用于污水管道無管溝施工的現代化陶管和接口（左耀齡）

左耀齡
 

“通過樹的果實來評價這棵樹，而不是通過它的葉子”（希臘作家尤里披蒂(Euripides)，公元前484年-406年）

在向市政官員和咨詢工程師宣傳使用排水陶管產品時，我們頻頻地面臨這種議論“陶管的進貨成本比起其它有競爭性管材差別太大”。不錯，當興趣局限在某一個季節觀看樹葉時，對下水管道工程可以得到更廉價的管材。但是，當我打定主意要為收獲果實而栽種一棵樹時，投資的回報會翻好幾番。這說明就業經證明的比起其它材料更加耐久性的優點而論，陶管在本行業的工程師心中保持很高的信譽，這不僅是幾十年或幾世紀，而是幾千年之久。
 

今天制造陶管所使用的原料和過去還是一樣的，僅僅是生產工藝被精細地改變以生產出具有高質量的產品，它們不僅可以抵抗侵蝕性日益增加的廢水的各種侵蝕，也可以承受業已增加的靜態動態地面荷載，并在各種先進的安裝技術中表現其優越的性能，從而為各種城市基礎設施工程服務。
 

今天的陶管被設計得可適應我們可能展望到的，在下水管網工程將來發展中會遇到的各種挑戰。
 

陶土奇跡：用一點土壤摻入水，并把它放在烈日之下。這就是從兩萬年前開始的瓦陶產品如何成功的歷史。5000年前的一個城市：哈布巴卡比拉（在今天敘利亞境內），其城市下水管道是有超前意識城市規劃和很高的技術水平的證據。

在隨后多個世紀制造技術的進一步發展以及所設計的性質的公認的表現使瓦陶產品在各國被選擇作為建造下水管道和排水管道的最適宜的材料：

① 希臘，雅典，約公元前600年，使用粘土磚

② 意大利，羅馬，約公元前590年，使用粘土磚建造“斗獸場”中的一條排水集水管，其尺寸為3.30米×4.00米。并使用瓦陶管從DN 50 mm到DN 400 mm，每根管長600 mm。

③ 德國，法蘭克福，在約公元1200年開始建造它的下水管網，使用各種瓦陶管。

④ 德國，漢堡，在約公元1300年開始建造它的下水管網，使用各種瓦陶管。

⑤ 奧地利，維也納，在公元1388年開始建造它的下水管網，使用各種瓦陶管。

隨著下述發明：

① 1844年懷特海先生（Mr. Whitehead）發明垂直擠出陶管的機器，

② 1951年葛禮默博士（Dr. Cremer）發明隧道窯，陶管生產從勞力密集型改變為工業化大規模生產。
 

原料：粘土礦物（≤0.002 mm）和石英（≤0.002 ~ 0.100 mm）＋ 耐火粘土（陶渣）即已經燒制的陶土產品（破碎并研磨成≤1.8 mm的粉末）＋ 水（約10% ~ 15%）＋ 加熱，在干燥過程中溫度約80℃，在隧道窯（連續窯）或穿梭式窯（間歇窯）中＜1250℃溫度環境下成形。

新產品稱為陶管，主要由玻璃、石英和多種莫來石（又稱高鋁紅柱尺）構成。

① 在1926年，陶土管的第一個工業標準，德國工業標準DIN 1203-1206被采用，在1938年被德國工業標準DIN 1230所替代。

② 在1990年所有歐洲國家的陶土管標準在歐洲標準EN 295下被協調統一。其中的第7部分規定了對頂管施工用陶管及接口的技術要求。

KERAMO STEINZEUG公司生產的各種頂管施工用陶管以CreaDig商標出售。

對頂管施工用陶管的有效標準是：歐洲標準 EN 12889。

作為生活污水管道的一個先決條件是管材在不同程度上應滿足下述綜合要求：

① Impermeability不透水性                                 ⑤ Temperature Resistance耐溫度性

② Structural Strength結構強度                            ⑥ Abrasion Resistance 耐磨蝕性

③ Hydraulic Smoothness水力學光滑性                ⑦ Corrosion Resistance耐腐蝕性

④ Impact Resistance 耐沖擊性                            ⑧ Service Life(Economics) 工作壽命（經濟性）

