浅析紫外光固化内衬修复技术在集水管中的应用

李辉辉 段景凡 雷江锁

（陕西中科非开挖技术股份有限公司 西安710065）

引言

城市排水管网是城市基础设施的重要组成部分，大量的排水管道在投入运营若干年后，由于外力或自身使用寿命等原因，都会不可避免地出现破坏或泄漏事故，传统处理手段一般为开挖维修或更换。老旧管网基本身处城市主干道下或构筑物边缘，维修或更换等工作将牵扯路政、地面障碍物拆除及恢复、公众协调等诸多因素。而且管道的局部破损造成整体运营失效的情况下，予以整体更换成本支出过大。正是在这样的背景下，管道严重不均匀沉降等引起排水管道损坏，再加上管道中的腐蚀性污水、有害气体等影响，每天过往车辆造成路面振动，从而易造成地下管道产生裂缝、破坏、接头错位和管内腐蚀现象，如果不采取有效措施，管道内的地下水渗漏会日趋严重［1－3］。

近几年，排水管道主管部门对市区内在线排水管道进行大范围的CCTV（Closed Circuit Television Inspection）检测和疏通，对运行现状进行了评估，发现许多问题，并发现了部分可能产生事故的管道，提出了修改计划。集水管（雨篦子集水井到雨水主管道之间的连接管道）有如下3个特点：管道结构强度适中；管道埋设深度相比于其他排水管道较浅；管道材质多为预应力混凝土。所以在过往车辆和生活垃圾等因素的影响下管道发生管身渗漏、胶圈脱落、接口错位、管身腐蚀等破坏［4］。本文介绍紫外光固化修复技术在集水管中的应用。

1 CIPP紫外光固化法

1.1 CIPP紫外光固化法原理介绍

CIPP（cured in place pipe）是英文现场固化法的简称，是一种采用非开挖修复的方法，对排水管道、给水、煤气等管道进行内衬修复的技术。紫外光固化内衬修复技术是CIPP内衬技术的一种，不仅具有密封的功能，还具有加强结构的作用。该方法具有无需任何开挖，施工速度快，结构强度强，修复后没有接头、表面光滑形成连续内衬，可增加管道的整体性，通过灯架前面的摄像头可实时观察固化过程中管道内部的情况，因此有利于施工的质量控制等优点。集水管紫外光固化修复前后对比如图1。

图1 集水管修复前和修复后Fig.1 The rehabilitation image before and after in water collecting pipe

1.2 紫外光固化的材料

（1）玻璃纤维：ECR（E-glass of Chemical Resistance）－玻纤 （钙铝矽酸盐玻纤），耐酸碱防化学腐蚀，无粘合剂、无化学试剂；

（2）树脂：使用高品质UP（Unsaturated Polyester）和 VE（Vinyl ester resin）不饱和树脂（内含光子触发剂），耐酸碱防化学腐蚀。

1.3 紫外光固化内衬材料的组成、结构和特性

（1）材料组成：由玻璃纤维无缝编织成管状形状，浸渍树脂后形成。

（2）材料结构：内膜、外膜、玻璃纤维增强层、保护膜。

（3）材料特性：以德国萨泰克斯生产的Liner成品软管为例，接口处采用缝接方式，固化后力学性能为：初始弹性模量至少可达到12000N／mm2，长时弹性模量为8500N／mm2，短时弯曲拉应力为350N／mm2，长时弯曲拉应力为255N／mm2，衰减因子为1.35，耐酸碱腐蚀pH值2～14，使用年限大于 50年［5］。

1.4 紫外光固化内衬修复厚度的设计

集水管作为雨水管道的支线是不受压力影响的，且一般距离较短，埋深也不是很深，管径不大，一般为DN300～DN400。如果决定修复集水管，一般进行半结构修复（原有管道大部分结构完整，尚能承受外部土压力及地面动载荷），所以内衬管的壁厚应按照式（1）进行计算，且厚度不得低于 3mm［6，7］。

式中：t为内衬管的计算壁厚（mm）；EL为内衬管的长期弯曲弹性模量（MPa）；D为旧管道的平均内径（mm）；Dmin为旧管道的最小内径（mm）；Dmax为旧管道的最大内径（mm）；N为安全系数，推荐取值2.0；QW为管中心的地下水压力（MPa），位于地下水位以上时可近似按HW＝H／2计算；HW为管顶以上地下水位高度（m）；H为管顶以上覆土厚度（m）；u为管材泊松比，推荐取值0.3；K为圆周支持率，推荐取值7.0；q为旧管道的椭圆度，最小值取0.02；C为椭圆度折减因子。

