地下管道脫空滲漏高聚物注漿抬升修復與數(shù)值分析

徐建國，胡會明，李松濤，李耀軍

（鄭州大學 水利與環(huán)境學院，河南 鄭州450002）

地下管網(wǎng)是現(xiàn)代化城市不可或缺的重要基礎設施，是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎和不可缺少的生命線，其肩負著城市污水、雨水排放的重任。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，城市建設的規(guī)模越來越大，鋪設的地下管道也越來越長，管道剩余的使用年限也越來越短。近年來，隨著人們對現(xiàn)代文明意識和環(huán)保意識的加強，地下管道的安全性受到越來越多的關(guān)注。然而目前管道老化、破壞現(xiàn)象日益嚴重，每年僅因管道滲漏造成的直接或間接經(jīng)濟損失可達數(shù)十億元［1-2］?，F(xiàn)有地下管道維修方法主要有兩類：一類是開挖修復方法；另一類是非開挖修復方法。開挖修復方法指開挖破損管道上方土層，對破損管道進行局部修復或整體更換新管道的方法。雖然該方法可以有效解決管道沉降問題，但這類方法施工成本高、工期長、施工區(qū)居民生活和交通受到嚴重干擾。非開挖修復方法主要有原位固化法、穿插法、爆管法、折疊內(nèi)襯法和噴涂法等［3-4］。雖然這些方法可以在一定程度上解決地下管道結(jié)構(gòu)病害及滲漏水問題，但都或多或少地存在著造價高、工期長、施工難度大、施工質(zhì)量不易控制、無法根治病害等問題。因此，研發(fā)施工快捷、環(huán)境影響小、成本較低、實用可靠的地下管道非開挖修復新技術(shù)已成為我國地下管道養(yǎng)護領域亟待解決的重要問題。

鄭州大學河南省巖土工程檢測與防護重點實驗室課題組借助高聚物材料具有高膨脹性的特點［5-6］，研發(fā)了地下管道沉降抬升注漿技術(shù)，為地下管道的沉降修復提供了新的非開挖技術(shù)手段。與傳統(tǒng)開挖維修技術(shù)相比，該項技術(shù)具有施工速度快、造價低、基本不影響道路交通和周圍環(huán)境等優(yōu)點，是一項值得推廣的管道沉降滲漏修復技術(shù)。

本文基于“廣州市廣州大道下水管道高聚物注漿修復脫空滲漏”工程實例，通過建立地下管道-高聚物修復材料-土體數(shù)值分析模型，并考慮土體材料的非線性特性和接觸摩擦特性等，對比計算了高聚物注漿修復前后、在靜力荷載和地震動力荷載下管道的受力和變形特性。為采用高聚物注漿技術(shù)治理地下管道沉降與脫空滲漏病害提供理論依據(jù)。

1 地下管道脫空與滲漏病害治理高聚物注漿技術(shù)

軟弱土層、流沙、地下暗河等地質(zhì)條件將直接導致地下管道滲漏與沉降等病害，針對這種情況，課題組研發(fā)了地下管道接觸滲漏治理高聚物導管注漿技術(shù)、高聚物膜袋注漿與導管注漿結(jié)合的復合注漿技術(shù)、以及地下管道沉降抬升注漿技術(shù)等［7-11］。其技術(shù)原理是：首先用探地雷達（GPR）快速檢測地下管道與土體接觸滲漏病害位置；然后在滲漏位置兩側(cè)地表鉆孔，將注漿管下到管道滲漏位置，向其脫空與滲漏位置注射高聚物，注射到位的高聚物材料迅速發(fā)生反應、膨脹固化、封堵滲漏、填充脫空，同時抬升由于脫空而沉降的管道，從而治理管道與土體接觸滲漏病害（圖1為管道內(nèi)注漿抬升治理滲漏示意圖）。

