排水管道非開挖CIPP修復(fù)技術(shù)研究綜述
隨著我城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，城市地下管線迅猛發(fā)展，近年來，接近使用壽命的給排水管道日益增多，管網(wǎng)老化、滲漏、腐蝕、接口脫節(jié)、錯(cuò)口等問題日益突出。傳統(tǒng)的開挖道路更換修復(fù)嚴(yán)重影響城市交通和居民生活，因此非開挖修復(fù)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。原位固化法（Cured-In-Place Pipe, CIPP）是目前采用最為廣泛的非開挖管帶修復(fù)技術(shù)之一，是指采用翻轉(zhuǎn)或牽拉方式將浸漬樹脂的軟管置入原有管道內(nèi)，固化后形成管道內(nèi)襯的修復(fù)方法。具有施工速度快、工期短、內(nèi)襯管與原管道緊密貼合、內(nèi)襯管連續(xù)且表面光滑等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于圓形和矩形截面給排水管道的修復(fù)和更新。原位固化法需要解決的主要問題，包括材料的選擇、內(nèi)襯管的鋪設(shè)和固化方法以及內(nèi)襯管設(shè)計(jì)。使用的主要材料是軟管和樹脂，其中樹脂是系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)元素。樹脂材料通常可以分為不飽和聚酯樹脂、乙烯樹脂和環(huán)氧樹脂三類。按照軟管進(jìn)入原有管道的方式不同，可將 CIPP 分為翻轉(zhuǎn)式和拉入式兩種工藝。軟管的 固化工藝目前包括：熱水固化法、蒸汽固化法和紫外光固化法。內(nèi)襯管設(shè)計(jì)主要包括軟管直徑和長(zhǎng)度的確定和內(nèi)襯管壁厚設(shè)計(jì)，分為半結(jié)構(gòu)性修復(fù)和結(jié)構(gòu)性修復(fù)兩種情況考慮。
CIPP 技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外的城市管網(wǎng)修復(fù)更新工程中得到較廣泛的應(yīng)用，但是作為一項(xiàng)高新技術(shù)，其基礎(chǔ)理論研究不足。在彈性穩(wěn)定性方面，對(duì)于完全劣化的管道，目前的設(shè)計(jì)方法沒有計(jì)算外荷載的準(zhǔn)則，而是人為判斷確定；內(nèi)襯管臨界壓力的計(jì)算都是基于均勻靜水壓力，沒有考慮到非均勻荷載及原管道破損情況；在結(jié)構(gòu)剛度方面，目前基本上都是通過環(huán)向壓縮試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算確定，精度不夠高，誤差較大；在強(qiáng)度方面，給排水管道考慮流體沖擊壓力、偶爾和周期性波動(dòng)壓力對(duì)內(nèi)襯管力學(xué)性能的影響研究不足；在管周土壓力方面，結(jié)構(gòu)性修復(fù)中，ASTM F1216-17用一個(gè)地基反力模量值來表示土，忽略周圍土體管道力學(xué)性能的變化，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)不安全。
本文在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外CIPP技術(shù)的理論研究進(jìn)展以及國(guó)內(nèi)的工程實(shí)踐案例后，從彈性穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度（承載力）及管周土壓力四個(gè)方面介紹了國(guó)內(nèi)外CIPP修復(fù)技術(shù)的研究情況，指出了目前該技術(shù)在內(nèi)襯管設(shè)計(jì)中存在的缺陷，為今后該技術(shù)的研究提供了有指導(dǎo)意義的參考。同時(shí)，還結(jié)合國(guó)內(nèi)的工程案例，分析了該項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況以及面臨的問題與挑戰(zhàn)。
01.CIPP管道修復(fù)技術(shù)的國(guó)外動(dòng)態(tài)
