用于污水管道无管沟施工的现代化陶管和接口（左耀龄）

左耀龄
 

“通过树的果实来评价这棵树，而不是通过它的叶子”（希腊作家尤里披蒂(Euripides)，公元前484年-406年）

在向市政官员和咨询工程师宣传使用排水陶管产品时，我们频频地面临这种议论“陶管的进货成本比起其它有竞争性管材差别太大”。不错，当兴趣局限在某一个季节观看树叶时，对下水管道工程可以得到更廉价的管材。但是，当我打定主意要为收获果实而栽种一棵树时，投资的回报会翻好几番。这说明就业经证明的比起其它材料更加耐久性的优点而论，陶管在本行业的工程师心中保持很高的信誉，这不仅是几十年或几世纪，而是几千年之久。
 

今天制造陶管所使用的原料和过去还是一样的，仅仅是生产工艺被精细地改变以生产出具有高质量的产品，它们不仅可以抵抗侵蚀性日益增加的废水的各种侵蚀，也可以承受业已增加的静态动态地面荷载，并在各种先进的安装技术中表现其优越的性能，从而为各种城市基础设施工程服务。
 

今天的陶管被设计得可适应我们可能展望到的，在下水管网工程将来发展中会遇到的各种挑战。
 

陶土奇迹：用一点土壤掺入水，并把它放在烈日之下。这就是从两万年前开始的瓦陶产品如何成功的历史。5000年前的一个城市：哈布巴卡比拉（在今天叙利亚境内），其城市下水管道是有超前意识城市规划和很高的技术水平的证据。

在随后多个世纪制造技术的进一步发展以及所设计的性质的公认的表现使瓦陶产品在各国被选择作为建造下水管道和排水管道的最适宜的材料：

① 希腊，雅典，约公元前600年，使用粘土砖

② 意大利，罗马，约公元前590年，使用粘土砖建造“斗兽场”中的一条排水集水管，其尺寸为3.30米×4.00米。并使用瓦陶管从DN 50 mm到DN 400 mm，每根管长600 mm。

③ 德国，法兰克福，在约公元1200年开始建造它的下水管网，使用各种瓦陶管。

④ 德国，汉堡，在约公元1300年开始建造它的下水管网，使用各种瓦陶管。

⑤ 奥地利，维也纳，在公元1388年开始建造它的下水管网，使用各种瓦陶管。

随着下述发明：

① 1844年怀特海先生（Mr. Whitehead）发明垂直挤出陶管的机器，

② 1951年葛礼默博士（Dr. Cremer）发明隧道窑，陶管生产从劳力密集型改变为工业化大规模生产。
 

原料：粘土矿物（≤0.002 mm）和石英（≤0.002 ~ 0.100 mm）＋ 耐火粘土（陶渣）即已经烧制的陶土产品（破碎并研磨成≤1.8 mm的粉末）＋ 水（约10% ~ 15%）＋ 加热，在干燥过程中温度约80℃，在隧道窑（连续窑）或穿梭式窑（间歇窑）中＜1250℃温度环境下成形。

新产品称为陶管，主要由玻璃、石英和多种莫来石（又称高铝红柱尺）构成。

① 在1926年，陶土管的第一个工业标准，德国工业标准DIN 1203-1206被采用，在1938年被德国工业标准DIN 1230所替代。

② 在1990年所有欧洲国家的陶土管标准在欧洲标准EN 295下被协调统一。其中的第7部分规定了对顶管施工用陶管及接口的技术要求。

KERAMO STEINZEUG公司生产的各种顶管施工用陶管以CreaDig商标出售。

对顶管施工用陶管的有效标准是：欧洲标准 EN 12889。

作为生活污水管道的一个先决条件是管材在不同程度上应满足下述综合要求：

① Impermeability不透水性                                 ⑤ Temperature Resistance耐温度性

② Structural Strength结构强度                            ⑥ Abrasion Resistance 耐磨蚀性

③ Hydraulic Smoothness水力学光滑性                ⑦ Corrosion Resistance耐腐蚀性

④ Impact Resistance 耐冲击性                            ⑧ Service Life(Economics) 工作寿命（经济性）

