马来西亚用“无开挖”法作试验性换管

Pilot Pipeline renovation in Malaysia using‘no-dig’techniques

　　摘要：最近，马来西亚无收益水（即渗漏水，NRW）的损失要比本地区许多其它发展中国家要高。这是因为部分自来水当局还缺乏对于那些埋设的管道，特别是年久的管道的综合性维修和升级换代计划。雪兰莪自来水部已认识到这一点，并着手在马来西亚当地条件下运用现代管线维修技术的适用性和节省费用方面进行试验。本文介绍了在雪兰莪州选定不同地区，不同交通条件进行四种“无开挖”法的试验及其成果，同时也比较了无开挖法管线维修和传统的明开法两者的费用。
　　关键词：胀破法或隧道挤入法　中密度聚乙烯(MDPE)管　四周挤压衬里法　滑动衬里法　水泥砂浆衬里法　无开挖法　明开法　工程费用　经济价值

　　 一、引言

　　“无开挖”法已在许多发达国家的管线更新中广泛应用。由于造成对公众和交通的不便，传统的明开法已不再采用。当前无开挖法的开发主要是为更换年久的铸铁干管。
　　然而在马来西亚，管材中占主导地位的是石棉水泥，因此研究现代无开挖法在马来西亚情况下的适用性和经济性是很必要的。下面就介绍一下引入马来西亚的四种“无开挖”法的试验方法及其成果。

　　二、四种“无开挖”法的试验方法及成果

　　1、胀破法或隧道挤入法
　　胀破法主要用于直径为200mm的石棉水泥管的更换。使用当地生产的直径225mm的中密度聚乙烯(MDPE)管，PN（可塑性指数）为10来换管。这些塑料管一般是按照ISOCD4427－供水聚乙烯管规格生产的，更换管线总长2600m，包括38个管箍接口、2个支管连接和6个工业户连接。
　　胀破法是在原管线位置更换成新管，其方法如图1所示。现有管道被挤破的同时，扩大了空间，由于冲击成隧道，就不需另行开挖，可迅速安装新管。这种方法适用于管径与原来的相同或较大的管道。此法一次可安装100m的管道，而且可适应弯曲半径大的弯头。

　　沿着现有管道内壁用绞车带动风动冲击的“隧道”成形头，胀破管壁并把碎片压入四周土中。随后新的MDPE管就被拉入形成的“隧道”内，加大冲击隧道的尺寸，就可安装上比原管大的管道。
　　隧道冲击成形头有一水平往复式气锤，在圆柱体内装有一锥形头部。往复运动提供了向前的推力，胀破原管并拉入所换的管道，成形头的前进运动通常由装有绞车的拖拉机完成。
　　前进速度可以变慢，在遇混凝土包裹管外壁时也可停下来。类似地，水管支墩、维修套管、钢管和钢管接头也是成形头的障碍。开工前应采取措施查明并清除这些障碍物。但管线上可再使用的阀门或排气阀必须先拆下，以免被成形头损坏。目前，冲击成形只能用于铸铁管、UPVC管、石棉水泥管或无筋混凝土管。
　　更换MDPE管后，所有的管件、特种配件和管箍都必须重新安装，连接技术通常使用对口溶接、承插口连接或法兰连接。相连管道的再连接，可每个接口单独开挖小工作坑来进行，新型的电熔管箍熔接到所换管上，并且引入多重卡口接头把新的聚乙烯连接管与现有的镀锌铁管联接起来。
　　按装完毕后，新的MDPE管在投入使用之前要冲洗和消毒。通常，原有管道中断时时间为8－12小时。
　　试行此法的场地选在海水粘土处。这种条件下制约胀破管的主要因素是覆盖在原有管线上土的厚度。当覆土1.5m时不会有什么问题，然而一旦超过1.5m，成形头的进度就会明显降低（此地的最大覆土为1.8m）。
　　限制胀破管使用的另一唯一的因素是在使用钢管，而事先并未探测出来之处，如进入厂房的路面下。当成形头遇到钢管，它欲向前推进，都不可避免地在管内卡住。所以这些钢管部分必须使用传统明开法重新铺设。
　　一般地说，每更换50－60m长管道，大约需要开挖6m长的进入工作坑。跨越公司设施或靠近正在维修的管线，都不受影响，路面也不会开裂。
　　2　四周挤压衬里法
　　选择原管径为250mm的石棉水泥管作四周挤压衬里法试验。此管渗漏很严重。所换管为当地生产的管径250mm的MDPE管，PN为6。管线总长为1200mm，有7个管箍接口，1个支管连接口，5个工业户连接，1个横向连接以及8个消火栓和排气阀。
　　四周挤压衬里法是在现有管内安装MDPE管作为内部衬里。此法如图2所示。这种插入MDPE管的方法使新旧管之间没有缝隙，从而可使管径最大。