根據(jù)ASTM F1216標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的CIPP修復(fù)技術(shù)的具體施工流程，總結(jié)得到了圓形截面管中管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中左圖為橫截面宏觀示意圖，右圖為管壁局部放大示意圖。管中管結(jié)構(gòu)一共包含內(nèi)膜、復(fù)合材料、外膜和舊管道四層，復(fù)合材料為樹脂載體材料或增強(qiáng)材料，包括耐磨層；舊管道為出現(xiàn)問題待修復(fù)的污水管道、供水管道、化學(xué)及工業(yè)管道等壓力管道。
圖1 管中管結(jié)構(gòu)示意圖
理想的管中管結(jié)構(gòu)模型中，內(nèi)襯管與原管道之間是緊密貼合的，但在修復(fù)完成后往往會(huì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯管出現(xiàn)褶皺等屈曲變形。對(duì)外壓圓柱管的研究可追溯到19世紀(jì)中葉（1858 Fairbairn），他認(rèn)為管道長(zhǎng)度和管徑壁厚比是確定屈曲壓力的重要參數(shù)。Bresse（1866）應(yīng)用小撓度理論，研究了在外部靜水壓力作用下，自由圓環(huán)的穩(wěn)定性并得出如下表達(dá)式：
圖2 Glock的變形幾何
目前安裝在部分劣化管道上的CIPP的設(shè)計(jì)方法使用的是ASTM F1216-17中的X I.1（如式（5））。設(shè)計(jì)公式相較式（2），增加了增強(qiáng)因子K、安全因子N和橢圓度因子C等參數(shù)，考慮到內(nèi)襯材料的蠕變效應(yīng)，式（5）應(yīng)用長(zhǎng)期彈性模量修正了短期彈性模量參數(shù)。
在《Structural Mechanics of Buried Pipes 3 edition》一書中，結(jié)構(gòu)剛度被定義為抵抗撓曲變形的能力，在數(shù)值上等于應(yīng)力-應(yīng)變圖上任意點(diǎn)處的斜率F/D。George McAlpine (2001)通過猶他州立大學(xué)(USU)在大型土壤槽中對(duì)750毫米有裂縫的無鋼筋混凝土管道的測(cè)試結(jié)果（如圖3），發(fā)現(xiàn)管道周圍土壤的支撐能力（即土壤的堅(jiān)硬程度）直接影響著開裂剛性管道的有效剛度。在堅(jiān)硬的土壤中，管－土結(jié)構(gòu)的有效剛度非常高，安裝內(nèi)襯管可以通過防止土壤沖進(jìn)管道造成土壤空隙來保持土壤的支撐。在較軟的土壤中，柔性內(nèi)襯管可以提高開裂混凝土管道的剛度。為開裂混凝土管道的內(nèi)襯設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
圖3 USU測(cè)試結(jié)果圖
Kamil Artur Mogielski, Dr.Eng(2017)利用對(duì)比法對(duì)無內(nèi)襯管和有內(nèi)襯管的五種類型的管道樣品進(jìn)行了環(huán)剛度試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，帶內(nèi)襯管的管材的環(huán)剛度變化與管材與內(nèi)襯的結(jié)合強(qiáng)度呈正相關(guān)，內(nèi)管壁越粗糙，粘接能力越強(qiáng)。為了滿足經(jīng)濟(jì)性和耐久性的設(shè)計(jì)理念，還需要進(jìn)一步研究環(huán)剛度的增加與粗糙度和內(nèi)襯管厚度之間的定量關(guān)系。通過建模計(jì)算得出的內(nèi)襯減薄系數(shù)來平衡三者之間的影響。這些系數(shù)被廣泛應(yīng)用到內(nèi)襯管厚度的設(shè)計(jì)方法中。Michael J.P. Brown(2014)利用三維有限元建模的方法，分析了極限狀態(tài)下CIPP內(nèi)襯管的結(jié)構(gòu)剛度對(duì)拉應(yīng)力的影響。發(fā)現(xiàn)在最大工作壓力下，內(nèi)襯管的拉應(yīng)力實(shí)際上是由無側(cè)限的周向應(yīng)力控制的。環(huán)向剛度的增加在一定范圍內(nèi)可以降低內(nèi)襯管在工作狀態(tài)下的拉應(yīng)力。因此，如果內(nèi)襯管是根據(jù)這種極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的，則環(huán)向模量應(yīng)至少是軸向模量的1.1倍，以最小化內(nèi)襯管的最大拉應(yīng)力。