2 地下管道沉降與脫空滲漏病害治理高聚物注漿修復數(shù)值分析

為對比高聚物注漿修復滲漏管道前后的工作狀況和受力變形特性，通過建立“地下管道-高聚物注漿材料-土體”有限元數(shù)值計算模型，開展地下管道沉降與脫空高聚物注漿修復前后受到靜力及地震荷載作用下的數(shù)值計算分析對比。本文以實際工程項目“廣州市廣州大道南污水管道高聚物沉降抬升修復項目”為計算模型。廣州市廣州大道污水主干管始建于2004年，現(xiàn)已運行11a。由于該區(qū)域存在軟弱土層、流沙和暗河等不良地質(zhì)條件，污水管網(wǎng)在建成后出現(xiàn)不均勻沉降，造成管段連接處發(fā)生錯位、漏水等病害。污水管道材質(zhì)為鋼筋混凝土，內(nèi)徑1.4 m，外徑1.6m，管道沉降最大深度達0.6m，沉降脫空區(qū)域長度14m，已不能正常運行。通過采用高聚物導管注漿進行污水滲漏治理和沉降抬升修復，現(xiàn)管道已恢復正常輸水運行狀態(tài)，取得了很好的治理效果。

圖1 高聚物注漿填充脫空示意圖

2.1 有限元模型的建立

利用ABAQUS軟件進行數(shù)值分析，采用20節(jié)點等參單元對埋管結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格剖分［12-13］，其中周圍土體材料、管道與高聚物填充材料均按照不同材料組設定，在有限元建模分析中土體材料采用Mohr-Coulomb模型，管道與周圍土體及高聚物材料間設置接觸單元（圖2為埋管結(jié)構(gòu)計算模型，圖3為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分）。高聚物注漿材料的密度為0.2g／cm3，彈性模量為20MPa，抗拉和抗壓強度分別為2.12MPa和2.94MPa；管道混凝土重度23kN／m3，彈模25 000MPa，抗拉和抗壓強度分別為2.0 MPa和30MPa。按照管道底部脫空和脫空處注漿填充高聚物材料兩種情況分別計算管道所受到的最大拉應力、壓應力、剪應力和管道位移。分為2種工況計算：（1）埋管結(jié)構(gòu)受到自重及上部荷載作用；（2）埋管結(jié)構(gòu)自重及上部荷載作用再施加底部地震荷載。地震加速度采用El-centro波調(diào)幅0.05g（廣州地區(qū)地震烈度6度），地震加速度沿結(jié)構(gòu)底面水平向輸入，整體阻尼矩陣按瑞利阻尼。

圖2 埋管結(jié)構(gòu)計算模型

圖3 埋管結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分

2.1.1 基本假定

有限元計算分析中采用如下假定

（1）建立埋管結(jié)構(gòu)三維空間模型，并考慮了初始地應力的影響；

（2）埋管周圍土體采用Mohr-Coulomb模型模擬材料的彈塑性特性；

（3）管道、土體與高聚物材料間均設置接觸單元。

2.1.2 高聚物材料力學參數(shù)

從早上6點到晚上9點，幾乎排滿了各類課程和修行任務，天天如此，年年如此。寺院全年有兩次假期，春節(jié)放假后，2月10日得準時回寺；6月1日放暑假后，25日得回寺。

根據(jù)非水反應類聚氨酯高聚物材料的彈性模量與密度試驗，以及材料抗拉、抗壓強度與密度關(guān)系試驗，所得的試驗結(jié)果見表1，以及圖4、圖5。

表1 高聚物材料彈性模量與密度關(guān)系

2.1.3 周圍土體材料

周圍土體材料應力應變關(guān)系可采用Mohr-Coulomb模型［14-15］，線彈性模型基于廣義胡克定律，其本構(gòu)方程為：

圖4 高聚物材料抗拉強度與密度關(guān)系

圖5 高聚物材料抗壓強度與密度關(guān)系

式中：σ為應力分量向量；εel為應變分量向量；Del為彈性矩陣。

Mohr-Coulomb模型屈服準則為：

式中：τ為剪切強度；c為材料的黏聚力；σ為正應力；φ為材料的內(nèi)摩擦角；各參數(shù)值見表2。

把τ和σ代入式（2），則Mohr-Coulomb準則可寫為：

式中：s為大小主應力差的一半，即為最大剪應力；σm為大小主應力的平均值，因此，Mohr-Coulomb屈服準則假定材料的破壞與中應力無關(guān)。典型的巖土材料的破壞受中應力的影響，但這種影響比較小，所以，對于大部分的應用來說，Mohr-Coulomb屈服準則具有足夠的精度。

表2 土基材料與基巖參數(shù)表

在周圍土體、管道與填充高聚物之間設置接觸單元，來模擬界面間產(chǎn)生的相對錯動、滑移與分開等狀態(tài)。如設Fs和Fn分別為接觸單元間的摩擦力和法向力，Kt為黏性系數(shù)，Kn為法向剛度，u為切向位移，d為接觸點距離。

