非开挖水泥砂浆喷涂现场翻修地下供水管网的技术特性和市场前景 5页

'第22卷第2~3期2005年3月非开放技术TrenchlesTechnologyV01．22．No．2—3March，2005“非开挖水泥砂浆喷涂"现场翻修地下供水管网的技术特性和市场前景邓江炜摘要：阐述了“非开挖水泥砂浆喷涂法”的发展过程、应用现状、技术特性和市场前景，并对美国“非开挖水泥砂浆喷涂法”翻修地下供水管网的发展情况作了概括性的介绍。烂讯甲泥嗲赇j燧甲供苫网一伴随着中国的城市化进程，地下供水管网也在迅猛的扩展和延伸，原有供水管道在保障供水，服务社会方面仍然承担着越来越重要的任务。但大批上世纪九十年代前建设的地下供水管网，由于铺设年代久远，管道内外腐蚀严重，内壁结垢导致过水面积减少，影响输配能力并造成水质污染；有的渗漏超量，破坏道路、影响市容，增加运行和维修成本。因此，对原有管道进行有计划地、分批分段地更新改造势在必行。对国家，社会，供水企业而言，如何以相对低的费用，高效率的施工方法，优良的修复质量完成管道翻修，成为摆在面前的重大课题。我国有些城市对此已提到议事日程，有的已付诸实施，如上海，广州，和深圳。传统的翻修技术多为对旧的供水管道进行开挖维修或报废后取出原有旧管道，重新铺设新的管道。这种传统的开挖方法不仅工期长，费用高，而且随着城市交通越来越拥挤，传统的开挖方法更新修复地下供水管网变得越来越不经济甚至在城市的许多重要路段因无法进行路面开挖而难以进行。随着技术的不断发展，在欧美发达国家非开挖技术已经成为地下供水管网翻修的主流技术，广泛应用于对旧管道的改造更新。非开挖翻修地下供水管网技术具有施工场地小，操作较方便，造价较低等优点。随着几届“中国非开挖技术研讨会”和“2004年亚洲非开挖技术展览会”的召开，非开挖现场翻修地下供水管网技术已逐渐被国内有关供水管线设计、施工、管理单位认识和接受并开始逐步引入，如上海、重庆等地的市政部门进行了非开挖管道更新工程的试点。作为发展中国家，中国的“后起优势”就是可以借鉴欧美发达国家过去是如何解决它们所面临的同样问题。在选择地下供水管网翻修技术时，我们必须认识到：高技术，新技术不一定就是最好的解决方案。关键是“经济和有效”，能够解决问题，即达到和换新管同样效果，成熟的经过长时间考验的，易于掌握，并能充分利用当地的人力资源和施工材料的技术才应该是首选。地下供水管网不开挖翻新技术在欧美等经济发达国家的应用已十分成熟，常用的地下供水管网不开挖翻新技术主要有以下几种：(1)内衬管法(SSpLining)即将一条新的管径略小于旧管道的铸铁管DIP，聚乙烯管PE，或钢管拉入到原有旧管道中。也可通过专用设备将直径大于或等于原管道管径的高密度聚乙烯管(HDPE管)横截面变为“u”形拉入管道，然后利用水压、高温水或高压蒸汽的作用将变形的管道复原并与原有管道内壁紧紧贴在一起。(2)管内壁喷涂(SprayLining)作者简介：邓江炜，1996年毕业于大连理工大学，土木工程和工业管理双学士；曾任职于中国路桥集团总公司；2003年获美国西北大学(NorthwesternUniverSity)项目管理硕士(MPM)，现在新泽西美国著名非开挖工程公司任项目经理。JosephDioflaki美国水工协会AWWA管道修复委员会委员，美国注册工程师，现在新泽西美国著名非开挖工程公司任总工程师。 126非开挖技术TrenchlessTechnology2005年即为供水管道做衬里，在原有管道内壁涂上一层还氧树脂或水泥沙浆，以达到避免结垢、减少输水阻力、提高供水能力、增强管内防腐、减少管道漏水的目的。(3)管道翻衬法或称原位内膛法(CureInPlacePipe)管道翻衬是将由聚合物，玻璃纤维布或无纺纤维材料做骨架，浸渍树脂材料而成，利用水压、气压或卷扬机拉力的作用，将内衬材料反转进入管道的内壁，并在热水、气的作用下，使树脂固化，形成坚硬的内壁。(4)爆(碎)管衬装(PipeBursting)该方法主要适用与新管直径大於原有管道的翻新。