高聚物注漿技術(shù)在城市污水管道修復(fù)中的應(yīng)用

唐 瑤，李碧清，肖先念，王復(fù)明，饒 虹，唐 霞

(1．廣州大學(xué)數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510006;2．廣州市市政污水處理總廠，廣東廣州 510655;3．鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450001)

地下管道修復(fù)可以分為開挖修復(fù)與非開挖修復(fù)兩類。開挖修復(fù)就是挖開路面后以新管道置換舊管道，然后將路面修復(fù)。開挖修復(fù)對(duì)城市交通產(chǎn)生影響，修復(fù)過程產(chǎn)生的噪音及粉塵干擾市民的正常生活。開挖修復(fù)施工時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，工程成本較高。近年來地下管道非開挖修復(fù)技術(shù)如內(nèi)襯法、纏繞法、裂管法、原位固化法及管片法等在我國(guó)城市管道修復(fù)中已有少量應(yīng)用［1，2］。內(nèi)襯法是在舊管道中直接拖入新管道，新管道多數(shù)用塑料管。內(nèi)襯法施工速度快，但因減少了過流斷面，新舊管之間空隙注漿填實(shí)施工較難。纏繞法是用工作井內(nèi)的制管機(jī)將聚氯乙烯板帶卷成螺旋形的圓管送入舊管，新舊管之間的空隙需注漿填實(shí)。碎管法修復(fù)是運(yùn)用氣壓、液壓或其他壓力設(shè)備破碎舊管道的同時(shí)拖入新管道，新管道采用塑料管。舊管道的碎屑被擠入土層中，碎管法適用于舊管道為易碎管材。碎管法施工速度快，但碎管設(shè)備的震動(dòng)會(huì)影響其他的管線設(shè)施，碎管碎屑對(duì)新管的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行會(huì)有影響。

注漿法在漏損管道的外側(cè)或裂縫部位直接注漿、封堵管道滲漏，注漿材料有無(wú)機(jī)漿及化學(xué)漿。采用高聚物注漿技術(shù)［3］對(duì)廣州大道南DN1200損壞的鋼筋混凝土污水管［4］進(jìn)行了注漿修復(fù)。該管段是瀝滘污水廠的一條進(jìn)水主干管，于2009年竣工，地面至管內(nèi)底深約8．5 m，施工工藝為頂管施工，無(wú)管基礎(chǔ)，每天收集城市生活污水10×104m3。該地段地下水位離地面約1．5 m，細(xì)粉的流沙多。由于流沙的常年流動(dòng)，造成了池滘村東側(cè)的119號(hào)檢查井與120號(hào)檢查井間管段的大部分管接頭部位下沉，2014年4月上旬共有26 m長(zhǎng)的10節(jié)污水管出現(xiàn)下沉，出現(xiàn)10處滲漏、破損及錯(cuò)位;污水管最大下沉量為650 mm。管頂鄰近路面塌陷面積約5 m2，塌陷深度為1．5 m，該污水管段基本失去污水收集與運(yùn)輸功能。破損的管線距離周邊房屋間距僅8 m，對(duì)房屋安全造成威脅。表1為污水管道沉降量測(cè)量結(jié)果。

表1 污水管道沉降量測(cè)量結(jié)果Tab．1 Results of Measurement of Sewage Pipeline Settlement

1 污水管道修復(fù)方案比選

1．1 開挖修復(fù)方案

如果采用開挖修復(fù)方案，需要完成以下工程內(nèi)容:① 電信管線、煤氣管線、軍用光纖管線及綠化樹木的遷移與回遷;②支護(hù)、外圍旋噴樁止水、底部旋噴樁封底、更換污水管道;③ 交通疏解。如此狹窄的范圍內(nèi)同時(shí)遷移各管線的難度大，明挖支護(hù)與施工止水是修復(fù)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。明挖修復(fù)方案總工程造價(jià)約410萬(wàn)元。

