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

　　摘要：最近，馬來西亞無收益水（即滲漏水，NRW）的損失要比本地區許多其它發展中國家要高。這是因為部分自來水當局還缺乏對于那些埋設的管道，特別是年久的管道的綜合性維修和升級換代計劃。雪蘭莪自來水部已認識到這一點，并著手在馬來西亞當地條件下運用現代管線維修技術的適用性和節省費用方面進行試驗。本文介紹了在雪蘭莪州選定不同地區，不同交通條件進行四種“無開挖”法的試驗及其成果，同時也比較了無開挖法管線維修和傳統的明開法兩者的費用。
　　關鍵詞：脹破法或隧道擠入法　中密度聚乙烯(MDPE)管　四周擠壓襯里法　滑動襯里法　水泥砂漿襯里法　無開挖法　明開法　工程費用　經濟價值

　　 一、引言

　　“無開挖”法已在許多發達國家的管線更新中廣泛應用。由于造成對公眾和交通的不便，傳統的明開法已不再采用。當前無開挖法的開發主要是為更換年久的鑄鐵干管。
　　然而在馬來西亞，管材中占主導地位的是石棉水泥，因此研究現代無開挖法在馬來西亞情況下的適用性和經濟性是很必要的。下面就介紹一下引入馬來西亞的四種“無開挖”法的試驗方法及其成果。

　　二、四種“無開挖”法的試驗方法及成果

　　1、脹破法或隧道擠入法
　　脹破法主要用于直徑為200mm的石棉水泥管的更換。使用當地生產的直徑225mm的中密度聚乙烯(MDPE)管，PN（可塑性指數）為10來換管。這些塑料管一般是按照ISOCD4427－供水聚乙烯管規格生產的，更換管線總長2600m，包括38個管箍接口、2個支管連接和6個工業戶連接。
　　脹破法是在原管線位置更換成新管，其方法如圖1所示。現有管道被擠破的同時，擴大了空間，由于沖擊成隧道，就不需另行開挖，可迅速安裝新管。這種方法適用于管徑與原來的相同或較大的管道。此法一次可安裝100m的管道，而且可適應彎曲半徑大的彎頭。

　　沿著現有管道內壁用絞車帶動風動沖擊的“隧道”成形頭，脹破管壁并把碎片壓入四周土中。隨后新的MDPE管就被拉入形成的“隧道”內，加大沖擊隧道的尺寸，就可安裝上比原管大的管道。
　　隧道沖擊成形頭有一水平往復式氣錘，在圓柱體內裝有一錐形頭部。往復運動提供了向前的推力，脹破原管并拉入所換的管道，成形頭的前進運動通常由裝有絞車的拖拉機完成。
　　前進速度可以變慢，在遇混凝土包裹管外壁時也可停下來。類似地，水管支墩、維修套管、鋼管和鋼管接頭也是成形頭的障礙。開工前應采取措施查明并清除這些障礙物。但管線上可再使用的閥門或排氣閥必須先拆下，以免被成形頭損壞。目前，沖擊成形只能用于鑄鐵管、UPVC管、石棉水泥管或無筋混凝土管。
　　更換MDPE管后，所有的管件、特種配件和管箍都必須重新安裝，連接技術通常使用對口溶接、承插口連接或法蘭連接。相連管道的再連接，可每個接口單獨開挖小工作坑來進行，新型的電熔管箍熔接到所換管上，并且引入多重卡口接頭把新的聚乙烯連接管與現有的鍍鋅鐵管聯接起來。
　　按裝完畢后，新的MDPE管在投入使用之前要沖洗和消毒。通常，原有管道中斷時時間為8－12小時。
　　試行此法的場地選在海水粘土處。這種條件下制約脹破管的主要因素是覆蓋在原有管線上土的厚度。當覆土1.5m時不會有什么問題，然而一旦超過1.5m，成形頭的進度就會明顯降低（此地的最大覆土為1.8m）。
　　限制脹破管使用的另一唯一的因素是在使用鋼管，而事先并未探測出來之處，如進入廠房的路面下。當成形頭遇到鋼管，它欲向前推進，都不可避免地在管內卡住。所以這些鋼管部分必須使用傳統明開法重新鋪設。
　　一般地說，每更換50－60m長管道，大約需要開挖6m長的進入工作坑。跨越公司設施或靠近正在維修的管線，都不受影響，路面也不會開裂。
　　2　四周擠壓襯里法
　　選擇原管徑為250mm的石棉水泥管作四周擠壓襯里法試驗。此管滲漏很嚴重。所換管為當地生產的管徑250mm的MDPE管，PN為6。管線總長為1200mm，有7個管箍接口，1個支管連接口，5個工業戶連接，1個橫向連接以及8個消火栓和排氣閥。
　　四周擠壓襯里法是在現有管內安裝MDPE管作為內部襯里。此法如圖2所示。這種插入MDPE管的方法使新舊管之間沒有縫隙，從而可使管徑最大。

