國外天然氣管道非開挖安裝、修復及更換技術

盧泓方 吳曉南 Tom Iseley John Matthews 彭善碧

1.西南石油大學石油與天然氣工程學院 2.美國路易斯安那理工大學非開挖技術中心3.西南石油大學土木工程與建筑學院

1 我國天然氣管道非開挖安裝、修復和更換技術需求

目前，我國天然氣管道行業主要面臨兩大問題：一方面，截至2016年底，我國長輸天然氣管道總長度約7.43×104km，根據國家能源、石油、天然氣、頁巖氣和煤層氣發展“十三五”規劃中提出的管道設施建設目標，2016—2020年我國將新建長輸天然氣管道4×104km，近年來我國大力開展天然氣管道的建設，即便如此，當前天然氣供應的快速增加與基礎設施不足的矛盾依舊非常突出，主干管網系統尚未完善，部分區域還未覆蓋管網[1]；另一方面，根據我國統計年鑒的數據，我國80%以上的天然氣管道是2005年以后建設的，而服役年齡超過12年的管道約占20%（圖1），再過10～20年，大多數天然氣管道將進入老齡期，屆時將面臨修復或更換的問題[2-3]。

圖1 2005—2015年我國天然氣管道建設情況圖

目前，國內大多數管道的安裝、修復和更換依舊采用開挖施工的方式，需要開挖溝槽、將管道放入管溝、土壤回填、壓實以及恢復路面等操作[4]，這一系列過程約占項目總成本的70%。除此之外，開挖路面還會對周圍交通和環境造成很大影響，特別是對于城鎮燃氣管道，由于施工需要開挖路面，會占用交通干道致使車輛繞行，并長時間產生大量噪音和灰塵，對環境產生影響。

非開挖是一種能夠以極小破壞路面的方式進行管道安裝、修復和更換的施工方法，美國在20世紀90年代就將該項技術列入國家研究計劃之中，美國路易斯安那理工大學、英國曼徹斯特工業大學等都設立了非開挖技術專業和相關研究機構，非開挖技術在國外主要應用于供水管道和下水道，不僅能夠最大程度地減小對地表的影響，減少95%的碳排放量，還能使埋地管道所受載荷的分布更加均勻，從而減小管道的變形（圖2）[5]。隨著非開挖技術的不斷創新和改良，國外的管道非開挖技術已逐漸走向成熟，形成的相關非開挖技術標準如表1所示。除此之外，根據施工要求的不同，形成了適用于不同情況的管道修復和更換技術，根據《Trenchless Technology Piping ： Installation and Inspection》[5]，選擇非開挖技術的決策流程如圖3所示。我國從20世紀90年代中期開始引進非開挖技術，1998年成立了中國地質學會非開挖技術專業委員會（CSTT）。非開挖修復技術雖然在我國起步較晚，但發展迅速，并在近幾年初具規模。2010年7月，中華人民共和國住房和城鄉建設部（以下簡稱住建部）發布了《城鎮燃氣管道非開挖修復更新工程技術規程》（CJJ/T 147—2010）[6]，規程中介紹了幾種主要非開挖修復技術的一般規定、施工準備和過程準備等內容。基于良好的應用前景，在大量調研了國外管道非開挖安裝、修復和更換技術后，綜合考慮了技術的適用性、經濟性及高效性，對國外非開挖典型技術進行了介紹，為我國未來天然氣管道的非開挖施工提供依據。

圖2 天然氣管道所受載荷示意圖[5]

2 天然氣管道非開挖安裝技術

2.1 常規方法

目前，能用于我國天然氣管道非開挖安裝的常規技術主要有：水平定向鉆技術（Horizontal Directional Drilling，HDD）、微型隧道技術（Micro Tunneling，MT）和頂管技術（Pipe Jacking，PJ）[5]。

水平定向鉆技術在我國的發展時間較短，它具有先進的導向系統，多用于河流、道路穿越管道的安裝施工，并適用于黏土、沙土等硬度較小的土壤。拖車式鉆機和管道及其他附屬設備位于穿越目標（河流、湖泊和道路等）兩側，需要3個步驟完成導向孔掘進和管道安裝：①鉆桿按指定方向（水平傾角為8°～20°）鉆直徑為50～150 mm的導向孔，在機械切削（鉆頭旋轉）和水流的共同作用下實現直線鉆進，在靜壓和水流下依靠鉆頭板斜面上的垂直力（鉆頭不轉），實現方向的改變；②反拉擴孔器將導向孔逐級擴大至敷管所需管徑；③將需要敷設的管道牽引回拉。水平定向鉆法的優點包括：①施工精度高、操控性好，不會對兩岸的防護措施或河床產生破壞；②不受季節影響，施工周期短；③人員和設備用量小，安全可靠性高，成本相對較低。該技術通常用于施工長度為50～1 500 m且管徑為100～1 000 mm的管道。