1．2 高聚物注漿非開挖修復(fù)方案

鑒于該段損壞管線對(duì)周邊環(huán)境影響大、其他管線多、施工環(huán)境復(fù)雜等因素，根據(jù)該管段損壞的實(shí)際情況，決定采用高聚物注漿非開挖修復(fù)方案。高聚物注漿技術(shù)為非開挖修復(fù)技術(shù)，高聚物注漿車輕便靈活，施工現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)。

2 非開挖注漿修復(fù)過程

2．1 主要設(shè)備、材料及工藝流程

2．1．1 主要機(jī)械設(shè)備與材料

小貨車2臺(tái)，用于裝運(yùn)機(jī)具及材料;潛水裝置2套，用于水下封堵施工作業(yè)及備用;48 kW發(fā)電機(jī)1臺(tái)，提供施工電源;2．2 kW通風(fēng)機(jī)2臺(tái)，用于水下作業(yè);挖掘機(jī)2臺(tái)，開挖檢查井邊土方及吊裝鋼板;2 m×3 m寬鋼板2塊，擋水及擋沙包。焊機(jī)2臺(tái)，焊接鋼板配件;管道閉路電視內(nèi)窺檢測(cè)設(shè)備(CCTV)1套，用于摸查污水管內(nèi)情況;非開挖技術(shù)設(shè)備全套，其中集成式高聚物注漿車寬為2．8 m，高聚物材料直接放置于車內(nèi)料桶，注漿車能實(shí)現(xiàn)100 m內(nèi)遠(yuǎn)距離注漿作業(yè)。

將雙組份高聚物凝固體材料浸泡于水中3個(gè)月，高聚物無(wú)降解及腐爛現(xiàn)象，濾出液中不含高聚物材料成分。分別將雙組份高聚物凝固體材料浸泡于10% 硫酸、10% 氫氧化鈉、乙醇及機(jī)油中時(shí)，高聚物凝固體材料體積損失率分別為5．4%、1．4%、3．6%及2．0%，表明高聚物材料抗化學(xué)及油脂腐蝕的性能優(yōu)良，具有較好的耐久性，實(shí)際地下工程中遇到類似化學(xué)及油脂腐蝕劑概率極小。

2．1．2 非開挖修復(fù)工藝流程

污水管道非開挖修復(fù)工藝流程為:修復(fù)范圍內(nèi)施工圍蔽→上游及下游檢查井裝沙包砌筑擋水→拆除檢查井井口→安裝井口加固鋼板→檢查井內(nèi)沙包堵水砌筑→1 300 mm氣囊封堵加強(qiáng)止水→潛水員下井摸查→清除積泥→CCTV檢測(cè)→非開挖高聚物注漿修復(fù)→清拆檢查井內(nèi)的封堵物及外運(yùn)→檢查井、地面及綠化修復(fù)。

2．2 注漿修復(fù)前的施工止水

在修復(fù)范圍內(nèi)先采用輕型井點(diǎn)降水，井點(diǎn)布置間距為1 m，再用潛水泵排出污水管道內(nèi)的積水。

2．3 導(dǎo)管注漿技術(shù)

利用探地雷達(dá)(GPR)檢測(cè)待修復(fù)的污水管道，確定漏損部位，檢測(cè)線為管道兩側(cè)邊沿線，沿管道縱向方向連續(xù)檢測(cè)。利用鉆孔設(shè)備在漏損管段兩側(cè)沿管道縱向等間距布置注漿孔，注漿孔間距為1 m、直徑16 mm，深度至管底、縱向垂直，水平孔位誤差應(yīng)小于50 mm。按相應(yīng)長(zhǎng)度截取注漿管，沿注漿孔插入注漿管至漏損部位，可以人工用手操作，也可以借助沖擊鉆操作。安裝好注射帽及注射槍后，按照配比將兩種高聚物材料通過輸料管道輸送到注射槍口，兩種高聚物材料在注射槍口混合，注漿壓力為7 MPa，混合的高聚物材料沿注漿管至漏損部位，迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，膨脹固化。注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)要求后立即關(guān)閉注射槍保險(xiǎn)，等待15 s以后使用專用工具分離注射槍及注射帽，切除露出地面的注漿管。15～20 min后，利用探地雷達(dá)進(jìn)行注漿后的檢測(cè)，分析注漿效果，如達(dá)不到預(yù)期效果，再次補(bǔ)注。利用高聚物導(dǎo)管注漿形成的注漿材料填充管道與土體間的空隙，擠密周圍土體，封堵管道滲漏部位。圖1為注漿孔布置示意圖。