Gergely Czel(2015)提出了一種根據(jù)環(huán)向壓縮試驗(yàn)結(jié)果確定纖維纏繞的橢圓形聚合物內(nèi)襯管環(huán)向有效彈性模量的新方法。所提出的試驗(yàn)方法也可用于質(zhì)量控制和一般產(chǎn)品控制，適用于各種管道截面。設(shè)計(jì)工程師可以通過該方法從任意橢圓型截面上的環(huán)的簡(jiǎn)單壓縮試驗(yàn)結(jié)果中計(jì)算出各種管材的有效彈性模量，彈性模量的值越大，內(nèi)襯管的剛度也越大。
1.3內(nèi)襯管的強(qiáng)度（承載力）
Nancy Ampiah(2008)對(duì)比分析了鑄鐵水管內(nèi)安裝樹脂浸漬氈管時(shí)出現(xiàn)的褶皺對(duì)內(nèi)襯管強(qiáng)度的影響。從加拿大一個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)取的三組常見的褶皺內(nèi)襯管，采用基于裂片測(cè)試的方法，通過與無褶皺的內(nèi)襯管相互之間對(duì)比分析（測(cè)試結(jié)果如圖4），發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)褶皺的地方是內(nèi)襯管強(qiáng)度最低的地方，內(nèi)襯管的失效破壞從這里開始；褶皺的形態(tài)和尺寸對(duì)內(nèi)襯管的第一次開裂時(shí)的所能承受的載荷有顯著影響，而對(duì)內(nèi)襯管的最終承載能力的影響比對(duì)第一次開裂荷載小。
圖4 褶皺尺寸對(duì)內(nèi)襯管首次開裂荷載和極限荷載的影響
對(duì)于其他管材的圓形或橢圓形截面管道，同樣存在相同的規(guī)律。因此，在內(nèi)襯管的設(shè)計(jì)及安裝過程中應(yīng)該使內(nèi)襯管與原管道緊密貼合，防止褶皺的出現(xiàn)影響整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)度。內(nèi)襯管的設(shè)計(jì)應(yīng)該充分考慮到安裝過程中常常出現(xiàn)一些質(zhì)量問題，美國(guó)的Raymond Sterling(2016)基于美國(guó)相應(yīng)的ASTM測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)取自北美11個(gè)城市的25個(gè)不同使用年限的修復(fù)重力式污水管道的CIPP內(nèi)襯管樣品進(jìn)行了抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)襯管的安裝過程中存在一些質(zhì)量問題，比如：內(nèi)襯管與主管之間未能完全緊密貼合，內(nèi)襯管的厚度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的厚度，這些都影響內(nèi)襯管的強(qiáng)度和壽命，因此，合理設(shè)計(jì)和安裝CIPP 內(nèi)襯管可以使其使用壽命最大化。
輸水管道運(yùn)營(yíng)過程中的沖擊壓力是工作壓力的2到3倍，因此在進(jìn)行該類管道的內(nèi)襯設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的內(nèi)部壓力應(yīng)該包含工作壓力、周期性的和偶爾的波動(dòng)壓力。為了更好地了解CIPP內(nèi)襯管對(duì)沖擊和周期性壓力的響應(yīng)，滑鐵盧大學(xué)建設(shè)的新的襯墊壓力測(cè)試設(shè)施可用于CIPP內(nèi)襯管短期和長(zhǎng)期爆破試驗(yàn)等，推動(dòng)了CIPP壓力內(nèi)襯管設(shè)計(jì)的發(fā)展。
1.4管周土壓力
埋地管根據(jù)其結(jié)構(gòu)性能通常分為剛性管和柔性管兩種。一般來說，地埋管支撐的能力來自兩個(gè)方面：首先，地埋管承受外部荷載的固有強(qiáng)度；其次，地埋管兩側(cè)土壤的側(cè)壓力。側(cè)向壓力在管道環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力與垂直荷載產(chǎn)生的應(yīng)力方向相反，從而幫助管道承受垂直荷載。埋地管道周圍土壓力的大小與土體條件、埋管深度和管土相互作用等因素有關(guān)，在管土相互作用方面，美國(guó)的U. LUSCHE(1965)討論了在高荷載作用下埋地圓柱管與周圍土體的相互作用。通過區(qū)分壓力重分布、變形約束和拱起三種作用類型，可以最有效地分析相互作用現(xiàn)象。在系統(tǒng)變形較小的情況下，作用在管壁上的壓力高度不均勻。當(dāng)荷載增加時(shí)，原來的圓管變形成近似水平橢圓的形狀，并在這一過程中調(diào)動(dòng)了側(cè)向被動(dòng)土壓力。不久，任何壓力的增加都將以這樣一種方式分布在管道周圍，從而在管道中造成純環(huán)壓?；谶@一環(huán)壓縮理論的分析發(fā)現(xiàn)只要合理地設(shè)計(jì)和施工管-土系統(tǒng)，通過壓力重分布實(shí)現(xiàn)管周圍壓力的平衡是安全可靠的，且系統(tǒng)的失效將由管的壓縮屈服引起。對(duì)管-土系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)提出了改進(jìn)建議。