陶管对所有要求，除了对冲击的高忍耐性外，都能很好地满足，所以被公认具有超过100年的工作寿命。

非开挖施工下水管道从技术上规定了另外的一些要求，诸如：

① 传递纵向力

② 在纵向承受极高的推力的能力

③ 细长的管壁横剖面

④ 光滑的管子外表面

⑤ 适宜顶管工艺的公称长度

CreaDig顶管施工用陶管就是按照这些技术要求而开发的，所以它们应该满足顾主，微孔隧道挖掘施工各个系统的不同制造厂商和施工承包商的共同要求。

顶管施工用陶管的连续向前开发的依据表现在下列对顶管施工用陶管的成套的规定上，用这些有效力的形式给出：

① 德国工业标准欧洲标准DIN EN 295，第7部分－“用于排水管道和下水管道无管沟施工的陶管和接口需要满足的技术要求”

② 德国登记认证类经济分支规范RAL RG 534 VA－德国质量保证及标志学会（German Institute for Quality Assurance and Marking）发布的“顶管施工用陶管”

③ 德国污水技术协会ATV A 125－“排水管道和下水管道的无管沟施工”

④ 德国污水技术协会ATV A 165－“顶管施工用管的静力学计算”

在上述标准和规范的帮助下，在过去数年中，顶管接口和推力传递系统得到不断的改进，使顶管技术目前达到很高的水平。
 

CreaDig顶管施工用陶管在公称直径从DN 150到DN 1000的范围制造（DN 1200正在试制中）。

顶管用陶管制成圆柱状（不含承口）并使管身壁厚满足顶管施工工艺的要求。在坯料制出之后，CreaDig陶管两端被切割成平行端面，其外圆被研磨出空间以容纳接合系统。由KERAMO STEINZEUG公司提供的管子接口及垫圈都是在公司的工厂里完成装配的。

接合系统

① DN 150顶管用陶管的接合系统由未硫化橡胶弹性体和一个聚丙烯支承体构成。

② 对公称直径DN 200到DN 500顶管用陶管，提供的是VT（Vortrieb）推进接合系统。它有一个未硫化橡胶弹性体环，其两端上各有双重密封唇用以封闭一个环状支承体。垫圈在该产品单件接合部件中是不可分割的一部分。

③ 对公称直径DN 400和DN 500管，垫圈可以用耐水浸泡并已浸渍树脂的层压木板或木碴板制造。

尽管使用CreaDig顶管施工用陶管及接口已有多年成功经验，但很多潜在用户对陶管使用在顶管施工的各种应用上仍然很保守。这些用户常常把耐冲击性和抗压强度混为一谈。众所周知，陶管耐冲击性有限，但是具有很高程度的抗压强度—这点正是我们所指望的。

欧洲标准EN 295，第7部分要求的抗压强度值为75牛顿/平方毫米，而KERAMO STEINZEUG公司保证值为100牛顿/平方毫米。当陶管抗压强度是100牛顿/平方毫米时，它是钢筋混凝土管抗压强度的2.5倍。这样的抗压强度加上管子光滑的外表面意味着人孔和人孔之间上限顶管距离长度值可以在任何情况下使用并且不必使用全部允许顶管推力。

欧洲标准EN 295第7部分对顶管强度的定义：

① 设计顶管负荷：须由陶管制造厂家根据顶管强度和接口及垫圈的专门设计给予说明。

② 最大顶管工作负荷由下列系数确定：负荷偏心（系数取2.0）；安全性（对自动方向操纵系统取1.6，对人工方向操纵系统取2.0）。

③ 最大顶管工作负荷：垫圈只能传递压缩力，向带有柔性接口的顶管施工用管施加的最大工作顶管负荷要考虑施加顶管推力时的偏心。对标准设计，所计算的偏心造成的应力比为2.0。

对一根DN 500陶管计算最大顶管工作负荷：设计顶管负荷：8320千牛，标准应力比2.0，对自动数据记录系统：8320/2.00×1.6＝2600千牛；对人工数据记录系统：8320/2.00×2.0＝2080千牛。

STEINZEUG有限公司所给出的允许顶管推力已含本身内在保护，可从下述DN 600管子示例中了解。在一个具有自动记录和监测的顶管系统中，必须按德国污水技术协会ATV A 161-“顶管施工的静力学计算”规定来考虑各种安全系数，对管材安全系数取2.0，对管子和管子之间相对的一定程度的（角度）偏斜安全系数取1.6。

