 受 到总 的外 压 负荷为 1 8 2 k N ，计算所得 3 5 k N l m 2 b p + F s c p + f ， 即液 压牵引力 F P 大于 F b p ( 胀破 力 ) 、 F s c p 挤压力、 与 F f ( 摩擦力 ) 三者之和，管线重力可忽略。经计算可知 ( 按 7 5 m计算 ) ， F m a x 一6 5 0 k N F P = I 2 5 0 k N ，液压牵引设备提供的胀破牵 引力 ， 能满足施工牵引力要求。 2 4 牵引设备工作坑应力分析 此部分 主要计 算 H y d r o B u r s t H B 1 2 5液压胀 管机 牵引 时 ， 工作坑中紧贴荷载板一侧， 土体自重应力能否抵抗 1 2 5 0 k N 的应力。 H y d r o B u r s t H B 1 2 5液压胀管机 ，荷载板尺寸， 3 r ll 2 5 m 。打入拉森钢板桩单根长 1 2 m 、 宽 O 4 m 。 紧贴荷载板的七根拉森钢板桩承受的均布荷载， 出于偏 安全考虑， 只考虑荷载板前方 7 根拉森钢板桩独立承受荷载， 不考虑与之紧锁的其他几 个面的拉森钢板桩提供的抵抗力， 并且拉森钢板桩受力面积只考虑正投影面积， 不考虑实际与 土壤结合的曲面面积。 H B 1 2 5液压胀 管机牵引时 ，工作坑 中紧贴荷载板一侧 ， 土体 自重应力足 以抵抗 1 2 5 0 k N的应力， 在最大 牵引力出现 时工作坑是安全 的。 3 施工过程 ( 1 ) 打桩机打入 l 2 m长拉森钢板桩后 用长臂挖机开 挖 7 m深的机 器工作 坑 ，按照深基坑施工方案进行基坑施 工 。 ( 2 )管材的焊接 ， 具体热熔 的操作如下 ： 管子 对 口一找 平行和 同心度一 夹进 电热平模板一 卸除 电热平模板一接 口一冷却 图 3 焊接好 的 HDP E管道 ( 3 ) 安全保障措施 1 9 8 施工现场要设“ 现场安全管理规定” 的安全牌及其 他 警示标志。 施工现场的安全设施 ， 如安全网、 护栏、 洞口盖板 等 ， 必须齐全有效 ， 并且不得擅 自拆除或移动 ， 因施工确实需 要移动时， 必须经工地负责人同意， 并需采取相应的临时安 全措施， 完工后立即恢复。 起重设备应有稳定的基础， 钩 、 链、 绳等符合规定， 有限位、 防超负荷、 超速和失灵保护装置， 安设防闸瓦过度磨 损的警铃、 自动断电保护装置， 钢丝绳的安全使用要符合有 关规定， 勤加检查。起重吊装作业要统一指挥， 统一信号， 所 有人员必须集中精力， 注意吊运方向， 禁止在 6级以上大风、 雷电、 大雾恶劣天气下从事吊装作业。 挖出的土方应放置离基坑有一定安全距离的地方， 不得随意堆放在基坑项， 以免加重土坡压力和阻碍施工。 施工时应注意观察坑缘顶面上有无裂缝， 坑壁有无 松散、 塌落现象发生 ， 确保施 工安全。 做好工作坑支护的检查工作， 防止意外的塌陷。 严格执行各类机械设备的专人管理和操作制度， 进 入现场的施工机械、 设备均要有经有关部门检定的合格证或 符合安全规定的措施 ， 并设专人负责维护、 保养。 施工进场前对施工人员进行技术交底， 定期进行安 全生产教育， 增强职工的安全防患意识。施工机具操作人员 应持证上岗， 非专业人员不得擅自操作 ； 施工机电设备状况 必须 良好 ， 有 良好的接地装置和漏 电保护装置。 ( 4)液压胀管施工( 见旋工示意图4) lq B1 2 5 fl ： K 管线 人rJ 坑 1 业r ? 井 人 井 i 一 重氍 一 一 7 5 m 。 。 蔼 - - I 图 4 液压胀管施工示意 在设备起吊之前， 确保 H B 1 2 5 主机及动力站完好。 查看主机外观无明显的损伤 ， 液压 站无泄漏 ； 启 动被压 站空载运行 2 ra i n - 3 ra i n ， 无异响， 停机 i 连接液压油管陕速 接头 ，在地 面上试机 ，确保主要的操作手柄如顶推回拖 、 旋 转、 夹持等操作手柄动作正常， 同时观察主机各受控部位动 作正常。 检查工作坑支护完善等工作， 确保有足够的空间和 足够的安全性。 做好坑底的夯实，考虑到特殊的土质情况下作业， 且设备在工作过程中动作频繁， 受力较大， 所以必须要确保 底部能够支撑设备的重量， 并使设备在施工过程中不发生倾 斜。 填入沙袋整平， 沙袋上铺设钢质路基箱。 工作坑深度保证 在旧管道管底以下 O 8 m ， 预留0 5 m做坑底加固。 坑内的流 水要及时抽出， 避免淤积使坑底变软。 