大口径管道非开挖修复与加固新方法

宋志远 张达石 刘琼

（1.上海久坚加固科技股份有限公司 200050；2.上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司 200125；3.江苏大学 镇江212013）

引言

我国现有的供水、输气、输油等压力管道，由于内衬老化腐蚀、管材质量不过关、原设计标准低、缺乏维护等原因，导致管壁承载力不足、管内压力无法增大，运输能力大打折扣。目前当这类管道口径超过1500mm时，修复加固较为困难，也不经济，并且存在新增内衬与原有管壁仅为贴合或粘贴强度不够，在管道真空负压时，则修复的内衬容易脱落。

排水管道、地下管廊及涵洞隧道由于防腐防水出现问题，或受到地下水及外部荷载压力作用导致结构开裂、渗漏，也需要及时维修，目前对这类结构带水加固问题没有较好的办法。

本文介绍一种能够在潮湿环境甚至水中直接施工，既能修复管壁缺陷、防水防腐，又能加固管壁结构的特殊纤维复合材料粘结法（简称TFRP粘结法），以期用非开挖、人工粘贴方式解决这类棘手的问题。该方法的特点为TFRP与管壁牢固粘结共同工作，使管道能有效抵抗外部水压和内部负压。

1 新方法与材料

TFRP粘结法是将浸透了特种环氧树脂的纤维布在固化前用手工粘结在大口径管道内壁，潮湿及自然环境下数小时可固化成两倍不锈钢板抗拉强度的板状复合材料，同时与原管壁通过特种环氧结构胶牢固结合成一体，形成同步受力的结构加固工法。混凝土管道修复加固，管廊、涵洞修复加固，钢管、塑料管修复加固分别如图1～图3所示。

图1 混凝土管道修复加固Fig.1 Section of concrete pipe

图2 管廊、涵洞修复加固Fig.2 Section of reinforced utility tunnel

图3 钢管、塑料管修复加固Fig.3 Section of reinforced steel or plastic pipe

特制纤维布是面密度为 915g／m2～1080g／m2、宽1.25m、长45m的卷状，可根据需要进行裁剪、搭接，主向为E-glass玻璃纤维；渗透性强、水中可固化的环氧树脂胶是由桶装A、B两组分，现场按比例混合后，用于浸透纤维布及粘结；裁剪、混合与浸透工作可在工作井外完成，粘结、搭接在管道内人工实施。粘结前须对管壁缺陷进行必要的修补及清洁。

TFRP纤维复合材料是受力主体，根据管道的病害情况，其他工作如注浆止水、裂缝缺陷修补、TFRP纤维锚栓及外表面涂料等根据需要选用。

特制纤维布与匹配的环氧胶现场结合—粘贴—固化而成状态稳定、长期工作的TFRP复合材料板，单层复合材料板的厚度为1.2mm～1.3mm，主要力学指标见表1，是加固设计与施工的参考指标，目前国内用于结构局部加固的碳纤维环氧胶及粘钢胶均不能在水中固化，无法直接粘结在潮湿的管道内壁，而目前的CIPP原位固化法、HPDE螺旋缠绕法及内衬不锈钢板法等仅与原管壁为贴合或依靠，不能与管壁粘结成一体，因此TFRP纤维复合材料具有明显的优点。

