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紫外光原位固化修复技术排水管道内衬设计分析

2023-08-31 267 上传者：管理员

摘要：为研究紫外光原位固化法内衬设计中力学参数对管壁厚度的影响，对目前规范公式在不同工况下计算结果进行分析，结合天津滨海软土地区的管道修复设计实例，总结关键参数的选取方法。

关键词：
修复
内衬
原位固化
排水管道
紫外光
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紫外光固化原位修复技术相比传统修复技术具有施工时间短、质量高、可控性好、耐久实用等优点，近些年在市政排水管道非开挖修复中迅速普及[1]；由于紫外光自身穿透能力的局限性和目前进口内衬软管材料的高技术成本[2]，内衬壁厚需要兼顾结构性与经济性来选取。本文通过分析规范公式中不同工况及力学参数对壁厚计算结果的影响，结合工程实例，总结设计参数的选取方法。

1、工艺介绍

1.1技术特点

紫外光固化修复工艺是将浸满增强树脂基材料的玻璃纤维软管拉入待修复的排水管道内，通过鼓风机使软管和原有管道紧密接触，然后利用树脂的光敏特性使用紫外线对其加热固化，形成高强度树脂新管，完成内衬修复。

1.2修复材料

修复材料为预制玻璃纤维树脂基软管：外层是具有不透光性的高聚合物薄膜，保护内部光敏性树脂在储存和运输过程中性能不发生变化；中间层为浸润树脂的多层玻璃纤维毛毡，树脂固化后与其共同构成新管的结构层；最内层为耐高温和抗腐蚀的聚合物，可承受足够的安装压力，安装完成后内层底膜可拆卸。

1.3验收标准

目前，紫外光固化法修复排水管道验收标准可参照CJJ/T 210—2014《城镇排水管道非开挖修复更新工程技术规程》及T/CECS 559—2018《给水排水管道原位固化法修复工程技术规程》中相关规定执行，紫外光固化修复质量验收应包括以下内容：

1）内衬管表观质量检测，表面应光洁，无局部孔洞、贯穿性裂纹和软弱带，可采用CCTV内窥检测作为验收依据；

2）固化后内衬管的壁厚尺寸、力学性能应符合国家现行标准相关规定和设计要求，可现场取样送检，由第三方出具完整的检测报告作为验收依据；

3）管道严密性试验，按现行国家标准GB 50268—2008《给水排水管道工程施工及验收规范》无压管道闭水试验的有关规定进行。

2、内衬设计分析

2.1设计原则与计算方法

1）非开挖修复设计主要依据管道CCTV检测与评估结果。管段结构性缺陷等级≥Ⅲ级时采用结构性修复，此时原管道结构完全失效，内衬需支撑管周土压力、上部动荷载及静水压力；管段结构性缺陷等级<Ⅲ级可采用半结构性修复，此时原管道结构未完全失效，内衬只需承担静水压力，管周土压力及上部动荷载仍由原管道支撑。

2）紫外光固化法设计主要是内衬管最小壁厚的选取和修复前后过流能力的分析，计算方法参照CJJ/T 210—2014及美国标准[3]；计算参数主要为原管道基本概况（管径、管材、埋深等）及管道所处地区的工程与水文地质条件。此外，现场的施工环境也是设计中需要重点考虑的内容。

2.2过流能力分析

2.2.1设计公式

修复后管道的过流能力与修复前管道的过流能力比

2.2.2计算分析

常见管材的粗糙系数及常见修复前后内径比见表1和表2。

表1粗糙系数

表2常见缩径比

对常见缩径比下紫外光固化内衬修复前后过流能力比进行计算。见图1。

图1常见内径比修复前后过流能力计算结果

混凝土管内衬修复后管内粗糙系数下降，常见缩径比0.96～0.99范围内过流能力提高至原管道110%以上；PE、PVC管内衬修复后管内粗糙系数增加，常见缩径比0.96～0.99范围内修复后管道过流能力下降至原过流能力的78%～87%。因此，对于塑料管材，在保证结构安全的前提下，内衬设计时应尽可能选择更小的壁厚。

2.3半结构设计计算分析

2.3.1设计公式

1）管道半结构性修复时内衬最小壁厚

2）当内衬管道位于地下水以上时，原位固化内衬管的标准尺寸比（SDR）不得>100。

3）当内衬管椭圆度不为0时，内衬管的壁厚最小值不应小于

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式中：σL为内衬管的长期弯曲强度，宜取短期强度的50%,MPa。

