機(jī)械制螺旋纏繞內(nèi)襯法大口徑排水分析

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摘要：我國給排水管道系統(tǒng)存量巨大，有大量的改造、修繕需求，研究并應(yīng)用非開挖修復(fù)技術(shù)，具有重要的工程意義。文章結(jié)合某大口徑中水管道修復(fù)實(shí)例，介紹機(jī)械制螺旋纏繞內(nèi)襯法的工藝原理及特點(diǎn)；針對結(jié)構(gòu)性修復(fù)的需求，對管道結(jié)構(gòu)受力機(jī)理進(jìn)行分析，提出設(shè)計計算思路，對結(jié)構(gòu)荷載、型材要求、水力計算等均給出定量數(shù)值，并以此為依據(jù)，選擇型材，制定施工工藝；在討論工程驗收標(biāo)準(zhǔn)時，對結(jié)構(gòu)性修復(fù)的安全性檢驗給出定量判斷標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：非開挖修復(fù)；大口徑排水管；機(jī)械制螺旋纏繞

改革開放以來，我國社會經(jīng)濟(jì)獲得了長足的發(fā)展，給排水系統(tǒng)建設(shè)也取得了非凡的成就，城市供水普及率和排水普及率均超過95%。毫無疑問，中長期內(nèi)我國的城鎮(zhèn)化率還有不小的上升空間，給排水系統(tǒng)每年新建項目的規(guī)模仍有保障，但改革開放后40多年的快速建設(shè)，也使得我國具備了相當(dāng)規(guī)模的管道存量。城市建成區(qū)內(nèi)的眾多給排水管道，隨著服務(wù)年限的增長，將不可避免地帶來大量的改造、更換、修繕需求，參照德國水協(xié)DWA的調(diào)查數(shù)據(jù)，排水管道系統(tǒng)中，相比管材更新，管道修理更為常見，且非開挖修復(fù)的比例逐年增加[1]。管道非開挖修復(fù)技術(shù)的發(fā)展，對我國存量巨大的管道系統(tǒng)，具有重要的工程意義。

1工程概況

華東某市重力流中水管線，材質(zhì)為HDPE鋼帶纏繞增強(qiáng)雙壁波紋管，環(huán)剛度12.5kN/m2，公稱直徑DN1800，埋深6~8m，管線上方為濕地公園，沿河岸鋪設(shè)，全長近4.9km。除輸送中水外，該管線兼具排空公園河道存水及汛期排洪功能。2020年對原管道進(jìn)行維護(hù)時，發(fā)現(xiàn)該管道有多處滲漏點(diǎn)、滲漏縫，滲漏處管道纏繞的鋼帶被銹蝕，整體環(huán)剛度永久性下降，導(dǎo)致管道變形嚴(yán)重（部分管段內(nèi)徑僅1710mm，嚴(yán)重變形處內(nèi)徑僅1650~1700mm），同時地下水從滲漏處進(jìn)入管道空腔（地下水位為地面下2.7m），管周覆土隨地下水被一同帶入，出現(xiàn)覆土空腔、地面沉陷現(xiàn)象，造成安全隱患，當(dāng)?shù)夭捎貌Ａт摴軆?nèi)襯（內(nèi)徑1500mm）等措施對部分管段進(jìn)行了加固修復(fù)，但未解決根本問題。為全面解決問題，需要采取有效的修復(fù)方案，對原管道進(jìn)行防滲處理及結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)，同時保障正常的過水能力。摘要：我國給排水管道系統(tǒng)存量巨大，有大量的改造、修繕需求，研究并應(yīng)用非開挖修復(fù)技術(shù)，具有重要的工程意義。

2方案選擇

管道敷設(shè)地濕地公園內(nèi)游客較多，是當(dāng)?shù)卮笮蛻c典、活動的舉行地之一，有一定的社會敏感性；管道滲漏點(diǎn)多且無序，多處變形嚴(yán)重，原管道纏繞鋼帶的銹蝕情況難以全面評估；原管道管徑大，管線長，多處檢查井間距超100m；此外，該項目還有施工時期需保證原中水輸送正常進(jìn)行的要求。機(jī)械制螺旋纏繞內(nèi)襯技術(shù)具有可帶水施工、單管段施工距離長、施工時對檢查井口徑要求低、施工組織靈活（可臨時中斷，適應(yīng)新冠肺炎疫情期間特殊需求）、技術(shù)成熟、造價適中等優(yōu)點(diǎn)，政府有關(guān)主管部門、業(yè)內(nèi)專家、設(shè)計單位等最終選用該技術(shù)，對原管道進(jìn)行非開挖結(jié)構(gòu)性整體增強(qiáng)修復(fù)。

