大口径CWFP管道在排水深隧二衬结构中的应用分析

张冲博，阮超，张延军，李胡爽，杨怀 （中建三局绿色产业投资有限公司，湖北 武汉 430070）

1 引言

随着城镇化的推进，人口日益向城市集中，建设密度日益加大，城市不断扩张，“大城市病”问题逐渐显露，污水处理能力不足，未达标污水排放，雨季城市严重内涝，溢流污染等时有发生。城市中心区各类地下管网复杂，通过建设浅层地下排水管网，解决城市排水问题难度大、代价高。利用排水深隧技术在城市深层地下空间，建设大型排水隧道解决排水问题，成为国内外各大城市的选择[1]。如美国芝加哥深隧工程、英国伦敦深隧工程、法国巴黎深隧工程、新加坡深隧工程、香港深隧工程等[2]。考虑到排水深隧工程常常在城市人口密集地区，对施工环境控制要求很高，在小直径的输水隧道中多采用顶管法施工，而对于大曲率或大直径隧道多使用盾构法施工，在硬岩地区使用矿山法辅助施工[3]。由于排水隧道有较高的防水要求和抵抗内外水压荷载的需要，隧道结构设计常采用盾构管片初衬与钢筋混凝土二衬组成双层衬砌结构。实际工程中钢筋混凝土二衬存在工序繁杂、交叉作业多、工序衔接困难、施工工效低、二衬成型质量差、水力性能不佳、易受污水腐蚀等诸多问题。为了解决钢筋混凝土二衬存在的问题，本文提出使用大口径CWFP管代替钢筋混凝土作为二衬结构，对CWFP管道二衬的结构形式和施工方法进行了介绍，分析了CWFP管道二衬的优势。

2 国内排水深隧发展现状

排水深隧是用于城市深层地下空间建设调蓄、传输雨污水的隧道，按功能可以分为：污染控制型深隧、洪涝控制型深隧以及多种功能兼顾的多功能深隧。排水深隧技术在国外已有广泛应用，而国内的排水深隧建设目前处于探索发展阶段，北京、上海、广州、深圳、成都、武汉等城市都对排水深隧建设进行了规划设计，各城市规划建设的各类排水深隧里程已超过300km，见下表。其中部分工程已实施，如广州市东濠涌深层排水隧道试验段和上海市苏州河深隧工程土建试验段已建成投入使用，武汉市大东湖核心区污水传输系统工程2017年开工建设，深圳市前海—南山排水深隧系统工程建设工作于2019年正式启动。

3 排水深隧CWFP管道二衬

3.1 玻璃钢夹砂管

玻璃钢夹砂管是以玻璃纤维及其制品为增强材料，以不饱和聚酯树脂等为基体材料，以石英砂及碳酸钙等无机非金属材料为填料，采用定长缠绕工艺、离心浇铸工艺、连续缠绕工艺方法制成的管道[4]。其中连续缠绕工艺是在连续输出的模具上，把树脂、连续纤维、短切纤维和石英砂，按一定要求采用环向缠绕方法连续铺层，并经固化后切割成一定长度管材的一种生产方法。使用连续缠绕工艺生产的玻璃钢夹砂管即为玻璃纤维增强塑料连续缠绕夹砂管道（Continuous advancing mandrel Winding Fiberglass mortar Pipes），简称CWFP管道[5]。该管道具有耐腐蚀性能强、质量轻运输方便、管材强度高、可设计性强、管内壁光滑糙率小、水力性能好过流能力强等特点。广泛应用于供水、供热、石油、化工、轻工、能源、交通、采矿、海洋开发、污水处理等领域[6]。

国内排水深隧规划建设概况

3.2 CWFP管道二衬结构

排水深隧CWFP管道二衬结构如图1所示，隧道结构为管片衬砌、填充层、弹性垫层和CWFP管道组成的四层复合分离式结构。该二衬结构以柔性EPDM弹性垫板作为弹性垫层材料，起到内外荷载受力隔离作用，形成高刚度的管片衬砌抵抗外压、高强度的CWFP管道抵抗内压的分离式衬砌结构，充分发挥了各层结构材料的优势。CWFP管道二衬中具体包括排水花管、阻水膜、轻质泡沫土填充层、弹性垫层和CWFP管道5个组成部分。阻水膜将隧道外部的渗水与CWFP管完全隔开，透过盾构衬砌管片渗入的水，通过排水花管收集、排出，避免对内衬造成破坏；轻质泡沫土填充盾构管片与CWFP管间的空隙，以固定CWFP管道；CWFP管道为污水传输提供通道，承受内水压、抵抗雨污水的腐蚀。

