淺析紫外光固化內(nèi)襯修復技術在集水管中的應用

李輝輝 段景凡 雷江鎖

（陜西中科非開挖技術股份有限公司 西安710065）

引言

城市排水管網(wǎng)是城市基礎設施的重要組成部分，大量的排水管道在投入運營若干年后，由于外力或自身使用壽命等原因，都會不可避免地出現(xiàn)破壞或泄漏事故，傳統(tǒng)處理手段一般為開挖維修或更換。老舊管網(wǎng)基本身處城市主干道下或構(gòu)筑物邊緣，維修或更換等工作將牽扯路政、地面障礙物拆除及恢復、公眾協(xié)調(diào)等諸多因素。而且管道的局部破損造成整體運營失效的情況下，予以整體更換成本支出過大。正是在這樣的背景下，管道嚴重不均勻沉降等引起排水管道損壞，再加上管道中的腐蝕性污水、有害氣體等影響，每天過往車輛造成路面振動，從而易造成地下管道產(chǎn)生裂縫、破壞、接頭錯位和管內(nèi)腐蝕現(xiàn)象，如果不采取有效措施，管道內(nèi)的地下水滲漏會日趨嚴重［1－3］。

近幾年，排水管道主管部門對市區(qū)內(nèi)在線排水管道進行大范圍的CCTV（Closed Circuit Television Inspection）檢測和疏通，對運行現(xiàn)狀進行了評估，發(fā)現(xiàn)許多問題，并發(fā)現(xiàn)了部分可能產(chǎn)生事故的管道，提出了修改計劃。集水管（雨篦子集水井到雨水主管道之間的連接管道）有如下3個特點：管道結(jié)構(gòu)強度適中；管道埋設深度相比于其他排水管道較淺；管道材質(zhì)多為預應力混凝土。所以在過往車輛和生活垃圾等因素的影響下管道發(fā)生管身滲漏、膠圈脫落、接口錯位、管身腐蝕等破壞［4］。本文介紹紫外光固化修復技術在集水管中的應用。

1 CIPP紫外光固化法

1.1 CIPP紫外光固化法原理介紹

CIPP（cured in place pipe）是英文現(xiàn)場固化法的簡稱，是一種采用非開挖修復的方法，對排水管道、給水、煤氣等管道進行內(nèi)襯修復的技術。紫外光固化內(nèi)襯修復技術是CIPP內(nèi)襯技術的一種，不僅具有密封的功能，還具有加強結(jié)構(gòu)的作用。該方法具有無需任何開挖，施工速度快，結(jié)構(gòu)強度強，修復后沒有接頭、表面光滑形成連續(xù)內(nèi)襯，可增加管道的整體性，通過燈架前面的攝像頭可實時觀察固化過程中管道內(nèi)部的情況，因此有利于施工的質(zhì)量控制等優(yōu)點。集水管紫外光固化修復前后對比如圖1。

圖1 集水管修復前和修復后Fig.1 The rehabilitation image before and after in water collecting pipe

1.2 紫外光固化的材料

（1）玻璃纖維：ECR（E-glass of Chemical Resistance）－玻纖 （鈣鋁矽酸鹽玻纖），耐酸堿防化學腐蝕，無粘合劑、無化學試劑；

（2）樹脂：使用高品質(zhì)UP（Unsaturated Polyester）和 VE（Vinyl ester resin）不飽和樹脂（內(nèi)含光子觸發(fā)劑），耐酸堿防化學腐蝕。

1.3 紫外光固化內(nèi)襯材料的組成、結(jié)構(gòu)和特性

（1）材料組成：由玻璃纖維無縫編織成管狀形狀，浸漬樹脂后形成。

（2）材料結(jié)構(gòu)：內(nèi)膜、外膜、玻璃纖維增強層、保護膜。

（3）材料特性：以德國薩泰克斯生產(chǎn)的Liner成品軟管為例，接口處采用縫接方式，固化后力學性能為：初始彈性模量至少可達到12000N／mm2，長時彈性模量為8500N／mm2，短時彎曲拉應力為350N／mm2，長時彎曲拉應力為255N／mm2，衰減因子為1.35，耐酸堿腐蝕pH值2～14，使用年限大于 50年［5］。