Burns和Richard(1964)認(rèn)識(shí)到Marston/Spangler方法的缺點(diǎn)，并提出解決方案，適用于彈性的、埋深大的圓柱形管道，它被包裹在各向同性、均勻的無限彈性介質(zhì)中，壓力均勻分布在遠(yuǎn)離管道的水平面上。并提出了粘結(jié)和非粘結(jié)兩種土-管界面條件的求解方法。在粘結(jié)界面的情況下，假定剪切應(yīng)力和徑向應(yīng)力在管道與周圍連續(xù)介質(zhì)的界面上傳遞。對(duì)于無粘結(jié)界面，土與管道之間的界面不傳遞剪應(yīng)力。建立了粘合和非粘結(jié)兩種相互作用情況下徑向壓力、管道徑向撓度、彎矩和推力的方程。
Elmer L. Matyas(1983)通過懸浮管道模型試驗(yàn)結(jié)果，得出了計(jì)算非屈服水平剛性管在沉降回填作用下所受的豎向土荷載。該計(jì)算方法得到的結(jié)果比實(shí)際豎向土荷載小，而根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線擬合得到的曲線方程可以很好的估算豎向土荷載。
對(duì)于埋地柔性管，周圍土體顯著提高了管的屈曲強(qiáng)度。僅通過無支撐結(jié)構(gòu)的室內(nèi)試驗(yàn)，無法確定埋地管的屈曲強(qiáng)度。在現(xiàn)場(chǎng)單獨(dú)測(cè)試每一個(gè)結(jié)構(gòu)也是不可行的。因此，需要建立理論模型來量化埋地柔性管的屈曲行為。A. D. SPASOJEVIC(2007)通過建立物理模型試驗(yàn)，以CIPP為例研究了土體荷載對(duì)大口徑、密閉、無粘結(jié)、柔性的排水管道的影響。主管與周圍土體的相互作用強(qiáng)烈影響著土體荷載向CIPP管道的傳遞，在土體荷載的長(zhǎng)期作用下，管-土結(jié)構(gòu)會(huì)變形并與內(nèi)襯相互作用。此外，在管道系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)過程中，地面荷載（如交通荷載等）通過影響管土相互作用，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，合理的內(nèi)襯管設(shè)計(jì)和安裝還應(yīng)該考慮到交通荷載等地面荷載的影響。
02.國(guó)內(nèi)CIPP管道修復(fù)技術(shù)工程實(shí)踐
隨著我國(guó)城市管網(wǎng)的迅猛發(fā)展，已建成多年的城市地下管線開始出現(xiàn)滲漏、腐蝕、坍塌等問題，由于城市的建筑交通等設(shè)施密集，開挖修復(fù)對(duì)交通和居民生活造成的影響較大，因此，非開挖管道修復(fù)技術(shù)備受青睞。近年來，CIPP管道修復(fù)技術(shù)在管網(wǎng)修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。表１列出了我國(guó)CIPP管道修復(fù)技術(shù)的成功經(jīng)典案例。
表1 我國(guó)CIPP管道修復(fù)技術(shù)成功案例
圖5 修復(fù)前與修復(fù)后的對(duì)比圖
在國(guó)內(nèi)CIPP修復(fù)工藝中內(nèi)襯管的設(shè)計(jì)是根據(jù)《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T210-2014）中的規(guī)定的計(jì)算公式進(jìn)行壁厚計(jì)算。以成都市武都路、大安西路、大安東路、大安中路、華星路的污水管道修復(fù)工程的內(nèi)襯管設(shè)計(jì)為例，通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有管道受到嚴(yán)重腐蝕，因此按照結(jié)構(gòu)性修復(fù)的計(jì)算公式進(jìn)行壁厚計(jì)算。紫外光固化工藝為原位固化法中的一種工藝，其所用內(nèi)襯管材料主要為玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基材料，根據(jù)《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T210-2014）中的規(guī)定，其短期力學(xué)性能的最小要求應(yīng)滿足表2中的要求。
