大口徑管道非開挖修復(fù)與加固新方法

宋志遠(yuǎn) 張達(dá)石 劉瓊

（1.上海久堅(jiān)加固科技股份有限公司 200050；2.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 200125；3.江蘇大學(xué) 鎮(zhèn)江212013）

引言

我國現(xiàn)有的供水、輸氣、輸油等壓力管道，由于內(nèi)襯老化腐蝕、管材質(zhì)量不過關(guān)、原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、缺乏維護(hù)等原因，導(dǎo)致管壁承載力不足、管內(nèi)壓力無法增大，運(yùn)輸能力大打折扣。目前當(dāng)這類管道口徑超過1500mm時(shí)，修復(fù)加固較為困難，也不經(jīng)濟(jì)，并且存在新增內(nèi)襯與原有管壁僅為貼合或粘貼強(qiáng)度不夠，在管道真空負(fù)壓時(shí)，則修復(fù)的內(nèi)襯容易脫落。

排水管道、地下管廊及涵洞隧道由于防腐防水出現(xiàn)問題，或受到地下水及外部荷載壓力作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂、滲漏，也需要及時(shí)維修，目前對這類結(jié)構(gòu)帶水加固問題沒有較好的辦法。

本文介紹一種能夠在潮濕環(huán)境甚至水中直接施工，既能修復(fù)管壁缺陷、防水防腐，又能加固管壁結(jié)構(gòu)的特殊纖維復(fù)合材料粘結(jié)法（簡稱TFRP粘結(jié)法），以期用非開挖、人工粘貼方式解決這類棘手的問題。該方法的特點(diǎn)為TFRP與管壁牢固粘結(jié)共同工作，使管道能有效抵抗外部水壓和內(nèi)部負(fù)壓。

1 新方法與材料

TFRP粘結(jié)法是將浸透了特種環(huán)氧樹脂的纖維布在固化前用手工粘結(jié)在大口徑管道內(nèi)壁，潮濕及自然環(huán)境下數(shù)小時(shí)可固化成兩倍不銹鋼板抗拉強(qiáng)度的板狀復(fù)合材料，同時(shí)與原管壁通過特種環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠牢固結(jié)合成一體，形成同步受力的結(jié)構(gòu)加固工法?；炷凉艿佬迯?fù)加固，管廊、涵洞修復(fù)加固，鋼管、塑料管修復(fù)加固分別如圖1～圖3所示。

圖1 混凝土管道修復(fù)加固Fig.1 Section of concrete pipe

圖2 管廊、涵洞修復(fù)加固Fig.2 Section of reinforced utility tunnel

圖3 鋼管、塑料管修復(fù)加固Fig.3 Section of reinforced steel or plastic pipe

特制纖維布是面密度為 915g／m2～1080g／m2、寬1.25m、長45m的卷狀，可根據(jù)需要進(jìn)行裁剪、搭接，主向?yàn)镋-glass玻璃纖維；滲透性強(qiáng)、水中可固化的環(huán)氧樹脂膠是由桶裝A、B兩組分，現(xiàn)場按比例混合后，用于浸透纖維布及粘結(jié)；裁剪、混合與浸透工作可在工作井外完成，粘結(jié)、搭接在管道內(nèi)人工實(shí)施。粘結(jié)前須對管壁缺陷進(jìn)行必要的修補(bǔ)及清潔。

TFRP纖維復(fù)合材料是受力主體，根據(jù)管道的病害情況，其他工作如注漿止水、裂縫缺陷修補(bǔ)、TFRP纖維錨栓及外表面涂料等根據(jù)需要選用。

特制纖維布與匹配的環(huán)氧膠現(xiàn)場結(jié)合—粘貼—固化而成狀態(tài)穩(wěn)定、長期工作的TFRP復(fù)合材料板，單層復(fù)合材料板的厚度為1.2mm～1.3mm，主要力學(xué)指標(biāo)見表1，是加固設(shè)計(jì)與施工的參考指標(biāo)，目前國內(nèi)用于結(jié)構(gòu)局部加固的碳纖維環(huán)氧膠及粘鋼膠均不能在水中固化，無法直接粘結(jié)在潮濕的管道內(nèi)壁，而目前的CIPP原位固化法、HPDE螺旋纏繞法及內(nèi)襯不銹鋼板法等僅與原管壁為貼合或依靠，不能與管壁粘結(jié)成一體，因此TFRP纖維復(fù)合材料具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。