表1 TFRP复合材料的主要力学性能指标Tab.1 Mechanical properties of fiber composites

TFRP纤维复合材料是以手工作业粘在待修复加固的管壁上，尤其对于地下大口径管道，在内壁非开挖粘贴，不需动火和工程设备，比较安全方便。其他特点如下：

（1）施工时是柔韧的纤维布，可随意弯曲缠绕，固化后变成高强度的纤维增强复合材料板；

（2）TFRP在地下及水环境有50年的耐久性；也是绝缘材料，也不会产生电化学腐蚀；

（3）可与原PCCP混凝土、钢管、玻璃钢及塑料管道有效粘结成一体，保证了与原管道结构共同变形协调、承受荷载；

（4）TFRP纤维复合材料达到饮水级，无污染，更适合压力供水管道的修复；

（5）防水汽渗透，且表面光滑系数为0.01；

（6）施工速度快，4个工人为一组每天可施工200m2，以1.2m直径管道为例，约可修复加固50m长管道，所以具有大面积应用优势。

2 修复与加固设计

TFRP纤维复合材料粘结法可以参用ASTM F1216［1］的计算公式，也可以参考《城镇给水管道非开挖修复更新工程技术规程》（CJJ／T 244－2016）［2］、《城镇排水管道非开挖修复更新工程技术规程》（CJJ／T 210－2014）［3］中关于原位固化法及不锈钢内衬法的设计计算公式，但是内衬材料取TFRP的力学指标，根据现有管道的破损情况按半结构性修复或结构性修复设计，确定TFRP的厚度，但这样的结果较为保守。

根据现行规程，结构性修复是指新的内衬材料具有不依赖原有管道结构而独立承受外部静水压力、管道内水压、真空负压、土压力和动荷载作用的修复方法；半结构性修复是指新的TFRP材料依赖于原有管道结构，在设计寿命之内仅需承受外部的静水压力及真空压力，而外部土压力和动荷载仍由原有管道承担。

事实上，TFRP纤维增强复合材料与混凝土的弹性模量相当，应力应变关系为线弹性，抗拉强度是不锈钢板的两倍以上，与原管壁结构的正粘结及水平拉剪强度足够大，能与原管壁结构粘结成一体，因此在半结构性修复时，其不仅能带动原管壁共同工作承担外力，还起到提升管壁结构局部抗弯能力的作用。靠紧贴、依靠原管壁的其他修复方法，例如原位固化法及内衬不锈钢法等均不具备此优点。尤其在真空负压下，原位固化法及内衬不锈钢板与原管壁之间易发生剥离脱空，而适当设计的TFRP与原管壁之间通过渗透型环氧胶的粘结足以保证二者共同承担负压力。

因此，在套用规程［2，3］公式计算半结构性TFRP厚度时，内衬的长期弹性模量EL可将可用的原管壁等代折算，即有效利用原管壁结构，这样将节省内衬粘结的TFRP厚度，以节省造价。最后可用有限元对TFRP与原管壁材料的组合结构进行验算，以校核按规程及等代公式的计算结果。

2.1 内衬修复计算结果

根据上述原理，对于口径超过1m管道的半结构性修复，TFRP的厚度一般为1.3mm至5.2mm；对于全结构性修复，TFRP的厚度为5.2mm至9.1mm，当厚度达到9.1mm以上时，TFRP单独可抵抗高达1MPa的管道内水压力及抵抗0.05MPa的真空压力。

2.2 管壁结构加固计算

由于TFRP复合材料与原管壁之间通过环氧胶的粘结足以使二者变形协调，因此可以参考现行《混凝土加固设计规范》（GB 50367－2013）［4］对管壁按板进行局部抗弯加固设计，使其断面满足路面局部或集中荷载的作用，防止裂缝与破坏。此时可用平截面假定，参考粘贴碳纤维、粘贴钢板的计算公式，只是材料的力学性能指标采用TFRP指标。

3 施工流程与检查验收

TFRP管道内壁粘结法的施工工艺简单，但需要技巧，工人均须培训合格，严格按标准操作及检验，方能将达到预期的效果。施工流程包括清理至结构层→修补裂缝和缺陷→粘贴TFRP复合材料→表面防护。不需要重型设备和动火。其中，第一步清理至结构层是指：对于混凝土管道需清理打磨至结构混凝土表面以下2mm～3mm处，以能见到粗骨料为宜；对于钢制管道则需清除表面涂层、油漆等，打磨至钢铁。粘贴时应注意采用防止空鼓的施工措施，TFRP复合材料需浸透环氧胶，底胶不可漏刷，刮平需全面到位，并在环氧胶未凝固时及时检查并补刮。

