西安市某路段污水管道非開挖修復技術應用

巨拓，李森

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司西安分公司，西安 710000）

1 引言

隨著城市污水管道使用年限延長，很多城市污水管道即將進入服務周期末期，管道的各類缺陷多且復雜，污水管道排污功能已嚴重受阻，其跑、冒、漏現象十分普遍，各地路面塌陷的新聞報道屢見不鮮，已嚴重影響人們的出行和交通安全，對污水管道缺陷的養護和修復已刻不容緩[1-2]。西安市某路段污水管道使用已超過20 年，在長期運行過程中損壞嚴重，通過對該路段46 段污水管道CCTV 可視化檢測，發現管段缺陷已嚴重影響管道的正常運行。考慮到傳統的開挖更換管道將對地下其他類型管道、周圍環境及交通造成影響，而非開挖修復技術憑借其施工周期短、環境污染小、交通影響小、綜合成本低等優勢[3]，成為本工程最終選擇的管道修復技術。在對該路段污水管道修復及更新的同時，也對道路下方及管道外周圍土體存在的潛在缺陷采用了探地雷達探測，探明了空洞及土體疏松的具體位置及程度，查明了原因，有針對性地采取相應的處理措施，對于輕度風險的區域采取周期性監測，一旦后期出現問題，立即采取措施處理，確保道路安全。

2 工程概況

本次待修污水管道位于西安市中軸線上，周邊商業發達，單位、小區眾多，交通繁忙。該路段現狀紅線寬60 m，道路全長約1 780 m，現狀道路橫斷面為27 m 中央車行道+3 m 中央分隔帶+ 兩側1.5 m 分隔帶+ 兩側7 m 車行道+ 兩側6.5 m 人行道。

本路段現狀污水管道分為A 段和B 段，兩段污水管道均為單側敷設。其中，A 段污水管道位于道路中心線西側，距道路中心線5.8 m，管道全長816.13 m，水流由南北向中間匯入，最終向西流入，原管道管徑為D300 mm、D350 mm、D400 mm、D500 mm，管材為鋼筋混凝土管，管道埋深為2.7~6 m；B 段污水管道位于道路中心線西側，距道路中心線13.3 m，管道全長570.8 m，水流由南向北，原管道管徑為D400 mm，管材為鋼筋混凝土管道，管道平均埋深約3.5 m。

3 幾種常用非開挖修復技術的適用條件及優缺點

3.1 原位固化法

原位固化法包括紫外光原位固化法和熱水原位固化法。其中，紫外光原位固化法適用于管徑150~1 800 mm，原管道為圓形、蛋形、矩形的各類材質管道，修復管材采用樹脂玻璃纖維、光固性樹脂等，原管道出現破裂、變形、錯位、脫節、滲漏、腐蝕等結構性缺陷可使用。紫外光原位固化法的優點：管壁薄、管壁光滑、耐腐蝕、耐磨損、整體性強、使用壽命長、占地面積小、施工周期短、無須注漿、無須工作坑。缺點：對修復人員的技術和經驗要求高、綜合造價高、不可帶水作業。

熱水原位固化法適用于管徑150~2 700 mm，原管道為圓形、蛋形、矩形的各類材質管道，管材采用聚酯纖維氈、熱固性樹脂，原管道出現破裂、變形、錯位、脫節、滲漏、腐蝕等結構性缺陷可使用。其優點：耐腐蝕、耐磨損、整體性強、使用壽命長、綜合造價低、施工難度低、無須注漿、無須工作坑。缺點：占地面積大、施工周期長、不可帶水作業。

3.2 碎（裂）管法

碎（裂）管法適用于管徑300~800 mm，原管道為圓形HDPE管、混凝土管、鋼筋混凝土管、陶土管等，更新管材采用HDPE，原管道出現破裂、變形等結構性缺陷，且無法進行其他非開挖修復可使用。優點：相較于開挖法具有施工速度快、效率高、綜合造價低、對周圍環境及地面影響小等優點。缺點：不適用于膨脹土內更換、需注漿、需破壞和恢復現狀檢查井、不可帶水作業，對于嚴重錯位的原管道，更新管道也將產生嚴重錯位。

