预应力钢筒混凝土管 (PCCP) 在1893年由法国工程师Bonna发明并实施应用^[1]。1942年美国开始在工程中使用PCCP^[2]。二战后, 随着美国经济的发展和大规模的建设兴起, PCCP凭借价格优势赢得了大口径压力输水管道市场, 1940~2006年间建设的PCCP达到3万km^[3]。1984~1995年间, 国内的几家厂商试制PCCP或引进PCCP生产线, 如苏州混凝土水泥制品研究院、江苏省南京市水泥管厂、山东电力管道工程公司、深圳太阳管道有限公司、江苏省无锡华毅管道有限公司等^[1]。1995~2005年是国内PCCP快速发展的阶段, 建成40多条生产线, 年设计生产能力达1 000km以上, 涉及规格范围DN600~4 800, 适用工作压力最高达1.6 MPa, 适用最高覆土深度达10 m以上^[4]。PCCP已广泛应用在国内的大型引水调水工程中, 如2002年建成的山西省万家寨引黄工程, 管径为3m, 总长为43.5km;新疆引额 (额尔齐斯河) 济乌 (乌鲁木齐) 工程, 管径为2.8m, 总长为15km (2006年验收) ;2003年开始建设的南水北调工程中的惠南庄—大宁段, 管径为4.0 m, 总长为53.4km^[1,5]。北美地区最早出现的PCCP破坏事件发生在1955年, 在20世纪80年代更多的PCCP破坏引起了权属单位的注意^[6]。目前, 我国鲜有公开报道的PCCP破坏案例, 2009年要煜^[7]报道了一例万家寨引黄工程中的一根PCCP因其他单位勘察导致的管壁被钻穿事故。

　　 随着国内已敷设PCCP使用寿命增加, 管道失效事件将逐渐增多。由于PCCP多为大口径高内压管线, 一旦管道破坏将危害周围环境、影响供水区域居民日常生活、给权属单位等造成经济损失。对损坏的PCCP应急修复更换和对即将破坏的PCCP的修复更新是十分必要的。由于我国敷设的PCCP破坏事件较少, PCCP的修复更新技术尚不成熟。李红涛等^[8]针对南水北调河南段PCCP可能出现的破坏, 提出了简单的修复思路:使用环氧树脂、钢带等材料修复浅埋的PCCP;对于深埋的PCCP采用内衬钢板的修复方法。王利恒^[9]介绍了淮北临涣管道工程PCCP运输中出现的保护层受损、预应力钢丝断裂修补加固的施工工艺及方法。魏世凤^[10]介绍了环氧树脂砂浆用于PCCP插口端部缺损的修复方法。祁亮^[11]结合广州市西江引水工程输水主干线工程, 介绍了PCCP内表面破损、插口破损和外防腐涂料破损修复的原则和方法。要煜^[7]介绍了万家寨引黄工程中的一根PCCP被钻穿的修复方法。张春文^[12]发明了一种PCCP的修复结构, 该结构适用于局部修复。

　　 上述文章中介绍的修复方法多为局部修复、非结构性修复。这些修复技术不足以满足PCCP可能出现的结构性修复更换的需求, 如PCCP爆管、预应力钢丝腐蚀、钢筒腐蚀、内衬砂浆和保护层砂浆裂缝等。为了应对PCCP可能出现的结构性修复更换的需求, 有必要研究相应的技术。鉴于北美地区已对大量的PCCP进行了修复, 本着学习借鉴的原则, 总结了北美地区已经使用成熟的PCCP结构性修复更新技术。这些技术包括: (1) 混凝土盖板修复技术 (Concrete Encasement) ; (2) 移除更换技术 (Removal and Replacement) ; (3) 钢绞线修复技术 (Post Tensioning using Tendon) ; (4) 缩颈钢筒内衬技术 (Collapsible Steel Cylinder Relining或Split Can Sliplining) ; (5) 钢管穿插修复技术 (Steel Cylinder Sliplining或Solid Can Sliplining) ; (6) 碳纤维增强聚合物修复技术 (Carbon Fiber Reinforced Polymers, CFRP) 。这6种技术中除 (1) 外都得到了广泛的应用, 其中应用最多的是 (4) 和 (5) 。除了这6种技术外, HDPE穿插内衬技术、CIPP内衬技术也用在个别的PCCP的修复工程中^[13,14]。Alkhrdaji等^[15]介绍了一种新的PCCP修复技术 (Steel Reinforced Composite, SRC) , 将高强钢丝内衬在PCCP内壁上, 然后在钢丝内外喷涂水泥砂浆或环氧树脂, 文章中对这种技术进行了试验验证, 但该技术存在显著的缺陷:一旦原PCCP失效, 修复后的管道可能面临渗漏的风险。

