高聚物注浆技术在城市污水管道修复中的应用

唐 瑶，李碧清，肖先念，王复明，饶 虹，唐 霞

(1．广州大学数学与信息科学学院，广东广州 510006;2．广州市市政污水处理总厂，广东广州 510655;3．郑州大学水利与环境学院，河南郑州 450001)

地下管道修复可以分为开挖修复与非开挖修复两类。开挖修复就是挖开路面后以新管道置换旧管道，然后将路面修复。开挖修复对城市交通产生影响，修复过程产生的噪音及粉尘干扰市民的正常生活。开挖修复施工时间相对较长，工程成本较高。近年来地下管道非开挖修复技术如内衬法、缠绕法、裂管法、原位固化法及管片法等在我国城市管道修复中已有少量应用［1，2］。内衬法是在旧管道中直接拖入新管道，新管道多数用塑料管。内衬法施工速度快，但因减少了过流断面，新旧管之间空隙注浆填实施工较难。缠绕法是用工作井内的制管机将聚氯乙烯板带卷成螺旋形的圆管送入旧管，新旧管之间的空隙需注浆填实。碎管法修复是运用气压、液压或其他压力设备破碎旧管道的同时拖入新管道，新管道采用塑料管。旧管道的碎屑被挤入土层中，碎管法适用于旧管道为易碎管材。碎管法施工速度快，但碎管设备的震动会影响其他的管线设施，碎管碎屑对新管的长期稳定运行会有影响。

注浆法在漏损管道的外侧或裂缝部位直接注浆、封堵管道渗漏，注浆材料有无机浆及化学浆。采用高聚物注浆技术［3］对广州大道南DN1200损坏的钢筋混凝土污水管［4］进行了注浆修复。该管段是沥滘污水厂的一条进水主干管，于2009年竣工，地面至管内底深约8．5 m，施工工艺为顶管施工，无管基础，每天收集城市生活污水10×104m3。该地段地下水位离地面约1．5 m，细粉的流沙多。由于流沙的常年流动，造成了池滘村东侧的119号检查井与120号检查井间管段的大部分管接头部位下沉，2014年4月上旬共有26 m长的10节污水管出现下沉，出现10处渗漏、破损及错位;污水管最大下沉量为650 mm。管顶邻近路面塌陷面积约5 m2，塌陷深度为1．5 m，该污水管段基本失去污水收集与运输功能。破损的管线距离周边房屋间距仅8 m，对房屋安全造成威胁。表1为污水管道沉降量测量结果。

表1 污水管道沉降量测量结果Tab．1 Results of Measurement of Sewage Pipeline Settlement

1 污水管道修复方案比选

1．1 开挖修复方案

如果采用开挖修复方案，需要完成以下工程内容:① 电信管线、煤气管线、军用光纤管线及绿化树木的迁移与回迁;②支护、外围旋喷桩止水、底部旋喷桩封底、更换污水管道;③ 交通疏解。如此狭窄的范围内同时迁移各管线的难度大，明挖支护与施工止水是修复过程中的关键环节。明挖修复方案总工程造价约410万元。

1．2 高聚物注浆非开挖修复方案

鉴于该段损坏管线对周边环境影响大、其他管线多、施工环境复杂等因素，根据该管段损坏的实际情况，决定采用高聚物注浆非开挖修复方案。高聚物注浆技术为非开挖修复技术，高聚物注浆车轻便灵活，施工现场适应性强。

2 非开挖注浆修复过程

2．1 主要设备、材料及工艺流程

2．1．1 主要机械设备与材料

小货车2台，用于装运机具及材料;潜水装置2套，用于水下封堵施工作业及备用;48 kW发电机1台，提供施工电源;2．2 kW通风机2台，用于水下作业;挖掘机2台，开挖检查井边土方及吊装钢板;2 m×3 m宽钢板2块，挡水及挡沙包。焊机2台，焊接钢板配件;管道闭路电视内窥检测设备(CCTV)1套，用于摸查污水管内情况;非开挖技术设备全套，其中集成式高聚物注浆车宽为2．8 m，高聚物材料直接放置于车内料桶，注浆车能实现100 m内远距离注浆作业。