2 工程概况

本工程为成都市某路的雨、污水管道采用非开挖技术进行施工。其中紫外光内固化技术修复管道包括：DN300污水管长53m、DN400污水管长400.5m、DN500污水管长30m，全路段污水管道总长度483.5m；DN600雨水管长 104m、DN700雨水管长30m，全路段雨水管道总长134m，雨污水管的材质都是钢筋混凝土。新建翻排DN300（开槽开挖深度3.6m）总长度158m；检查井灰浆离心喷涂55个，约863m2。整个工程包含工种多，线路长，环境保护要求高，为尽量减小交通压力，基本都是在夜间施工。且经CCTV检测后管道内部垃圾较多，管道内壁腐蚀严重。

3 CIPP施工过程

紫外固化技术全称为管道原位修复拉入式紫外固化修复技术，其工艺原理为：采用卷扬机把碾压好树脂的玻璃纤维软管拉入待修的旧管道中，接着用高压风机使固化材料张开紧贴旧管内壁，然后使用紫外照射固化软管，形成一层坚硬的“管中管”结构，从而使己发生的破损或失去输送功能的地下管道在原位得到修复。图2为CIPP施工流程。

图2 CIPP施工流程Fig.2 Construction process of CIPP

3.1 施工准备

1.现场勘查

施工前期，对旧管道进行CCTV内窥检测（堵塞严重的须先疏通），查看其旧管道变形、破损情况，量测（多次）旧管管径，准确地量测集水管的长度，然后提前向材料生产厂家做出具体管道情况说明，定制玻璃纤维内衬固化材料。设备进场，并调试到最佳状态。如果不出现大雨天或其他特殊情况，集水管不会出现大的流水量，故施工前一般不需要对集水管进行封堵或导流。

2.管道清淤、冲洗及CCTV检测

对施工段管线进行清淤除污作业，配备合适射流头的高压水射流机、抓耙机等单一或几种有机组合的方式进行疏通、冲洗。发现管道内壁存在较大凸起、管口错位等缺陷时应先进行局部处理，目前局部处理最好的办法就是应用铣刀机器人来处理，然后再用高压射流冲洗车冲洗。用CCTV检测管道内壁是否达到管道修复条件，如果达标则录制完整的视频，并存储管道全程检测影像资料。影像资料应清晰、能对管道缺陷进行准确定位与判断。

3.扎头的制作

路边安装雨篦子的集水井一般有0.5m宽，用常规的扎头是不能放入集水井中的，这就需要制作特种的扎头来满足施工需求。依据要求设计了满足施工要求要求的扎头，以DN300的管径为例，设计示意如图3。设计的扎头已经应用于实际工程，取得了良好的效果，提高了施工效率。

图3 扎头示意Fig.3 Schematic of tie head

3.2 紫外固化作业

1.拉入底膜

底膜的功能是为了保护固化材料的外壁，并减少固化材料进入主管道的摩擦力。底膜可防止固化材料在拉入过程中被凸起物划伤，出现破损。将底膜卷放在支架上，用绳子将防护膜拉入需要修复管道的底部，并在井底固定。

2.绑扎头并拉入固化材料

集水管相对来说都较短，且靠近路边道牙的集水井较窄，应用一般扎头无法放入集水井内捆绑扎头，所以在井口地面要绑好扎头，固化材料在地面铺平后，一端安装自行制作的特种扎头，一端安装一般扎头，两端扎头捆绑好后将特种扎头端从雨水检查井中拉入到路边道牙的雨篦子集水井中。固化材料拉入时应沿管底的底膜将固化材料平稳、平整、缓慢地拉入旧管道，拉入速度不得大于5m／min。一般扎头端安装好后连接风机与扎头之间的气管、气压表管。

3.充气

启动光固化车上的风机控制键，通过供气固化材料给内衬固化材料充气，依靠空气压力使内衬固化材料紧贴管道内壁，开始时风机风量调到20%，固化材料开始充气，当压力上升至平稳时，每次增加1%风量，当风压开始下降时再加1%，直到固化材料紧贴管道内壁，迅速打开一般扎头端将4×600W紫外光灯架（由于集水管距离短，故选用4×600W紫外光灯）放入扎头内。合上扎头盖板锁紧开始进行二次加压，加压过程中每当风压升高10kPa时，注意保压约5min，直到达到操作压强后，先将灯架拉至管道另一端，然后维持该压强约10min。加压过程中应防止玻璃纤维固化材料过度膨胀或出现褶皱。