3.3 短管內襯法

短管內襯法適用于管徑≥800 mm，原管道為圓形、矩形的各類材質管道，修復管材采用HDPE 管，原管道出現破裂、變形、錯位、脫節、滲漏、腐蝕等結構性缺陷可使用。優點：工藝簡單、占地面積小、水阻小、耐腐蝕、耐磨損、內襯管強度高、設備簡單、施工周期短、可帶水作業。缺點：管道過流斷面減少較多、需注漿、需工作坑。

3.4 機械制螺旋纏繞法

機械制螺旋纏繞法適用于管徑200~3 000 mm，原管道為圓形、矩形的各類材質管道，修復管材采用硬聚氯乙烯PVC-U，原管道出現破裂、變形、錯位、脫節、滲漏、腐蝕等結構性缺陷可使用。優點：耐腐蝕、耐酸堿、密封性能好、施工便捷、施工周期短、無須工作坑、可帶水作業。缺點：管道過流斷面減少較多、需注漿。

3.5 管片內襯法

管片內襯法包括管片拼裝內襯法和不銹鋼內襯法。其中，管片拼裝內襯法適用于管徑≥800 mm，原管道為圓形、矩形、馬蹄形的各類材質管道，修復管材采用PVC 管，原管道出現破裂、變形、錯位、脫節、滲漏、腐蝕等結構性缺陷可使用。優點：耐腐蝕、耐酸堿、密封性能好、施工便捷、施工周期短、無須工作坑、可帶水作業。缺點：管道過流斷面減少較多、需注漿。不銹鋼內襯法適用于管徑≥1 200 mm，原管道為圓形的各類材質管道，修復管材采用不銹鋼，原管道出現破裂、變形、錯位、脫節、滲漏、腐蝕等結構性缺陷可使用。優點：承壓能力增強、施工便捷、施工周期短、無須工作坑。缺點：管道過流斷面減少較多、需注漿、不可帶水作業、不利于后期維護管理。

4 非開挖修復技術的選擇與設計

4.1 碎（裂）管法更新設計

A 段污水管道：本段進行了管內部檢測與管外部檢測，其中，管內部檢測采用CCTV 可視化檢測，共檢測24 段，并對24 段管道進行了缺陷評估，存在結構性缺陷21 段，功能性缺陷2 段，同時存在結構及功能性兩種缺陷1 段。24 段中的37處缺陷分別為腐蝕（2 級）1 處，腐蝕（3 級）16 處，破裂（4 級）13處，脫節（2 級）1 處，脫節（4 級）2 處，沉積（3 級）1 處，沉積（4級）2 處，障礙（2 級）1 處。22 段結構性缺陷管道中，12 段管道：缺陷參數F＞6；9 段管道：缺陷參數3＜F≤6；1 段管道：缺陷參數1＜F≤3；21 段管道：缺陷密度SM＜0.1；1 段管道：缺陷密度0.1≤SM≤0.5；13 段管道：修復指數RI＞7；9 段管道：修復指數4＜RI≤7。3 段功能性缺陷管道中，2 段管道：缺陷參數G＞6；1 段管道：缺陷參數1＜G≤3；3 段管道：缺陷密度YM＜0.1；3 段管道：養護指數MI＞7。管外部檢測采用多通道（270 MHz、400 MHz、100 MHz 各兩個） 雷達屏蔽天線進行探測，測線全長10 120 m，本次探測的結果為空洞1 處，嚴重土體疏松區共40 處、一般土體疏松區59 處。通過對管道進行評估分析，并結合各修復技術的適用條件及優缺點，綜合確定對A段污水管道進行原位非開挖更新，采用碎（裂）管短管置換法進行管道整體更新；并依據道路缺陷檢測報告分析，對路面下土體疏松及空洞采用水泥砂漿做充填料進行注漿填充處理。