　　 上述技术中的 (1) ~ (3) 属于开挖修复技术; (4) 、 (5) 属于半开挖修复技术, 施工时需要开挖一段工作坑; (6) 属于非开挖修复技术, 可以利用人井等附属设施进入管道。本文重点介绍技术 (2) ~ (5) 。从资产管理和运营维护管理的角度看, PCCP修复更新技术只是其中的一部分工作。PCCP修复前需要进行大量的、系统的管线运行状况检测和评估, PCCP失效原因分析、风险评估和修复优先级评级, 以及长期的运营监测和修复效果评估。

　　 该技术将损坏或失效的PCCP管段开挖移除, 然后使用新管道替换原PCCP管段。现在常用的新管道有PCCP、螺旋焊接钢管、球墨铸铁管。由于PCCP质量大, 较钢管运输困难, 且在承插口的连接中没有钢管灵活, PCCP在移除更换技术中的应用数量比钢管少。球墨铸铁管的抗腐蚀性较好, 但球墨铸铁管的焊接性能远不如钢管, 在与上下游原PCCP承插口连接时技术难度较钢管大很多。此外球墨铸铁管的直径规格是固定的, 不一定匹配原PCCP的规格, 而螺旋焊接钢管可以根据原PCCP的规格进行定做, 灵活性更高。因此在移除更换技术中, 螺旋焊接钢管的应用量最多。

　　 PCCP开挖除了要满足工作坑开挖施工的要求如坑壁的稳定性、降水等问题外, 还要注意避免损坏临近的PCCP。如Fiori等^[16]介绍了一个开挖导致临近PCCP损坏的案例, 由于PCCP较重, 在挖出原PCCP下部支撑土体时, 需要进行临时支撑防止损坏两端的接头。如果需要对PCCP进行破拆, 要防止残余预应力钢丝崩离伤人。为了减小工作坑开挖深度, McReynolds^[17]介绍了一种新的方法:只开挖原PCCP起拱线以上的土层, 将PCCP沿起拱线切开, 移除上半部分管道, 然后放入钢管并与上下游接口连接。为了减小过流断面的损失, 可以移除下半部分原PCCP的砂浆内衬层。钢管与上下游接口焊接时要避免焊接损伤临近的橡胶密封圈。钢管安装完毕后, 在钢管上浇筑混凝土保护层, 在内壁喷涂砂浆内衬层或符合饮用水标准的环氧涂层, 如果需要, 可对钢管进行阴极保护。管道的设计按照新建管道设计, 并执行相关的标准。

　　 该技术应用最早、技术成熟、技术难度较低。可以修复出现爆管的管道, 也可以修复尚未破坏的管道, 可以用于应急修复工程中。修复时必须先中断输水, 并排出管道内的积水。该技术不改变原PCCP的过流断面。由于需要先开挖工作坑, 将破损或失效的PCCP管段移除, 因此该技术的主要不足是需要大量的土方开挖工作。这对于深埋、附近有敏感构筑物, 或处于重要马路、商业区的PCCP管段代价是十分高的。该技术也不适用于长距离整条PCCP的修复更新工程。

　　 该技术的原理是使用钢绞线在PCCP外施加预应力, 弥补损失的预应力。钢绞线可以布置在保护层砂浆上, 也可将保护层砂浆和预应力钢丝移除后布置在混凝土核心层上。两者在设计上的区别是, 前者按照多层预应力PCCP进行设计, 后者按照单层预应力PCCP设计^[18]。为了使上下游两根PCCP变形协调, 有工程在上下游两根PCCP上也布置了一段距离的钢绞线。在检查井、阀门等附属连接处, 钢绞线难以均匀布置, 常先布置一层钢筋笼, 在钢筋笼上设置钢绞线的固定卡位, 这样一方面使用钢筋笼增强钢绞线难以覆盖的区域, 另一方面使钢绞线分布均匀。需要对钢绞线和钢绞线的锚固座进行完全的防水密封, 常将钢绞线穿入HDPE套管并在管内注入润滑油脂, 起到保护和施加预应力时的润滑作用。锚固座与钢绞线和HDPE套的连接也要进行防水密封。为了施加更大的预应力, 在一个锚固端上常将钢绞线布置成两回环或四回环形状^[19]。钢绞线施工完成后, 如有必要, 将钢绞线与钢筒相连, 进行阴极保护。最后在钢绞线外喷射水泥砂浆保护层并回填。

