北京市自来水集团公司 王耀文
摘 要：结合北京市供水管网更新改造的形势和任务，对管网改造常用的方法和技术进行了分析，比较，介绍了北京市供水管网在进行更新改造时，采用的非开挖技术中的各种方法的应用和实践，并介绍了自己的应用体会和建议。
主题词：非开挖 管网 改造 应用
前言：北京是世界上严重缺水的大城市之一，水资源量仅为40亿m3左右，人均占有水资源量约300m3，是世界人均的1/30，远远低于国际公认的人均1000m3的下限，属重度缺水地区[1]。北京又是祖国的首都，是全国的政治、文化中心。因此节约宝贵的水资源，加强对供水管网的科学管理、降低供水管网的漏失，对缓解北京日益严重的缺水状况，保证北京市的供水安全、提高北京城市可持续发展的能力，具有十分重要的意义，也是供水企业的一项长期的战略性任务。
管网漏失的原因是多种多样的。有直接的；有间接的；有主观的；有客观的。其中由于供水管网老旧和腐蚀等原因造成的管网爆管和漏水是管网漏失的主要原因之一。因此，适时地对供水管网进行更新改造、利用各种新材料、新工艺、新技术提高供水管网的质量是供水企业的当务之急和主要任务。
1． 为什么要进行管网的更新和改造？
1．1技术状态不好
2000年我国城市供水配水管总长为135，095Km。我国配水管网中，63%的管道是1985—2000年间敷设的，现有管道的平均管龄仅十年多，和发达国家相比，管道相对年轻。
但是我国城市供水管道中，有部分管道技术状态不好。1949年以前的城市供水管道，DN75㎜及以上的管道主要是直浇或离心浇铸的灰铸铁管，大口径管道则用钢管。接口基本上为承插式接口，内填青铅。到五十年代末，管道材质基本未变，而接口填料改用石棉水泥。
六、七十年代和八十年代中，由于多种原因，在这个时期使用了一些技术性能较差些的管材，主要是连续浇铸的灰铸铁管、自应力钢筋混凝土管、石棉水泥管和一部分制造质量差的其它管材。这个时期敷设的金属管道的接口，多数使用比石棉水泥刚性更强的膨胀水泥。同时在部分管道施工中对基础、覆土、防护、借转等方面注意不够，因此出现了一批技术性能不够好的管道。主要表现为：爆管和漏水频率较高，增加了断水机率、漏失率和养护工作量，金属管道管壁腐蚀较严重，尤其内壁，影响了管道的使用寿命和供水质量。
八十年代中期以后，我国球墨铸铁管、硬质聚氯乙稀，聚乙稀管和薄壁钢筒预应力混凝土管等陆续诞生。除钢管外，基本上均用橡胶圈填料的柔性接口。管道内壁均涂衬水泥砂浆或环氧树脂。通过这些措施，管道技术性能得到明显改进。
1．2管道质量差，损失严重，漏失率提高，其主要原因是：
1．2．1连续浇铸工艺生产的铸铁管强度低
铸铁的强度本身就不是很高，连续浇铸工艺使管壁冷却过快，增加管身脆性，又进一步降低强度。1964年颁布的连续浇铸铸铁管标准规定的厚度又偏薄。1982年制订国家标准，才将厚度分为LA、A及B级，相当于美国最低的1—4级。另外该时期部分生产厂质量控制也不够严格。
1．2．2接口太硬，填料的握固能力太强
五十年代起，城市供水管道接口填料普遍采用石棉水泥，以后又发展为膨胀水泥。这类填料刚性很强，握固力也很强，似乎把管道连接成一个整体。冬天水温降低，管道收缩，收缩的受力和接口填料的握固力大于管道抗拉能力，导致管道横向断裂。
1．2．3管道不均匀沉降和位移
管道特别是大口径管道施工时基础处理不善，覆土未夯实，或埋地管道与其它桥梁、管道相交处处理不好，引起地基的不均匀沉降；在现有管道附近敷设更深的下水道或建造其它构筑物，引起管道径向位移。当接口填料为石棉水泥或膨胀水泥时，承口处受张拉，插口处受压缩，而铸铁的抗压能力较抗拉能力大5—6倍，大口径管道可能在管道承口处开始豁裂，小口径管道可能产生横向断裂。
1．2．4其它原因
管道埋设过浅，对管道内外壁防腐措施不够造成管道的腐蚀穿孔，运行中产生水锤，附近其它管道施工损坏水管，管道施工时接口借转过多，钢管焊接尤其是现场焊接部分质量不好等[2]。