1.4 紫外光固化內(nèi)襯修復厚度的設計

集水管作為雨水管道的支線是不受壓力影響的，且一般距離較短，埋深也不是很深，管徑不大，一般為DN300～DN400。如果決定修復集水管，一般進行半結(jié)構(gòu)修復（原有管道大部分結(jié)構(gòu)完整，尚能承受外部土壓力及地面動載荷），所以內(nèi)襯管的壁厚應按照式（1）進行計算，且厚度不得低于 3mm［6，7］。

式中：t為內(nèi)襯管的計算壁厚（mm）；EL為內(nèi)襯管的長期彎曲彈性模量（MPa）；D為舊管道的平均內(nèi)徑（mm）；Dmin為舊管道的最小內(nèi)徑（mm）；Dmax為舊管道的最大內(nèi)徑（mm）；N為安全系數(shù)，推薦取值2.0；QW為管中心的地下水壓力（MPa），位于地下水位以上時可近似按HW＝H／2計算；HW為管頂以上地下水位高度（m）；H為管頂以上覆土厚度（m）；u為管材泊松比，推薦取值0.3；K為圓周支持率，推薦取值7.0；q為舊管道的橢圓度，最小值取0.02；C為橢圓度折減因子。

2 工程概況

本工程為成都市某路的雨、污水管道采用非開挖技術進行施工。其中紫外光內(nèi)固化技術修復管道包括：DN300污水管長53m、DN400污水管長400.5m、DN500污水管長30m，全路段污水管道總長度483.5m；DN600雨水管長 104m、DN700雨水管長30m，全路段雨水管道總長134m，雨污水管的材質(zhì)都是鋼筋混凝土。新建翻排DN300（開槽開挖深度3.6m）總長度158m；檢查井灰漿離心噴涂55個，約863m2。整個工程包含工種多，線路長，環(huán)境保護要求高，為盡量減小交通壓力，基本都是在夜間施工。且經(jīng)CCTV檢測后管道內(nèi)部垃圾較多，管道內(nèi)壁腐蝕嚴重。

3 CIPP施工過程

紫外固化技術全稱為管道原位修復拉入式紫外固化修復技術，其工藝原理為：采用卷揚機把碾壓好樹脂的玻璃纖維軟管拉入待修的舊管道中，接著用高壓風機使固化材料張開緊貼舊管內(nèi)壁，然后使用紫外照射固化軟管，形成一層堅硬的“管中管”結(jié)構(gòu)，從而使己發(fā)生的破損或失去輸送功能的地下管道在原位得到修復。圖2為CIPP施工流程。

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

3.1 施工準備

1.現(xiàn)場勘查

施工前期，對舊管道進行CCTV內(nèi)窺檢測（堵塞嚴重的須先疏通），查看其舊管道變形、破損情況，量測（多次）舊管管徑，準確地量測集水管的長度，然后提前向材料生產(chǎn)廠家做出具體管道情況說明，定制玻璃纖維內(nèi)襯固化材料。設備進場，并調(diào)試到最佳狀態(tài)。如果不出現(xiàn)大雨天或其他特殊情況，集水管不會出現(xiàn)大的流水量，故施工前一般不需要對集水管進行封堵或?qū)Я鳌?/p>

2.管道清淤、沖洗及CCTV檢測

對施工段管線進行清淤除污作業(yè)，配備合適射流頭的高壓水射流機、抓耙機等單一或幾種有機組合的方式進行疏通、沖洗。發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)壁存在較大凸起、管口錯位等缺陷時應先進行局部處理，目前局部處理最好的辦法就是應用銑刀機器人來處理，然后再用高壓射流沖洗車沖洗。用CCTV檢測管道內(nèi)壁是否達到管道修復條件，如果達標則錄制完整的視頻，并存儲管道全程檢測影像資料。影像資料應清晰、能對管道缺陷進行準確定位與判斷。