　　

　　此法可一次更新數百米長的管線。直徑稍大于原管內徑的MDPE管被拉長，并用對口溶接焊來連接。用作襯里的管道，由裝有防裂拉模的四周成形器拉過。施加于襯里管上的牽引拉力使MDPE管外徑減小，此管即被拉入待更新的且事先刮過的原管。MDPE襯里管安裝完畢，牽引力卸掉后，原斷面的管徑增大，長度隨之縮短，直到與原管牢固地結合在一起。此時，一種緊密襯里就形成了。
　　防裂拉模裝在工作坑內，并固定在需要襯里的原管未端。這樣可以使裝配時間減至最少，并可避免將拉模固定在路面上。MDPE管以每分鐘4-6m的速度通過拉模，這樣當所有準備工作完成，安裝起來就很快。
　　由于此法取決于最后形成的緊密結合襯里，因而原管的內壁清潔是很重要的，為達到此目的，需在襯里之前徹底地猛烈沖擊原管，然后用閉路電視（CCTV）檢查整個長度的管子內部，以辨明任何障礙物。
　　MDPE管的拉開和對口熔接與脹破法用的類似。同時接三通和管箍連接的步驟也如前面脹破法所述的一樣。
　　此法試驗過程中遇到的唯一困難就是原石棉水泥管內徑有所不同。開工前的調查表明管內徑在245-250mm。然而這并不精確，實際內徑自239至280mm不等。這就給使用12%的拉模帶來了一定困難。然而這已經克服了，試驗順利進行。但是這些困難確實突出了設備到現場之前務必全面調查原有管的最大和最小內徑的重要性。
　　3　滑動襯里法
　　選擇需要更新的原石棉水泥管的管徑為600mm，管長為1500m。此管道已埋設了30年且在接口處有滲漏。使用的襯里管是直徑為500mm的MDPE管，PN為10。原石棉水泥管有一個水沖洗口和一個排氣閥，沒有管箍接口及支管連接。
　　滑動襯里法是把新的MDPE管安設在原管內。所采用的方法如圖3所示，新的MDPE管并非緊貼在原管內壁上，它可用卷揚機直接裝到預先刮好的原管內。使用此法時，可以一次更新幾百米長的管道。原管半徑大的彎頭也可容許。

　　高級的對口溶接設備不適合焊接此種尺寸的MDPE管。因此要特別注意采用適當的熔接技術確保做成可靠的接口。這就需要在廠內及現場進行大量的接口試驗。
　　電溶接耦合器通常用于MDPE管的現場連接。然而此法所用的管徑沒有相應的電熔接耦合器，因此現場連接必須是為該現場而設計的，當地制造的連接配件。新MDPE管與原石棉水泥管的連接，也另行設計連接配件，因為在馬來西亞沒有現成的500mm直徑的Maxfit連接配件可以采用。
　　試驗條件下應用滑動襯里法已證實了可適用于下列兩種情況：
　　(1)雙車道重載車處；
　　(2)沒有焊接管道的位置。
　　但是，現代對口熔接和電熔接技術以及相應的連接配件只適用于管徑400mm以下的管道。因此建議在連接技術還未發展到適應大管徑的管道之前，馬來西亞MDPE管的使用還應限制在直徑不超過400mm管道。
　　4　水泥砂漿襯里法
　　此法在特重車輛行駛的某地段進行試驗。用此法更新了管長150m、管徑150mm、管內壁結垢相當嚴重的原鑄鐵管。
　　水泥砂漿襯里法是用水泥砂漿在預先刮好的鑄鐵管內部進行襯里，以達到更新的目的。此方法如圖4所示。