将双组份高聚物凝固体材料浸泡于水中3个月，高聚物无降解及腐烂现象，滤出液中不含高聚物材料成分。分别将双组份高聚物凝固体材料浸泡于10% 硫酸、10% 氢氧化钠、乙醇及机油中时，高聚物凝固体材料体积损失率分别为5．4%、1．4%、3．6%及2．0%，表明高聚物材料抗化学及油脂腐蚀的性能优良，具有较好的耐久性，实际地下工程中遇到类似化学及油脂腐蚀剂概率极小。

2．1．2 非开挖修复工艺流程

污水管道非开挖修复工艺流程为:修复范围内施工围蔽→上游及下游检查井装沙包砌筑挡水→拆除检查井井口→安装井口加固钢板→检查井内沙包堵水砌筑→1 300 mm气囊封堵加强止水→潜水员下井摸查→清除积泥→CCTV检测→非开挖高聚物注浆修复→清拆检查井内的封堵物及外运→检查井、地面及绿化修复。

2．2 注浆修复前的施工止水

在修复范围内先采用轻型井点降水，井点布置间距为1 m，再用潜水泵排出污水管道内的积水。

2．3 导管注浆技术

利用探地雷达(GPR)检测待修复的污水管道，确定漏损部位，检测线为管道两侧边沿线，沿管道纵向方向连续检测。利用钻孔设备在漏损管段两侧沿管道纵向等间距布置注浆孔，注浆孔间距为1 m、直径16 mm，深度至管底、纵向垂直，水平孔位误差应小于50 mm。按相应长度截取注浆管，沿注浆孔插入注浆管至漏损部位，可以人工用手操作，也可以借助冲击钻操作。安装好注射帽及注射枪后，按照配比将两种高聚物材料通过输料管道输送到注射枪口，两种高聚物材料在注射枪口混合，注浆压力为7 MPa，混合的高聚物材料沿注浆管至漏损部位，迅速发生化学反应，膨胀固化。注浆量达到设计要求后立即关闭注射枪保险，等待15 s以后使用专用工具分离注射枪及注射帽，切除露出地面的注浆管。15～20 min后，利用探地雷达进行注浆后的检测，分析注浆效果，如达不到预期效果，再次补注。利用高聚物导管注浆形成的注浆材料填充管道与土体间的空隙，挤密周围土体，封堵管道渗漏部位。图1为注浆孔布置示意图。

图1 注浆孔布置示意图Fig．1 Schematic Diagram of Arrangement of Grouting Hole

2．4 导管注浆与膜袋注浆的复合注浆技术

2．4．1 高聚物膜袋桩与高聚物帷幕形成固沙体

利用探地雷达探测管段涌沙及渗漏位置，在漏损管段两侧沿管道纵向等间距布置注浆孔，注浆孔间距为300～500 mm，直径为90 mm，利用钻孔设备从地面向下钻孔，注浆孔深度至管底以下100 mm。沿注浆孔插入两根注浆管，一根注浆管底部绑扎膜袋，并用环箍将膜袋开口端与注浆管固定，膜袋直径为40 mm，长度为1 500 mm。通过注浆管向膜袋内注射高聚物材料，高聚物在膜袋内迅速膨胀并固化，形成高聚物膜袋桩。然后通过另外一根注浆管向膜袋桩间隙处注射高聚物材料，高聚物材料反应膨胀固化后，在高聚物膜袋桩之间形成高聚物帷幕，高聚物膜袋桩与高聚物帷幕形成固沙体，防止排除管道积水时流沙涌入管内。图2为高聚物膜袋桩布置示意图。

图2 高聚物膜袋桩布置示意图Fig．2 Schematic Diagram of Arrangement of Film Bag Pile

2．4．2 修复管道错缝渗漏

污水管道内排除积水后，施工人员进入管道内，在错缝处安装膜袋，膜袋数量由错缝长度确定。按照从两边向中间的注浆顺序，通过注浆管向每个膜袋内注射高聚物材料，高聚物在膜袋内迅速膨胀并固化，填充错缝处空隙，封堵管道错缝处的渗漏。在污水管道内错缝处的两侧均匀布孔，钻孔数量由管道渗漏脱空的现场情况确定。由注浆管向管道外脱空区域注射高聚物材料，高聚物材料反应膨胀固化后，填充管道外脱空区。图3为管道错缝渗漏修复现场图。