1．3管网更新改造的比例
管网改造涉及到大量投资，因此要非常注意投资效益和优化。正常情况下，管道寿命应该是比较长的。国际上一般认为，如管道材质、防护和施工正常，金属及混凝土管道的寿命为100年左右，而塑料类管道为50年左右，因为它是按50年后塑料老化强度而设计的。欧洲主要国家在用管道的平均年龄为30—50年。第20届国际自来水协会报告《配水管网供水持续性和可靠性的规划和设计》建议，配水管网的合理更新率为1.5%。
结合我国的具体情况，我国城市供水管道达到正常更新年份的为数很少，更新率所以很低。考虑到前面分析的情况，我国城市供水配水管网有部分管道技术性能不好，需要适当加快更新步伐。因此，《城市供水管网漏损控制及评定标准》中建议DN75㎜及以上的管道每年更新率>1%，在用的DN15—50㎜支管，多数为涂锌白铁管及黑铁管，当前漏失和对水质影响均相对严重，建议更新率>2%。
2．进行管网更新改造的方法
由于管道的更新改造涉及方方面面的影响较大。因此，在进行管网改造时，要因时制宜、因地制宜地选择不同的更新改造方法。常用的更新改造主要有两大类：
l 有施工条件或其它方法无法解决的可采取挖槽更换新管的方法解决。
l 选用非开挖修复技术中的各种方法进行更新改造。
同时，对路面开挖困难或管道内壁腐蚀严重影响水质和流量而管道结构尚能满足安全要求的管道，更要通过技术、经济分析，合理选择非开挖技术中的更新改造方式。从而解决管道的安全性问题，使管道焕然一新，延长其使用寿命和质量。
2．1非开挖方式进行管网改造的技术与方法
2．1．1涂敷修复技术（涂衬法）
对原有管道，特别是钢质或预应力管道因腐蚀等原因，难以正常使用，影响供水水质和供水安全的，通过采用涂敷修复技术即常说的涂衬法对管道内壁进行修复。
2．1．1．1水泥砂浆涂衬法
此法通过对原有的钢质管道内壁进行水泥砂浆涂衬，使管道内壁增加一防腐层，从而缓解管道内壁的腐蚀及对供水水质的影响问题。
2．1．1．2环氧树脂涂衬法
此法通过对原有的钢质管道（特别是小口径钢质管道）的内壁喷涂无毒环氧树脂，使管道内壁形成新的保护层，从而解决管道内壁的腐蚀及对供水水质的影响问题。
2．1．1．3聚脲修复技术
此法通过对钢质管道及预应力钢筋混凝土管道的内壁采用专用的喷涂设备喷涂一种双组分、无溶剂的聚脲弹性涂料，从而达到对原有管道进行内壁防腐层修复的目的，以提高原有管道强度、抗腐蚀性和防止水质污染恶化的能力。
2．1．2管中管技术
采用比原管道直径小或等径的塑料管（PE、UPVC等）插入原管道内，在新旧管道之间的环形间隙灌浆，予以固结形成一种管中管的管道结构，从而使塑料管道的防腐性能和金属材料的机械性能合二为一，改进管道的工作性能。常用的管中管技术有内穿插管修复技术，缩径穿插技术和U型管穿插技术等。
2．1．2．1内穿插管修复技术
在原有管线内穿插一根管径略小于旧管管径的聚乙稀管，从而改变现有的输水状况，提高输水能力和抗腐蚀性能，达到旧管道更新改造的目的。
2．1．2．2缩径穿插技术
此技术使用一种外径等同或略大于旧管道内径的HDPE管，通过专用的焊接缩径穿插设备将HDPE管缩径后送进已清洗、除瘤的待修复的旧管道内。当HDPE管完全进入旧管的主管道内后，利用HDPE管的恢复记忆功能，经过数小时后的记忆复原，缩径后的HDPE管道与原管道内壁紧紧地贴在一起，形成管中管结构，达到旧管道更新改造修复的目的。
2．1．2．3 U型管穿插技术
此技术与上一种方法基本相同，也是采用一种外径等同或略大于旧管道内径的HDPE管，通过专用设备，将圆形HDPE管折叠成U型，使其截面减少40%，拉入待修复的管道内，待全部进入后，向HDPE管内注入高压水或气，利用HDPE管的恢复记忆功能，使HDPE管能恢复成圆形并与旧管道内壁紧紧贴在一起形成管中管结构。
