翻轉法CIPP在排水管道預防性加固中的應用

程 江，鮑月全，呂永鵬，尹冠霖，謝 勝，莫祖瀾

（1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092；2.上海城市排水系統工程技術研究中心，上海市200092；3.上海市城市排水有限公司，上海市200233）

0 引言

自20世紀90年代起，我國開展了排水管道非開挖技術研究。1995年前只有鋼套環、接口嵌補兩種局部修復方法。近年來，隨著國外技術引進和國內研究深入，采用非開挖技術進行排水管道預防性修復的比例逐年提高，目前已有近10種方法得到應用[1～3](見表1)，逐步縮小了與發達國家的差距。英國水研究中心(WRC)編制的《污水管道修復指南》(Sewerage Rehabilitation Manual)和美國材料與試驗協會頒布的《采用翻轉內襯技術修復管道和溝渠的標準方法》(ASTM F 1216-05)已成為國外排水管道修復的主要技術法則[1,2]，企業標準《翻轉式原位固化法排水管道內襯修復工藝的技術規范》(QB/GLX002—2011)[3]、上海市水務局下發的《上海市城鎮排水管道非開挖修復技術實施指南》（2013）[4]、行業標準《城鎮排水管道非開挖更新工程技術規程》（CJJ/T 210-2014）[5]和上海市排水管理處發布的《上海市城鎮排水管道非開挖修復工程預算定額（試行）》（2014年）[6]則是國內排水管道非開挖修復的主要技術參考。與傳統開挖修復相比，非開挖修復技術具有在充分利用原有管道的基礎上，避免因開挖管道對交通和周邊居民、商業造成不利影響的顯著特點，已在國外發展迅速，并被廣泛采用。盡管采用某些非開挖技術修復管道的費用高于開挖修復，但這種費用的計算僅是就工程本身而言的，如果考慮社會的間接成本，非開挖修復的總成本則低于開挖修復。翻轉法CIPP修復排水管道是國內外近年來應用較為廣泛的一種非開挖修復方法。本文在總結其技術原理、內襯壁厚設計、施工流程、驗收標準、常見質量問題分析的基礎上，介紹了國內加固管徑最大的上海北翟路DN1500污水管預防性加固案例，以期對國內城市排水管道非開挖修復技術的應用起到一定的參考和指導作用。

表1 國內已采用的排水管道非開挖修復方法一覽表

1 翻轉法CIPP工藝

1.1 技術原理

Cured in place pipe（CIPP）原位固化修復，是由英國1971年研制成功的一種排水管道非開挖修復方法。翻轉法是其中一種施工技術，俗稱襪筒法。翻轉法CIPP首先需在加工廠或在現場按修復、加固管道的尺寸對內襯軟管進行預制，內襯軟管由化學纖維和高強度塑膜復合而成，然后對軟管進行抽真空，并向軟管中灌入環氧樹脂和固化劑；其次，在需修復、加固管道所處檢查井，將浸滿熱固性樹脂的未成型樹脂軟管利用水壓或氣壓翻轉至已清理干凈的待修復管道內，并使其緊貼于管道內部，然后利用樹脂加熱或遇光固化的原理，對管道內部利用循環熱水、蒸汽、噴淋或紫外光等方法加熱，使樹脂在管道內部固化，隨之在原有破損或待加固管道內部形成新的高強度內襯管，即“管中管”。其工藝原理如圖1所示[4,7]。翻轉法CIPP工藝適用范圍廣，可在100 mm～3000 mm的管徑內安裝使用，適用于任何管材的管道非開挖修復或加固，一次性可修復管道的最大長度為500 m，并可通過90°的彎頭，修復后的設計管道使用年限要求 30 a～60 a。

