管道非开挖修复技术因具有对环境影响小、施工周期短、不影响交通、综合成本低等优点, 在管道更新工程中得到快速发展^[1]。本工程是针对深圳市某片区共74.2 km排水管道, 进行集中清通、检测后, 根据管道缺陷情况选取非开挖修复技术进行处理。该片区地下水位普遍较高, 软土层以淤泥及淤泥质粘土为主^[2]。由于早期施工质量较差、管道维护管理工作不到位、使用年限较长等原因, 通过CCTV检测发现该片区排水管道普遍存在不同程度的渗漏、破损、脱节、错口等缺陷。

　　 不同非开挖修复技术的适用条件不同, 但目前研究主要是针对单个修复技术, 缺乏不同修复技术在管网系统更新工程中的应用研究。本工程通过研究和借鉴国内外已有的管道非开挖修复成果, 结合深圳市地区的施工条件和规范要求, 选用局部树脂固化法、紫外光原位固化技术、人工喷涂聚氨酯技术、内衬钢套管等非开挖修复技术对缺陷管道进行修复, 以提高该区排水管网的输水能力, 并为国内类似排水管网缺陷问题的解决提供借鉴。

　　 非开挖修复技术是通过不开挖或少开挖的方式, 对管道进行修复更新的技术^[1]。按修复范围可分为整体修复及局部修复, 目前我国较为成熟的非开挖修复技术包括:穿插法、原位固化法、螺旋缠绕法、喷涂法及局部修复技术等。目前我国非开挖修复技术还处于起步阶段, 主要在北京、杭州、广州、上海等大中城市应用较多^[3,4,5], 随着城市环境的重视和市政建设需求的提高, 非开挖修复技术将在管道更新改造中得到广泛应用^[6], 2014年住建部印发了行业标准《城镇排水管道非开挖修复更新工程技术规程》 (CJJ/T 210—2014) , 浙江、上海等地针对地区应用较多的技术制定了相应的地方标准^[3]。

　　 局部树脂固化法是气囊或可膨胀的滚筒, 将涂满树脂混合液的毡布紧贴至待修复管道, 利用紫外线、加热、常温等方法进行固化的技术。该技术适用于管道局部受损较轻且受损部位较少的情况, 也可用于管道整体修复前接口渗漏的预处理^[7,8]。

　　 局部树脂固化法技术工艺流程:①毡筒准备, 按修复尺寸裁剪毡布—涂抹树脂混合液—将毡布固定于气囊上—将气囊拉入修复位置;②树脂固化, 使用空气压缩机向气囊充气, 保持压力待树脂固化。树脂固化可采用紫外线灯、加热、常温等固化方式。

　　 紫外光原位固化技术是将浸渍树脂的玻璃纤维软管拉入待修复管道中, 利用紫外光灯照射使软管固化形成内衬管, 从而恢复管道功能的修复技术^[9]。该方法为目前最先进、最具操作性的管道非开挖修复技术^[1]。相较于翻转式原位固化法, 紫外光原位固化技术具有内衬管壁厚较薄、固化时间短等优点, 自2008年引入中国, 在多个排水管道修复工程中取得良好的效果, 具有广阔的发展前景^[3,10]。

　　 紫外光原位固化技术工艺流程:①管道清理, 利用高压水枪等方式将管道内部冲洗干净;②拉入软管, 通过牵引钢丝绳将软管放入待修复管道中;③软管固化, 通过高压风机鼓风使软管膨胀后, 开启紫外线灯, 以一定的巡航速度对软管进行固化;④后期处理, 对固化后软管端口进行处理, 切割多余部分。

　　 人工喷涂聚氨酯等高分子材料技术是采用专用设备将材料雾化并喷到管道表面, 形成覆盖层, 以提高管道抗压、耐蚀、耐磨等性能的非开挖修复技术。该技术具有快速固化、耐腐蚀、生产效率高等优点。适用于DN800及以上的大管径管道, 不受管道形状、变径、起伏、错口等影响, 可用于整体修复和局部修复^[11]。

　　 人工喷涂聚氨酯技术工艺流程:①防渗处理, 采用快干水泥或化学浆液对管道裂隙进行防渗堵漏;②修复表面处理, 采用高压水枪冲洗清理管道, 并用间接式加热器对箱涵内部进行烘干;③喷涂聚氨酯, 采用加热循环泵对A和B聚氨酯喷涂材料进行预热4 h, 现场喷涂样块作为试验, 进行外观和性能检查满足要求后, 将喷涂管转移至待修复管道中进行喷涂作业。

　　 内衬钢套管修复技术是通过管内注浆加固周边土体, 在待修复管道内安装钢套管, 对钢套管与待修复管道之间进行树脂填充处理, 恢复管道通水能力的非开挖修复技术。该技术特别适用于较大口径 (管径≥DN800) 及管道错口严重 (5 cm≤错位≤25 cm) 、脱节严重、结构破损严重的管道^[12]。