碎（裂）管短管置換技術[4]是將50 cm 長的HDPE PE100短管從檢查井井口吊入井室內，通過啟動置換機，控制碎管速度，使碎管頭向前推進破碎原管道，同時將與碎管頭連接的HDPE PE100 管道向前拉進，直至HDPE PE100 管道尾部到達井壁破碎口處，HDPE PE100 短管通過承插口方式進行續接，連接完成后，重新啟動置換機，重復上述工作，實現新管置換原管的目的。探地雷達工作原理：利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過天線傳入地下，經地下地層或目的物反射后返回地面，被另一天線接收。根據接收到的反射波的波形、振幅強度和時間的變化等特征推測地下介質的空間位置、結構、形態和埋設深度[5]。

破（裂）管法修復污水管道前，對原管道進行封堵、導流、清淤等處理。

1）管道封堵：對施工區段上下游采用橡膠氣囊進行封堵，在封堵期間派專人看管，定時檢查氣囊壓力表及管道內水位情況，觀察是否存在泄壓情況并及時補壓。

2）導流：為了不影響污水管道的正常使用，對施工井段進行污水導流，分別在上下游進行污水封堵，封堵完成后，將施工區段上游污水通過5 臺（備用1 臺）大功率污水泵導流至下游。

3）清淤：由于現狀污水管道使用時間較長和塌方，管內淤積了大量的淤泥及雜物，為保證新管道置換的順利進行，對管道及井壁采用高壓水槍反復沖洗，在下游用吸污車對檢查井內的污水、泥沙等進行抽吸。

破（裂）管法更新后的污水管道管徑為355~560 mm，管材采用HDPE PE100 管道，管道要求：屈服強度＞22 MPa，斷裂伸長率＞350%，彎曲模量900 MPa。更新后的HDPE PE100 管道的環剛度、壁厚等指標除應考慮檢測的影像資料、評估報告、地下水情況、路面動荷載、管道原設計資料、建設方的具體需求等因素外，還應考慮更新管道的標準尺寸比，即管道覆土深度≤5 m 時，標準尺寸比的最大值為21；管道覆土深度＞5 m 時，標準尺寸比的最大值為17。經計算，破（裂）管法更新管道最小壁厚計算值如表1 所示。

表1 更新管道的最小壁厚計算值mm

根據表1 更新管道的最小壁厚計算值，最終選定管徑DN355 mm、DN400 mm 的更新管道壁厚為22 mm，DN450 mm的更新管道壁厚為28 mm，DN560 mm 的更新管道壁厚為35 mm。經更新后管道滿足原管道設計承載負荷的結構強度要求。

修復后管道的過流能力與修復前管道的過流能力的比值按式（1）計算：

式中，B 為管道修復前后過流能力比值；ne為原有管道的粗糙系數；DE為原有管道平均內徑，m；nl為更新管道的粗糙系數；D1為更新管道內徑，m。

經計算，原管徑為D300mm，粗糙系數ne=0.013，采用碎（裂） 管法更新后，粗糙系數nl=0.009，則過流能力比值B1=159%；同理原管徑D350mm，B2=151.1%；原管徑D400mm，B3=138.7%；原管徑D500mm，B4=136.9%；故更新后管道過流能力大大提增，滿足原管道設計污水流量的過流能力要求。

4.2 紫外光固化法修復設計

B 段污水管道：本段進行了管內部CCTV 可視化檢測，共檢測22 段，并對22 段管道進行了缺陷評估，存在缺陷共49 處，均為結構性缺陷。其中，腐蝕（1 級）1 處，腐蝕（2 級）6 處，腐蝕（3 級）40 處，錯口（2 級）1 處，破裂（3 級）1 處。其中，3 段管道：缺陷參數1＜F≤3，修復指數1＜RI≤4；19 段管道：缺陷參數3＜F≤6，修復指數4＜RI≤7；12 段管道：缺陷密度SM＜0.1，10 段管道：缺陷密度0.1≤SM≤0.5。通過對管道進行評估分析，并結合各修復技術的適用條件及優缺點，綜合確定對B 段污水管道采用紫外光固化法實施整體修復。