3.扎頭的制作

路邊安裝雨篦子的集水井一般有0.5m寬，用常規(guī)的扎頭是不能放入集水井中的，這就需要制作特種的扎頭來滿足施工需求。依據(jù)要求設計了滿足施工要求要求的扎頭，以DN300的管徑為例，設計示意如圖3。設計的扎頭已經(jīng)應用于實際工程，取得了良好的效果，提高了施工效率。

圖3 扎頭示意Fig.3 Schematic of tie head

3.2 紫外固化作業(yè)

1.拉入底膜

底膜的功能是為了保護固化材料的外壁，并減少固化材料進入主管道的摩擦力。底膜可防止固化材料在拉入過程中被凸起物劃傷，出現(xiàn)破損。將底膜卷放在支架上，用繩子將防護膜拉入需要修復管道的底部，并在井底固定。

2.綁扎頭并拉入固化材料

集水管相對來說都較短，且靠近路邊道牙的集水井較窄，應用一般扎頭無法放入集水井內(nèi)捆綁扎頭，所以在井口地面要綁好扎頭，固化材料在地面鋪平后，一端安裝自行制作的特種扎頭，一端安裝一般扎頭，兩端扎頭捆綁好后將特種扎頭端從雨水檢查井中拉入到路邊道牙的雨篦子集水井中。固化材料拉入時應沿管底的底膜將固化材料平穩(wěn)、平整、緩慢地拉入舊管道，拉入速度不得大于5m／min。一般扎頭端安裝好后連接風機與扎頭之間的氣管、氣壓表管。

3.充氣

啟動光固化車上的風機控制鍵，通過供氣固化材料給內(nèi)襯固化材料充氣，依靠空氣壓力使內(nèi)襯固化材料緊貼管道內(nèi)壁，開始時風機風量調(diào)到20%，固化材料開始充氣，當壓力上升至平穩(wěn)時，每次增加1%風量，當風壓開始下降時再加1%，直到固化材料緊貼管道內(nèi)壁，迅速打開一般扎頭端將4×600W紫外光燈架（由于集水管距離短，故選用4×600W紫外光燈）放入扎頭內(nèi)。合上扎頭蓋板鎖緊開始進行二次加壓，加壓過程中每當風壓升高10kPa時，注意保壓約5min，直到達到操作壓強后，先將燈架拉至管道另一端，然后維持該壓強約10min。加壓過程中應防止玻璃纖維固化材料過度膨脹或出現(xiàn)褶皺。

4.紫外固化

保壓完成后開始固化，首先間隔40s順次自動打開燈架上4個UV燈，將燈架的初始運行速度設定為0.2m／min，等待燈架上的第二個溫度傳感器的溫度顯示超過80℃，開始啟動燈架回拉，當溫度升高到一定值開始下降時，開始加快燈架速度0.05m／min，如此重復，直到達到規(guī)定的速度，當?shù)焦袒K點端1m時開始降低燈架速度0.1m／min直到 0.15m／min，接著直至終點。固化過程中內(nèi)襯管內(nèi)部應保持壓力均衡，使內(nèi)襯管與原有管道緊密切合。燈架回拉至檢查井管口后停止約3min～5min后順次自動關掉4個燈。整個固化過程可通過操作臺上的視頻觀察，如圖4所示。

圖4 固化過程操作界面Fig.4 Operation interface of curing process

5.端頭處理

內(nèi)襯管固化完成后，緩慢降低管內(nèi)壓力至20%時，保持2min～3min，吹散內(nèi)襯材料內(nèi)的熱氣和水蒸氣等，接著繼續(xù)緩慢降低管內(nèi)壓力至大氣壓，關掉風機。拆除扎頭、通氣管道、測壓管道，拉出紫外燈架。采用專用工具切除內(nèi)襯管兩端的多余材料，要求端頭平整，接著拉出內(nèi)膜。將切除后兩端毛邊進行修整處理后用速凝水泥均勻涂抹四周，確保內(nèi)襯管與老管道間不會有滲漏現(xiàn)象發(fā)生，清理固化作業(yè)現(xiàn)場。

