爆管法施工的环境影响及应对措施

虽然爆管法具有许多优点，但是如果爆管法施工不当，也会对周围环境产生一定的影响。爆管作业都会在土体中产生某种程度的振动，但如果与爆管头的距离较远，那么振动就不会对周围设施造成损坏。爆管作业中的振动水平取决于旧管道的尺寸、类型、在爆管中施加的能量以及扩孔率。有研究测得的爆管时产生的振动冲击波的频率为30～100Hz，而建筑物的自然频率为5～11Hz，所以由爆管引起的振动不可能引起邻近建筑物的开裂。

爆管作业对邻近管道的影响取决于管道相对于爆管管道的方向和位置。平行于邻近管道时易受到严重干扰，若爆管作业斜穿邻近管道，将会形成纵向弯曲。美国非开挖工程界认为，爆管与其他管道间的净距，无论是水平距离或是垂直距离，都应至少是更换管道的两倍以上。

1.土层的移动变形

对于爆管法施工，不同情况会发生不同的地表位移：当旧管道周围土体相对均匀且埋深较浅时，由于管道的挤压，土体位移很可能向上移动；当埋置深度达到一定深度处，位移趋向一致；当铺设管道下方的土体较软，则土体可能会向下移动；当在松散土体中进行管道更换时，将会因为土体振动压密而使体积减小，在距管道较近处，会因强烈的挤压而隆起，稍远处，隆起与沉降平衡，再远处可能出现沉降，同时在施工时要注意地下水的影响。

爆管法施工时，由于爆管头的直径比旧管道大，以及旧管道的破裂和新管道的移动，周围土体必定发生位移。土体是否发生位移以及发生的位移有多大取决于旧管道周围土体的地层条件、管道的埋置深度和施工扩孔的程度，见图3-2。

每一个爆管法施工过程都会产生一定的土层移动，即使是进行等直径的管道更换，也会因为爆管头的直径比旧管道略大而导致土层的移动。事实上并不是只有爆管法会导致土层的移动变形，即使是采用开挖的方法来更换管道也会因为大量的回填土方而导致土层的严重变形。

图3-2 爆管法不合理施工对地层的影响

土层的移动出现在土层中土体抵抗力最小的方向上，其位移是关于时间和空间的函数。在爆管施工阶段，土层的偏移会达到最大值，在施工完毕后，该偏移会随着时间的增加而消失。土层的这些移动变形一般都是局部的，并且其消失的快慢还与其相对于施工部位的距离有关。

土层的移动变形主要决定于如下因素：

1）更换管道的超径程度；

2）管道周围土体的类别以及其压实性；

3）爆管法施工的深度。

在没有明显界限的同性质土层中采用爆管法工艺进行管道更换施工时，如果施工深度较小，那么土层的偏移方向将会是直接向上的（见图3-2a）。如果施工深度较深，那么在各个方向的偏移将会是均衡的（见图3-2b）。在非常松散的土层中进行小口径的爆管法管道更换施工时，即使是在2ft（1ft=0.3048m）的深度，土层的偏移在各个方向上也是均衡的，然而在相当密实的土层中这个深度将会导致土层直接向上偏移。

在原有开挖法施工的管沟中，回填土一般都会比原状土要松散一些，因此土层的偏移方向将会被管沟的边界所限制（见图3-2c）。但如果管道底部的土体较弱，那么管道也可能会向下偏移（见图3-2d）。在施工中，如果土层的移动在传到地表时不能被减弱，那么就可能产生地面的隆起或沉降。土层的移动一般倾向于在通过管道轴线的垂直平面上延伸，地面沉降和隆起一般都发生在管道的正上方，不过也存在一些特殊情况：如果土层中存在明显不同的两个地层，土层的偏移就会打破垂直方向的均匀而向其中一边偏斜（见图3-2e）；另外，当在松散的土层中使用超径的管道来更换旧管道时，地面的隆起和沉降可能同时发生，管道的超径更换会引起管道上方的隆起，施工中产生的振动则会引起管道周围松散土层的密实和沉降。但如果施工深度较深，那么管道超径所导致的土层移动被管道周围小范围内的土层的密实作用所抵消，在地面上则显示为零沉降。

施工所引起的地表偏移是隆起或沉降，一般都受到多种因素的影响。对于松散土层或是仍然处于沉降阶段的回填土，那么爆管法施工过程会产生较严重的沉降；对于密实土层且施工深度较浅，特别是采用较大超径比来更换旧管道时，那么施工过程就可能导致严重的地表隆起。