紫外光固化修復技術是原位固化法（CIPP）中的一種，是近些年應用領域、實用規模拓展非常迅速的一種非開挖管道修復技術。它是將玻璃纖維軟管浸漬光固化樹脂，樹脂中含有光引發劑，然后將其拉入原管道內，并充氣擴張使其緊貼原管道，利用紫外光作為固化媒介，經過特定波長的紫外光照射時，樹脂產生固化反應，形成高強度內襯新管[6]。

紫外光固化法修復前，對原有管道進行封堵、導流、清淤等處理，并對原有管道進行預處理，預處理具體措施是結合管道檢測評估報告具體實施，針對不同的缺陷采取相應的預處理方法。其中，對于破裂的處理措施：待修復的破裂段有兩處縱向長度0.4 m 破裂縫，采用注漿密封破裂部位，處理后管道密封性良好；對于腐蝕的處理措施：先對表層除渣除銹，再利用高壓水清洗，后噴涂水泥砂漿，處理后管道不露筋，表面噴涂層與基層結合牢固；對于錯口的處理措施：先清淤，再借助機器人使錯口兩側齊平，采用注漿密封錯口部位，處理后接口平順且密封性良好。經過完整的管道清淤、檢測、預處理后，原污水管道內表面潔凈，無影響軟管襯入的附著物、尖銳毛刺、突起等，預處理完成后對管道再進行CCTV 檢測，經檢測污水管道修復條件良好。

紫外光固化法修復后的污水管道管徑為400 mm，管材采用樹脂玻璃纖維軟管。修復后的管道的環剛度、壁厚等指標除應考慮檢測的影像資料、評估報告、地下水情況、路面動荷載、管道原設計資料、建設方的具體需求等因素外，還應考慮更新管道的標準尺寸比，即標準尺寸比的最大值為100。原管道為1、2 級缺陷，其結構較完整，承載力較好，故按照半結構修復進行管道壁厚計算，而對于3 級缺陷，其結構破壞較嚴重，承載力不足，故按照結構性修復進行管道壁厚計算。經計算，半結構修復的管段DN400 mm 樹脂玻璃纖維軟管壁厚為4.8 mm，結構性修復的管段DN400 mm 樹脂玻璃纖維軟管壁厚為5.5 mm。經修復后的管道滿足原管道設計承載負荷的結構強度要求。

根據修復后管道的過流能力與修復前管道的過流能力的比值公式計算：原管徑為D400 mm，粗糙系數ne=0.013，采用紫外光固化修復后，粗糙系數nl=0.010，則過流能力比值B=120.7%。由此可見，雖然穿入了內襯管，內徑變小了，但粗糙系數降低較低，管道過流能力大大提增，滿足原管道設計污水流量的過流能力要求。

5 結論及建議

1）CCTV 可視化檢測技術具有一定的局限性，目前，只能檢測管道表征情況，對管道缺陷處的內部及外部無法探明清楚。因此，尋求更加完整、有效的管道檢測新技術對準確、全面判斷管道缺陷狀況及制訂管道修復與養護方案至關重要。

2）為遵守國家及地方環境保護政策法規，管道檢測及修復前清淤的淤泥應運輸至指定站點存放，進行集中處置，在清淤、運輸、存放及處置過程中應采取相應的環境保護措施，避免對環境產生二次污染。

3）市政設施管理部門應加強對市政污水管網的巡檢力度，嚴防污水管道出現滲漏、破損等現象，一旦出現故障，應及時對污水管道及附屬構筑物進行養護或修復，確保污水管網安全穩定運行。同時，相關部門還應不斷關注國內外比較先進的技術與管理方法，使管網的維護與管理更加機械化、智能化。

4）隨著市政污水管網規模的不斷增大和年限延長，檢測技術和非開挖修復技術的不斷創新與完善，非開挖修復技術將在城市污水管網修復領域潛力巨大。大力引進環保、經濟、先進的管道非開挖修復新型技術意義重大。