圖1 翻轉法CIPP工藝原理圖

1.2 內襯軟管壁厚設計

CIPP內襯軟管壁厚的設計有兩種方法：第一種是經驗法，根據管道的埋設情況、使用年限及檢測結果，綜合考慮采用原管道內徑的1.5%并取整，例如Φ600、Φ1 000和Φ1 500的內襯軟管壁厚分別取9 mm、15 mm和23 mm；第二種是公式法，主要應根據埋設管道的管徑、埋深、殘余強度、土質、地下水位、道路情況和施工條件等因素計算內襯軟管壁厚，主要借鑒國外比較成熟的計算方法，美國材料和試驗協會（ASTM）標準所的計算公式考慮因素較為全面，適用范圍更為廣泛和切合實際，公式如下[7]：

式中：t——內襯塑料管厚度，mm；

D——舊管內徑，mm；

N——圓周支持率（采用環氧樹脂時為7.0）；

C——舊管變形比，當沒有變形時為1.0；

EL——長期抗彎曲彈性模量，MPa；

P——外水壓力，MPa，如果有真空壓力時需要一起考慮并進行計算；

Fs——安全系數（有注漿襯墊時為1.5，沒有時為2.0）；

ν——泊松比，0.3。

1.3 修復后管道水力復合

修復后的重力流管道斷面流速計算參照《室外排水設計規范》（GB 50014-2006）（2014版）[8]：

式中：V——流速，m/s；

I——水力坡降；

R——水力半徑，m；

n——粗糙系數。

修復后與修復前的管道流速比值按照下式計算：

式中：C——管道修復前后流速比；

ne——原有管道的粗糙系數；

nl——內襯管的粗糙系數；

Re——原有管道的水力半徑，m；

Rl——內襯管管道的水力半徑，m。

修復后與修復前的管道過流能力比值參照《上海市城鎮排水管道非開挖修復技術實施指南》（試行）公式計算[4]：

式中：B——管道修復前后過流能力比；

De——原有管道的平均內徑，mm；

Dl——內襯管管道的平均內徑，mm。

1.4 施工流程

1.4.1 工程前期準備

（1）資料收集。翻轉法CIPP施工前，需收集待修復管道和檢查井的竣工跟蹤測量測資料、上下游管道或泵站的運行水位和流量、降雨資料和道路交通流量等基礎資料。

（2）現場踏勘。根據收集的基礎資料，現場踏勘核實資料準確性，如有必要可進行現場測繪。

（3）安全確認。在進入待修復管道的檢查井前，對管道內的有毒有害氣體、可燃氣體、氧氣含量進行實時監測，并進行通風排氣、檢查和評估，確保井內工作環境安全。

（4）臨時封堵和排水。根據施工需求，將上下游管道臨時封堵，設置旁通管或其他排水設施進行臨時排水。

（5）管道清洗。對待修復管道內的污泥、垃圾進行沖洗清淤，以管道內壁無塵、無顆粒、無油垢、無尖銳突出物為合格。

（6）管道檢查。利用CCTV對管道清洗結果進行核查，并對需要變直徑、轉折的管道內部作全面檢測，核實管內損壞及設計情況，適時調整排水管道非開發修復設計方案。

（7）管道局部修復。如管道內存在局部破裂、坍塌等結構性缺陷，需進行局部修復后再進行翻轉法CIPP施工。

1.4.2 內襯軟管加工、運輸

（1）軟管尺寸設計。根據軟管材料橫向伸長率和被修復管內徑尺寸共同確定軟管外徑，根據“1.2內襯軟管壁厚設計”計算軟管壁厚。

（2）軟管加工。軟管的設計制作長度必須同時滿足修復管段兩檢查井的中心距離、井深、兩端部所需長度及施工靜水壓力所需高度，目前一次性施工最大長度超過200 m。軟管必須具有與熱固性樹脂有良好的相溶性，同時需具有良好的耐久性、耐腐蝕、抗拉伸、抗裂性。

（3）預浸樹脂。軟管在小于等于18℃真空條件下預浸樹脂，樹脂體積應足夠填充纖維軟管名義厚度和按直徑計算的全部空間。鑒于樹脂的聚合作用及滲入待修復管道縫隙和連接部位的可能性，還需增加5%～15%的余量。預浸樹脂后利用碾壓設備進行定型碾壓，需確保碾壓后的軟管材料厚度均勻、無褶皺。