2.3.2计算分析

式（2）反映了在静水压力作用下内衬管抗屈曲破坏的能力，式（5）反映了内衬管在静水压力作用下抵抗初始椭圆缺陷的能力，两式均可表示为内衬管材料强度、标准尺寸比与静水压力的关系。

计算内衬管SDR随管顶以上覆水深度h变化情况。按照目前国内市场进口材料可达到的较高短期弹性模量12 000 MPa的一半[4]，选取EL为6 000 MPa；按照GB 50268—2008试验室验收指标的一半，选取EL为3 250 MPa、σL为23 MPa。

h为0～7m范围内，抗屈曲破坏计算（式2）得到的最大标准尺寸比亦能满足抵抗初始椭圆缺陷计算（式5）的要求；对比EL为3 250、6 000 MPa时计算结果，材料长期弹性模量越大，可设计的最大标准尺寸比越大，可设计壁厚越薄。见图2。

图2半结构性修复设计SDR

2.4结构性设计计算分析

2.4.1设计公式

1）结构性修复内衬管最小壁厚

2）内衬管最小壁厚还应满足

式中：E为内衬管初始弹性模量，MPa。

2.4.2计算分析

式（7）主要基于柔性管道压屈方程，反映柔性内衬管与周围土体形成的管土共同体抵抗外界水土荷载及活荷载的能力，式（11）反映了对内衬管自身环刚度的要求，两式均可表示为内衬管材料强度与标准尺寸比的关系，但设计过程中需要确定管侧土体的综合变形模量及管体上部活荷载，目前可根据国家相关规范进行计算[5]。

目前市政管道设计活荷载为两种情况：一是管道敷设于人行道下，埋深一般>0.6 m，管顶活荷载标准值可按堆载10 k Pa考虑；二是管道敷设于车行道下，管道埋深一般>0.7 m，管顶活荷载标准值需取车辆荷载与堆载的较大值。不利荷载考虑双车并行情况，当管顶覆土<3 m时，管顶活荷载标准值按车辆荷载计算结果考虑；当管顶覆土超过3 m时，管顶活荷载标准值可按10 k Pa考虑[5,6,7]。见图3。

图3管顶荷载标准值

对于管侧土体的综合变形模量Es',GB 50268—2008建议参考柔性管道的管周土设计参数Ed选取；开槽敷设的管道可通过查取管道施工资料确定，但破损管道周边土体的稳定性也会发生变化，为得到准确的参考值，往往需要进行原位勘察试验；刚性管道和非开挖方法施工的管道，需要依靠设计经验或通过数值模拟方法选取[7]。

计算内衬管标准尺寸比设计值随管顶以上覆土深度h变化情况。EL为6 000 MPa,Es'为5.71 MPa。管顶静水水头分别取0和与覆土厚度相同两种极限工况。见图4。

图4内衬管标准尺寸比结构设计计算结果

由图4可知，给定管土参数条件下，管道敷设于人行道下，在浅覆土工况下，管材自身环刚度的性能对设计尺寸影响更大（本文参数对应SDR≤116），随覆土加深，最大标准尺寸比设计值相应降低，不同覆土与覆水高度工况的设计值包络在两种极限工况曲线之间；管道位于车行道下时，覆土深度<3 m时，最大标准尺寸比设计值受车辆荷载的影响较大，其余工况下的设计值包络在两种极限工况曲线之间。

3、工程实例

3.1工程概况

待修复管道位于天津市滨海软土地区人行道下，管径500 mm、管长50 m、埋深5 m，材质为HDPE双壁波纹管，经CCTV检测评估，管道存在Ⅳ级整体结构性缺陷。见图5。

图5待修复管道内窥缺陷

3.2水文地质条件

根据相关勘察成果，待修管道底部主要位于粉质黏土层，压缩性中等偏高，承载力一般，具有微透水性；其上部为素填土，黏粒含量较高，压缩性中等，勘察期间，场地地下水埋深2.16～2.26 m。见图6。

图6工程场地典型剖面

3.3设计内衬厚度

采用结构性修复进行内衬厚度设计，主要参数：管径500 mm，管顶以上水位2.4 m，管顶覆土高度4.5m，内衬管长期弯曲模量6 000 MPa，管侧土体综合变形模5.71 MPa，安全系数2。

通过计算，得到待修管道最大SDR值为77.91，其对应的内衬厚度为6.4 mm，前后过流能力比B为84%。将该结果与图6对比，见图7。

图7待修管道计算结果

3.4修复结果验收