　　

　　此法可一次更新数百米长的管线。直径稍大于原管内径的MDPE管被拉长，并用对口溶接焊来连接。用作衬里的管道，由装有防裂拉模的四周成形器拉过。施加于衬里管上的牵引拉力使MDPE管外径减小，此管即被拉入待更新的且事先刮过的原管。MDPE衬里管安装完毕，牵引力卸掉后，原断面的管径增大，长度随之缩短，直到与原管牢固地结合在一起。此时，一种紧密衬里就形成了。
　　防裂拉模装在工作坑内，并固定在需要衬里的原管未端。这样可以使装配时间减至最少，并可避免将拉模固定在路面上。MDPE管以每分钟4-6m的速度通过拉模，这样当所有准备工作完成，安装起来就很快。
　　由于此法取决于最后形成的紧密结合衬里，因而原管的内壁清洁是很重要的，为达到此目的，需在衬里之前彻底地猛烈冲击原管，然后用闭路电视（CCTV）检查整个长度的管子内部，以辨明任何障碍物。
　　MDPE管的拉开和对口熔接与胀破法用的类似。同时接三通和管箍连接的步骤也如前面胀破法所述的一样。
　　此法试验过程中遇到的唯一困难就是原石棉水泥管内径有所不同。开工前的调查表明管内径在245-250mm。然而这并不精确，实际内径自239至280mm不等。这就给使用12%的拉模带来了一定困难。然而这已经克服了，试验顺利进行。但是这些困难确实突出了设备到现场之前务必全面调查原有管的最大和最小内径的重要性。
　　3　滑动衬里法
　　选择需要更新的原石棉水泥管的管径为600mm，管长为1500m。此管道已埋设了30年且在接口处有渗漏。使用的衬里管是直径为500mm的MDPE管，PN为10。原石棉水泥管有一个水冲洗口和一个排气阀，没有管箍接口及支管连接。
　　滑动衬里法是把新的MDPE管安设在原管内。所采用的方法如图3所示，新的MDPE管并非紧贴在原管内壁上，它可用卷扬机直接装到预先刮好的原管内。使用此法时，可以一次更新几百米长的管道。原管半径大的弯头也可容许。

　　高级的对口溶接设备不适合焊接此种尺寸的MDPE管。因此要特别注意采用适当的熔接技术确保做成可靠的接口。这就需要在厂内及现场进行大量的接口试验。
　　电溶接耦合器通常用于MDPE管的现场连接。然而此法所用的管径没有相应的电熔接耦合器，因此现场连接必须是为该现场而设计的，当地制造的连接配件。新MDPE管与原石棉水泥管的连接，也另行设计连接配件，因为在马来西亚没有现成的500mm直径的Maxfit连接配件可以采用。
　　试验条件下应用滑动衬里法已证实了可适用于下列两种情况：
　　(1)双车道重载车处；
　　(2)没有焊接管道的位置。
　　但是，现代对口熔接和电熔接技术以及相应的连接配件只适用于管径400mm以下的管道。因此建议在连接技术还未发展到适应大管径的管道之前，马来西亚MDPE管的使用还应限制在直径不超过400mm管道。
　　4　水泥砂浆衬里法
　　此法在特重车辆行驶的某地段进行试验。用此法更新了管长150m、管径150mm、管内壁结垢相当严重的原铸铁管。
　　水泥砂浆衬里法是用水泥砂浆在预先刮好的铸铁管内部进行衬里，以达到更新的目的。此方法如图4所示。