（4）軟管運輸。預浸樹脂后的軟管在運輸和置入待修復管道作業中面臨的最大風險是樹脂的提前硬化，軟管應在小于等于25℃條件下運輸，并且避免長時間受到直射及反射日光的照射，以防提前固化，尤其是在夏季高溫季節，應采取必要的降溫措施。

1.4.3 翻轉置入

在檢查井上部制作工作平臺，內襯軟管的一端固定于平臺上方的翻轉固定環上，將充滿樹脂的內襯軟管一端通過翻轉平臺及懸吊于平臺下方的翻轉固定環翻轉進入管道內。內襯軟管在水壓或氣壓的作用下，逐漸進入管道內，并從里面向外翻，使原先處于外表面的涂層將成為內表面，涂滿樹脂的織物支撐結構則與原管道內壁相貼。常用靜水頭壓力法，預浸樹脂纖維軟管從檢查井上方翻轉置入排水管道內，在足夠的靜水頭壓力作用下，軟管充分翻轉至設計的下一個檢查井或間斷點。翻轉工作的起始點應有足夠的高度，以確保軟管可從起點直達終點。為使軟管與被修復（防腐）管內壁貼合，防止產生皺褶，應特別保護纖維軟管，其壓力不得超過材料的破壞應力。為降低軟管翻轉置入時的摩擦力，可加入適量潤滑劑。加入的方法有兩種：一種是直接將潤滑劑施涂在軟管上；另一種是將潤滑劑倒入翻轉用水中，潤滑劑應是石油提煉物，不損壞纖維軟管、鍋爐、水泵等。

1.4.4 加熱固化

待內襯軟管到達檢查井末端后并露出約0.5 m的長度時或預定位置時，將其末端固定，對管道內部利用循環熱水、蒸汽、噴淋或紫外光等方法加熱，使樹脂在管道內部固化，隨之在原有破損或待加固管道內部形成新的高強度內襯管，常用循環熱水固化。加熱固化分兩階段進行：第一階段加熱溫度控制在70℃左右，固化發生在溫度開始升高時，當軟管的表面開始固化，初步固化即結束。第二階段加熱溫度控制在80℃左右，初步固化結束后，溫度升高至樹脂的后固化溫度80℃左右，供熱設施應持續工作10 h左右，以確保整個軟管的固化。兩階段的加熱時間控制在2 h～3 h，每階段的加熱時間按管徑、材料厚度、工作段長度、地下水溫度、氣溫、使用的蒸汽鍋爐功率，以及空氣壓縮機的流動速率而定。

1.4.5 冷卻

在環氧樹脂固化后、靜水頭壓力或空氣壓力釋放前，停止加熱改用冷水降溫，直到內襯管內的溫度冷卻至38℃以下。冷卻過程通過冷水置換原用于固化的循環熱水來實現。內襯管要逐漸降溫，以免使內襯管發生裂縫。同時在壓力釋放過程中，應特別小心，以免擴大管的真空度，破壞剛修復的管道。

1.4.6 管道末端處理

內襯軟管固化后，利用特殊機械切除管端多余內襯材料，管口端部采用專業密封膠和不銹鋼壓環加強處理，保證管口端部不滲水。

1.5 工程驗收

1.5.1 外觀檢測

（1）外觀檢測。施工結束后，用CCTV檢測設備對內襯管道進行外觀檢測。對φ800 mm以上的管道，也可拍照片或者人員入管檢測。

（2）內襯管表面。已修復的內襯新管內壁表面連續、無剝落、無裂紋、無凹凸、無鼓脹、無未固化現象，不得有嚴重的褶皺與縱向棱紋。

1.5.2 厚度檢測

（1）檢測位置。固化后內襯管道的厚度檢測位置應盡量避免在固化管道的接縫處，檢測點為內襯新管圓周均等四點（45°、135°、225°和 315°），取其平均值進行判斷。