圖1 注漿孔布置示意圖Fig．1 Schematic Diagram of Arrangement of Grouting Hole

2．4 導(dǎo)管注漿與膜袋注漿的復(fù)合注漿技術(shù)

2．4．1 高聚物膜袋樁與高聚物帷幕形成固沙體

利用探地雷達(dá)探測(cè)管段涌沙及滲漏位置，在漏損管段兩側(cè)沿管道縱向等間距布置注漿孔，注漿孔間距為300～500 mm，直徑為90 mm，利用鉆孔設(shè)備從地面向下鉆孔，注漿孔深度至管底以下100 mm。沿注漿孔插入兩根注漿管，一根注漿管底部綁扎膜袋，并用環(huán)箍將膜袋開口端與注漿管固定，膜袋直徑為40 mm，長(zhǎng)度為1 500 mm。通過注漿管向膜袋內(nèi)注射高聚物材料，高聚物在膜袋內(nèi)迅速膨脹并固化，形成高聚物膜袋樁。然后通過另外一根注漿管向膜袋樁間隙處注射高聚物材料，高聚物材料反應(yīng)膨脹固化后，在高聚物膜袋樁之間形成高聚物帷幕，高聚物膜袋樁與高聚物帷幕形成固沙體，防止排除管道積水時(shí)流沙涌入管內(nèi)。圖2為高聚物膜袋樁布置示意圖。

圖2 高聚物膜袋樁布置示意圖Fig．2 Schematic Diagram of Arrangement of Film Bag Pile

2．4．2 修復(fù)管道錯(cuò)縫滲漏

污水管道內(nèi)排除積水后，施工人員進(jìn)入管道內(nèi)，在錯(cuò)縫處安裝膜袋，膜袋數(shù)量由錯(cuò)縫長(zhǎng)度確定。按照從兩邊向中間的注漿順序，通過注漿管向每個(gè)膜袋內(nèi)注射高聚物材料，高聚物在膜袋內(nèi)迅速膨脹并固化，填充錯(cuò)縫處空隙，封堵管道錯(cuò)縫處的滲漏。在污水管道內(nèi)錯(cuò)縫處的兩側(cè)均勻布孔，鉆孔數(shù)量由管道滲漏脫空的現(xiàn)場(chǎng)情況確定。由注漿管向管道外脫空區(qū)域注射高聚物材料，高聚物材料反應(yīng)膨脹固化后，填充管道外脫空區(qū)。圖3為管道錯(cuò)縫滲漏修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖3 管道錯(cuò)縫滲漏修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig．3 Scene Diagram of Rehabilitation of Broken Joit of Sewage Pipeline

2．4．3 注漿抬升下沉的污水管道

利用管道閉路電視內(nèi)窺檢測(cè)技術(shù)(CCTV)對(duì)沉降的污水管探測(cè)檢查，確定沉降的位置及沉降量。對(duì)于需要抬升的管道，在管道內(nèi)的下沉端沿管道縱向以300～400 mm間距鉆膜袋布置孔，孔徑50～120 mm，孔深為200～400 mm。圖4為污水管道內(nèi)注漿孔布置示意圖。將注漿管放入膜袋開口端，并用環(huán)箍將膜袋開口端與注漿管固定，膜袋長(zhǎng)度應(yīng)大于孔深，膜袋直徑取100～400 mm，膜袋長(zhǎng)度取300～600 mm。將捆扎好的膜袋放入膜袋孔內(nèi)。圖5為注漿抬升下沉的污水管道示意圖。依次通過注漿管向膜袋內(nèi)注射高聚物材料，高聚物在膜袋內(nèi)迅速膨脹并固化，產(chǎn)生的巨大膨脹力抬升下沉的污水管道。圖6為注漿抬升下沉的污水管道現(xiàn)場(chǎng)施工圖。