图3 管道错缝渗漏修复现场图Fig．3 Scene Diagram of Rehabilitation of Broken Joit of Sewage Pipeline

2．4．3 注浆抬升下沉的污水管道

利用管道闭路电视内窥检测技术(CCTV)对沉降的污水管探测检查，确定沉降的位置及沉降量。对于需要抬升的管道，在管道内的下沉端沿管道纵向以300～400 mm间距钻膜袋布置孔，孔径50～120 mm，孔深为200～400 mm。图4为污水管道内注浆孔布置示意图。将注浆管放入膜袋开口端，并用环箍将膜袋开口端与注浆管固定，膜袋长度应大于孔深，膜袋直径取100～400 mm，膜袋长度取300～600 mm。将捆扎好的膜袋放入膜袋孔内。图5为注浆抬升下沉的污水管道示意图。依次通过注浆管向膜袋内注射高聚物材料，高聚物在膜袋内迅速膨胀并固化，产生的巨大膨胀力抬升下沉的污水管道。图6为注浆抬升下沉的污水管道现场施工图。

图4 污水管道内注浆孔布置示意图Fig．4 Schematic Diagram of Arrangement of Grouting Hole in Sewage Pipeline

图5 注浆抬升下沉的污水管道示意图Fig．5 Schematic Diagram of Lift of Sewage Pipeline Settlement

图6 注浆抬升下沉的污水管道现场图Fig．6 Scene Diagram of Lift of Sewage Pipeline Settlement

在膜袋孔连线的中间部位钻注浆孔，孔径16 mm，深度为污水管道壁厚，由注浆管向脱空区注射高聚物材料，高聚物材料迅速反应，膨胀固化物填补因抬升污水管道形成的脱空区域，并对周围软土加固。

3 修复效果

广州大道南DN1200钢筋混凝土污水管修复工程历时40天，共使用高聚物注浆材料865 kg。注浆修复前污水管道内有多处渗漏，注浆修复后所有渗漏点停止渗漏，下沉的污水管段提升至设计标高，污水管道恢复了污水收集与输送功能。共修复10节污水管段，总长为26 m，修复总费用为105万元。图7为修复前污水管道积水图，图8为修复后的污水管道图。

图7 修复前污水管道积水图Fig．7 Photo of Accumulated Water in Sewage Pipeline

图8 修复后的污水管道图Fig．8 Photo of Repaired Sewage Pipeline

4 结语

(1)利用导管注浆技术将新型非水反应高聚物注入管道与土体间的空隙，挤密周围土体，能有效封堵管道渗漏部位。

(2)导管注浆与膜袋注浆的复合注浆技术能有效抬升沉降的管道，稳定污水管道渗漏段的流沙，加固管道渗漏段的管基础，恢复污水管道的营运功能。

(3)所研发的新型非水反应高聚物注浆材料具有反应快、膨胀率高、防渗性能优、柔韧耐久、无污染及成本低等特点。

城市管线是城市的生命线，城市管线的损坏使城市工作与生活不能正常运行。高聚物注浆技术在广州大道南的工程修复实践表明，当地下管道出现水平方向错位、垂直方向错位或局部渗漏时，非开挖注浆修复技术具有省投资、省工期及施工过程环境友好的特点。

［1］李碧清，唐瑶，冯新，等．广州市城市河涌生态恢复的工程实践［J］．中国给水排水，2011，27(22):76-78．

［2］吴坚慧．排水管道检测评估与非开挖修复设计方案［J］．净水技术，2012，31(4):158-162．

［3］石明生，马小跃，王复明．高聚物注浆技术在水泥混凝土道路维修中的应用［J］．河南科学，2010，28(1):74-77．

［4］李碧清，唐瑶，唐霞，等．广州市排水系统存在的问题与对策［J］．广东科技，2013，22(2):175-176．