3工程設(shè)計

3.1工藝原理及特點(diǎn)

機(jī)械制螺旋纏繞內(nèi)襯技術(shù)是在原有管道內(nèi)，通過專用機(jī)械將帶狀型材（一般為PVC-U或PE材質(zhì)）螺旋推進(jìn)，輔以公母鎖扣及密封圈、熱熔膠，將帶狀型材纏繞為一條連續(xù)無縫的新管（如工程需要，可在螺旋推進(jìn)過程中，在帶狀型材上附加不銹鋼帶進(jìn)行增強(qiáng)）。新管成形后，在新管與舊管間注入漿液，凝固后形成“外部舊管-中間層-內(nèi)部新管”構(gòu)造的復(fù)合管，該復(fù)合管應(yīng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計目的，滿足項目需求。復(fù)合管中間層對不同項目所起到的功能不同，對于非結(jié)構(gòu)性修復(fù)，中間層主要起固定作用，對于結(jié)構(gòu)性修復(fù)，中間層除固定內(nèi)外管外，還需要在原有外管喪失承壓能力后起到取代作用。這種工藝使得機(jī)械制螺旋纏繞內(nèi)襯技術(shù)相對其他非開挖修復(fù)技術(shù)，具有自身鮮明的特點(diǎn)。（1）機(jī)械制螺旋纏繞內(nèi)襯修復(fù)管段是連續(xù)的，中間無接頭，避免了傳統(tǒng)管材接口處的內(nèi)水泄漏或外水滲入危險，防滲性能優(yōu)越。（2）由于施工機(jī)械易于拆卸組裝，一般可利用原檢查井，施工地理環(huán)境適應(yīng)性好。（3）施工安靜、噪音小，內(nèi)襯管推進(jìn)成型過程中，正常情況下工人無需進(jìn)入管道，安全系數(shù)高。（4）可帶水施工，節(jié)省臨時排水措施費(fèi)用。（5）停工、復(fù)工相對靈活。（6）工藝既可用于非結(jié)構(gòu)性修復(fù)，也可用于結(jié)構(gòu)性修復(fù)。

3.2結(jié)構(gòu)性修復(fù)管道受力機(jī)理分析

原管道內(nèi)部的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)并沒有改變原管道與周圍土體的外部關(guān)系，所以在修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)前后，原管道外部土壓力、水壓力、地面可變作用荷載可視為沒有變化。原管道材質(zhì)為HDPE，屬于柔性管，埋置方式為溝埋式。原管道所承受的土壓力，來自于溝槽填土，溝槽外的原土，工程分析時認(rèn)為已經(jīng)相對穩(wěn)定，而溝槽內(nèi)的回填土，在自身重力作用下將產(chǎn)生沉降變形，即回填土相對溝槽外的原土有向下的變形，因而，槽外土?xí)Σ蹆?nèi)填土給予向上的摩阻力，該摩阻力將抵消部分填土自重，使得溝槽內(nèi)的管道頂部所受的豎直土壓力小于上部回填土的自重，即σz<γH。此外，根據(jù)管土共同作用理論，埋入土中的柔性管道，受到外部壓力會有一定變形，其外壓負(fù)載由回填土和管道共同承擔(dān)，這意味著管道單獨(dú)承擔(dān)的壓力比總的外壓要更小。以上分析可見，原管道實(shí)際承擔(dān)的壓力，顯然低于理論計算出的全部外壓。以本項目為例，原管道為HDPE鋼帶增強(qiáng)波紋管，環(huán)剛度為SN12.5，其正常狀態(tài)下變形率不應(yīng)超過3%，按照上述受力分析，如設(shè)管道頂部總的外部壓力為F，管道實(shí)際單獨(dú)承擔(dān)的壓力為F1，則有F>F1。原管道運(yùn)行過程中，由于纏繞的鋼帶產(chǎn)生銹蝕，造成自身的環(huán)剛度下降，即其抵抗外壓負(fù)載的能力下降，原管道的變形率將因此而增大，使得外部壓力在土體與管道間重新分配，此時管道實(shí)際單獨(dú)承擔(dān)的壓力為F2，對比F2、F1大小，有F2<F1。這是因為，若有F2>F1，原管道在自身環(huán)剛度下降時，變形率增大，卻要單獨(dú)承擔(dān)更大的外壓，這會使得變形率進(jìn)一步增大，于是外壓更大，形成正反饋，這樣原管道在短時間內(nèi)就會失穩(wěn)破壞，這顯然是與現(xiàn)實(shí)不符的。隨著原管道纏繞鋼帶銹蝕的不斷加劇，達(dá)到某一個臨界點(diǎn)，原管道抵抗外界荷載的能力下降程度比其單獨(dú)承擔(dān)的壓力下降程度更大，原管道將失穩(wěn)破壞。實(shí)際上，在徹底失穩(wěn)之前，管道變形從彈性區(qū)進(jìn)入塑性區(qū)，正常使用狀態(tài)原管道變形率大于3%，或者正常使用極限狀態(tài)時原管道變形率大于5%，就已經(jīng)違反國家有關(guān)規(guī)范了，這正是本項目中原管道需要補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)的原因。