　　沿著需更新的管道在100-150m間隔處挖一個工作坑。管道由動力鏜管或牽引刮管進行清管，然后通過一活塞，以確保管內不僅已清除了所有碎片，而且也沒有其它障礙物。
　　在一個特制的混合裝置中混合1:1的水泥砂漿，用泵打入管內。在管內插入一個噴射頭（旋轉噴頭），水泥砂漿通過管子泵到噴射頭。當噴射頭沿著管道緩慢后移時，水泥砂漿由離心作用射到管內壁，為使表面光滑，在噴射頭上安裝一個抹子。然后襯里要養護16-24小時，在管道恢復使用之前，再進行氯化和沖刷。
　　清除試驗管道用牽引刮管法。管道結垢很嚴重，有平均厚20mm左右的結垢，這樣就使刮除下的垢堆積在前方，阻擋了刮除機的前進。因此將來應該采用導軌輸送鏜孔技術。
　　水泥砂漿襯里法在試驗條件下的應用證實了它可適用于下列兩種情況：(1)重載車行道；(2)市政府限制進入之處。
　　此法可使年久的鑄鐵管以嶄新狀態重新作用，而不需沿著管線進行大規模開挖。

　　三、工程費用

　　前面已經敘述了四種無開挖法的技術適用性，下面將探討實施每種技術的費用以及在馬來西亞的經濟價值。
　　工程結束后承擔的總費用是2.8萬RM（1美元=2.5RM）
　　四種方法中每一種所使用的費用都進行了大量的數據分析。分析結果見表1。

表1　各種無開挖法的單價 方　　法 管徑(mm) 單價(RM/m) 脹破法 22.5 356 四周擠壓襯里法 250 362 水泥砂漿襯里法 150 213

　　四種方法的主要費用如下：
　　(1)專業廠家的租金（外國）；
　　(2)專業人員勞務費（外國）；
　　(3)外國的原材料費用（電熔接頭等）；
　　(4)當地工廠租金（JCB，載重車，壓縮機等）；
　　(5)當地的勞務費（工程師、技師和工人）；
　　(6)當地的材料費（所有管子和管件）。
　　這幾項技術費用的百分比如表2所示。

表2　技術費用分類（百分數）及基本費用項目 費用項目 方　　　法 脹破法 四周擠壓襯里法 滑動襯里法 水泥砂漿襯里法 專業廠家 11% 11% 8% 14% 專業人員 44% 43% 34% 59% 外國原材料 3% 4% 0% 2% 當地工廠 6% 8% 6% 10% 當地勞務 6% 6% 5% 8% 當地材料 30% 28% 47% 7%

　　從表2中可看出專業人員勞務費占了總費用相當大的比例（平均45%）。這是因為在馬來西亞無開挖法還未曾采用過，經濟豐富的當地人還沒有。開始時應有外國專家培訓當地的工程師和技術工人以傳授技術。希望這種技術能很快掌握，支付外國專家的費用就可減少。
　　在一個長時期內，當地工程師和技術工人能夠運用這些方法，則外國專業人員勞務費用的比例可減少，例如從45%降至15%，如用后一數字，則將來各項費用將如表3所示。

表3　在大量減少聘用外國專家后的估計單價 方　　法 管徑(mm) 單價(RM/m) 脹破法 225 252 四周擠壓襯里法 250 260 滑動襯里法 500 597 水泥砂漿襯里法 150 119

　　四、經濟價值

　　無開挖法的開發用來更新和改善公用設施對社會的破壞性極小。因此，為了評價無開挖法的經濟價值，就必須確定傳統的明開鋪管的費用，也包括社會效益。
　　1、明開法鋪管的費用
　　為了合理地比較“無開挖”和明開兩法，假定每種方法使用同樣的MDPE管材，同時假定開挖范圍內的工廠、材料和勞動都結合當地的條件。
　　明開法鋪管的費用總結如表4。