表1 TFRP復(fù)合材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)Tab.1 Mechanical properties of fiber composites

TFRP纖維復(fù)合材料是以手工作業(yè)粘在待修復(fù)加固的管壁上，尤其對于地下大口徑管道，在內(nèi)壁非開挖粘貼，不需動火和工程設(shè)備，比較安全方便。其他特點(diǎn)如下：

（1）施工時(shí)是柔韌的纖維布，可隨意彎曲纏繞，固化后變成高強(qiáng)度的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板；

（2）TFRP在地下及水環(huán)境有50年的耐久性；也是絕緣材料，也不會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕；

（3）可與原PCCP混凝土、鋼管、玻璃鋼及塑料管道有效粘結(jié)成一體，保證了與原管道結(jié)構(gòu)共同變形協(xié)調(diào)、承受荷載；

（4）TFRP纖維復(fù)合材料達(dá)到飲水級，無污染，更適合壓力供水管道的修復(fù)；

（5）防水汽滲透，且表面光滑系數(shù)為0.01；

（6）施工速度快，4個工人為一組每天可施工200m2，以1.2m直徑管道為例，約可修復(fù)加固50m長管道，所以具有大面積應(yīng)用優(yōu)勢。

2 修復(fù)與加固設(shè)計(jì)

TFRP纖維復(fù)合材料粘結(jié)法可以參用ASTM F1216［1］的計(jì)算公式，也可以參考《城鎮(zhèn)給水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ／T 244－2016）［2］、《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ／T 210－2014）［3］中關(guān)于原位固化法及不銹鋼內(nèi)襯法的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，但是內(nèi)襯材料取TFRP的力學(xué)指標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)有管道的破損情況按半結(jié)構(gòu)性修復(fù)或結(jié)構(gòu)性修復(fù)設(shè)計(jì)，確定TFRP的厚度，但這樣的結(jié)果較為保守。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)程，結(jié)構(gòu)性修復(fù)是指新的內(nèi)襯材料具有不依賴原有管道結(jié)構(gòu)而獨(dú)立承受外部靜水壓力、管道內(nèi)水壓、真空負(fù)壓、土壓力和動荷載作用的修復(fù)方法；半結(jié)構(gòu)性修復(fù)是指新的TFRP材料依賴于原有管道結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)壽命之內(nèi)僅需承受外部的靜水壓力及真空壓力，而外部土壓力和動荷載仍由原有管道承擔(dān)。

事實(shí)上，TFRP纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與混凝土的彈性模量相當(dāng)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為線彈性，抗拉強(qiáng)度是不銹鋼板的兩倍以上，與原管壁結(jié)構(gòu)的正粘結(jié)及水平拉剪強(qiáng)度足夠大，能與原管壁結(jié)構(gòu)粘結(jié)成一體，因此在半結(jié)構(gòu)性修復(fù)時(shí)，其不僅能帶動原管壁共同工作承擔(dān)外力，還起到提升管壁結(jié)構(gòu)局部抗彎能力的作用?？烤o貼、依靠原管壁的其他修復(fù)方法，例如原位固化法及內(nèi)襯不銹鋼法等均不具備此優(yōu)點(diǎn)。尤其在真空負(fù)壓下，原位固化法及內(nèi)襯不銹鋼板與原管壁之間易發(fā)生剝離脫空，而適當(dāng)設(shè)計(jì)的TFRP與原管壁之間通過滲透型環(huán)氧膠的粘結(jié)足以保證二者共同承擔(dān)負(fù)壓力。