碎管机将旧管破碎并压人周围的土壤中，并将新管拖入到原有管道的管位。对於其他几种方法，因国内介绍文章较多，就不再赘述。本文将着重介绍“非开挖水泥砂浆喷涂法”现场翻修地下供水管网，不但是因为它是经过长时间考验的成熟技术，是实践证明了的最经济和有效的解决办法，而且因为国内详细介绍此一技术的文章不多，特别是“非开挖水泥砂浆喷涂技术”独特的经济技术优点并未被广泛认识。1“非开挖水泥砂浆喷涂法”施工过程的简要介绍具体施工方法由以下几个步骤组成：(1)安装临时供水系统；(2)开挖工作坑(根据管道直径和阀门弯头位置，间隔由一佰米至几百米)；(3)清洁管道；(4)用砂浆喷涂机在管壁上均匀喷射水泥沙浆衬里；(5)用压缩空气为沿线的支管开口；(6)封闭管道两端，养护水泥砂浆衬里；(7)经48小时养护后，对管道灌水进行压力实验；(8)对管道进行消毒，一般用氯气或氯的化合物；(9)与原有系统连接恢复供水；(10)拆除临时供水系统。2“非开挖水泥砂浆喷涂法”在美国的应用情况和发展历史在美国，每年有大约有500～700公里的地下供水管网是由“非开挖现场水泥砂浆喷涂法”修复的。“非开挖现场水泥砂浆喷涂法”是应用最广泛的地下供水管网修复方法。从这一方法诞生到2000年为止，全世界用这一方法已经修复了大约11265公里的地下供水管网，管径从7．5CM到850CM不等，其修复的管网总长超过其他方法修复量的总和。“非开挖现场水泥砂浆喷涂法”之所以得到如此广泛的应用，是和它的经济技术特性分不开的。对铁质合金水管(铸铁，钢，球墨铸铁)现场喷涂水泥砂浆衬里，可以提供一层均匀，平滑，密实的保护层，防止管道内壁腐蚀和结垢，改善水质并提高管网的过水能力，从而节省供水泵站的功率和能源费用，减少长期运行费用。因此，在相同的工况条件下，可以选用较小的管径或功率较小的输送泵，从而降低工程的一次性投资。最重要的是可以延长管道寿图1“非开挖水泥砂浆喷涂法”施工示意图 第22卷第2~3期邓江炜：“非开挖水泥砂浆喷涂”现场翻修地下供水管网的技术特性和市场前景127图2“非开挖现场水泥砂浆喷涂法”管道修复前后对比命一倍以上。首先让我们来简要回顾一下“非开挖现场水泥砂浆喷涂法”的发展历史。1850年，手工涂抹水泥砂浆衬里的铆接钢管在美国被首次应用。在二十世纪三十年代早期，“非开挖现场水泥砂浆喷涂法”开始被应用。．1934年，在美国新泽西州纽瓦克市，用“非开挖现场水泥砂浆喷涂法”修复了一段8397米长管径122厘米的铆接钢管主水管。修复结果是令人鼓舞的，现场喷涂水泥砂浆衬里不但消除了所有原有接缝处的渗漏，还将Hazen—WilliamsC值从70提高到124(现在由非开挖现场水泥砂浆喷涂法修复的管道c值约为130～140，而新硬聚乙烯管HDPE和新纤维缠绕玻璃钢管FRP的c值也约为140)，此结果竟然超出了原有新管的过水能力(因为消除了原有接缝处的影响，管壁更加平滑连续)。特别值得一提的是，在68年后的2002年，当这段管道被重新挖开的时候，68年前喷涂的水泥砂浆衬里依然完好如初，仅有1MM(1／，。英寸)左右的软化层。在1939年，美国水工协会AWWA公布了“钢质水管车间喷涂水泥砂浆衬里技术规范”。由於技术限制，直到1950年离心式砂浆喷涂机应有以前，“非开挖现场水泥砂浆喷涂法”只能用于600MM以上管径的地下水管。1955年，“现场喷涂水泥砂浆衬里技术规范”公布，最近一次更新是在2000年，既ANSI／K酮KC602-00o从1950年代中期开始，美国水工协会AWWA就要求大口径主水管采用水泥砂浆衬里。到了1965年，要求所有新安装的钢和铸铁水管必须采用水泥砂浆衬里。由於美国存在大量没有衬里的旧管网，从那时起，随着“现场喷涂水泥砂浆衬里技术“经济有效的优点不断被认识，美国开始了大规模的旧管网翻新改造，先由城市总水管开始，然后是支管。到2004年，如洛杉矶市已经基本完成了旧管网翻新改造；而巴尔的摩和波士顿大约只完成了一半；南卡州的哥伦布市则刚刚开始。3“非开挖水泥砂浆喷涂法”独特的技术特性3．