4.紫外固化

保压完成后开始固化，首先间隔40s顺次自动打开灯架上4个UV灯，将灯架的初始运行速度设定为0.2m／min，等待灯架上的第二个温度传感器的温度显示超过80℃，开始启动灯架回拉，当温度升高到一定值开始下降时，开始加快灯架速度0.05m／min，如此重复，直到达到规定的速度，当到固化终点端1m时开始降低灯架速度0.1m／min直到 0.15m／min，接着直至终点。固化过程中内衬管内部应保持压力均衡，使内衬管与原有管道紧密切合。灯架回拉至检查井管口后停止约3min～5min后顺次自动关掉4个灯。整个固化过程可通过操作台上的视频观察，如图4所示。

图4 固化过程操作界面Fig.4 Operation interface of curing process

5.端头处理

内衬管固化完成后，缓慢降低管内压力至20%时，保持2min～3min，吹散内衬材料内的热气和水蒸气等，接着继续缓慢降低管内压力至大气压，关掉风机。拆除扎头、通气管道、测压管道，拉出紫外灯架。采用专用工具切除内衬管两端的多余材料，要求端头平整，接着拉出内膜。将切除后两端毛边进行修整处理后用速凝水泥均匀涂抹四周，确保内衬管与老管道间不会有渗漏现象发生，清理固化作业现场。

3.3 工程检测验收

根据非开挖行业标准《城镇排水管道非开挖修复更新工程技术规程》（CJJ／T 210－2014）的相关规定：需要对紫外光固化非开挖修复后的管道进行厚度、外观检侧，需进行闭气或者闭水试验［8，9］。同时需对内衬管样品进行短期力学性能试验（目前在国内依据CJJ／T 210－2014为主，以DIN EN ISO 11296－4［10］为辅，在国内短期力学性能和测试方法按表1中的规定进行）。而闭气试验则根据《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB 50268－2008）中的相关规定进行［11］。

（1）内衬管内壁外观检查：采用CCTV检测设备进行新管道内部检测，拍摄内衬管内壁影像资料并保存。且管壁应光滑、连续、平整，无局部划伤、裂纹、磨损、孔洞、起泡、干斑、褶皱、拉伸变形和软弱带等影响管道结构、使用功能的损伤和缺陷。

（2）内衬管厚度检查：从光固化施工现场取样送到专门的检测机构（如上海莱茵公司）通过扫描电子显微镜来检查材料厚度、玻纤层的厚度及压实情况，内衬管的平均厚度不得小于设计壁厚，任意点的壁厚不应小于设计值的90%。

（3）内衬管样品进行短期力学性能及水密性试验（以DIN EN ISO 11296－4和德国 DWAA 143－3标准［12］为依据）：材料检测试样的尺寸为轴向约35cm～40cm，环向是20倍的厚度。力学性能测试主要做三点弯曲试验和拉伸试验，通过三点弯曲试验可测出材料的短期抗弯强度和短期弯曲弹性模量，如果要长期弯曲弹性模量，就需要用短期弯曲弹性模量除以蠕变系数，其中蠕变系数通过10000h试验获得；通过拉伸试验获得材料的抗拉强度。此外水密性测试主要测试固化材料是否透水［12］。

表1 含玻璃纤维原位固化法内衬管的短期力学性能要求和测试方法Tab.1 Short-term mechanical performance requirements and testmethods for in-situ curing of liner containing glass fibers

4 结语

1.紫外固化内衬非开挖修复管道技术与传统的“挖槽埋管法”相比，具有不破坏环境、不影响交通、施工安全性好、周期短、社会效益显著等优点。

2.修复后的管道内表面光滑，抗腐蚀性能得到改善，结构得到加强，同时管道使用寿命也得以延长。紫外光固化修复技术有效地解决了原管道加固修复的实际问题，并取得了良好的效果。

3.埋地老管道随着使用年限的延长出现问题的概率将会越来越大，但伴随紫外光固化修复技术的出现和发展，这些问题将会得到很好的解决，给行人营造安全放心的道路环境。

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［11］GB／T 50268－2008给水排水管道工程施工及验收规范［S］GB／T 50268－2008 Code for construction and acceptance ofwater and sewerage pipeline works［S］

［12］DWA-A 143－3 Sanierung Von Entwaesserungssystemen Ausserhalb Von Gebaeuden-Teil 3：Vor Ort Haertende Schlauchliner［S］，2014