　　 内衬钢套管修复技术工艺流程:①塌陷处理, 采用化学浆液对管道周围土体进行加固后, 对管内塌陷部位进行掏挖;②钢套管安装, 将3等分割的钢套管, 通过小型专用千斤顶支撑在塌陷处进行安装就位, 通过预留灌浆孔在钢套管与现状管壁之间填充环氧树脂;③二次内衬处理, 本工程该技术主要应用于破损/变形严重、塌陷管道的处理, 为形成完整、闭合内衬管, 钢套管安装完成后, 配合采用紫外光原位固化技术进行二次内衬加固, 防止钢板连接处的渗漏及腐蚀问题出现。钢套管采用Q235不锈钢, 环氧煤沥青防腐。综上本工程所选择的4种非开挖修复技术, 适用管道范围和工艺特点如表1所示。

　　 本工程排水管道总检测长度约74.2 km, 管道建设时间为2004～2014年, 管材包括钢筋混凝土管、HDPE管和玻璃钢夹砂管, 检测管段数为1 662段, 管径为DN400～1 800。根据管道CCTV检测与评估结果, 管道结构性缺陷共3 942处, 其中三级、四级缺陷754处, 需尽快和立即进行修复的管道为384段共18 037 m。该片区管道主要分布在市政道路上, 由于需修复的管道数量众多且分散, 通过开挖修复方式存在实施困难且成本高的问题。因此, 本工程综合考虑工期、成本、技术等因素, 并根据管道特征, 选用不同非开挖修复技术进行缺陷处理。

　　 本工程采用局部树脂固化法修复186处, 紫外光原位固化修复9.6 km, 人工喷涂聚氨酯 (整体0.8 km, 局部修复116处) , 内衬钢套管技术修复5处。选用四段管道对四种非开挖修复技术的应用情况进行介绍, 管道缺陷情况为依据《城镇排水管道检测与评估技术规程》 (CJJ 181—2012) , 采用CCTV进行检测和评估确定, 管道具体情况如表2和图1所示。

　　 对管道CCTV检测的缺陷情况进行评估, 结果如表3所示。

　　 根据表3可知, WA1-WA2段的三级渗漏需尽快修复, 采用局部树脂固化法处理;WB1-WB2段的缺陷数量较多、缺陷情况严重, 需立即进行修复, 采用紫外光原位固化进行整体修复处理;WC1-WC2段的三级错口需尽快修复, 由于采用局部树脂固化修复技术易产生褶皱, 故采用人工喷涂聚氨酯修复技术处理;WD1-WD2由于管道出现塌陷情况, 管道结构受损严重, 需在塌陷处内衬刚套管, 再采用紫外光原位固化技术进行局部二次内衬处理。4段管道的修复方案如表4所示。

　　 本工程采用局部树脂固化法与紫外光原位固化法修复的管道, 内衬管只需承受外部的静水压力, 外部土压力和动荷载仍有原管道支撑, 为半结构性修复^[3]。根据《城镇排水管道非开挖修复更新工程技术规程》 (CJJ/T 210—2014) , 半结构性内衬管壁厚计算见式 (1) ～式 (3) 。

　　 $\begin{array}{l}t=\frac{D{}_{\text{Ο}}}{\left[\frac{2{\rm K}E{}_{\text{L}}C}{{\rm P}{\rm N}(1-\mu {}^2)}\right]{}^{\frac{1}{3}}+1}(1)\\ C=\left[\frac{\left(1-\frac{q}{100}\right)}{\left(1+\frac{q}{100}\right){}^2}\right]{}^3(2)\\ q=100\times \frac{(D{}_{\text{E}}-D{}_{\min })}{D{}_{\text{E}}}\text{或}q=100\times \frac{(D{}_{\max }-D{}_{\text{E}})}{D{}_{\text{E}}}(3)\end{array}$

　　 式中 t——内衬管壁厚, mm;

　　 D_O ——内衬管管道外径, mm;

　　 K ——圆周支持率, 取值宜为7.0;

　　 E_L ——内衬管的长期弹性模量, MPa, 宜取短期模量的50%;

　　 C ——椭圆度折减系数;

　　 P ——内衬管管顶地下水压力, MPa;

　　 N ——安全系数, 取2.0;

　　 μ ——泊松比, 原位固化法内衬管取0.3, PE内衬管取0.45;

　　 q ——原有管道的椭圆度 (%) , 可取2%;

　　 D_E ——原有管道的平均内径, mm;

　　 D_min ——原有管道的最小内径, mm;

　　 D_max ——原有管道的最大内径, mm。

　　 本工程中各参数取值:q=2%, C=0.836, E_L取11 000 MPa, P根据地下水位距离管顶的高度进行计算。WA1-WA2管道管径DN400, 平均埋深3.48 m, 地下水位距管顶的高度为1.5 m, WB1-WB2管道管径DN800, 平均埋深为4.1 m, 地下水位距管顶的高度为0.61 m。