表2 玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基材料短期力學(xué)性能要求
表3 常用光固化內(nèi)襯材料力學(xué)性能
表4 內(nèi)襯管壁厚計(jì)算其他參數(shù)
表5 臨界點(diǎn)材料壁厚計(jì)算值
隨著CIPP管道修復(fù)技術(shù)的不斷推廣與發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)在修復(fù)管道管徑、管長(zhǎng)及修復(fù)厚度等方面都取得了一定的突破，以北京市海淀區(qū)學(xué)知橋南的管線修復(fù)工程為例。該工程由三段組成，管徑大小為D1200-1500。三段管線腐蝕嚴(yán)重且地上有一座高架橋，采用紫外固化內(nèi)襯全結(jié)構(gòu)修復(fù)，修復(fù)總長(zhǎng)度為240米，修復(fù)厚度13mm~15mm。成功實(shí)現(xiàn)了CIPP修復(fù)技術(shù)在大管徑，大厚度，大長(zhǎng)度方面的突破，這在國(guó)內(nèi)外都屬于罕見工程案例。再以山東省臨沂市青龍河污水管網(wǎng)修復(fù)工程為例，該工程采用紫外光固化修復(fù)的管徑為DN1200，全長(zhǎng)34段共1985.2m。
在利用原位固化法修復(fù)排水管道中，樹脂的固化方式除了紫外光固化，還有熱水固化和蒸汽固化，如濟(jì)南市趵突泉公園污水管道出現(xiàn)滲漏嚴(yán)重，采用的就是熱水固化樹脂的內(nèi)襯法進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后管道嚴(yán)密性得到增強(qiáng)，大大增強(qiáng)了承壓、耐腐蝕、抗?jié)B能力。熱水固化法是內(nèi)襯法修復(fù)使用最早的一種方法，它使得長(zhǎng)距離、大直徑管道的內(nèi)襯法修復(fù)成為可能。而天津市某新建產(chǎn)業(yè)園區(qū)道路和天津開發(fā)區(qū)內(nèi)泰豐路污水管道的修復(fù)采用的都是蒸汽固化樹脂法，修復(fù)后管道的滲漏問題徹底解決了。蒸汽固化法的主要優(yōu)點(diǎn)是固化速度快，可應(yīng)用于高差 <200ft（60m）的大斜度污水管道修復(fù)。
CIPP管道修復(fù)技術(shù)在我國(guó)還處于起步階段，目前已有很多采用CIPP技術(shù)修復(fù)排水管道的工程案例。但是，相關(guān)理論的研究非常有限。舒彪等總結(jié)了CIPP技術(shù)在施工中常見的質(zhì)量問題，包括針孔、缺口、起皺、開裂等，并分析了問題產(chǎn)生的原因，提出了一些解決方案。周律等以廣州市中心城區(qū)DN300-800mm的地下排水管道非開挖修復(fù)為例，采用層次分析法，綜合考慮施工條件、費(fèi)用、效益等因素，對(duì)比分析了螺旋纏繞法、原位固化法和穿插法3中方法的適用性。孫躍平分析了CIPP內(nèi)襯制管的構(gòu)造設(shè)計(jì)和性能指標(biāo)，在CIPP修復(fù)排水管道后，管道的結(jié)構(gòu)以雙層構(gòu)造管為主，即舊管道承受地面荷載，內(nèi)襯管承受地下水壓。性能指標(biāo)包括承荷載能力、耐腐蝕和耐磨損性能、水密性能。
依據(jù)《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T210-2014）內(nèi)襯管設(shè)計(jì)沒有考慮原管道幾個(gè)缺陷，包括褶皺、環(huán)狀間隙等對(duì)圓周支撐系數(shù)K值的影響。安關(guān)峰等人針對(duì)這一問題進(jìn)行了深入研究，針對(duì)不同公式分別采用工程案例計(jì)算了 CIPP 內(nèi)襯的壁厚，并以此為依據(jù)提出了優(yōu)化的 CIPP內(nèi)襯外壓屈曲設(shè)計(jì)方法。