总之，复合材料与原有结构物的粘贴必须密实，要求空鼓率不超过10个／m2，空鼓最大直径小于20mm，空隙率不超过5%。当单个空鼓面积小于100cm2时，可采用注胶的方式进行补救。当TFRP的单个空鼓面积大于100cm2时，须将该处TFRP切除，重新搭接粘贴同等厚度的TFRP材料。

受力主材TFRP，即纤维布及配套胶在环境下固化的复合材料板材，放置7d后制成试件，见证取样由测试机构检测其拉伸强度、弹性模量、延伸率，及与管壁的正粘结强度等指标满足设计要求。

4 工程案例

TFRP粘结法在国外并非专利技术，但使用的纤维复合材料本身往往是有商标专利。在我国，材料只要满足基本力学性能指标即可。

在美国，自1997年在亚利桑那州修复第一条承插式预应力混凝土管道（简称PCCP），至今已用类似纤维复合材料粘贴法解决了100多条大口径管道的问题；在我国香港，也已应用于水务署数十条供水大口径管道的半结构及全结构性修复与加固，取得了良好的社会与经济效益。

为延长地下输水主管道的使用寿命及消除爆管隐患，香港水务署管辖的东江供水主管道已服役30余年，其中30km东江主管道及11km沿粉锦公路管道急需全面的修复，原螺旋焊接钢管道口径在1200mm至2400mm之间［5］。由于地面上繁忙的交通、铁路线及私人高尔夫球场，最终选择了采用了工期短、影响小、造价节省的TFRP粘结法非开挖修复加固两条合计40余km的管道。

大部分管道采用了半结构性修复与加固，TFRP纤维复合材料的最小厚度为2.5mm，管道平均埋深约1.5m，最大工作坑间距为380m；其中一段位于高尔夫球场下DN1200的管道，采用了结构性修复。粘结TFRP系统平均造价不超过1.5万元／延米。

5 经济效益分析

根据2014年7月《上海市城镇排水管道非开挖修复工程预算定额（试行）》［6］，摘录机械制螺旋缠绕法（HDPE）及翻转式原位固化法（CIPP）的综合单价，与等效的TFRP粘结法每延米综合造价对比，见表2。

表2 TFRP系统报价与上海市定额的对比Tab.2 Comparison between TFRP prices and Shanghaiquotation

说明：（1）当管径大于1500mm时，CIPP较难实施，而TFRP法管径越大越易施工，且对马蹄形、方形、异型管涵，也不受限制；（2）HDPE及CIPP材料的抗拉强度一般为25MPa～70MPa，主要起修复作用，TFRP材料的强度为480MPa～550MPa，起修复与加固作用；（3）不锈钢内衬法的综合单价普遍高出TFRP法30%～50%。

管径越大，TFRP法的成本优势越明显。但是对于小口径管道（DN1000mm以下），采用TFRP法并不经济，口径太小工人也无法进入操作，因此TFRP法不合适小口径管道的修复。

6 结语

TFRP粘结法为非开挖解决地下既有大口径管道、管廊及涵洞，尤其是压力管道的结构渗漏、腐蚀及强度缺失提供了一种的新方法，具有较高的性价比。

管道TFRP粘结法在国内还有许多工作要做，希望引起相关业主、科研、设计及施工单位的关注，合作共赢造福社会。

［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城镇给水管道非开挖修复更新工程技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，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城镇排水管道非开挖修复更新工程技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，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混凝土结构加固设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，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］沪水务定额［2014］4号 上海市城镇排水管道非开挖修复工程预算定额（试行）［S］.上海：上海市水务工程定额管理站，2014 Shanghaiwater quota［2014］4 Shanghai Quota of Trenchless Rehabilitation of Urban Sewer Pipelines（trial）［S］.Shanghai：Shanghai Water Engineering Quota Management Department，2014