圖4 污水管道內(nèi)注漿孔布置示意圖Fig．4 Schematic Diagram of Arrangement of Grouting Hole in Sewage Pipeline

圖5 注漿抬升下沉的污水管道示意圖Fig．5 Schematic Diagram of Lift of Sewage Pipeline Settlement

圖6 注漿抬升下沉的污水管道現(xiàn)場(chǎng)圖Fig．6 Scene Diagram of Lift of Sewage Pipeline Settlement

在膜袋孔連線的中間部位鉆注漿孔，孔徑16 mm，深度為污水管道壁厚，由注漿管向脫空區(qū)注射高聚物材料，高聚物材料迅速反應(yīng)，膨脹固化物填補(bǔ)因抬升污水管道形成的脫空區(qū)域，并對(duì)周圍軟土加固。

3 修復(fù)效果

廣州大道南DN1200鋼筋混凝土污水管修復(fù)工程歷時(shí)40天，共使用高聚物注漿材料865 kg。注漿修復(fù)前污水管道內(nèi)有多處滲漏，注漿修復(fù)后所有滲漏點(diǎn)停止?jié)B漏，下沉的污水管段提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高，污水管道恢復(fù)了污水收集與輸送功能。共修復(fù)10節(jié)污水管段，總長(zhǎng)為26 m，修復(fù)總費(fèi)用為105萬(wàn)元。圖7為修復(fù)前污水管道積水圖，圖8為修復(fù)后的污水管道圖。

圖7 修復(fù)前污水管道積水圖Fig．7 Photo of Accumulated Water in Sewage Pipeline

圖8 修復(fù)后的污水管道圖Fig．8 Photo of Repaired Sewage Pipeline

4 結(jié)語(yǔ)

(1)利用導(dǎo)管注漿技術(shù)將新型非水反應(yīng)高聚物注入管道與土體間的空隙，擠密周圍土體，能有效封堵管道滲漏部位。

(2)導(dǎo)管注漿與膜袋注漿的復(fù)合注漿技術(shù)能有效抬升沉降的管道，穩(wěn)定污水管道滲漏段的流沙，加固管道滲漏段的管基礎(chǔ)，恢復(fù)污水管道的營(yíng)運(yùn)功能。

(3)所研發(fā)的新型非水反應(yīng)高聚物注漿材料具有反應(yīng)快、膨脹率高、防滲性能優(yōu)、柔韌耐久、無(wú)污染及成本低等特點(diǎn)。

城市管線是城市的生命線，城市管線的損壞使城市工作與生活不能正常運(yùn)行。高聚物注漿技術(shù)在廣州大道南的工程修復(fù)實(shí)踐表明，當(dāng)?shù)叵鹿艿莱霈F(xiàn)水平方向錯(cuò)位、垂直方向錯(cuò)位或局部滲漏時(shí)，非開挖注漿修復(fù)技術(shù)具有省投資、省工期及施工過程環(huán)境友好的特點(diǎn)。

［1］李碧清，唐瑤，馮新，等．廣州市城市河涌生態(tài)恢復(fù)的工程實(shí)踐［J］．中國(guó)給水排水，2011，27(22):76-78．

［2］吳堅(jiān)慧．排水管道檢測(cè)評(píng)估與非開挖修復(fù)設(shè)計(jì)方案［J］．凈水技術(shù)，2012，31(4):158-162．

［3］石明生，馬小躍，王復(fù)明．高聚物注漿技術(shù)在水泥混凝土道路維修中的應(yīng)用［J］．河南科學(xué)，2010，28(1):74-77．

［4］李碧清，唐瑤，唐霞，等．廣州市排水系統(tǒng)存在的問題與對(duì)策［J］．廣東科技，2013，22(2):175-176．