1“现场非开挖喷涂水泥砂浆衬里”和“车间喷涂水泥砂浆衬里”的性能区别由於现有新的钢管和铸铁水管都在出厂时喷涂了水泥砂浆衬里，所以人们理所当然的认为现场非开挖喷涂的水泥砂浆衬里和在车间内喷涂的水泥砂浆衬里的技术性能没有区别。实际上，由於采用不同的工艺过程，“现场非开挖喷涂水泥砂浆衬里”在实际应用中的性能远优于“车间喷涂水泥砂浆衬里”。两者工艺过程的主要区别是：由离心法喷涂的“现场非开挖喷涂水泥砂浆衬里”的沙和水泥比约为1：1；而由於大量生产的需要，采用旋转法生产的“车间喷涂水泥砂浆衬里”的沙和水泥比约为3：1。因此，“现场非开挖喷涂水泥砂浆衬里”的强度和耐久性要远优于“车间喷涂水泥砂浆衬里”。“现场非开挖喷涂水泥砂浆衬里”在施工后即恢复供水，一直处於最佳的养护状态。而由於储存，运输等原因，“车间喷涂水泥砂浆衬里”经历了干湿环境变化，其性能受到影响由于采用旋转法生产，在生产过程中，“车间喷涂水泥砂浆衬里”不可避免的产生离析现象。粗骨料向贴近管壁方向聚集，细骨料和水泥向与水接触的表层聚集，实验表明，由於离析作用，水泥和沙的设计比例为1：2的“车间喷涂水泥砂浆衬里”的实际比例由贴近管壁的1：3．7变化到表层的3：1。由此产生的耐久性差别是显而易见的。根据德国达特蒙德市在1972至1980年间对由不同方法喷涂水泥砂浆衬里的水管进行的跟踪检测表明，无论是钢管或是铸铁管，“车间喷涂水泥砂浆衬里”在几年内都会产生1～1．5mm的软化层，而“现场非开挖喷涂水泥砂浆衬里”在服务18年后仍完好如初。32“现场非开挖喷涂水泥砂浆衬里”的抗变形能力水泥砂浆衬里虽然是一种非结构翻新，但这层不足lcm的水泥砂浆衬里并非向想象的那样“弱不禁风”。我们可以参考上世纪五十年代作过的“底特律试验”。试验对象是一段1800mm(72英寸)直径， 非开挖技术TrenchlessTechnology2005年DU爻ASlLlTYOFC芑鞠E黼-I嘲0麟R嘲黼G图3325mm钢管沿截面方向的变形试验7mm(5／，。英寸)壁厚的钢管，内壁喷涂6mm(1／。英寸)水泥砂浆衬里并养护充分。试验持续了16个月，钢管受到了强烈的摇晃，抖动和振动，并不断从钢管边缘切下小块用于检验水泥砂浆衬里的情况。在试验结尾，沿截面方向从钢管顶部均匀缓慢加压，直到钢管产生了沿截面方向325mm(13英寸)的变形，然后缓慢撤除压力使钢管恢复原型。在整个试验过程中，水泥砂浆衬里没有任何损坏也没有严重裂缝。水泥砂浆衬里和清除了污垢的管道内壁有很强的粘接效果，而衬里本身的“拱形结构”也增强了水泥砂浆衬里的抗压特性。水泥砂浆衬里在管道内形成闭合的“拱形结构”。在管壁的约束作用下，当受到来自管壁的变形作用力时，由於圆形是单位面积周长最小的形状，任何变形都将增加水泥砂浆衬里“拱形结构”的周长，而使衬里和管道内壁挤压的更加紧密。它们的力学特征是一个受压环(水泥砂浆衬里)被约束在一个受拉环(管道)之中的关系，有效图4受压环约束在一个受拉环(管道)之中的关系的抵抗变形影响。3．3喷涂水泥砂浆衬里的抗渗漏能力绝大多数需要翻修的地下供水管线都是因为管道内外腐蚀严重，渗漏超量，内壁结垢导致过水面积减少，影响输配能力并造成水质污染；只有极少数发生结构损坏而须换管。喷涂水泥砂浆衬里可以有效修补细小渗漏。1940年，在美国俄亥俄州的阿克隆市，水务局被城市的一条22英里长直径900MM和1200MM(36和48英寸)的主水管的渗漏所困扰。检查发现，管壁被由外向内腐蚀出大量的直径约为6MM(1／4英寸)的小孔，在决定用喷涂水泥砂浆衬里大规模修复之前，先进行了一段试验段修复。结果表明，直径范围6MM(1／。英寸)到30mm(11／。英寸)的微小孔洞都可以被水泥砂浆衬里封闭。并在14KG／SqCm(200LB／SQIH的水压力下不产生渗漏，虽然在加压初期，会有轻微的滴水现象，但在72小时后，滴水就会完全停止。1940年，在底特律市进行了另一项压力试验。