　　 由于钢绞线要穿过PCCP管段的底部, 因此必须开挖工作坑至PCCP的底部, 满足相关开挖施工的要求。

　　 该技术应用较早、技术成熟、技术难度适中。由于是在管道外侧进行修复, 因此可以带压修复, 也是几种修复技术中唯一可以带压修复的技术。但难以修复爆管的管道, 只能修复结构完整的管道。该技术不改变原PCCP的过流断面, 并且也需要开挖工作坑, 因此也面临着相同的弊端。该技术常用于修复几根管道, 不适合修复长距离的PCCP, 但也有报道用在了利比亚大人工河SS线和TB线400km管线的修复工程中, 修复了1 200根PCCP, 其单根管道长7.5m, 管径为4.0m。

　　 为了避免大范围的开挖, 该技术使用钢筒内衬在原PCCP管段内, 形成新的管道, 不再考虑原PCCP的作用。按AWWA M 28的分类, 属于Ⅳ类内衬结构, 可以独自承担内水压力和外荷载^[20]。主要施工流程是:在管线上选择工作坑, 开挖移除管道;按照设计的长度和宽度切割钢板, 卷制成钢筒形状;制作承插口;使用缩颈机将钢筒缩颈;对PCCP管道进行清洗;将钢筒插入待修复的PCCP管段, 然后撑开缩颈的钢筒, 恢复到设计直径;将钢筒的纵向接缝焊接, 并与上下游钢筒焊接;向钢筒与原PCCP间的环空注入水泥砂浆, 向钢筒内壁喷涂砂浆内衬层;设置阴极保护;工作坑处管道修复更新^[21,22]。

　　 工作坑的开挖与移除更换技术步骤和要求相同, 长度通常为两节PCCP, 且最好选择在待修复管线的弯接头处, 因为在直线段插入钢筒更加方便, 也可以设置在人井处, 方便施工人员出入。如果在需要开挖工作坑的地方不允许进行开挖施工, 可以在临近位置上开挖完好的管段。工作坑的间距取决于多种因素, 如待修复的管道长度, 管线轴线的偏差, 场地限制, 环空注浆的方式、压力, 使用顶进时钢筒允许的顶力等。工作坑的间距越大, 越有利于减少工作坑的开挖数量, 也就更加经济, 凤凰城一段PCCP修复中工作坑的间距达1 000m^[23]。

　　 由于在插入钢筒前, 对钢筒进行了缩颈处理, 因此每段钢筒的长度可以选择与原PCCP相同。如果钢板的尺寸不适合一次性切割制作一个完整的钢筒, 可以使用多个钢板进行焊接, 焊接强度要满足相关设计规范要求, 并经过无损检测^[24]。钢筒插入内衬并与上下游钢筒连接后存在两道接缝:一个是纵向接缝, 另一个是两根管道之间接头处的接缝。由于钢筒要独立承受内水压和外荷载, 因此纵向焊缝的强度必须得到保证。通常的做法是, 在纵向焊缝外设置搭接板, 搭接板可以与钢筒是一体的, 也即在切割钢板时预留一段宽度, 或是额外焊接上的。进行纵向焊缝焊接时, 可以将接缝的两端直接在搭接板上焊接在一起, 也可以将接缝的两端分别焊接在搭接板上, 但无论采用哪种焊接方式都推荐满焊, 以保证焊接质量。接缝焊接完成后, 进行无损检测。有一工程因纵向焊缝未满焊, 导致修复段在运行5年后失效, 钢筒在焊缝处被撕裂^[25]。接头处的焊缝也推荐满焊, 如果上下游两根管道未采用承插口连接, 直接采用焊接连接, 也要在环向焊缝后设置搭接板。建议在工厂按照设计的焊接方式和管道连接方式制作一段管道进行密封试验。