表1 國外燃氣管道非開挖修復相關標準表

我國在1954年首次完成頂管施工，頂管技術是繼盾構施工之后發展起來的一種地下管道施工方法，適用于軟土或富水軟土層。頂管法施工就是在工作井內設置支座和安裝主千斤頂，借助于頂進設備產生的頂力，克服管道與周圍土壤的摩擦力，將管道按設計的坡度頂入土中，并將土方運走。一節管道頂入土層之后，再下第二節管道繼續頂進。其原理是借助于主頂油缸及管道間、中繼站間的推力，把工具管或掘進機從工作坑內穿過土層一直推進到接收坑內吊起。管道緊隨工具管或掘進機后，埋設在兩個工作井之間。頂管技術的優點包括：①經濟、高效、保護環境；②可以在很深的地下敷設管道，操作簡便。頂管法常用于管徑為350～4 000 mm的管道施工。

微型隧道法是一種遙控小直徑頂管技術，適用于各種類型的土壤和巖石。典型的微型隧道法通常被稱作單步施工法，微型隧道法可用于穿越長度超過500 m且管徑大于2 000 mm的管道，新管跟在切削頭的后面直接頂進，整個敷管工程一次完成。

圖3 天然氣管道修復或更換決策流程圖[6]

2.2 直接敷管法（Direct Pipe）

直接敷管法是德國海瑞克（Herrenknecht）公司研發的管道敷設方法，它結合了微型隧道和水平定向鉆技術的優勢。直接敷管法采用微型隧道掘進機向前方掘進，推管機后面頂推，實現預制管道和微型隧道掘進同步完成，使預制管道僅通過一次推進即可敷設完畢。2017年3月22日，我國首次將該施工方法應用于陜京四線的無定河穿越工程（內蒙古自治區烏審旗無定河鎮水清灣村東南側），穿越長度為423 m，管徑為1 219 mm。它可以快速而經濟地安裝長度超過1 500 m的管道（管徑為800～1 500 mm），適用于軟土、非均質地層及巖石（圖4）。

如圖4所示，穿越時，預制好的管道與敷管機相連，管道通過定向鉆的推力和敷管機的牽引力掘進。從始發坑開始，用水平衡式微型隧道掘進設備（AVN）進行挖掘，利用安裝在預制管道內部的泥水環路，將渣土泵送到位于地面的泥水分離站。預制管道在地面由托輥支撐，一端焊接在微型隧道掘進設備的尾部，在隧道掘進的同時被拖進隧道。推管機可以產生高達750 t的推力，同時推動微型隧道掘進設備和管道，每個行程5 m。推力由推管機的夾管器依次傳遞給管道和掘進設備的刀盤。在掘進過程中，利用泥水平衡掘進技術對開挖區域進行持續而安全的支撐，即使在非均質的透水土壤中亦不會失控。上坡、下坡以及管線沿途的轉彎都可由通用導向系統精確控制。

與頂管技術和定向鉆技術相比，直接敷管法的技術優勢為：①設備施工占地少、周期短，能適應復雜地質條件；②鉆孔和管道安裝同步完成，作業簡單、連續；③管道對鉆孔形成永久支護；④無需耗資建設始發井和接收井，僅在靠近地表處挖掘始發坑和到達坑即可；⑤上坡、下坡和轉彎處可實現精確導向。不同管徑的管道采用直接敷管法所對應的技術要求如表2所示[15-16]。

2.3 易敷管（Easy Pipe）

易敷管是一種新型的敷管方法（圖5），其施工通常分為3步：①采用微型隧道法進行鉆孔，拖入Easy Pipe鋼管；②鉆頭到達另一側目標位置后，將鉆頭拆卸，安裝連接管；③將產品管道回拉完成施工過程。該施工方法適用于大多數地質條件，由于鉆孔被Easy Pipe鋼管永久性支撐，最大限度地減小了地質風險[17]。

圖4 直接敷管法工作步驟圖[17]

表2 不同管徑的管道采用直接敷管法的技術要求表[18]