　　沿着需更新的管道在100-150m间隔处挖一个工作坑。管道由动力镗管或牵引刮管进行清管，然后通过一活塞，以确保管内不仅已清除了所有碎片，而且也没有其它障碍物。
　　在一个特制的混合装置中混合1:1的水泥砂浆，用泵打入管内。在管内插入一个喷射头（旋转喷头），水泥砂浆通过管子泵到喷射头。当喷射头沿着管道缓慢后移时，水泥砂浆由离心作用射到管内壁，为使表面光滑，在喷射头上安装一个抹子。然后衬里要养护16-24小时，在管道恢复使用之前，再进行氯化和冲刷。
　　清除试验管道用牵引刮管法。管道结垢很严重，有平均厚20mm左右的结垢，这样就使刮除下的垢堆积在前方，阻挡了刮除机的前进。因此将来应该采用导轨输送镗孔技术。
　　水泥砂浆衬里法在试验条件下的应用证实了它可适用于下列两种情况：(1)重载车行道；(2)市政府限制进入之处。
　　此法可使年久的铸铁管以崭新状态重新作用，而不需沿着管线进行大规模开挖。

　　三、工程费用

　　前面已经叙述了四种无开挖法的技术适用性，下面将探讨实施每种技术的费用以及在马来西亚的经济价值。
　　工程结束后承担的总费用是2.8万RM（1美元=2.5RM）
　　四种方法中每一种所使用的费用都进行了大量的数据分析。分析结果见表1。

表1　各种无开挖法的单价 方　　法 管径(mm) 单价(RM/m) 胀破法 22.5 356 四周挤压衬里法 250 362 水泥砂浆衬里法 150 213

　　四种方法的主要费用如下：
　　(1)专业厂家的租金（外国）；
　　(2)专业人员劳务费（外国）；
　　(3)外国的原材料费用（电熔接头等）；
　　(4)当地工厂租金（JCB，载重车，压缩机等）；
　　(5)当地的劳务费（工程师、技师和工人）；
　　(6)当地的材料费（所有管子和管件）。
　　这几项技术费用的百分比如表2所示。

表2　技术费用分类（百分数）及基本费用项目 费用项目 方　　　法 胀破法 四周挤压衬里法 滑动衬里法 水泥砂浆衬里法 专业厂家 11% 11% 8% 14% 专业人员 44% 43% 34% 59% 外国原材料 3% 4% 0% 2% 当地工厂 6% 8% 6% 10% 当地劳务 6% 6% 5% 8% 当地材料 30% 28% 47% 7%

　　从表2中可看出专业人员劳务费占了总费用相当大的比例（平均45%）。这是因为在马来西亚无开挖法还未曾采用过，经济丰富的当地人还没有。开始时应有外国专家培训当地的工程师和技术工人以传授技术。希望这种技术能很快掌握，支付外国专家的费用就可减少。
　　在一个长时期内，当地工程师和技术工人能够运用这些方法，则外国专业人员劳务费用的比例可减少，例如从45%降至15%，如用后一数字，则将来各项费用将如表3所示。

表3　在大量减少聘用外国专家后的估计单价 方　　法 管径(mm) 单价(RM/m) 胀破法 225 252 四周挤压衬里法 250 260 滑动衬里法 500 597 水泥砂浆衬里法 150 119

　　四、经济价值

　　无开挖法的开发用来更新和改善公用设施对社会的破坏性极小。因此，为了评价无开挖法的经济价值，就必须确定传统的明开铺管的费用，也包括社会效益。
　　1、明开法铺管的费用
　　为了合理地比较“无开挖”和明开两法，假定每种方法使用同样的MDPE管材，同时假定开挖范围内的工厂、材料和劳动都结合当地的条件。
　　明开法铺管的费用总结如表4。