在黏性土层中施工时，我们可以较容易地估计土层偏移的趋势。但在砂土层中，由爆管头引起的尾部环状间隙可能会引起土层的局部坍塌。

下面列出了可能会产生较严重的地面移动的情况：

1）需要更换的管道埋深较浅并且土层的移动方向是向上的；

2）需要更换的管道直径本来就很大的情况下再采用超径管道进行更换。

在讨论施工可能对临近的设施造成影响时，如果爆管法施工在某一最小的深度并且与临近的设施在一定的距离之类的问题，则应该考虑到土层移动所产生的影响。

2.更换管道的位置

在大多数情况下更换管道在管线和管道级别上都和原管道一致，然而更换管道的中心轨迹很少能与原来管道中心轨迹一致。因为爆管头要比更换管道的直径略大，也就是说爆管头挤压土层得到的孔比更换管道直径大，这就允许更换管道在成孔中处于不同的位置，而这又决定于管道在纵向方向的弯曲程度以及局部的土层移动情况。

新管道的位置一般取决于土层的特征、施工现场情况和铺设工艺。图3-2中已经列出了土体移动与新管道铺设的相对位置的关系。如果土层的移动方向是朝正上方，那么新管道的中心轨迹会比原来管道高（见图3-2a、c）。如果土体在各个方向上的移动是均匀的，新管道的中心轨迹就会和原来的一致（见图3-2b）。如果土体的移动方向是朝正下方，那么新管道的顶部和旧管道的一致，但是相比之下其中心位置要低（见图3-2d），当土体的移动是不对称时，新管道也会向一侧偏移。

根据超径程度不同，爆管头在旧管道中的位置将会对爆管施工产生相应的影响。比如，对于超径度达到100%的情况，爆管头的底端可能会依附在旧管道的底端而导致爆管头的中心与旧管道的中心偏离。如果爆管头的边缘是钝的，这时爆管头将从旧管道的顶端开始破碎，而作用在爆管头上的拉力将使爆管头保持正确的方向。当爆管头方向偏离旧管道时，破碎管道的拉力明显要比爆管头处于管道内部时大得多。(www.xing528.com)

在各个深度中采用爆管法施工都可能因为新旧管道的相对位置的不同而引起更换管道偏离旧管道轨迹的问题。如果现存的旧管道的埋深沿其长度方向而变化，更换的新管道与旧管道相比会有不同轨迹。当对管道更换的最小坡度有要求或需要考虑土层移动和更换管道的位置时，应该研究更换管道的轨迹问题。特别是在更换管道时，在始发坑和接收坑附近容易偏离旧管道的轨迹。

如果旧管道周围的土层情况在各个方向上都是相同的，则有利于减少爆管法施工中管道的下沉。但是，如果旧管道底部的土层较软，则新管道可能会朝软土层方向移动而导致下沉。采用加长的爆管头可以很好地解决这些问题并保持更换管道的轨迹。如果旧管道底部存在较多的沉积物，则会导致爆管头相对旧管道向上偏离。另外，如果旧管道下部的土层较硬，那么它就会抑制爆管头破碎管道底部从而导致爆管头只是将旧管道从顶端破碎，并且会导致更换管道向旧管道顶部偏离。我们可以通过改进爆管头，以提高爆管头对管道底部的破碎力度来解决这种问题。

3.管道碎屑的处理

爆管法施工之后旧管道会产生大量的碎片，碎片的大小、形状及其分布与施工现场的土层和管材、管径有密切的联系，这些碎片都会对新拖入的管道存在破坏或存在潜在的破坏。爆管法破碎管道所产生的碎片大小和形状是不定的，根据土层的类别可将管道碎片的分布分为两种形式：

1）如果是回填砂土，管道碎片一般分布在更换的新管道的两边和底部；

2）如果回填土是淤泥或黏土，管道碎片则多分布在更换的新管道四周。旧管道碎片一般存在于与新管道距离6mm的位置。这表明在爆管施工过程中存在有“土体流动”的过程：因为爆管头直径比后面连接的新管道略大，所以会在新管道周围产生一个环状空间，而随后这个空间又因为土层的移动而填满。

在分析更换管道周围碎片对其产生的影响时，管道碎片的方向是非常重要的因素，对管道威胁最大的是位于管道上方角度为90°，并具有20°尖端的碎屑，但是事实上很少存在上述情况的碎片，如果更换的新管道只是在爆管时被划伤，对于在使用中不承压或承受低压的管道影响不大，特别是划伤的深度较浅时。此外，可以通过选用管壁厚度比要求厚度厚一些的管道来抵消划伤对于管道的影响。但对于承压管道的施工一般都使用套管来解决管道划伤的问题。