2.4 燃氣管道非開挖安裝技術特點

燃氣管道非開挖安裝技術的特點總結如表3所示。

3 天然氣管道非開挖修復技術

天然氣管道非開挖修復分為沿線修復和局部修復，在選擇方法時還需考慮輸送介質、原有管材、性價比及修復后管道對流體流動的影響（管徑和內壁粗糙度）。主要對翻轉內襯法（Cured-in-Place Pipe，CIPP）、插入法（Sliplining）以及原位噴涂法（SIPP）等的功能特點進行介紹[19-21]。

3.1 翻轉內襯法（Cured-in-Place Pipe，CIPP）

翻轉內襯法又稱原位固化法，最早由英國工程師Eric Wood在1971年發明。內襯材料為含膠的襯管，經翻轉后使含膠的一面黏結在舊管的壁面，從而形成新的內襯層。通常利用壓縮空氣或水壓使得軟管發生翻轉，并使得軟管在被推入管道的同時可以緊壓在管壁上，再利用熱水使得軟管上的樹脂交聯固化，從而形成堅硬襯里，與原管道形成復合管，更新后的管道外徑與原管內徑相等，它是最為普遍使用的非開挖修復方法，該技術已通過ISO 9000國際認證，并派生出許多相關技術，如美國的Inliner和Superliner、比利時的Nordline和德國的AMEXR等。

圖5 易敷管敷管法工作步驟圖[17]

表3 燃氣管道非開挖安裝技術特點表

CIPP目前常用的襯里材料包括有防滲膜的纖維增強軟管、編織軟管或無紡氈等，常用的樹脂材料有非飽和聚合樹脂、乙烯酯樹脂和環氧樹脂，常用的樹脂熱固化方式有利用熱水和蒸氣加熱，也有常溫固化以及紫外線固化的方式等。該方法適用于以防腐為主要目的、輸送壓力較低或腐蝕情況不是很嚴重的管道修復，適用管徑為100～2 700 mm。不宜用于變形嚴重、存在結構性損壞、在公路下埋深較淺、動荷載長期作用、位于省際高速公路下的管道修復，在進行修復之前需要對舊管進行清洗，要求內壁70%以上露出金屬光澤且內壁保持無油污、無塵和無顆粒雜質。整個內襯修復過程中可采用閉路電視（Closed-Circuit Television，CCTV）進行監控，且能夠完成彎頭處的修復，由于承壓能力有限，該方法可用于城鎮燃氣高壓B類及以下的管道。CIPP能夠縮短常規開挖施工周期的12.5%～25%，施工長度通常為30～150 m[6]。目前該技術已在40多個國家和地區得到了廣泛的應用，尤其在英國、法國和德國等工業國家應用更為普及。圖6為CIPP修復管道的施工現場。

CIPP的技術優勢為：①施工速度快，無需灌漿；②流量損失較小。其技術局限性為：①需要特殊的施工設備；②對施工人員的技能要求較高。

圖6 CIPP施工現場圖

3.2 插入法（Sliplining）

插入法是最早的管道非開挖修復方法，采用牽引設備將新管拖入舊管中，若內襯材料為聚乙烯（PE），新管外徑較原管內徑小且相差較大（Dnew≤0.90Dold，其中Dnew表示新管外徑，Dold表示舊管內徑），因此，為了穩定新管，通常在新管與舊管之間注漿穩固。插入法更新后的管材為PE管，適用于管徑為100～1 000 mm的管道，分段施工的最大適宜長度為300 m。

插入法的技術優勢為：①施工工藝簡單，對施工人員專業化程度要求不高；②施工速度快，施工周期減少1/3；③設備簡單，施工成本低。其應用局限性為：①注漿較為困難；②新管天然氣輸送能力損失較大。

由于新管施工完成之后天然氣的輸送能力降低，因此，該方法較適用于天然氣置換人工煤氣后管道的修復。

3.3 縮徑內襯法（Deformed and Reformed）

縮徑內襯法由英國煤氣公司于20世紀80年代開發，可用于結構性和非結構性修復，它采用合適的牽引設備將PE管拖入需要修復的原管中，通過加壓或者自然復原的方法使PE管貼合在原管內表面，新管外徑較舊管內徑相差不大（0.90Dold≤Dnew≤1.04Dold）。通常為了加快復原速度，采用水壓恢復的方法，該方法適用于管徑為75～1 200 mm的管道，最大施工段長度為300 m[6,20]。

