上海市《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復技術標準》解讀

郁片紅，莊敏捷，曹依雯，王詩峰，包松慰

(1.上海市城市建設設計研究總院<集團>有限公司，上海 200125; 2.上海市排水管理事務中心， 上海 200001)

郁片紅，上海市城市建設設計研究總院環(huán)交院副總工，正高級工程師。長期從事排水工程設計與研究工作，近年來主持了多項排水管道檢測與修復的設計與研究工作。作為課題負責人完成上海市科委課題“排水管道檢測修復技術研究”，主參編國家或行業(yè)(團體)標準18項，包括主編上海市地方標準《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復技術標準》(DG/TJ 08-2354-2021)、CECS團標《排水檢查井非開挖修復工程技術規(guī)程》，參編國標《地下雨污水非壓力管網(wǎng)更新用塑料管道第 4 部分:原位固化內(nèi)襯法》、行標《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術規(guī)程》(CJJ 181-2012)修訂等。獲得國家行業(yè)優(yōu)秀標準設計二等獎、上海市技術發(fā)明獎二等獎、華夏建設科學技術獎二等獎等國家和省部級獎勵15項，發(fā)表學術論文14篇，獲得專利14項。

1 編制背景

“十三五”期間，我國在水環(huán)境治理方面持續(xù)加大投入，開展了黑臭水體治理、海綿城市建設，然而“黑臭在水里，根源在岸上，關鍵是排口，核心是管網(wǎng)”，管道問題未能有效解決，制約了河道整治成果的鞏固和進一步提升。近年來，國家相關文件多次強調了城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)的重要性，2019年5月住建部等三部委聯(lián)合發(fā)布《城鎮(zhèn)污水處理提質增效三年行動方案》，2021年6月國家發(fā)改委、住建部等部門聯(lián)合發(fā)布《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》提出“補齊短板，提高效能”，推進管網(wǎng)病害診斷與修復。

上海作為國際化大都市，是我國最早建設排水管道的城市之一。經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，中心城區(qū)的排水系統(tǒng)已趨于完善，基本實現(xiàn)了管道全覆蓋。據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，截至2020年底上海市排水管道總長度2.9萬km。當前，上海市排水管道中90%以上主管管齡已超過10年，其中大部分管道建于20世紀70—80年代。部分排水管道由于建設年代較早，結構損壞問題較嚴重，外部及地下水滲入問題突出，影響了排水系統(tǒng)功能的發(fā)揮。上海市中心交通繁忙、地下管線錯綜復雜，管道采用開挖改造成本大，還會對周邊交通和環(huán)境造成巨大影響。因此，亟需利用非開挖技術對管道進行修復，以恢復管道功能，延長管道壽命。

2012年，上海市排水管理事務中心會同上海市城市建設設計研究院組織有關單位共同編制了《上海市城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復技術實施指南》。2014年，住建部發(fā)布行業(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)[1]，自2014年6月1日起實施。該標準作為全國城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復更新工程技術規(guī)程在推動國家排水管道修復中發(fā)揮了重要作用。但由于時間因素及當時的技術條件，標準無法完全適用上海市地方需求，且部分參數(shù)及分類不太合適，需要結合上海當?shù)貑栴}和需求對其內(nèi)容進行更新。

近年來，上海排水管道非開挖修復技術飛速發(fā)展，3S模塊法、熱塑成型法、新型噴涂法等一批新技術被應用于管道修復中，為了滿足本市排水管理、設計、施工等單位對排水管道非開挖本修復技術標準的新需求，經(jīng)上海市住建委同意，將《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復技術標準》(以下簡稱《標準》)編制納入了2018年度地方標準編制計劃?！稑藴省肪幹平M在系統(tǒng)調研國內(nèi)外排水管道非開挖修復技術的基礎上，結合我國現(xiàn)行的行業(yè)技術標準和上海市實際，解決了技術標準編制的“難”，重點突出了“異”，完成了《標準》編制任務，并實現(xiàn)了技術創(chuàng)新。

2 本標準編制的“難”

國內(nèi)原有技術標準未根據(jù)不同管道材料類型、結構形式及施工工藝等，形成完整的技術體系，隨著大量新技術的應用，已不能完全滿足技術應用需求；個別術語定義不清晰，部分公式參數(shù)和數(shù)值有待補充和調整。上述問題導致排水管道非開挖修復從工程設計、技術選取、現(xiàn)場施工和質量控制等多方面存在較多難點，為此，本次標準的制定過程中從“難”中入手，具體表現(xiàn)如下。