　　 计算可知, WA1-WA2段局部树脂固化内衬管厚度为3 mm, WB1-WB2紫外光原位固化内衬管厚度为4.4 mm。

　　 人工喷涂聚氨酯属于半结构性修复^[13]。本工程中聚氨酯喷涂内衬层厚度参照原位固化法内衬管厚度计算公式进行取值, E_L取5 000 MPa。WC1-WC2管道管径DN800, 平均埋深6.38 m, 地下水位距管顶的高度为2.13 m, 计算可知, WC1-WC2段聚氨酯内衬层喷涂厚度为7.7 mm。

　　 单个钢套管长度为400 mm, 所需套管总长度L、厚度t、套管外径D需根据待修复管道情况进行设计。本工程该技术主要用于缺陷较严重管道的结构性修复, 内衬管需承受外部静水压力、土压力和动荷载。

　　 结构性内衬管壁厚计算见式 (4) ～式 (7) 。

　　 $\begin{array}{l}t=0.721D{}_{\text{Ο}}\left[\frac{\left(\frac{{\rm N}\times q{}_{\text{t}}}{C}\right){}^2}{E{}_{\text{L}}\times R{}_{\text{W}}\times B^{\prime }\times E^{\prime }{}_{\text{S}}}\right]{}^{\frac{1}{3}}(4)\\ q{}_{\text{t}}=0.00981{\rm H}{}_{\text{W}}+\frac{\gamma \times {\rm H}{}_{\text{S}}\times R{}_{\text{W}}}{1000}+W{}_{\text{S}}(5)\\ R{}_{\text{W}}=1-0.33\times \frac{{\rm H}{}_{\text{W}}}{{\rm H}{}_{\text{S}}}(6)\\ B^{\prime }=\frac{1}{1+4e{}^{-0.213{\rm H}}}(7)\end{array}$

　　 式中 q_t——管道总的外部压力, 包括地下水压力、上覆土压力以及活荷载, MPa;

　　 R_w ——水浮力系数, 最小取0.67;

　　 B′ ——弹性支撑系数;

　　 E′_s ——管侧土综合变形模量, 可按现行国家标准《给水排水工程管道结构设计规范》 (GB 50332) 的规定确定, MPa;

　　 H_w ——管顶以上地下水位高, m;

　　 γ ——土的重度, kN/m³;

　　 H ——管道敷设深度, m;

　　 H_S ——管顶覆土厚度, m;

　　 W_S ——活荷载, 应按现行国家标准《给水排水工程管道结构设计规范》 (GB 50332) 的规定确定, MPa。

　　 E′_s和W_s参照《给水排水工程管道结构设计规范》取值, E_s=5.71 MPa, W_s=0.01 MPa, γ=18 kN/m³, C=0.836, R_w=0.67。WD1-WD2段管道管径DN1 000, 平均埋深为6.89 m, 地下水位为1.76 m。计算可知, WD1-WD2段内衬钢套管壁厚可取6 mm。

　　 管道修复后需进行外观验收与功能性验收, 外观验收通过CCTV检测观察, 功能性验收包括样品检测及管道严密性检验, 样品检测主控参数为:短期弹性模量, 短期抗拉强度和弯曲强度。

　　 施工完成后, 通过CCTV检测对修复后的管道进行检查, 按照《城镇排水管道检测与评估技术规程》 (CJJ 181—2012) , 需满足修复更新后的管道内无明显渗水, 内衬管表面连续、光洁、平整, 无裂纹、磨损、孔洞、起泡、褶皱、拉伸变形等影响管道结构、使用功能的缺陷, 内衬管与原管道之间应贴附紧密。4段管道修复后的效果如图2所示, 其中WD1-WD2段为钢套管修复后的效果, 后续进行紫外光原位固化技术修复。

　　 4段管道修复后的内衬层厚度均在10 mm以下, 管道内径缩小量有限、过水能力影响较小。CCTV检测资料显示修复后管内壁表面光滑, 无渗漏、裂纹等现象, 且管道修复材料为树脂材料, 修复后管道防渗性和结构强度增强, 可有效提高管道防渗性能, 并利于管道后期维护管理^[9,14]。

　　 本工程针对深圳市某片区排水管道不同缺陷情况, 选用局部树脂固化法、紫外光原位固化技术、人工喷涂聚氨酯技术、内衬钢套管技术等非开挖修复技术进行处理, 通过工程应用结果, 得出以下结论:

　　 (1) 非开挖修复技术的选择, 需充分结合管道缺陷情况、地区特点、技术成熟度等因素, 保证施工安全及可行性, 尽快恢复管道正常通水功能。本工程中应用了局部树脂固化法、紫外光原位固化技术、人工喷涂聚氨酯技术、内衬钢套管4种非开挖修复技术, 修复后管道投入运行效果良好。

　　 (2) 目前我国排水管道非开挖修复仅有行业标准《城镇排水管道非开挖修复更新工程技术规程》 (CJJ/T 210—2014) , 实际运用时设计、施工参考依据较少。为促进非开挖修复技术的健康、快速发展, 应加强非开挖修复相应的标准规范建设。