图1 CWFP管道二衬结构

3.3 CWFP管道二衬施工

在隧道盾构贯通后，检查渗漏情况，在盾构管片渗水处进行注浆堵漏。堵漏工作完成后，拆除洞内施工设施，将隧洞清理干净，为二衬施工提供良好基础。CWFP管道二衬施工步骤如图2所示，第一步施工准备，清理隧道将底部盾构管片的连接孔填平，为后续管道运输安装机具提供底部通行条件；第二步排水管安装，在隧道内四周安装用于收集外部渗水的排水花管；第三步阻水膜粘贴，沿盾构管片初衬内壁粘贴阻水膜；第四步管道运输，通过专用机具将CWFP管道及配套部件运输至洞内预定位置；第五步对接安装，通过专用的对接机具完成管道对接安装；第六步空隙填充，使用高流动性的泡沫土将管片衬砌与CWFP管道间的空隙填充密实。在每个隧道施工区间，CWFP管道的安装从中间向两端进行，即每个区间设两个工作面同步施工。

图2 CWFP管道二衬施工步骤

4 排水深隧CWFP管道二衬结构的优势

4.1 管材性能好

相比于钢筋混凝土材料，CWFP管材具有如下优势。

①耐腐蚀。CWFP管道的制作原料为玻璃纤维、以不饱和聚酯树脂、石英砂等无机非金属材料，具有良好的耐腐蚀性。而钢筋混凝土二衬的主要原材料为混凝土和钢筋，排水隧道内传输的雨污水具有较强的腐蚀性，腐蚀环境下钢筋容易在混凝土保护层厚度不足时被侵蚀，进而产生锈胀使钢筋混凝土二衬结构开裂，导致结构渗漏，甚至失效。

②水力特性优良。CWFP管道在工厂内生产，原料下料采用计算机程序控制，下料计量精准，生产自动化程度高，管材成型质量好，内壁光滑。CWFP的糙率系数约为0.0084，而混凝土管道的糙率系数约为0.012[7]。所以相比于钢筋混凝土二衬，在同一几何断面下，CWFP管道的过流能力更强；同一过流流量下，CWFP管道管径更小。

③管材强度高。玻璃钢夹砂管道的环向拉伸强度可达320MPa，轴向拉伸强度可达230MPa，同时可根据工程的具体需求，进行管材参数设计，满足各类工程的要求[6]。

4.2 施工便利

在长距离盾构隧道内进行钢筋混凝土二衬施工，工序繁杂、交叉作业多、工序衔接困难、工效低。相比之下，CWFP管道二衬，管道在工厂内完成标准化定制生产，现场施工仅需完成阻排水设施的安装、管道拼装和空隙填充等工作，辅以经过优化的定制机具可以使CWFP管道二衬施工更加便利高效。

4.3 施工质量易保证

排水隧道的钢筋混凝土二衬施工，一般施工步骤为：隧洞清理、注浆堵漏、止水带安装、钢筋运输及绑扎、模板定位加固、混凝土浇筑、拆模、二衬修补、涂刷防水防腐涂层等。在实际施工中存在止水结构变形、模板定位精度差、混凝土浇筑困难等问题，容易出现混凝土错台、保护层厚度不足、蜂窝麻面、顶部空洞、施工缝变形及缝处渗漏等质量缺陷。排水深隧作为城市重要的基础设施，设计使用年限通常为100年，带有质量缺陷的钢筋混凝土二衬在长达百年的使用期内存在极大的渗漏风险。相比之下，CWFP管道二衬，工序少，施工简单，质量易保证。CWFP管材耐腐蚀性能强，国内相关标准中规定其使用年限为50年，国外的相关标准中，提到玻璃钢管材使用年限可达100年乃至 150年[8、9]，可以满足排水深隧百年使用寿命的要求。此外，CWFP管节间采用套筒连接，如图3所示，此种连接方式密封性好，且允许在一定范围内产生转角，以适应不均匀沉降。根据国家标准GB/T 21238-2016及行业标准JC/T 2538-2019的规定，CWFP管道标准长度最长可达18m，并可以根据实际需要设计定制更长的管节，减少管节间的接头数量，进一步降低渗漏风险。

图3 CWFP管道连接套筒

5 小结

CWFP管道具有耐腐蚀性能强、重量轻、运输方便、管材强度高、管壁光滑糙率小、水力性能好、过流能力强、可根据需要参数化设计等特点，非常适合应用于排水深隧二衬结构。相比于当下常用的钢筋混凝土二衬，CWFP管道二衬结构更加合理、施工难度明显降低、施工工效显著提升、质量更易保证。但限于CWFP管的管径限制（200mm～4000mm）及施工机具的尺寸，当排水深隧的直径过小或过大都不适宜采用CWFP管道二衬，洞径在2400mm～4000mm的排水深隧二衬采用CWFP管道较为适宜。