2.1 修復技術種類繁多，需要研究建立技術體系

近年來，非開挖修復技術發(fā)展較快，現(xiàn)有非開挖修復技術繁多，存在設計、施工、驗收、維護、選材等環(huán)節(jié)隨意性較大，相互之間脫節(jié)等問題。相關標準對修復技術分類不統(tǒng)一，個別技術施工方法不規(guī)范，需對修復技術進行梳理、歸類，從系統(tǒng)的角度建立適合于上海市排水管道非開挖修復新技術要求的技術體系。

2.2 存在概念不清問題，術語定義有待完善

已有修復工藝介紹中存在概念不清問題，如半結構性修復、結構性修復的術語表述源于國外翻譯，沒有充分對其概念的內(nèi)涵及定義給出說明，易引起誤解或偏差。尤其是半結構性的術語定義沒有體現(xiàn)出內(nèi)襯需要承擔荷載的具體設計要求和工程條件等內(nèi)涵，有待完善。

2.3 計算公式還需補充完善

原標準中主要列出了原位固化法、螺旋纏繞法等技術的計算方法[1]。對于管片拼裝內(nèi)襯、不銹鋼管片內(nèi)襯等復合結構和中空壁管(短管內(nèi)襯法)，還需補充相關計算公式，以完善公式系列。同時，原位固化法原公式中地下水壓力取值為內(nèi)襯管管頂，但對于大口徑管道，管頂與管底的地下水壓力差值明顯，取值為管頂不利于安全。此外，還存在原位固化法計算公式復雜，噴涂(筑)法缺少噴涂厚度參考值，不便于工程技術人員使用等問題。

2.4 材料性能有所提高，部分指標需作研究調整

近年來隨著技術進步，通過調研發(fā)現(xiàn)，紫外光原位固化法所用玻纖材料性能有了很大提高，材料的彎曲強度、彎曲模量、抗拉強度等技術指標應考慮目前行業(yè)內(nèi)大多數(shù)材料生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品所能達到的性能，重新調整。

2.5 修復技術要求不一，施工過程控制與質量驗收復雜

新技術、新設備發(fā)展較快，修復技術種類多，各類修復工藝的要求不一，修復技術的材料、施工差異較大，且部分工藝技術復雜、施工作業(yè)風險較大，質量驗收情況復雜。因此，需要按照不同技術類別，從事前、事中、事后控制角度對于進場材料檢驗、施工過程控制、質量驗收(分部、分項、檢驗批)、功能性檢驗等環(huán)節(jié)加以規(guī)范。

3 標準編制的“異”

《標準》適用于上海市管道非開挖修復工程的設計、施工及驗收，內(nèi)容分為8章和4個附錄。主要內(nèi)容包括：總則、術語和符號、設計、材料、施工、管道功能性檢驗、質量驗收、安全與環(huán)境保護。通過系統(tǒng)調研國內(nèi)外排水管道非開挖修復技術標準及相關工程，在編制上海市地方標準過程中，突出標準的發(fā)展與創(chuàng)新，重點在標準編制的“異”上下功夫?！爱悺辈粌H僅是體現(xiàn)在對現(xiàn)有標準內(nèi)容及上海地區(qū)特色的理解和認識，更重要體現(xiàn)在對現(xiàn)有標準體系和問題需求解決的繼承和創(chuàng)新，具體表現(xiàn)如下。

3.1 修復方法分類與修復原則

《標準》對上海地區(qū)近年來非開挖修復技術的各類工藝進行了系統(tǒng)總結，以施工技術為主脈絡進行了體系歸類。修復技術體系分為六大類方法，15種修復技術、2種預處理技術，六大類分別為原位固化法、現(xiàn)場制管法、噴涂(筑)法、碎裂管法、局部修復法、預處理法，如圖1所示。《標準》對15項先進適用的非開挖修復技術進行了規(guī)范化和標準化，明確了適用范圍和使用條件。其中，不銹鋼管片內(nèi)襯法、水泥基材料模筑法作為上海地區(qū)非開挖修復技術進行了首次規(guī)范。

圖1 管道非開挖修復方法分類Fig.1 Classification of Trenchless Pipelines Rehabilitation Methods

另外，針對管道非開挖修復原則進行了規(guī)定：(1)同一管段的結構性缺陷<3處且結構性缺陷等級小于3級的，宜采用局部修復；(2)同一管段的結構性缺陷≥3處的，宜采用整體修復；(3)管道結構性狀況評定結果修復指數(shù)RI≥7或損壞等級為3級的，宜采用整體修復；(4)單一嚴重結構性缺陷(如4級變形、4級破裂、3～4級洼水、3～4級異物侵入等)的，宜作技術經(jīng)濟比較后確定開挖或非開挖修復方案。