（2）允許誤差。內襯新管的設計厚度為t≤9mm時，厚度誤差允許在0%～+20%；設計厚度為t≥9mm時，厚度誤差允許在0%～+25%。

1.5.3 試件制作

（1）采樣數量。采樣數量以每一個工程取一組試塊，每組3～5塊。單位工程量小于200 m時，根據委托方的要求進行。

（2）采樣位置。試塊一般在施工現場直接從內襯新管的端部截取。受現場條件限制無法截取時，可以采用和施工條件同等的環境下制作的試塊。

（3）試件尺寸。試件應有足夠大，滿足測試需要。

1.5.4 性能檢測

（1）檢測方法。根據GB/T2567，委托具有相應檢測資質的第三方進行檢測。

（2）強度要求。管道內襯材料物理性能檢測結果需要符合表2要求。

表2 管道內襯材料強度檢測要求一覽表

1.5.5 閉水試驗

除業主特別要求，否則一般不進行閉水試驗。

1.5.6 資料驗收

翻轉法CIPP完工后，應提交完整的全套技術資料，包括軟管材料和樹脂材料的質量保證書、內襯軟管壁厚計算書、內襯施工前后的管內CCTV檢測錄相資料、固化管材檢測數據及施工作業照片集等，用于存檔備查。

2 常見質量問題分析

翻轉法CIPP施工常見的質量問題包括：氣泡、起皺、隆起、開裂、軟弱帶等。現分析其種種原因。

2.1 起泡

在施工過程中，固化溫度過高或防滲膜與化學纖維粘連不牢，可能出現氣泡現象，從而影響施工質量，降低管道使用壽命。

2.2 起皺

在翻轉法CIPP工程中可能出現軸向和環向兩類起皺現象。軸向皺褶產生原因主要是老管內徑測量不準確，內襯管直徑偏大引起；環向皺褶產生的原因主要是翻轉壓力不夠、舊管道存在嚴重接口錯位所致。

2.3 隆起

管道內垃圾清除不干凈或老管道接口錯位，都可能引起內襯管隆起。

2.4 開裂

開裂的主要原因是內襯管固化后冷卻過快引起強烈收縮所致。

2.5 軟弱帶

在施工中，如未嚴格按工藝要求實施，例如，加熱溫度不夠、固化時間不足等，可能導致內襯固化不徹底而出現軟弱帶。局部軟弱帶可切除后局部修復，嚴重的應重新返工。

為避免發生上述質量問題，在施工過程中應針對可能出現的質量隱患，及早采取預防措施，嚴格按施工工藝和材料性能參數的要求組織施工，確保施工質量。

3 案例

3.1 工程背景

上海市北翟路外環西河橋工程2013年啟動，該工程施工范圍內有DN1500污水管道一根，涉及管段為W30-W31段。該段污水管屬于鋼筋混凝土頂管，長度180 m，已建成使用十余年。周邊北翟路高架橋、地鐵二號線等市政設施均晚于該污水管建成。北翟路外環西河橋工程對北翟路DN1500污水管的影響主要有以下幾點：

（1）施工影響：外環西河橋的跨徑和平面位置已經確定，樁基位置與污水管相沖突。但由于地鐵2號線制約，以及地下管線眾多，施工區域附近道路交通繁忙等諸多原因，改排污水管道困難重重，規劃部門出具意見是不具備管道搬遷的可能性，只能采取橋梁墩臺騎跨污水管方案即污水管保護方案，而原管位部分處于擬建設的橋梁沉臺之下，最近距離僅1.2 m，施工過程中將對污水管的安全運行造成較大的影響。