因此，在套用規(guī)程［2，3］公式計(jì)算半結(jié)構(gòu)性TFRP厚度時(shí)，內(nèi)襯的長期彈性模量EL可將可用的原管壁等代折算，即有效利用原管壁結(jié)構(gòu)，這樣將節(jié)省內(nèi)襯粘結(jié)的TFRP厚度，以節(jié)省造價(jià)。最后可用有限元對TFRP與原管壁材料的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，以校核按規(guī)程及等代公式的計(jì)算結(jié)果。

2.1 內(nèi)襯修復(fù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述原理，對于口徑超過1m管道的半結(jié)構(gòu)性修復(fù)，TFRP的厚度一般為1.3mm至5.2mm；對于全結(jié)構(gòu)性修復(fù)，TFRP的厚度為5.2mm至9.1mm，當(dāng)厚度達(dá)到9.1mm以上時(shí)，TFRP單獨(dú)可抵抗高達(dá)1MPa的管道內(nèi)水壓力及抵抗0.05MPa的真空壓力。

2.2 管壁結(jié)構(gòu)加固計(jì)算

由于TFRP復(fù)合材料與原管壁之間通過環(huán)氧膠的粘結(jié)足以使二者變形協(xié)調(diào)，因此可以參考現(xiàn)行《混凝土加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50367－2013）［4］對管壁按板進(jìn)行局部抗彎加固設(shè)計(jì)，使其斷面滿足路面局部或集中荷載的作用，防止裂縫與破壞。此時(shí)可用平截面假定，參考粘貼碳纖維、粘貼鋼板的計(jì)算公式，只是材料的力學(xué)性能指標(biāo)采用TFRP指標(biāo)。

3 施工流程與檢查驗(yàn)收

TFRP管道內(nèi)壁粘結(jié)法的施工工藝簡單，但需要技巧，工人均須培訓(xùn)合格，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)操作及檢驗(yàn)，方能將達(dá)到預(yù)期的效果。施工流程包括清理至結(jié)構(gòu)層→修補(bǔ)裂縫和缺陷→粘貼TFRP復(fù)合材料→表面防護(hù)。不需要重型設(shè)備和動火。其中，第一步清理至結(jié)構(gòu)層是指：對于混凝土管道需清理打磨至結(jié)構(gòu)混凝土表面以下2mm～3mm處，以能見到粗骨料為宜；對于鋼制管道則需清除表面涂層、油漆等，打磨至鋼鐵。粘貼時(shí)應(yīng)注意采用防止空鼓的施工措施，TFRP復(fù)合材料需浸透環(huán)氧膠，底膠不可漏刷，刮平需全面到位，并在環(huán)氧膠未凝固時(shí)及時(shí)檢查并補(bǔ)刮。

總之，復(fù)合材料與原有結(jié)構(gòu)物的粘貼必須密實(shí)，要求空鼓率不超過10個／m2，空鼓最大直徑小于20mm，空隙率不超過5%。當(dāng)單個空鼓面積小于100cm2時(shí)，可采用注膠的方式進(jìn)行補(bǔ)救。當(dāng)TFRP的單個空鼓面積大于100cm2時(shí)，須將該處TFRP切除，重新搭接粘貼同等厚度的TFRP材料。

受力主材TFRP，即纖維布及配套膠在環(huán)境下固化的復(fù)合材料板材，放置7d后制成試件，見證取樣由測試機(jī)構(gòu)檢測其拉伸強(qiáng)度、彈性模量、延伸率，及與管壁的正粘結(jié)強(qiáng)度等指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

4 工程案例

TFRP粘結(jié)法在國外并非專利技術(shù)，但使用的纖維復(fù)合材料本身往往是有商標(biāo)專利。在我國，材料只要滿足基本力學(xué)性能指標(biāo)即可。

在美國，自1997年在亞利桑那州修復(fù)第一條承插式預(yù)應(yīng)力混凝土管道（簡稱PCCP），至今已用類似纖維復(fù)合材料粘貼法解決了100多條大口徑管道的問題；在我國香港，也已應(yīng)用于水務(wù)署數(shù)十條供水大口徑管道的半結(jié)構(gòu)及全結(jié)構(gòu)性修復(fù)與加固，取得了良好的社會與經(jīng)濟(jì)效益。