健筑 旗 = 磐a 0 3 2 0 1 0 丁小峰： 大直径污水管道更换Z - 程中的非开挖液压胀管施工技术 第 3期 设备起 吊 ，首先 检 查设备 的 四 吊耳 无裂纹 无外 伤， 检查吊车的钢丝绳 口 及吊环完好。 起吊设备之前， 确保四 个 吊环都挂好然后起 吊，所有施工人员远离设备及工作坑 。 设备放 入坑 内， 调整好 主机 在坑里 的位置 ， 设备前端做 简单 支护 ， 保证 设备前端面和 钢板 桩面平行。连接液压油管快速 接头 ， 启动液压 站 ， 将主机后部支撑臂升 出， 以确保 在顶杆过 程 中机器不会 向后移动 ； 顶推钻 杆 ， 查看 钻杆 的 中心 线 ， 确保 H B 1 2 5的钻 杆 从原管道 中心位置穿过。 考虑到旧管道材质等不利因素，容易在顶推过程中发 生破损 ， 致 使钻杆穿 出管道 。 为避免此类事件 出现 ， 应在钻杆 前端安 装引导杆 ( 非 刚性连 接 ) ， 并与 两个连接杆 丝扣连接 ， 丝扣不完全扭紧 ， 留 3 m m 5 m m距离 ， 确保引导杆可 自由活 动， 在顶推的过程中保持前进的方向始终紧贴着管壁。 确保管道入 口坑 引坑 有足够 的长 度 ， 以便新管道 能 够 自由进入 ， 如 图 5 所示 ： 管道 入 口坑竖坑 长度 L I = DX 6 = 2 2 m ( D为新 管道 外 径 ) ： 管道入 口坑 l 坑 长度 L 2 = H X 1 5 - 9 m ( H为管道埋深 ) 管道入 口坑 总长度 L = L I + L 2 = 1 1 r ll 钻杆穿越至管道入 口坑 ， 卸 下引导杆 及连接杆 ， 连接胀 头和新 H D P E管道( 如 图 2 所示 ) 。 图 5 管道 入 口坑示意 回拖 新管线 ， 确保机 器 端面与钢 板桩 平行 ， 机 器上 下左右都不发 生倾斜 ， 如果发生倾斜 ， 需要 在钢板桩 和机器 前 端增 加方 木及钢板重新做支护 。回拖管线开始 的同时 ， 管 道入 口坑 需要有专人 查看新管沿 旧管孔道进入情况 ， 并通过 对讲机与机器操作人员保持及时沟通， 以方便操作人员实时 掌握施工情况 ， 结合压 力表数值 ， 给予恰 当的 回拖速度。 胀管开始 ， 记录钻杆数目， 并在新回拖的管道上做好 长 度标记 ， 以方便在发生意外情况下找到胀 头的确切位 置。 本 工程 在经 过 1 人 井时 ， 拉 力增加 ， 过 了人 井之 后拉 力 下降， 之后呈缓慢增长的趋势， 过 3 人井时因为井壁未凿透 的原因， 拉力急剧增加到 1 2 5 0 k N ， 后用人工凿透井壁后， 过 井时拉力为 8 5 0 k N ， 然后拉力下降到 5 0 0 k N左右， 回拖最后 1 5 m时 ， 拉力逐渐下降到 2 0 0 k N左右。 根据实际的拉应力数据， 基本与先前理论计算的胀破拉 应力是吻合的 ， 旋工过程 中没有发 生影 响附近投入使 用管线 运行安全的事情。施工完成后经检测 ， 管道 质量 完全 满足 设 计要求 ， 证 明这次液压胀 管施 工是成功 的。 2 0 1 0年 3月出版 4 结语 通过 这次成 功的液压胀 管施 1 我们认为非开挖液压胀 管施工工艺 ， 在上海及类似土质条件下进行大管径的液压胀 管施工是可行的。但 还一些有待完善的地方 ， 妇待更换管道 为 H D P E管、 钢管 、 P V C管等 具有韧 性 的管道 ， 在胀 管施工 时 都需要考虑使 用特殊 的切 割刀具 ， 否则 旧管碑块容易包裹胀 头， 造成回拖拉力增大； 在长距离( 1 0 0 m以上 ) 胀管施工时 要考虑新管的润滑， 以避免造成管道损伤及与胀头连接处拉 断 ， 穿越 人井时应尽 可能地保持 人井的完整 ， 并需在 旧管穿 过人 井处开凿一个略 大于张头直径 的圆孔。 参考文献( 略 ) 曼 ! 曼 曼 曼 已 曼 曼 蔓 E ! S ! S _ ! E S 曼 S ! ( 上接 第 1 9 2页) 的配合下， 本基坑开始六级坡体的开挖。 首先， 采用2台 1 m 。 挖机停在 一 2 5 m平台上、另 2台 l m ? 挖机停在 一 5 0 m平 台 上 由中间向南北两侧退 挖至 一 7 5 0 m 。同时 ， 高铁 区也形成 二 级 平 台 。 然后 ，采 用建 筑 垃 圾 从 一 1 2 O 5 m栈 桥 面 至 一 7 5 O m平台修筑施工道路。 从7 5 O m平台开始 ， 逐级把平 台土体挖 除 ， 土方 采用挖 接 力形式 ， 由中小挖机从 南北两 侧向中心退挖， 由