一段1200mm(48英寸)直径，12mm(1／：英寸)壁厚的铆接钢管，如图所示，在管壁的不同位置，转透了大量直径25mm(1英寸)到155mm(61／。英寸)的小孔，然后对钢管内壁喷涂水泥砂浆衬里，水泥砂浆衬里的厚度由一端的6mm(1／。英寸)到另一端的25mm(1英寸)逐渐过渡。在对水泥砂浆衬里进行充分养护后，将管的两端封闭并注满水，通过不断增加水压来检测水泥砂浆衬里的耐压强度。最大的孔洞155mm(直径6英寸)，在压力达到21．5Kg／SqCm(305PSI)时破裂，破裂前向外凸出了1．25mm(0．05英寸)，此孔洞处的厚度是15mm(5／。英寸)。Alrr2H十18^．北8M十2M叫图5喷涂水泥砂浆衬里防漏试验示意图 第22卷第2~3期邓江炜：“非开挖水泥砂浆喷涂”现场翻修地下供水管网的技术特性和市场前景129图6非开挖供水管线翻修技术经济指标由此可见，水泥砂浆衬里不但可以修复接头处和细微渗漏，在正常的的工作压力下，还可以防止大多数由于管壁腐蚀(由外向内)而产生的渗漏。4“非开挖水泥砂浆喷涂法"在中国的市场前景中国城市供水产业市场发展空间不容置疑。据有关部门提供的数据显示，未来五年中国城市供水普及率将达到98．5％，新增城市供水能力4500万立方米每日，为达此目标，需大量扩建、新建自来水厂及配套管网。目前中国有25个城市的居民超过了500万，5个城市超过1000万，这决定了水资源基础设施建设规模巨大。而利用有限的资金，尽快完成现有供水管网的改造，提高现有设施的服务功能和供水质量，降低城市供水管网漏失率和单位供水能耗，无疑需要经济和有效的翻新技术。“非开挖水泥砂浆喷涂”修复技术能够达到和换新管同样效果，成熟并经过长时间考验，易于掌握，并能充分利用当地的人力资源和施工材料，理应成为我国现有供水管网的改造的首选技术。2003年建设部、国家发改委、财政部联合下发了《关于加快城市供水管网改造的意见》(城建[20031188号)；2005年3月上旬，建设部将协调组织有关部门和专家对《全国城市供水管网改造规划(修编)》(送审稿)进行论证。这无疑将促进各地供水管网改造工作的开展，各方面的消息也是令人乐观的，例如：上海有8000km的供水管线，大约10％(即800km)需要翻新，而其中约560km是没有任何衬里防护；深圳计划翻修935km在90年代初以前铺设的供水管道；重庆计划翻修421km在90年代初以前铺设的供水管道；广州刚刚获得四亿美元的世行贷款，用于改造饮用水和污水处理系统，广州有400km老化的供水管线需要翻新。非开挖现场喷涂水泥砂浆衬里将是一个经济有效的解决方案。“非开挖现场水泥砂浆喷涂”翻修供水管道技术在欧美等经济发达国家的应用已十分成熟，在我国也具有广阔的发展和应用前景。参考文献：f1】1王天闻．免开挖更新供水管道技术简述．【2】黄宇阳．给水管道不开挖更新与敷设技术综述．【3】方勇，阿特金斯．顾问．<深J9II>有限公司，给水管道在线不开挖更新技术．【4】金坛市登兴实业集团有限公司．玻璃钢夹砂管道在给排水领域应用优势分析．【5】捞财水世界，《科技智囊)2002年6月．161RehabilitationofⅥhterMains．AWWAM28．『71CentrilineCorporationBrochure．CementMortarLiningJerryDengJosephDioslakiAlmtraet：Thearticleexpatiatesonhistoryanddevelopment,currentapplications"technicaladvantageandmarketpotentialinChinaofTrenchlessIn-PlaceCementMortarLiningtechnology,whichhasbeenappliedwidelyinUSKKeywords：Trenchless，In—PlaceCementMortarLining，WaterMainRehabilitation，TechnicalAdvantage，MarketPotential'