為延長地下輸水主管道的使用壽命及消除爆管隱患，香港水務(wù)署管轄的東江供水主管道已服役30余年，其中30km東江主管道及11km沿粉錦公路管道急需全面的修復(fù)，原螺旋焊接鋼管道口徑在1200mm至2400mm之間［5］。由于地面上繁忙的交通、鐵路線及私人高爾夫球場，最終選擇了采用了工期短、影響小、造價(jià)節(jié)省的TFRP粘結(jié)法非開挖修復(fù)加固兩條合計(jì)40余km的管道。

大部分管道采用了半結(jié)構(gòu)性修復(fù)與加固，TFRP纖維復(fù)合材料的最小厚度為2.5mm，管道平均埋深約1.5m，最大工作坑間距為380m；其中一段位于高爾夫球場下DN1200的管道，采用了結(jié)構(gòu)性修復(fù)。粘結(jié)TFRP系統(tǒng)平均造價(jià)不超過1.5萬元／延米。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)2014年7月《上海市城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復(fù)工程預(yù)算定額（試行）》［6］，摘錄機(jī)械制螺旋纏繞法（HDPE）及翻轉(zhuǎn)式原位固化法（CIPP）的綜合單價(jià)，與等效的TFRP粘結(jié)法每延米綜合造價(jià)對比，見表2。

表2 TFRP系統(tǒng)報(bào)價(jià)與上海市定額的對比Tab.2 Comparison between TFRP prices and Shanghaiquotation

說明：（1）當(dāng)管徑大于1500mm時(shí)，CIPP較難實(shí)施，而TFRP法管徑越大越易施工，且對馬蹄形、方形、異型管涵，也不受限制；（2）HDPE及CIPP材料的抗拉強(qiáng)度一般為25MPa～70MPa，主要起修復(fù)作用，TFRP材料的強(qiáng)度為480MPa～550MPa，起修復(fù)與加固作用；（3）不銹鋼內(nèi)襯法的綜合單價(jià)普遍高出TFRP法30%～50%。

管徑越大，TFRP法的成本優(yōu)勢越明顯。但是對于小口徑管道（DN1000mm以下），采用TFRP法并不經(jīng)濟(jì)，口徑太小工人也無法進(jìn)入操作，因此TFRP法不合適小口徑管道的修復(fù)。

6 結(jié)語

TFRP粘結(jié)法為非開挖解決地下既有大口徑管道、管廊及涵洞，尤其是壓力管道的結(jié)構(gòu)滲漏、腐蝕及強(qiáng)度缺失提供了一種的新方法，具有較高的性價(jià)比。

管道TFRP粘結(jié)法在國內(nèi)還有許多工作要做，希望引起相關(guān)業(yè)主、科研、設(shè)計(jì)及施工單位的關(guān)注，合作共贏造福社會。

［1］ASTM F1216－09 Standard Practice for Rehabilitation of Existing Pipelines and Conduitsby the Inversion and Curingofa Resin-Impregnated Tube［S］

［2］CJJ／T 244－2016城鎮(zhèn)給水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016 CJJ／T 244－2016 Technical Specification for Trenchless Rehabilitation and Renewal of Urban Water Supply Pipelines［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2014

［3］CJJ／T 210－2014城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014 CJJ／T 210－2014 Technical Specification for Trenchless Rehabilitation and Renewal of Urban Sewer Pipelines［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2014

［4］GB 50367－2013混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014 GB 50367－2013 Code for Design of Strengthening Concrete Structure［S］.Beijing：China Architecture＆ Building Press，2014

［5］Tony Lau，Mason Pau，S.Chow.Rehabilitation Works for Dongjiang Mains［C］／／Proceedings of CHKSTT International Conference-Innovations in Trenchless Technology，Hong Kong，2014

［6］滬水務(wù)定額［2014］4號 上海市城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復(fù)工程預(yù)算定額（試行）［S］.上海：上海市水務(wù)工程定額管理站，2014 Shanghaiwater quota［2014］4 Shanghai Quota of Trenchless Rehabilitation of Urban Sewer Pipelines（trial）［S］.Shanghai：Shanghai Water Engineering Quota Management Department，2014