表4　傳統的明開法鋪管的單價 管徑(mm) 單價費用(RM/m) 150 134 225 182 250 213 500 593

　　　　1美元＝2.5RM
　　2、干擾社會的費用
　　使用無開挖法更新管線的基本原則是把對交通、商業和廣大公眾和干擾降到最小限度。
　　在干擾社會費用中所采取的簡化方法是：(1)在受影響的地方測定交通流量；(2)估算明開法所減少的交通流量。
　　從(1)和(2)用交通模擬法也可估計出延誤的程度，車輛等待的費用和旅行者時間延誤的費用也能估算出來。
　　四個無開挖法的場所，只有一處并不考慮對行車的影響，其余三處的社會效益已歸納如表5所列。

表5　使用無開挖法干擾社會的費用 地　　點 方　　法 費　　用 甲 脹破法 － 乙 四周擠壓襯里法 300 丙 滑動襯里法 1570 丁 水泥砂漿襯里法 240

　　3、費用比較：明開法對無開挖法
　　每一個地點的所有費用都已列出，因此可以對它們進行實際的費用比較好了。表6所示為比較結果。

表6　明開法與無開挖法鋪管費用比較 地點 方法 明開法 無開挖法 基本費用 干擾費用 總費用 短期費用
(外國勞務費) 長期費用(當地勞務費) 甲 脹破法 182 － 182 356 252 乙 四周擠壓襯里法 213 300 513 362 260 丙 滑動襯里法 593 1570 2163 737 597 丁 水泥砂漿襯里法 134 240 374 213 119

　　表中所有費用單位均為RM/m，1美元=2.5RM
　　從表6可得出下列結論：
　　(1)總的來說，在非重載車道的地段，例如鄉村，明開法換管比較經濟，然而，從長遠觀點來看，水泥砂漿襯里仍然是很好的選擇，即使在農村地區亦然。
　　(2)在重載車道的市區，如果考慮對社會的干擾費用，采用無開挖法鋪管就可節省大量費用。
　　(3)從長遠觀點來看，當當地人員如已得到培訓，可以運用無開挖法，那么使用無列挖法換管與傳統的明開法相比可以節省大量費用。

　　五、結論

　　在國外，無開挖法已發展到可以快速而有效地更新舊有管線。在這些國家，公眾已不再容忍在人行道和車行道上的明開帶來的延誤和干擾。馬來西亞的公眾也開始不能容忍這種開挖，因此雪蘭莪政府倡導了試用四種無開挖法的觀點，即把新技術引入馬來西亞，并解決各種技術問題；當與傳統的明開法相比時，確立無開挖法是較經濟的概念。
　　一條總長5200mm已漏水的管道已成功地進行了更換，那里不允許停頓交通，而且市政府對明開溝槽有嚴格的限制。事實上，遇到的所謂“技術問題”都與設備或材料不適用有關，而這些在國外則都有現成的可以應用。這就需強調下列基本需要：
　　1、要全面調查擬更新的管道的所有特征（管徑的變化、所有閥門和管件位置等）；
　　2、計劃要完整，并應預計到特殊事故與準備應付未預見到的困難。
　　在經濟效益方面，進行了簡單的分析以確定由明開土方所引起的交通停頓而延誤的費用。這已說明了無開挖法比傳統方法更經濟。當需要外國專業人員時，短期內可節省65%的費用，而從長遠觀點來看，當當地人員成功地掌握技術后就可節省72%的費用。
　　這后一種觀點對馬來西亞全面接受無開挖法是很關鍵的，每種方法的技術都是相對易懂并很容易被掌握，而困難之處在于要知道如何處理現場中未預見的問題，例如纜繩卡在管內怎么辦。經濟只能通過試驗和處理這類問題而獲得。開始時，經濟將來自外國專業人員。因此本地工作人員需要對正在進行的更新管線的工程進行實地培訓以使能掌握和處理發生的任何問題。這樣的話，馬來西亞將得益于此方法以克服在重載車道上的開挖溝槽的干擾。

技術資料
第96012號