陶管對所有要求，除了對沖擊的高忍耐性外，都能很好地滿足，所以被公認具有超過100年的工作壽命。

非開挖施工下水管道從技術上規定了另外的一些要求，諸如：

① 傳遞縱向力

② 在縱向承受極高的推力的能力

③ 細長的管壁橫剖面

④ 光滑的管子外表面

⑤ 適宜頂管工藝的公稱長度

CreaDig頂管施工用陶管就是按照這些技術要求而開發的，所以它們應該滿足顧主，微孔隧道挖掘施工各個系統的不同制造廠商和施工承包商的共同要求。

頂管施工用陶管的連續向前開發的依據表現在下列對頂管施工用陶管的成套的規定上，用這些有效力的形式給出：

① 德國工業標準歐洲標準DIN EN 295，第7部分－“用于排水管道和下水管道無管溝施工的陶管和接口需要滿足的技術要求”

② 德國登記認證類經濟分支規范RAL RG 534 VA－德國質量保證及標志學會（German Institute for Quality Assurance and Marking）發布的“頂管施工用陶管”

③ 德國污水技術協會ATV A 125－“排水管道和下水管道的無管溝施工”

④ 德國污水技術協會ATV A 165－“頂管施工用管的靜力學計算”

在上述標準和規范的幫助下，在過去數年中，頂管接口和推力傳遞系統得到不斷的改進，使頂管技術目前達到很高的水平。
 

CreaDig頂管施工用陶管在公稱直徑從DN 150到DN 1000的范圍制造（DN 1200正在試制中）。

頂管用陶管制成圓柱狀（不含承口）并使管身壁厚滿足頂管施工工藝的要求。在坯料制出之后，CreaDig陶管兩端被切割成平行端面，其外圓被研磨出空間以容納接合系統。由KERAMO STEINZEUG公司提供的管子接口及墊圈都是在公司的工廠里完成裝配的。

接合系統

① DN 150頂管用陶管的接合系統由未硫化橡膠彈性體和一個聚丙烯支承體構成。

② 對公稱直徑DN 200到DN 500頂管用陶管，提供的是VT（Vortrieb）推進接合系統。它有一個未硫化橡膠彈性體環，其兩端上各有雙重密封唇用以封閉一個環狀支承體。墊圈在該產品單件接合部件中是不可分割的一部分。

③ 對公稱直徑DN 400和DN 500管，墊圈可以用耐水浸泡并已浸漬樹脂的層壓木板或木碴板制造。

盡管使用CreaDig頂管施工用陶管及接口已有多年成功經驗，但很多潛在用戶對陶管使用在頂管施工的各種應用上仍然很保守。這些用戶常常把耐沖擊性和抗壓強度混為一談。眾所周知，陶管耐沖擊性有限，但是具有很高程度的抗壓強度—這點正是我們所指望的。

歐洲標準EN 295，第7部分要求的抗壓強度值為75牛頓/平方毫米，而KERAMO STEINZEUG公司保證值為100牛頓/平方毫米。當陶管抗壓強度是100牛頓/平方毫米時，它是鋼筋混凝土管抗壓強度的2.5倍。這樣的抗壓強度加上管子光滑的外表面意味著人孔和人孔之間上限頂管距離長度值可以在任何情況下使用并且不必使用全部允許頂管推力。

歐洲標準EN 295第7部分對頂管強度的定義：

① 設計頂管負荷：須由陶管制造廠家根據頂管強度和接口及墊圈的專門設計給予說明。

② 最大頂管工作負荷由下列系數確定：負荷偏心（系數取2.0）；安全性（對自動方向操縱系統取1.6，對人工方向操縱系統取2.0）。

③ 最大頂管工作負荷：墊圈只能傳遞壓縮力，向帶有柔性接口的頂管施工用管施加的最大工作頂管負荷要考慮施加頂管推力時的偏心。對標準設計，所計算的偏心造成的應力比為2.0。

對一根DN 500陶管計算最大頂管工作負荷：設計頂管負荷：8320千牛，標準應力比2.0，對自動數據記錄系統：8320/2.00×1.6＝2600千牛；對人工數據記錄系統：8320/2.00×2.0＝2080千牛。

STEINZEUG有限公司所給出的允許頂管推力已含本身內在保護，可從下述DN 600管子示例中了解。在一個具有自動記錄和監測的頂管系統中，必須按德國污水技術協會ATV A 161-“頂管施工的靜力學計算”規定來考慮各種安全系數，對管材安全系數取2.0，對管子和管子之間相對的一定程度的（角度）偏斜安全系數取1.6。