2．1．3胀管扩容技术（爆管法技术）
该技术采用专用液压扩管机（气动矛或者水力矛）。在旧管线上直接施工，无需开挖或少开挖。在动力的作用下，挤碎旧管并用扩管器将旧管的碎片挤入旧管道周围的土壤中，同时牵引等口径或更大口径的聚乙稀（PE）新管，即时取代旧管道的位置，以达到去旧换新或扩容的目的。
2．1．4 软衬法修复技术
将含有热凝性树脂的柔软编织管，通过绞车或靠液体和气体的压力推入欲修复的管道内，在水压或气压的作用下使编织管紧紧贴在旧管道的内壁，衬管就位后，通过热水或水蒸气或紫外线使树脂受热硬化在旧管内形成平滑的内衬层，在软管内凹凸的表面部分填充专业胶合剂，使充满其空间，从而形成高强度的塑料管。一般多用于直线管段的修复。[3]
2．1．5翻转内衬技术
这种技术又叫CIPP技术即原位成型管道技术。该技术使用浸透热固性树脂的纤维增强软管或编织软管作衬里材料。将浸有树脂的软管一端翻转并用夹具固定在待修复管道的入口处，利用水压或气压将软管翻转反贴在需要改造的旧管道内。利用热水或水蒸气，使树脂固化在旧管道形成一层紧贴旧管内壁的具有防腐防渗功能的衬里，使旧管道变为坚固光滑的新管道，以达到修复旧有管道的目的。
2．1．6定位密封技术
该技术采用不锈钢或橡胶制成的专用密封件，对预应力混凝土管的接口或其它材质的管材渗漏水处进行管内壁定位密封，从而解决老旧管道特别是预应力管的接口漏水问题，减少管道的漏失率和维修工作量。
3．非开挖修复技术在北京供水管网更新改造中的应用
3．1北京市供水管网概况
北京市自来水集团有限责任公司的前身是北京市自来水公司成立于1910年，有近百年的历史。成立之初，日供水量仅为1600m3/日，截止到2003年，已达到日供水能力300万m3/日以上。北京市区，现有DN15～DN2200㎜的供水管道近6000公里，其中，DN75以下管道占全部管长的25%，主要管材有钢管、球墨铸铁管、普通灰铸铁管、预应力钢筋混凝土管、镀锌管、黑铁管及小口径钢塑复合管。管道形态主要是环状管网，边远地区或管网末捎为枝状管网。由于北京供水管网承担着首都各行各业及政府机关和居民的供水任务，故管网密集，每条管线上的开口支线较多是北京供水管网的主要特征。
3．2非开挖技术的各种施工方式的选择
根据北京供水管网密集，每条管线上的支线较多的这一特征。我们考虑目前采用管中管技术、软衬法修复技术和内翻转技术对旧有管道进行修复，尚存在今后运行中的开口问题及管道维护、维修等诸多不好处理的难题。同时，对管中管技术和胀管扩容技术来讲，采用的聚乙稀（PE）管材的原材料问题，管材作为管中管的设计标准问题，壁厚的选择问题等都存在一个质量可靠、经济技术合理的性价比问题。因此，我们经过慎重考虑，在北京市自来水管网的更新改造中优先选择了涂衬技术（水泥砂浆衬里，环氧树脂喷涂和聚脲修复技术）和定位密封技术。
3．3 涂敷修复技术的应用
3．3．1利用水泥砂浆涂衬法对三环路DN1200和DN1400钢管内壁进行修复。
三环路上的DN1200和DN1400钢管系水源九厂的主要配水管道。管道施工时，受当时防腐技术的影响和限制，管道内壁采用的是无毒石油沥青冷底子油。这种防腐材料和方法，不仅防腐性能差，且防腐质量差。通常在通水后的1—2年内就会脱落，从而使钢管内壁受到水中物质的腐蚀，形成铁瘤（如图）。通过我们的调查取样，十几年的时间运行中的12毫米厚的管道已被腐蚀减薄3毫米，即壁厚减少了1/4。
为此我们结合三环路的道路改造，利用水泥砂浆衬里在大口径钢质管道中施工快捷、方便、简单，便于人工和机械操作等特点。对三环路的DN1200和DN1400进行了水泥砂浆衬里修复。主要采取的施工步骤是：管线调查→制定停水方案→制定施工方案→开挖工作坑→工作坑内断管→抽水后进行机械喷砂除锈及人工除锈→喷涂水泥砂浆→养护→管道冲洗→取水化验→通水。