縮徑內襯法的技術優勢為：①天然氣輸送能力損失較小；②施工速度快，施工周期縮短20%；③可進行長距離輸氣管道修復。其應用局限性為：①施工配套設備昂貴，施工成本較高；②天然氣主管與支管的連接需開挖。

3.4 折疊內襯法（Ford and Formed）

折疊內襯法與縮徑內襯法類似，它利用PE管的記憶功能，將圓形管折疊成“U”“C”或“H”形拖入新管（圖7），再通過加壓或升溫使其復原為原有形狀（溫度越高恢復速度越快[6]），折疊方法分為現場折疊和工程預制折疊。新管貼合在舊管內壁，新管外徑略小于舊管內徑（現場折疊：0.98Dold≤ Dnew≤ 0.99Dold，預制折疊 ：Dnew≤ 0.98Dold）。折疊內襯法更新后的管材為PE，適用于管徑為100～ 1 200 mm的管道，分段施工的最大長度為300 m（現場折疊）和500 m（預制折疊）。

圖7 折疊內襯管示意圖

折疊內襯法的技術優勢為：①對舊管清洗要求低；②可進行長距離輸氣管道修復；③新管天然氣輸送能力損失較小；④無需注漿，施工速度快，施工周期縮短20%，潛在施工成本可節約30%；⑤斷面收縮率高達40%，穿插較為容易。其局限性為：舊管的結構性破壞會使施工困難。

3.5 原位噴涂法（Spray-in-Place Pipe，SIPP）

原位噴涂法是一種利用遙控和自動化設備在管道內噴涂涂層的非開挖管道修復技術，自動化設備在人工遠程遙控下在管道內部移動將涂層噴涂在管道內表面，涂層固化之后會在管道內部形成結構密封，使管道恢復原來的設計參數，以防止可能的泄漏（圖8）。該技術適用于32～1 800 mm管徑的管道修復，修復過程主要包括以下3步[22-23]：

1）清洗：噴涂之前需要清潔管道內部，從而使涂層在管道內的分布能夠較為均勻，要求管道內無積水。

2）管道檢測和評估：采用CCTV對清洗后的管道內部進行檢測和評估，從而確定是否需要進一步清洗。

圖8 SIPP自動化噴涂設備示意圖

3）噴涂：襯里設備包括涂層材料的存儲設備、加熱系統、泵送系統以及監控系統。加熱系統用于控制涂層材料溫度，泵送系統用于輸送涂層材料并控制混合比例，泵的流量和絞車速度決定了管道內涂層的厚度，監控設備用于查看噴涂過程及效果。

原位噴涂法的技術優勢為：①能夠延長管道的使用壽命；②降低維護頻率，減少成本和停機時間；③有效延緩管道的內腐蝕。

3.6 局部修復方法

當燃氣管道整體結構完好，僅有部分缺陷時，可考慮采用非開挖局部修復技術，可減少施工成本，節約時間。

3.6.1 點狀CIPP修復

點狀CIPP修復是最常用的局部修復方法之一，已應用超過30年（圖9）。如圖9所示，它用專用樹脂將玻璃纖維布織物浸透，再用專用修補器（可膨脹管筒）配合CCTV將玻璃纖維布織物送至管道損壞處，采用專用修補器充氣工藝將其與管壁緊貼，固化后（固化時間通常為1～4 h）的樹脂和玻璃纖維布共同封堵管道的破損點，最后將修補器釋放壓力并收回[19]。該方法適用于管徑為100～2 000 mm的燃氣管道，通常修復段長度為1.0～4.5 m，最大修復長度為15 m。

點狀CIPP修復方法的技術優勢為：①能夠進行結構性修復；②襯管能緊密黏結在舊管內壁；③已制定相關標準ASTM F1216，可參照本文參考文獻[7]。該技術的局限性為：①僅能提高局部修復部位的結構強度；②可能會降低管輸能力。

圖9 點狀CIPP修復圖

3.6.2 機器人修復

機器人修復技術是一種采用遙控設備（機器人）來進行各種管內操作的方法，是非開挖局部修復技術中較新的技術之一。機器人可在管道內清除堵塞物，還能研磨裂縫和填充修復液，通常還與照明設備和CCTV系統配合使用，機器人修復技術適用于管徑為200～750 mm的管道，將管道修復機器人放入管道內，采用CCTV確定修復位置（機器人在管道內的定位采用輪式機構），修復機器人研磨裂縫，并向裂縫位置填充修復液。除此之外，對于人工煤氣管道，由于氣質中含有很多雜質，易導致雜質沉積并堵塞管道，此時，管道切削機器人可輕松清除管內雜質疏通管道。圖10為美國ULC Robotics公司研發的管道修復機器人，主要用于修復天然氣管道內的泄漏。2013年，該機器人在英國進行試驗，它在20 d內修復了90個泄漏點，而采用傳統方法則需要4～6個月。因此，對于局部需要修復的管道，機器人法無疑是一種快速、經濟（可節約施工成本高達50%）的技術。