3.2 整體修復內(nèi)襯分級和使用年限

《標準》參考美國水協(xié)及歐洲國家等的非開挖修復技術中內(nèi)襯設計基本規(guī)定，結合上海地區(qū)的工程實際，創(chuàng)新提出了采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等級內(nèi)襯來界定排水管道整體修復時待修復管道的狀態(tài)和內(nèi)襯修復的目的。第Ⅰ類內(nèi)襯適用的修復方法主要針對存在輕微缺陷、需要進行維護的管道；第Ⅱ類內(nèi)襯適用的修復方法主要針對既有結構出現(xiàn)破損且僅需抵御外水侵入的管道；第Ⅲ類內(nèi)襯適用的修復方法主要針對既有結構出現(xiàn)破壞且需承受所有外部荷載的管道。該分類體系首次系統(tǒng)解決了排水管道非開挖修復中的設計基本問題，即修復技術及內(nèi)襯應具備的工程技術要求和設計荷載，排水管道整體修復內(nèi)襯分類及適用情況如表1所示。

表1 排水管道整體修復內(nèi)襯分類及適用情況Tab.1 Classification and Application of Integrted Lining Rehabilitation of Drainage Pipelines

其中，針對上述3類不同的排水管道非開挖修復技術，對其修復后的使用年限進行明確的規(guī)定，要求：管道采用第Ⅲ類內(nèi)襯修復后的使用期限不得低于50年；管道采用第Ⅱ類內(nèi)襯修復后的使用期限不得低于原設計剩余使用年限，且不得低于20年；管道采用第Ⅰ類內(nèi)襯修復后的使用期限不得低于原設計剩余使用年限。

3.3 非開挖修復設計計算和參數(shù)改進

1)《標準》對管片拼裝內(nèi)襯、不銹鋼管片內(nèi)襯等復合結構及中空壁管(短管內(nèi)襯法)，提出的驗算方法如式(1)。

(1)

其中：EL——內(nèi)襯管的長期彈性模量，MPa；

圖2 中空壁型式內(nèi)襯管斷面圖Fig.2 Sectional View of Hollow-Wall Type Pipe Lining

γ0——內(nèi)襯管剛度折減系數(shù)，取1.0～3.0；

D——內(nèi)襯管計算直徑，mm；

Do——內(nèi)襯管外徑，mm；

t——內(nèi)襯管壁厚，mm；

K——圓周支持率，宜取7.0；

P0——內(nèi)襯管管中心地下水壓力，MPa；

C——橢圓度折減因子；

N——安全系數(shù)，宜取2.0；

μ——泊松比，取0.3；

L——中空壁管內(nèi)腔間距，mm；

A——中空壁管寬度，mm；

B——熔接厚度，mm；

l——中空壁管內(nèi)腔寬度，mm；

h——中空壁管內(nèi)腔高度，mm。

①現(xiàn)場制管法計算引入剛度折減系數(shù)。管片拼裝內(nèi)襯法、不銹鋼管片內(nèi)襯法、短管內(nèi)襯法等現(xiàn)場制管法內(nèi)襯管剛度受到內(nèi)襯拼裝方法、待修復管道管徑、埋深、承載能力等因素的影響，故《標準》引入內(nèi)襯管剛度折減系數(shù)。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，管片拼裝內(nèi)襯法、短管內(nèi)襯法的內(nèi)襯管剛度折減系數(shù)一般取1.0，不銹鋼管片內(nèi)襯法的內(nèi)襯管剛度折減系數(shù)一般取1.2～3.0。②引入中空壁型式內(nèi)襯管的管壁截面慣性矩I的計算公式，并和實壁管統(tǒng)一采用Timoshenko屈曲理論下的剛度驗算。

2)《標準》對于行業(yè)標準中原位固化法計算公式中設計參數(shù)改進如下。①地下水壓力由管頂改為管中，從而確保大口徑管道設計荷載更符合實際條件，滿足工程安全和經(jīng)濟等綜合要求。②原位固化法內(nèi)襯管橢圓度：由于內(nèi)襯管和原有管道緊密貼合，內(nèi)襯管橢圓度采用原有管道橢圓度實測值，當無實測值時，可按2%取值。

3)為了方便《標準》的使用，在《標準》的附錄中列出了原位固化法厚度查表法，推薦了噴涂(筑)法噴涂厚度值。

3.4 材料與施工過程控制

3.4.1 熱水原位固化法與紫外光原位固化法

熱水原位固化法、紫外光原位固化法是我國使用最廣泛的管道修復技術。熱水原位固化法使用的軟管主要由聚酯纖維無紡布組成，紫外光原位固化法使用的軟管主要由ECR玻璃纖維構成。通過上海及全國的實際非開挖修復工程調研，發(fā)現(xiàn)由ECR玻璃纖維及樹脂構成的紫外光原位固化法內(nèi)襯管的初始力學性能已大幅度提高。通過對2017年—2019年國內(nèi)57家施工企業(yè)送檢的光固化修復材料(施工驗收樣品)的力學性能檢測結果分析顯示[2]，約98%的樣品(848組)彎曲強度≥125 MPa，42%的樣品(857組)彎曲模量≥8 000 MPa，99%的樣品抗拉強度>80 MPa?！稑藴省芬?guī)定了原位固化法內(nèi)襯管的初始力學性能，如表2所示。