3.3管道結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

修復(fù)前、后，管頂?shù)目偤奢d不變。管頂總荷載分土壓力（含水壓力）和可變荷載，其中單位面積上管頂豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值qsv，k（kN/m2）按下式計算[2]：,，（1）()()svksswwwq=rH-.H+r+r.H式中，rs-回填土的重力密度，取18kN/m3；Hw-管頂以上地下水的深度（m），取8-2.7-1.8=3.5m；HS-管頂覆土厚度（m），取8-1.8=6.2m；r'-地下水范圍內(nèi)的覆土重力密度，取10kN/m3；rw-地下水的重力密度，取10kN/m3。帶入數(shù)值計算，可得qsv，k=118.6kN/m2。可變荷載取地面車輛荷載與堆積荷載較大者，由于管道敷設(shè)在公園，車輛正常不進(jìn)入，取堆積荷載標(biāo)準(zhǔn)為qvk=10kN/m2，準(zhǔn)永久值系數(shù)取Ψq＝0.5。原管道結(jié)構(gòu)性修復(fù)增強(qiáng)后，雖然其外部所受荷載未變，但新的“外部舊管-中間層-內(nèi)部新管”的復(fù)合結(jié)構(gòu)管可保守認(rèn)為是剛性管，不能再按照柔性管的特性進(jìn)行設(shè)計，修復(fù)后管頂?shù)暮奢d計算如下[3]：正常使用極限狀態(tài)時，荷載按準(zhǔn)永久組合計算為qsv，k+Ψq·qvk=118.6+0.5×10=123.6kN/m2。承載能力極限狀態(tài)時，荷載按基本組合計算為γG·qsv，k+γQ·qv，k=1.27×118.6+1.4×10=164.6kN/m2。

3.4型材選擇

采用機(jī)械制螺旋纏繞內(nèi)襯法進(jìn)行結(jié)構(gòu)性修復(fù)時，內(nèi)襯管最小剛度系數(shù)必須滿足國家有關(guān)規(guī)范要求[4]：式中，EL-內(nèi)襯管的長期彈性模量（MPa）；I-內(nèi)襯管單位長度管壁慣性矩（mm4/mm）；P-內(nèi)襯管管頂?shù)叵滤畨毫Γ∕Pa），本項目取管頂以上的地下水位高度為8-2.7-1.8=3.5m，則P=0.00981×3.5=0.0343MPa；μ-泊松比，取0.38；K-圓周支持率，取值宜為7.0；D-內(nèi)襯管平均直徑（mm）；D0-內(nèi)襯管的外徑（mm），取1550mm；h-帶狀型材高度，取25mm；y-帶狀型材內(nèi)表面至帶狀型材中性軸的距離（mm），本項目取8.8mm；N-安全系數(shù)，取2.0；C-橢圓度折減系數(shù)；q-原有管道的橢圓度（%），因本項目螺旋內(nèi)襯為不貼合縮徑方式，實(shí)際上不受原管道橢圓度影響，但參考標(biāo)準(zhǔn)，保守取值2%。帶入數(shù)據(jù)計算，可得C=0.8358，D=1517.6mm，ELI=1.46×106MPa·mm3。選用內(nèi)襯管的剛度系數(shù)，必須大于該計算值。