圖10 ULC Robotics公司研發的管道修復機器人Cisbot Robot照片

機器人修復技術的優勢為：①一種設備可進行多種作業；②施工速度快。其技術局限性為：①需要專業設備；②一次性投資較大[19]。

4 天然氣管道非開挖更換技術

對于一些需要更換的天然氣管道，無需開挖地表進行更換，采用非開挖管道更換技術——裂管法可以高效地進行管道替換。通常是將舊管道破壞的同時，在原有位置安裝一條新的管道，破壞后的舊管道被擠入土層或形成碎屑后被沖洗液帶出地表（圖11）。更換后的管道直徑可以與原有管道相同，也可以大于原有管道，可增加原管道管徑的20%～30%。根據破壞方法的不同，裂管法可以分為靜壓法、動壓法和鉆削法。天然氣管道更換通常采用靜壓法和動壓法[24]。

圖11 裂管法施工原理圖[24]

靜壓裂管法中，首先將拉桿插入需要更換的管道，采用切割刀頭將需要更換的管道切開，用裂管頭脹裂舊管，同時將舊管碎片擠壓進周圍土壤，從而使新管道位于原有管道的位置。

動壓裂管法分為氣動破碎法和液壓膨脹法，其中，液壓膨脹法用得較少。氣動破碎法由氣體沖擊矛和脹管器組成，由高壓空氣驅動（轉速為180～580 r/min）產生沖擊力作用于舊管道，使其受壓破裂，脹管器擠壓舊管道碎片進入周圍土壤（圖12）。

圖12 氣動破碎法原理示意圖[23]

對于城市燃氣中需要增大輸送量的天然氣管道更換而言，裂管法無疑是一種最為有效的方法，但是該方法不宜用于埋設于異常堅硬土壤的管道，且新管道管徑的大小受土壤、原本開挖寬度等因素的影響[5]，根據《ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice No. 112: Pipe Bursting Projects》[25]，裂管法的施工難度可分為3級：A（常規）；B（較難）；C（非常難）。具體分類依據如表4所示，裂管法施工現場如圖13所示。裂管法單次更換長度通常為90～150 m，裂管管徑通常為50～1 000 mm，目前施工的最大長度為910 m，最大管徑為1 200 mm。

圖13 裂管法施工現場圖

裂管法的技術優勢為：①裂管法的實施受環境影響很小，對路面交通影響很小；②能夠經濟、快速地進行管道更換，可縮短40%的施工周期；③相對于開挖更換，減少了85%的工程量；④由于該方法沿著舊管道的線路施工，容易和臨近設施協調；⑤精度校準和新管道的安裝可同時進行。其局限性體現為：①裂管過程中產生的振動可能會影響周邊設施；②膨脹土壤可能會對施工造成困難；③采用韌性材料進行局部修理的部位可能會影響裂管施工進程；④舊管的彎頭處理較為困難。

表4 裂管法難度分級表[25]

5 結論及啟示

1）根據對燃氣管道非開挖安裝技術特點的總結，管道非開挖安裝技術正處于不斷改進的階段，特別是很多技術結合了傳統施工技術的優點，主要的發展方向為：能夠適用于各種類型的土壤、能夠敷設更大管徑的管道、能夠以更快的速度施工。

2）目前，我國非開挖修復和更換技術所面臨的問題主要包括：①缺乏評價管道修復或更換的質量標準；②缺乏具有非開挖修復和更換技術經驗的設計和施工人員。

3）燃氣管道非開挖修復和更換的實施不僅需要相關的設備和施工手段，還需要配合非開挖檢測技術對修復前的管內狀況和修復后的效果進行評定，因此，在后續的發展中，需要將非開挖檢測、安裝、修復（或更換）技術形成完整的體系，該體系的形成更有利于管道的完整性管理。

4）國外非開挖修復技術已能夠適用于城鎮燃氣中低壓管道，對于高壓管道的應用具有一定的局限性，因此，提高內襯材料強度是解決該問題的關鍵。

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