（2）荷載增加：橋梁建成之后的部分道路設計地面高度將比現狀道路抬升約80 cm左右，地表荷載有一定的增加。

（3）地面震動：橋梁引橋部分與橋梁本體之間存在的不均勻沉降而導致的車輛行駛中的震動，也將對污水管造成一定的損傷。

（4）后續維護困難：外環西河橋工程建成后，由于污水管道位于墩臺和機動車道路下，后續管道維護工作將因無工作空間無法正常開展。

綜合上述因素，排水公司提出在外環西河橋工程建設前，對該段管道開展預防性加固保護工程，加強該段管道的整體性強度，提高管道的抗沉降能力。

3.2 工程參數

采用翻轉法CIPP工藝（見圖2），設計最大臨排污水流量1.1 m3/s，利用“1.2內襯壁厚設計”方法（二）計算的內襯壁厚為21mm，預防性加固180m的DN1500污水干管，工期20 d，于2014年6月完成，管道加固后的水力復合結果顯示管道流速增加13.4%，過流能力增加4.3%。工程完工后監理單位分別對管道兩端取樣，每段分別采樣1組，每組5塊樣品，共10塊，送上海同濟建設工程質量檢測站檢測彎曲強度、彎曲彈性模量和第一裂縫時彎曲應力，檢測結果分別為：69.2 MPa、3.71 GPa和69.2 MPa，符合要求。管道預防性加固后可確保管道正常使用30 a以上。

圖2 北翟路翻轉法CIPP工藝圖

3.3 工程創新

工程一次性修復180 m的DN1500污水干管，長度和口徑在翻轉法CIPP工程上屬于超長超大，創下了目前國內相同管徑排水管道修復加固工程的最長紀錄。

由于施工期間氣溫較高，且翻轉材料對溫度條件要求高，為了確保材料質量，采取了如下創新措施：

（1）在材料制作環節中，針對現場的運輸距離、時間、溫度等各方面因素改進了固化劑的配比，使固化時間能與施工現場的實際情況相互配合，并依據天氣預報選擇氣溫最低的時間段進行施工。

（2）在運輸過程中，為保證材料不起化學反應，首先對管材制作廠到施工工地現場的路線進行了仔細選擇并進行了試驗，得出了運輸的具體時間；其次在運輸過程中在材料中加入大量冰塊，保證溫度不會上升，確保了材料質量。

4 結語

城市化進程的加劇、排水管道巡檢、養護和使用壽命的限制，導致排水管道各類損壞現象頻發，亟待修復。排水管道非開挖修復技術與傳統的開挖修復相比，具有較明顯的優勢，國內已逐步采用。隨著國家陸續出臺了《關于做好城市排水防澇設施建設工作的通知》、《關于加強城市基礎設施建設的意見》、《城鎮排水與污水處理條例》和《關于加強城市地下管線建設管理的指導意見》等政策性文件，對排水管道非開挖修復技術的推廣應用帶來了契機。本文結合國內目前創紀錄的上海北翟路DN1500污水管預防性加固案例，總結的排水管道翻轉法CIPP的技術原理、內襯壁厚設計、施工流程、驗收標準、常見質量問題分析，將對國內城市排水管道非開挖修復技術應用發揮一定的參考和指導作用。

[1]唐建國,朱保羅.排水管道非開挖修理技術的分類和選擇[J].給水排水,2005,31(6)：83-90.

[2]程江,潘煒,丁敏.上海中心城區市政排水系統雨水排水的管理與實踐[J].中國給水排水,2012,28(20)：9-13.

[3]QB/GLX002—2011,翻轉式原位固化法排水管道內襯修復工藝的技術規范[S].

[4]上海市水務局.《上海市城鎮排水管道非開挖修復技術實施指南》（試行）[R].上海：2013.

[5]CJJ/T 210-2014,城鎮排水管道非開挖更新工程技術規程[S].

[6]上海市排水管理處.上海市城鎮排水管道非開挖修復工程預算定額（試行）[R].上海：2014.

[7]張維文.CIPP翻轉法在川沙路下水管道修復中的應用技術探討[J].城市道橋與防洪,2014,（3）：91-94.

[8]GB 50014-2006,室外排水設計規范（2014版）[S].