2.2 計算結(jié)果與分析

2.2.1 埋管高聚物注漿抬升修復受力分析

當埋管結(jié)構(gòu)由于管道脫空滲漏而無法正常工作時，采用高聚物注漿修復方法，一方面高聚物材料具有自膨脹特性對沉降管道結(jié)構(gòu)抬升復位，同時高聚物材料對管道下的脫空區(qū)域也進行了填充，治理了滲漏且修復了病害。通過數(shù)值計算分析表明，管道在注漿抬升過程中受力平穩(wěn)且管道應力均在安全范圍內(nèi)。修復過程中管道所受最大拉應力位于管道內(nèi)壁頂部，最大值為1.579MPa；管道所受最大壓應力位于管道左右內(nèi)壁，最大值為2.992MPa。地下埋管在高聚物注漿修復過程管道荷載施加如圖6所示；管道的最大拉、壓應力圖如圖7、圖8所示。

圖6 高聚物注漿抬升修復管道荷載施加

2.2.2 靜力荷載下埋管結(jié)構(gòu)修復前后受力分析

埋管結(jié)構(gòu)在管道脫空與填充高聚物兩種情況下受靜力荷載時管道內(nèi)的最大拉、壓應力與剪應力圖見圖9～圖14，兩種情況下管道內(nèi)最大拉、壓應力及剪應力值見表3所示。

圖7 管道高聚物注漿抬升修復過程最大拉應力

圖8 管道高聚物注漿抬升修復過程最大壓應力

圖9 脫空情況下管道最大拉應力

圖10 填充高聚物情況下管道最大拉應力

圖11 脫空情況下管道最大壓應力

圖12 填充高聚物情況下管道最大壓應力

圖13 脫空情況下管道最大剪應力

圖14 填充高聚物情況下管道最大剪應力

表3 靜力荷載下管道內(nèi)的最大拉應力、壓應力及剪應力對比 單位：MPa

2.2.3 地震及靜力荷載下埋管結(jié)構(gòu)修復前后受力分析

埋管結(jié)構(gòu)在管道脫空與填充高聚物兩種情況下受地震及靜力荷載作用下最大拉、壓應力圖見圖15～圖18，兩種情況下管道內(nèi)最大拉、壓應力值見表4。圖19和圖20分別為管道最大拉應力和最大壓應力時程曲線。圖21和圖22分別為管道橫向和豎向動位移時程曲線。

表4 靜力和地震荷載下管道內(nèi)的最大拉應力、壓應力及水平位移對比

圖15 脫空情況下管道最大拉應力

圖16 填充高聚物情況下管道最大拉應力

圖17 脫空情況下管道最大壓應力

圖18 填充高聚物情況下管道最大壓應力

3 結(jié) 論

（1）埋管的最大拉應力、最大壓應力和最大剪應力在填充高聚物后均比脫空情況下有明顯減小，且埋管脫空情況下的管道內(nèi)最大拉應力甚至已接近應力強度極限。

圖19 地震荷載下管道修復前后最大拉應力時程

圖20 地震荷載下管道修復前后最大壓應力時程

圖21 地震荷載下管道修復前后豎向位移時程

圖22 地震荷載下管道修復前后水平向位移時程

（2）埋管的最大拉應力、最大壓應力、豎向和水平動位移值在填充高聚物后均比脫空情況下有明顯減小，且埋管脫空情況下的管道內(nèi)最大拉應力已超過應力極限強度。

（3）埋管結(jié)構(gòu)在填充高聚物過程中最大拉應力為1.579MPa，最大壓應力為2.992MPa，均小于管道的應力強度極限，可見高聚物注漿修復過程是簡便、快捷和安全的。

（4）埋管結(jié)構(gòu)在管道脫空與填充高聚物兩種情況下，不論是在靜力荷載或地震動力荷載作用下，高聚物注漿填充管道脫空后，管道內(nèi)最大拉應力、壓應力、剪應力、管道水平與豎向位移均有較大幅度減小，說明高聚物注漿修復地下管道沉降脫空滲漏后，埋管結(jié)構(gòu)中管道受力更趨合理、管道也更加安全穩(wěn)定，達到了很好的修復治理效果。

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