4.地面震动

所有的爆管法施工都引发地表一定区域的震动。研究表明，只要施工中爆管头和临近的设施保持几英尺的距离，爆管头所产生的震动就不可能毁坏临近的设施。地面震动的程度取决于爆管过程中施加在爆管头上的动力大小，因此也可以说取决于旧管道的尺寸、类型以及采用的超径比。

爆管法所产生的震动也不会损坏临近的建筑。研究发现土体微粒普通的最大震动速度是不会超过建筑设施的标准破坏震动指标的。爆管法施工所产生的震动频率一般都比建筑物的自然频率高得多。研究表明爆管法施工所产生的震动频率范围是30～100Hz，而建筑物的自然频率范围是5～11Hz。此外，埋置于地下的管道和建筑比地表的建筑物有更好的抗震性，所以震动对于地下管道和建筑的影响一般不予以考虑。

地表的震动随着离震动中心的距离的增加而迅速消散。一般认为土体颗粒以5in/s的速度震动是对地下建筑结构产生破坏的标准极限，然而这个速度是不可能传递到距离爆管头2.5ft以外的区域的。频率范围从30～100Hz，速度为2in/s（对震动敏感性建筑结构产生破坏的极限值）的震动也只能达到距爆管头8ft的距离。然而在公共的区域进行管道更换施工时，一般都不可能碰到震动敏感性建筑。

总之，虽然人站在爆管法施工的现场可能会明显地感觉到地面的震动，但是根据测试的结果来看，其产生的震动程度是不会破坏临近的建筑物的，除非爆管施工中爆管头距离建筑物非常近。

5.爆管法施工对公共设施的影响

爆管法施工中所产生的土层移动可能会破坏临近的管道或结构，其中脆性管道是最容易被严重破坏的。管道接头部位在受到土层移动影响时也容易产生泄漏，爆管施工区域周围管道受到其影响的程度与这些管道相对于爆管头的位置有关。在爆管过程中，与需要更换的管道平行的管道只受到短暂的影响，但是如果更换管道临近的管道与其空间的位置是交叉的，那么当爆管头穿越时，会导致该管道产生纵向的弯曲变形。

爆管法施工对临近管道扰动的程度还与周围的土体类型相关。如果管道周围的土层较弱（如没有完全压实的回填土，因此周围土层仍然存在很大的压缩空间），那么载荷的传递要比那些压实性较好的土层弱得多。

爆管施工中采用套管会增加向土层周围扩展的载荷强度，因此使用套管会增加破坏临近管道的风险。这是因为爆管头相对于旧管道的直径必须还要能容纳下套管的厚度。

因此，需要遵守一些安全规则来防止爆管施工中爆管头对临近管道的影响，作为一般的规则，施工管道与临近管道在纵向和横向方向的距离都应该大于更换管道的直径。此外，对于油气、输水管道系统，有关研究已经讨论制定了在爆管法施工中对铸铁管道的保护原则，给出了一些可能引发危险的距离以及相关的临时保护措施，可以根据一些因素来决定施工中保证临近管道不受影响的安全距离，这些因素为临近管道的位置关系（平行或交叉）、土层的种类、爆管头的直径、施工管道的埋深深度等。这种方法不仅可以确定周围管道的位置，还可以预先知道存在于地层中对爆管法施工不利的障碍物。

6.更换新管道上存在的压力

爆管施工中，作用在爆管头上的拉力会导致更换的管道上产生一个轴向的压力。更换的管道必须能够抗拉作用力和抗压作用力，以保证管道在施工中不被破坏。

更换的管道的轴向压力的计算应该根据土体和管道接触的两种情况来考虑：

1）当土层在成孔后没有马上坍塌包住管道时，管道上的压力就是通过管道重力所计算出来的摩擦力。

2）当更换管道周围的土层坍塌时，管道上摩擦力的计算方法类似于微型隧道法和顶管法中的摩擦力计算方法。摩擦力应该根据管道和土体的摩擦力系数、作用在管道上的正压力和管道的受摩擦力的区域等因素来综合计算。

根据有关资料，作用在更换管道上的实际压力在上述所描述的两种情况下的计算值之间。气压和液压爆管法都会对更换管道产生一个轴向压力（其压力的大小与爆管法施工长度有关），但是在管道中周期出现的压力级数会小于其平均压力值。超径比和更换管道上存在的压力值没有直接关系，因为爆管头掘进成孔的稳定性是更重要的参数。

如果施工现场情况和爆管头施工长度可能会导致更换的管道上产生的压力超过其允许压力，则建议在更换的管道上直接采用压力检测装置。其检测过程通过安装在爆管头后面的测压元件和应变仪来完成。拉力值的监测和测量也是相当重要的，不仅有助于保护孔壁防止坍塌，而且还能减小管道和土层之间的摩擦阻力。