表4　传统的明开法铺管的单价 管径(mm) 单价费用(RM/m) 150 134 225 182 250 213 500 593

　　　　1美元＝2.5RM
　　2、干扰社会的费用
　　使用无开挖法更新管线的基本原则是把对交通、商业和广大公众和干扰降到最小限度。
　　在干扰社会费用中所采取的简化方法是：(1)在受影响的地方测定交通流量；(2)估算明开法所减少的交通流量。
　　从(1)和(2)用交通模拟法也可估计出延误的程度，车辆等待的费用和旅行者时间延误的费用也能估算出来。
　　四个无开挖法的场所，只有一处并不考虑对行车的影响，其余三处的社会效益已归纳如表5所列。

表5　使用无开挖法干扰社会的费用 地　　点 方　　法 费　　用 甲 胀破法 － 乙 四周挤压衬里法 300 丙 滑动衬里法 1570 丁 水泥砂浆衬里法 240

　　3、费用比较：明开法对无开挖法
　　每一个地点的所有费用都已列出，因此可以对它们进行实际的费用比较好了。表6所示为比较结果。

表6　明开法与无开挖法铺管费用比较 地点 方法 明开法 无开挖法 基本费用 干扰费用 总费用 短期费用
(外国劳务费) 长期费用(当地劳务费) 甲 胀破法 182 － 182 356 252 乙 四周挤压衬里法 213 300 513 362 260 丙 滑动衬里法 593 1570 2163 737 597 丁 水泥砂浆衬里法 134 240 374 213 119

　　表中所有费用单位均为RM/m，1美元=2.5RM
　　从表6可得出下列结论：
　　(1)总的来说，在非重载车道的地段，例如乡村，明开法换管比较经济，然而，从长远观点来看，水泥砂浆衬里仍然是很好的选择，即使在农村地区亦然。
　　(2)在重载车道的市区，如果考虑对社会的干扰费用，采用无开挖法铺管就可节省大量费用。
　　(3)从长远观点来看，当当地人员如已得到培训，可以运用无开挖法，那么使用无列挖法换管与传统的明开法相比可以节省大量费用。

　　五、结论

　　在国外，无开挖法已发展到可以快速而有效地更新旧有管线。在这些国家，公众已不再容忍在人行道和车行道上的明开带来的延误和干扰。马来西亚的公众也开始不能容忍这种开挖，因此雪兰莪政府倡导了试用四种无开挖法的观点，即把新技术引入马来西亚，并解决各种技术问题；当与传统的明开法相比时，确立无开挖法是较经济的概念。
　　一条总长5200mm已漏水的管道已成功地进行了更换，那里不允许停顿交通，而且市政府对明开沟槽有严格的限制。事实上，遇到的所谓“技术问题”都与设备或材料不适用有关，而这些在国外则都有现成的可以应用。这就需强调下列基本需要：
　　1、要全面调查拟更新的管道的所有特征（管径的变化、所有阀门和管件位置等）；
　　2、计划要完整，并应预计到特殊事故与准备应付未预见到的困难。
　　在经济效益方面，进行了简单的分析以确定由明开土方所引起的交通停顿而延误的费用。这已说明了无开挖法比传统方法更经济。当需要外国专业人员时，短期内可节省65%的费用，而从长远观点来看，当当地人员成功地掌握技术后就可节省72%的费用。
　　这后一种观点对马来西亚全面接受无开挖法是很关键的，每种方法的技术都是相对易懂并很容易被掌握，而困难之处在于要知道如何处理现场中未预见的问题，例如缆绳卡在管内怎么办。经济只能通过试验和处理这类问题而获得。开始时，经济将来自外国专业人员。因此本地工作人员需要对正在进行的更新管线的工程进行实地培训以使能掌握和处理发生的任何问题。这样的话，马来西亚将得益于此方法以克服在重载车道上的开挖沟槽的干扰。

技术资料
第96012号