表2 原位固化法內(nèi)襯管的初始力學性能Tab.2 Initial Mechanical Properties of Lining Pipelines by In-Situ Curing Method

另外，在修復過程中，如果質量控制不嚴，可能出現(xiàn)褶皺、隆起、開裂、固化不完全、壁厚和強度不達標等質量問題[3]?！稑藴省穼κ┕み^程的質量控制，主要是在預處理、材料運輸與安裝、施工過程中的加壓與加熱、固化后的冷卻等環(huán)節(jié)提出了具體的技術要求。

3.4.2 噴涂(筑)法

《標準》噴涂(筑)法包括了無機防腐砂漿噴涂法、水泥基材料噴筑法、聚合物基材料噴涂法和水泥基聚合物模筑法。通過調研各企業(yè)工程實例，提出了主要材料性能要求，為促進技術推廣應用和保障質量安全，提供了統(tǒng)一的參數(shù)標準，部分材料性能如表3所示。同時，《標準》對各工法按基面處理、作業(yè)環(huán)境、材料進場驗收、噴涂工藝、質量控制、養(yǎng)護要求等提出了施工技術要求。

表3 無機防腐砂漿噴涂法、水泥基材料噴筑法主要材料性能要求Tab.3 Performance Requirements of Repair Materials Used in Cement Mortar Spraying Method

3.5 質量驗收與檢驗

《標準》按不同修復技術提出了材料進場驗收、復試相關條款，如：樹脂軟管進場后應檢查質保書、合格證、產(chǎn)品性能檢驗報告；塑料或不銹鋼管片應進行外觀檢查；噴涂用水泥砂漿或水泥基材料應進行復試等，通過前端的控制提升質量。

關于施工質量驗收，《標準》對于六大類方法按分部、分項、檢驗批提出了檢查要求，列出了包括主控項目和一般項目等內(nèi)容。其中，主控項目主要針對材料性能及關鍵部位的施工質量等，一般項目主要是普適性的施工質量檢驗等。

管道修復完成后應進行功能性檢驗，管徑≤2 m的采用閉水試驗或閉氣試驗，管徑>2 m的采用管道滲水調查檢驗。目前，管道非開挖修復閉氣試驗測試技術日益成熟，且對管道修復后的整體性質量具有重要的價值。因此，《標準》參照現(xiàn)行上海市工程建設規(guī)范《城鎮(zhèn)排水工程施工質量驗收規(guī)范》(DG/TJ 08-2110—2012),提出了修復后口徑不大于2 m的排水管道的閉氣試驗方法，解決了城市快速化施工閉水試驗條件不足的問題。

4 結語

上海城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)系統(tǒng)正面臨老化日益嚴重、各類病害管損事件頻發(fā)等問題。上海市地方標準

《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復技術標準》是基于對國內(nèi)外非開挖修復技術標準的研究和借鑒，在分析我國現(xiàn)行標準的不足之處和發(fā)展方向的基礎上，結合上海地區(qū)工程實際，通過對非開挖修復的工藝、材料、施工、驗收等方面技術的研究和標準的制定；將原來相對分散的修復技術進行篩選、歸類、總結，從系統(tǒng)的角度，按整體和局部、大類和工法、3類內(nèi)襯分級進行分類，形成六大分類17種非開挖修復技術體系，提出了各種修復技術的修復步驟、方法、材料和驗收要求等；規(guī)范了排水管道非開挖修復工程的設計、材料、施工及驗收等，為提升城鎮(zhèn)排水管道質量、延長管道使用壽命、保障排水系統(tǒng)安全以及提高城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃、建設和管理水平提供技術標準基礎。

同時，城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)中非開挖修復作為主流技術，正在國內(nèi)外進行大力應用推廣，《標準》正是在全面調研國內(nèi)外技術基礎上，對其編制的內(nèi)容進行了發(fā)展與創(chuàng)新。另外，隨著排水管道非開挖修復技術的不斷發(fā)展與工程實踐，預期會產(chǎn)生更多有益的技術和經(jīng)驗，也為將來進一步豐富完善本標準奠定基礎。

致謝對參與編制該《標準》的全體單位、人員以及審查專家表示深深的感謝，并對編制過程中給予指導的專家、朋友等表示感謝。