3.5抗浮、抗滑等分析

原管道在鋼帶銹蝕前滿足抗浮穩(wěn)定性，對原管道進(jìn)行內(nèi)襯修復(fù)增強(qiáng)后，內(nèi)襯管及注漿重量顯然大于原管道纏繞鋼帶的銹蝕損失量，即修復(fù)增強(qiáng)后的管道自重比原管道大，在其他因素一致的情況下，其抗浮穩(wěn)定性比原管道更好，顯然滿足要求。同理，新管道抗滑也滿足要求。

3.6水力計算

各管段的過流能力按滿流狀態(tài)考慮，其比值：式中，Q1，Q2-流量（m3/s）；D1，D2-管徑（mm）；n1，n2-粗糙系數(shù)。整個工程管段，原設(shè)計管道為DN1800HDPE鋼帶纏繞增強(qiáng)管，后部分管段用玻璃鋼內(nèi)襯（內(nèi)徑取1500mm，粗造系數(shù)取0.010）等措施進(jìn)行了修復(fù)，本次增強(qiáng)修復(fù)主要采用了DN1550機(jī)械制螺旋纏繞內(nèi)襯技術(shù)（內(nèi)徑取1500mm，粗造系數(shù)取0.010），由于內(nèi)襯管相對原管道有一定程度縮徑的緣故，過流能力相對有所下降，但相對于之前玻璃鋼內(nèi)襯修復(fù)的管段，本次修復(fù)后其過流能力與其是一致的，即在重力流形態(tài)下，本次修復(fù)增強(qiáng)段的過水能力相對已修復(fù)管段并未降低，滿足工程需要。3.7施工工藝設(shè)計機(jī)械制螺旋纏繞內(nèi)襯技術(shù)結(jié)構(gòu)性修復(fù)的施工工藝主要為以下幾點(diǎn)。（1）對原管道進(jìn)行預(yù)處理，包括管道清淤（沉積物、垃圾、其他障礙物的去除），堵漏（漏水點(diǎn)止水或隔水）和鼓包處理（去除尖銳毛刺、突起、附著物等），如原管道破壞嚴(yán)重或接頭錯位嚴(yán)重，需另行專門處理。（2）考慮到原管道的變形程度，內(nèi)襯管不貼合原管道，取內(nèi)襯管外徑為1550mm，內(nèi)徑為1500mm。（3）管徑1500mm的內(nèi)襯管，其自身環(huán)剛度難以抵抗外部荷載，要進(jìn)行結(jié)構(gòu)性注漿予以增強(qiáng)，而為了維持注漿時的變形要求，內(nèi)襯管自身也需纏繞鋼帶增強(qiáng)。在內(nèi)襯管與原管道之間的環(huán)狀間隙間，應(yīng)按要求灌注水泥漿，以固定內(nèi)襯管，并在水泥漿凝固后形成復(fù)合結(jié)構(gòu)新管，該新管的承載能力應(yīng)滿足設(shè)計要求，有效抵抗外壓。注漿前，需對新管兩端的間隙進(jìn)行封堵，在管道下游設(shè)置灌注口，在管道上游的上端設(shè)置排氣口；大口徑管段的注漿應(yīng)分批次進(jìn)行，一般可分為2次或3次，如管段注漿3次，則可先灌注下部1/3，再灌注中部1/3，最后灌注上部1/3。每批次灌注后，待漿料自然流平后，再進(jìn)行下一批次灌注，排氣口漿料溢出，可認(rèn)為注漿完成。管道環(huán)狀間隙注漿時，內(nèi)襯管內(nèi)部應(yīng)同步進(jìn)行注水，以平衡內(nèi)外壓力，否則灌注的水泥漿會造成內(nèi)襯管上浮。（4）灌漿結(jié)束后，應(yīng)處理好管道與檢查井的接口，做好防滲、防腐。