3.3 工程檢測驗收

根據(jù)非開挖行業(yè)標準《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復更新工程技術規(guī)程》（CJJ／T 210－2014）的相關規(guī)定：需要對紫外光固化非開挖修復后的管道進行厚度、外觀檢側(cè)，需進行閉氣或者閉水試驗［8，9］。同時需對內(nèi)襯管樣品進行短期力學性能試驗（目前在國內(nèi)依據(jù)CJJ／T 210－2014為主，以DIN EN ISO 11296－4［10］為輔，在國內(nèi)短期力學性能和測試方法按表1中的規(guī)定進行）。而閉氣試驗則根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB 50268－2008）中的相關規(guī)定進行［11］。

（1）內(nèi)襯管內(nèi)壁外觀檢查：采用CCTV檢測設備進行新管道內(nèi)部檢測，拍攝內(nèi)襯管內(nèi)壁影像資料并保存。且管壁應光滑、連續(xù)、平整，無局部劃傷、裂紋、磨損、孔洞、起泡、干斑、褶皺、拉伸變形和軟弱帶等影響管道結(jié)構(gòu)、使用功能的損傷和缺陷。

（2）內(nèi)襯管厚度檢查：從光固化施工現(xiàn)場取樣送到專門的檢測機構(gòu)（如上海萊茵公司）通過掃描電子顯微鏡來檢查材料厚度、玻纖層的厚度及壓實情況，內(nèi)襯管的平均厚度不得小于設計壁厚，任意點的壁厚不應小于設計值的90%。

（3）內(nèi)襯管樣品進行短期力學性能及水密性試驗（以DIN EN ISO 11296－4和德國 DWAA 143－3標準［12］為依據(jù)）：材料檢測試樣的尺寸為軸向約35cm～40cm，環(huán)向是20倍的厚度。力學性能測試主要做三點彎曲試驗和拉伸試驗，通過三點彎曲試驗可測出材料的短期抗彎強度和短期彎曲彈性模量，如果要長期彎曲彈性模量，就需要用短期彎曲彈性模量除以蠕變系數(shù)，其中蠕變系數(shù)通過10000h試驗獲得；通過拉伸試驗獲得材料的抗拉強度。此外水密性測試主要測試固化材料是否透水［12］。

表1 含玻璃纖維原位固化法內(nèi)襯管的短期力學性能要求和測試方法Tab.1 Short-term mechanical performance requirements and testmethods for in-situ curing of liner containing glass fibers

4 結(jié)語

1.紫外固化內(nèi)襯非開挖修復管道技術與傳統(tǒng)的“挖槽埋管法”相比，具有不破壞環(huán)境、不影響交通、施工安全性好、周期短、社會效益顯著等優(yōu)點。

2.修復后的管道內(nèi)表面光滑，抗腐蝕性能得到改善，結(jié)構(gòu)得到加強，同時管道使用壽命也得以延長。紫外光固化修復技術有效地解決了原管道加固修復的實際問題，并取得了良好的效果。

3.埋地老管道隨著使用年限的延長出現(xiàn)問題的概率將會越來越大，但伴隨紫外光固化修復技術的出現(xiàn)和發(fā)展，這些問題將會得到很好的解決，給行人營造安全放心的道路環(huán)境。

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［8］遆仲森，馬保松，舒彪，等.排水管道原位固化法修復內(nèi)襯管的施工質(zhì)量驗收研究［J］.給水排水，2012，38（1）：93－96 Ti Zhongsen，Ma Baosong，Shu biao，et al.Research on construction quality testof the drainage pipe lining tube rehabilitation by cured-in-place pipe［J］.Water Supply and Drainage，2012，38（1）：93－96

［9］CJJ／T 210－2014城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復更新工程技術規(guī)程［S］CJJ／T 210－2014 Technical specification for trenchless rehabilitation and renewal of urban sewer pipeline［S］

［10］DIN EN ISO 11296－4 Plastics piping systems for renovation of underground non-pressure drainage and sewerage networks－Part 4：Lining with cured-in-place pipes［S］，2011

［11］GB／T 50268－2008給水排水管道工程施工及驗收規(guī)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