为经济使用顶管施工用陶管，所使用的人孔到人孔（起始井到接收井）之间的长度见表2。

钢材的类别：

① EN 295第7部分对钢材的最低要求：奥氏体钢最低含铬量17%，最低含镍量8%。例如，3（中国国家标准GB）；X10CrNi18-8；欧洲标准EN 1.4310；

② Keramo Steinzeug公司顶管施工用陶管使用的标准钢材：奥氏体钢最低含铬量17%，镍12%，钼2%。例如，320S17（中国国家标准GB）；X6CrNiMoTi 17-12-2；欧洲标准EN 1.4571

一般说来钼成分能改善钢材耐腐蚀性，特别是对氯化物造成的点蚀。

在Creadig顶管施工用陶管上工厂所使用的不锈钢符合欧洲标准EN 1.14571（含2%钼成分的奥氏体钢）。

为检查已经到达现场的管子质量（例如，检查在运输中造成的损坏），STEINZEUG有限公司要求（按德国污水技术协会ATV A 125“排水管道和下水管道无管沟施工”规定中的部分内容），管子放入起始井前应使用插口检测装置（测试压力：15巴）对管子进行检测。在此进行测试的目的是确保顶管施工时，管子不会以任何方式被损坏。

预应力管端口：为减少在顶管操作过程中遇到的不希望的偏心负荷，对CreaDig顶管用陶管选定的尺寸范围在工厂制造中应用了一种预应力技术。

在亚琛技术大学工程机械与建筑专业研究所（RWTH Aachen）有一个由德国联邦政府教育与研究部资助的研究项目，深入研究当把顶管施工用管向前推进时所产生的各种负荷。由于采用了一种新的测量技术，使研究人员第一次可以以一种高精确的图像方式确定在被顶进管子端面上的负荷分布。经测量发现，既使管子之间有很微小的角度偏差，在顶管施工用管的各个端面会发生相当高的应力集中。当然，当管子被驱使穿过地下，顶管施工用陶管之间不可避免会发生角度偏斜。这是由于诸如土壤成分变化以及顶管施工机械矫正转向运动等等变量因素造成的。

管道上集中的应力会导致管段该区域的很高的压缩应力。如果这些应力超过管子材料的强度，会造成微小的部分散裂，如果负荷进一步增加，会造成严重的碎裂。这是由作用在与压缩力作用线成直角方向上的超过抗拉强度的拉力造成的。当管壁内的内部应力传递只在管脊出现时，也就意味着管子向下偏斜。可以看到在发生以应力集中方式的压应力作用在管子表面上的地方，在管子脊背处产生拉应力。如果这些应力超出材料的抗拉强度，破坏就会出现。拉伸应力也出现在管子的端面，在巨大顶管推力和很大的角度偏斜情况下，这些拉伸应力会引起从接触点开始的纵向裂缝。但这些应力的出现与制造管子使用材质的类型无关。

所开发的一种预应力工艺就是要防止在顶管施工中因管段之间的角度偏斜，甚至在相对很高的负荷集中的情况时造成管子的损坏。这种预应力在管子两端产生一种径向压缩应力。如果在顶管施工中因为角度偏斜造成管子端口处产生拉伸应力，这些拉伸应力将被由预应力工艺产生的压缩应力全部抵消。

经预应力的顶管施工用管的优点可以总结如下：

① 减少了因顶管施工的角度偏斜造成的陶管的损坏。

② 增加对陶管损坏的保护，尤其是在角度偏斜相对较大时。

此外，预应力还可以在管子运输和在施工现场装卸过程中保护顶管施工用陶管的端口免受损坏。

这项KERAMO STEINZEUG公司首创的技术使得施加较高的最大允许工作顶管负荷成为可能。

陶管内衬管是KERAMO-STEINZEUG公司按照德国工业标准欧洲标准DIN EN 295-1规定的标准负荷系列的技术要求而制造的。挂釉面的内衬陶管平面被切割得互相平行，插口外部区域外圆面被研磨。这里插口加工后的尺寸应使相邻管的管内底一致，以确保达到EN 295的要求。复合管的混凝土部分将承受各种静态和动态负荷，它是根据FBS（Technical Association for Concrete and reinforced Concrete Pipes，德国混凝土和钢筋混凝土管技术协会）质量准则以及德国污水技术协会A 125工作单“微孔隧道施工”的各项要求制造的。