4驗收

4.1功能性驗收

首先，按照《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》要求[5]，排水管道應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密性試驗：本項目位于地下水位之下，選擇進(jìn)行閉水試驗；修復(fù)管徑大于700mm，可按管道井段數(shù)量抽樣選取1/3進(jìn)行試驗；修復(fù)后的復(fù)合管為不開槽施工且中間層為灌注水泥漿，可參照使用內(nèi)滲法進(jìn)行測試。其次，按照《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》要求[4]：應(yīng)分別對機(jī)械制螺旋纏繞法不同生產(chǎn)批次的帶狀型材應(yīng)分別進(jìn)行抽樣檢測；機(jī)械螺旋內(nèi)襯管接縫應(yīng)嵌合嚴(yán)密、連接牢固，管內(nèi)無明顯突起、凹陷、錯臺等現(xiàn)象，無縱向隆起、環(huán)向扁平、接縫脫離等現(xiàn)象。最后，還應(yīng)按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術(shù)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定對修復(fù)更新管道進(jìn)行檢測。考慮到該中水管道兼具汛期排洪功能，完工后的管道應(yīng)能承受完整的汛期沖擊，故宜在汛期后進(jìn)行檢測。

4.2安全性驗收

結(jié)構(gòu)性修復(fù)后，新的復(fù)合結(jié)構(gòu)管應(yīng)能承受作用在管道上的總荷載，對于排水管，主要指外部荷載。由于外層的原管道纏繞加強(qiáng)的鋼帶有所銹蝕，保守考慮，外鋼帶完全失效后的復(fù)合結(jié)構(gòu)管應(yīng)滿足要求。復(fù)合結(jié)構(gòu)管的主要強(qiáng)度、剛度取決于中間水泥注漿層，其相關(guān)參數(shù)可以參照混凝土管的檢驗方法取得，對本項目來說，復(fù)合結(jié)構(gòu)管的裂縫荷載及破壞荷載數(shù)值具有重要意義：在正常使用極限狀態(tài)時，設(shè)計荷載如低于裂縫荷載，注漿體產(chǎn)生的裂縫小于0.2mm，中間層處于正常使用狀態(tài)，此時內(nèi)襯管道變形率顯然小于5%，管道的狀態(tài)穩(wěn)定，能夠長期正常使用，滿足規(guī)范要求；管道處于承載能力極限狀態(tài)時，設(shè)計荷載如低于破壞荷載，管道裂縫雖有增多增大，但管道整體仍具備承載能力，不會突然失穩(wěn)垮塌。測試裂縫荷載及破壞荷載時，制作與現(xiàn)場規(guī)格一致的原管道（去除其纏繞鋼帶，即認(rèn)為鋼帶銹蝕嚴(yán)重，徹底失去作用）、注漿體、內(nèi)襯管所形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)驗樣品，在水泥注漿后養(yǎng)護(hù)28d后送檢，按照GB/T16752—2017《混凝土和鋼筋混凝土排水管試驗方法》有關(guān)規(guī)定，測出受檢品的裂縫荷載及破壞荷載數(shù)值，對比相關(guān)設(shè)計荷載，即可得出設(shè)計及施工方案是否滿足要求的結(jié)論。數(shù)值對比時，應(yīng)統(tǒng)一單位，將實(shí)驗獲得的數(shù)值（kN/m）結(jié)合支撐梁與試驗樣品接觸面尺寸，換算為常用的荷載表現(xiàn)形式（kN/m2）。

5結(jié)論

工程實(shí)踐證明，機(jī)械制螺旋纏繞內(nèi)襯法用于該中水管道的非開挖修復(fù)，其安全性及功能性均符合要求。非開挖修復(fù)技術(shù)中的機(jī)械制螺旋纏繞內(nèi)襯法，具有耐腐蝕、壽命長、抗?jié)B漏、內(nèi)壁光滑、施工靈活和整體性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，且同時適用于結(jié)構(gòu)性修復(fù)或非結(jié)構(gòu)性修復(fù)，該技術(shù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)完善，施工質(zhì)量可控，驗收依據(jù)可靠，技術(shù)上具有較高的可行性，尤其對大口徑長管段的管道內(nèi)襯修復(fù)，該技術(shù)的優(yōu)勢相對更為明顯。

作者：胡舉波 單位：上海浦東建筑設(shè)計研究院有限公司