為經濟使用頂管施工用陶管，所使用的人孔到人孔（起始井到接收井）之間的長度見表2。

鋼材的類別：

① EN 295第7部分對鋼材的最低要求：奧氏體鋼最低含鉻量17%，最低含鎳量8%。例如，3（中國國家標準GB）；X10CrNi18-8；歐洲標準EN 1.4310；

② Keramo Steinzeug公司頂管施工用陶管使用的標準鋼材：奧氏體鋼最低含鉻量17%，鎳12%，鉬2%。例如，320S17（中國國家標準GB）；X6CrNiMoTi 17-12-2；歐洲標準EN 1.4571

一般說來鉬成分能改善鋼材耐腐蝕性，特別是對氯化物造成的點蝕。

在Creadig頂管施工用陶管上工廠所使用的不銹鋼符合歐洲標準EN 1.14571（含2%鉬成分的奧氏體鋼）。

為檢查已經到達現場的管子質量（例如，檢查在運輸中造成的損壞），STEINZEUG有限公司要求（按德國污水技術協會ATV A 125“排水管道和下水管道無管溝施工”規定中的部分內容），管子放入起始井前應使用插口檢測裝置（測試壓力：15巴）對管子進行檢測。在此進行測試的目的是確保頂管施工時，管子不會以任何方式被損壞。

預應力管端口：為減少在頂管操作過程中遇到的不希望的偏心負荷，對CreaDig頂管用陶管選定的尺寸范圍在工廠制造中應用了一種預應力技術。

在亞琛技術大學工程機械與建筑專業研究所（RWTH Aachen）有一個由德國聯邦政府教育與研究部資助的研究項目，深入研究當把頂管施工用管向前推進時所產生的各種負荷。由于采用了一種新的測量技術，使研究人員第一次可以以一種高精確的圖像方式確定在被頂進管子端面上的負荷分布。經測量發現，既使管子之間有很微小的角度偏差，在頂管施工用管的各個端面會發生相當高的應力集中。當然，當管子被驅使穿過地下，頂管施工用陶管之間不可避免會發生角度偏斜。這是由于諸如土壤成分變化以及頂管施工機械矯正轉向運動等等變量因素造成的。

管道上集中的應力會導致管段該區域的很高的壓縮應力。如果這些應力超過管子材料的強度，會造成微小的部分散裂，如果負荷進一步增加，會造成嚴重的碎裂。這是由作用在與壓縮力作用線成直角方向上的超過抗拉強度的拉力造成的。當管壁內的內部應力傳遞只在管脊出現時，也就意味著管子向下偏斜�？梢钥吹皆诎l生以應力集中方式的壓應力作用在管子表面上的地方，在管子脊背處產生拉應力。如果這些應力超出材料的抗拉強度，破壞就會出現。拉伸應力也出現在管子的端面，在巨大頂管推力和很大的角度偏斜情況下，這些拉伸應力會引起從接觸點開始的縱向裂縫。但這些應力的出現與制造管子使用材質的類型無關。

所開發的一種預應力工藝就是要防止在頂管施工中因管段之間的角度偏斜，甚至在相對很高的負荷集中的情況時造成管子的損壞。這種預應力在管子兩端產生一種徑向壓縮應力。如果在頂管施工中因為角度偏斜造成管子端口處產生拉伸應力，這些拉伸應力將被由預應力工藝產生的壓縮應力全部抵消。

經預應力的頂管施工用管的優點可以總結如下：

① 減少了因頂管施工的角度偏斜造成的陶管的損壞。

② 增加對陶管損壞的保護，尤其是在角度偏斜相對較大時。

此外，預應力還可以在管子運輸和在施工現場裝卸過程中保護頂管施工用陶管的端口免受損壞。

這項KERAMO STEINZEUG公司首創的技術使得施加較高的最大允許工作頂管負荷成為可能。

陶管內襯管是KERAMO-STEINZEUG公司按照德國工業標準歐洲標準DIN EN 295-1規定的標準負荷系列的技術要求而制造的。掛釉面的內襯陶管平面被切割得互相平行，插口外部區域外圓面被研磨。這里插口加工后的尺寸應使相鄰管的管內底一致，以確保達到EN 295的要求。復合管的混凝土部分將承受各種靜態和動態負荷，它是根據FBS（Technical Association for Concrete and reinforced Concrete Pipes，德國混凝土和鋼筋混凝土管技術協會）質量準則以及德國污水技術協會A 125工作單“微孔隧道施工”的各項要求制造的。