　　 为了保证注浆的通畅性、适应PCCP的轴线偏差, 要求钢筒的外径小于PCCP的内径, 差值通常为7~10cm^[22]。钢筒焊接时, 在钢筒的外壁上沿周向和纵向焊接上凸台, 用于管线的定位, 使钢筒靠近PCCP的中心, 也保证后续注浆的流畅性。钢筒加凸台的直径也要小于PCCP的直径。可以在钢筒上开注浆孔, 也可以不开。前者的好处是, 方便布设注浆断面和排气断面, 可以通过注浆孔排气并监测注浆压力, 但增加了工作量。后者只能在工作坑的两端注浆和排气, 注浆时难以在管段的中间监测注浆压力, 但节省了管道制作的工作量。有一工程在试验段注浆时, 注浆压力过大导致钢筒屈服 (该工程使用钢管穿插技术) ^[26]。在钢筒的设计时就要考虑注浆压力和钢筒是否会发生屈服, 为了防止钢筒屈服, 注浆前常向钢筒内充水。

　　 缩颈后的钢筒直径比PCCP内径小约20cm。为了便于钢筒的运输和安装, 一些厂商设计了专用运输和升降拖车及底拖。PCCP的清洗是为了将管线内的淤积、残渣等障碍物清除, 便于钢筒的穿插。环状空间中注入的水泥砂浆要流动性好、抗渗性能好, 满足钢管防腐相关要求。

　　 该技术在20世纪80年代由圣地亚哥水务集团的工程师开发, 技术成熟, 但难度高, 焊接工作量大。采用该技术时, 需要中断供水。可以用于修复爆管的管道, 也可以用于修复完整的管道。由于插入了钢内衬, 并在钢内衬的外面注入了水泥砂浆, 在钢内衬的内表面喷涂了砂浆内衬层, 因此减小了管道的过流断面。由于只需要少量的工作坑, 每个工作坑的长度只需要两节PCCP的长度, 因此该技术适合长距离的PCCP修复更新, 在短距离的修复更新工程中的优势并不显著。

　　 钢管穿插技术是直接将在工厂内制作好的螺旋焊接钢管运输到现场, 然后将钢管插入待修复的PCCP, 钢管依然采用承插口连接。钢管连接后将上下游两根管道的接头焊接, 最后向环空注入砂浆, 喷涂砂浆内衬。该技术与缩颈钢筒内衬技术原理相同, 这里主要介绍两者的区别。

　　 相比于缩颈钢筒内衬技术, 钢管穿插技术是直接插入在工厂焊接的好的钢管。优点是省去了PCCP内焊接纵向接缝的时间, 大大节省了劳动强度和施工时间, 提高了焊接质量。缺点是, 由于插入的是整段的钢管, 为了适应PCCP轴线的偏差, 钢管穿插技术中钢管的外径要小于缩颈钢筒内衬技术中钢筒的外径, 增大了过流断面的损失。钢管穿插技术中钢管的外径通常小于PCCP内径15~20cm。另外, 钢管穿插技术对PCCP中弯接头的适应能力也较缩颈钢筒内衬技术差, 为此有工程设计了长度为PCCP一半长度的钢管, 以增加该技术的适应性。砂浆内衬层可以在工厂喷涂也可以在现场喷涂, 对于较大管径的钢管, 建议在现场喷涂, 减少运输和安装难度。

　　 该技术也是在20世纪80年代由圣地亚哥水务集团的工程师开发^[21], 技术成熟, 技术难度不高。采用该技术时, 需要中断供水。可以修复爆管的管道, 也可以修复完整的管道。过流断面损失大于缩颈钢筒内衬技术。由于钢管制作成本低, 该技术适合长短距离的PCCP修复更新。

　　 由于PCCP大多为大直径高内压的主管线, 一旦发生管道泄漏甚至是爆管事件, 其影响是多方面的, 将给权属单位, 下游用水单位, 周边居民、商业、环境等多方造成损失。权属单位需要在最短的时间内对事故管道进行应急修复。单纯从修复技术角度而言, 上述讨论中的移除更换技术和钢管穿插技术可以应用于应急修复。应急修复的关键在于制定相关的预案, 针对可能出现事故的管道进行修复设计, 制定可操作的修复步骤, 提前培训施工人员, 并存储一部分用于应急修复的钢管或PCCP。

　　 对移除更换技术、钢绞线修复技术、缩颈钢筒内衬技术、钢管穿插技术进行对比, 详见表1。

　　 本文介绍了北美地区成熟的PCCP结构性修复更新技术:移除更换技术、钢绞线修复技术、缩颈钢筒内衬技术和钢管穿插技术的原理、施工步骤、技术特点、优缺点以及适用条件, 并对这4种技术进行了对比以及应急修复的技术方法。为国内将来的PCCP结构性修复更新提供参考。