在排水管道采用CIPP修復(fù)后的質(zhì)量驗(yàn)收方面，遆仲森等對(duì)比分析了現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)鑄樣的力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果相差較大，因此，在管道原位同化法修復(fù)內(nèi)襯管質(zhì)量驗(yàn)收中，建議對(duì)內(nèi)襯管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)。
李兆超用最小勢(shì)能原理和薄殼理論，在平面應(yīng)變狀態(tài)下，推導(dǎo)出了不均勻厚度的柔性襯砌在均勻外壓下的臨界彈性屈曲壓力的解析公式，并利用ABAQUS進(jìn)行了有限元模擬，驗(yàn)證了公式的正確性。
在充分引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)材料和技術(shù)工法并且不斷吸取經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國(guó)CIPP管道修復(fù)技術(shù)日漸成熟，紫外光固化內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)已逐漸成為了排水管道非開挖修復(fù)的主流技術(shù)，在修復(fù)大長(zhǎng)度、大管徑病害復(fù)雜的管道方面都取得了突破，但是與國(guó)外相比在內(nèi)襯管設(shè)計(jì)理論研究、修復(fù)長(zhǎng)度、技術(shù)設(shè)備等方面仍然存在一定的差距，內(nèi)襯管設(shè)計(jì)理論研究基本上都是在國(guó)外研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。
03.CIPP管道修復(fù)技術(shù)的未來與挑戰(zhàn)
根據(jù)原管道的破損情況，我們將其分為局部劣化和完全劣化兩種類型。對(duì)于局部劣化的圓形管道，通過幾種模型的相互對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Glock模型的邊際誤差最?。籄ggarwal和Cooper對(duì)內(nèi)襯進(jìn)行了外部壓力測(cè)試。在試驗(yàn)中，襯管被安裝到鋼管中，在襯管和套管之間施加壓力，并以約為預(yù)期失效壓力的l/10的幅度逐漸遞增，直至失效。觀察內(nèi)部，以確定何時(shí)發(fā)生膨脹。結(jié)果表明，試驗(yàn)失穩(wěn)壓力遠(yuǎn)大于由方程求得的理論失穩(wěn)壓力。襯管的抗屈曲能力在既有管道的約束作用下得到了顯著增強(qiáng)。
對(duì)于局部劣化的橢圓形管道，Guice (1994) 將18個(gè)不同橢圓度的CIPP試樣置于橢圓形鋼管中進(jìn)行測(cè)試，其中6根在不同橢圓度水平（5%，10%和20%）下測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中橢圓度在10%左右波動(dòng)。在試驗(yàn)過程中，只觀察到屈曲破壞模式。在外力作用下，由于內(nèi)襯管失穩(wěn)而產(chǎn)生屈曲破壞。這種類型的破壞總是通過伴隨的嘎吱聲來識(shí)別，這表明了屈曲破壞的開始。在橢圓度為5%和20%的案例中，屈曲失效模式均為單波屈曲模式。分析表明，ASTM-F1216低估了橢圓形既有管道中修復(fù)的CIPP襯管結(jié)構(gòu)的屈曲壓力。在橢圓度5%的情況下，實(shí)際的屈曲壓力被低估約44%；在橢圓度10%的情況下，實(shí)際的屈曲壓力被低估約45%；在橢圓度20%的情況下，實(shí)際的屈曲壓力被低估約56%。由于屈曲壓力被低估，因此從設(shè)計(jì)的角度來看，這種分析是保守的。
對(duì)于完全劣化的管道，ASTM F1216-93(公式X1.3)中介紹了目前安裝在完全惡化的主管道中的CIPP的設(shè)計(jì)方法。在AWWA方程中增加了橢圓度和安全系數(shù)（見式（8））。AWWA方程是在Lusher(1966)提出的用于預(yù)測(cè)埋地?fù)闲怨芮鷫毫Φ姆匠痰男拚匠獭?/span>
最新修訂的ASTM F1216-17對(duì)于安裝在完全惡化的管道上的CIPP的計(jì)的主要缺點(diǎn)是：
?。?）沒有計(jì)算外載荷q的準(zhǔn)則，而是取決于設(shè)計(jì)者的判斷；
?。?）該方法利用地基土反力模量來表示周圍土體，而地基土反力模量很難準(zhǔn)確獲得；
?。?）該程序?qū)⒐艿狼茐淖鳛槲ㄒ坏脑O(shè)計(jì)準(zhǔn)則，忽略了其他預(yù)期的破壞準(zhǔn)則。
縱觀國(guó)內(nèi)外有關(guān)CIPP管道修復(fù)技術(shù)的科研成果與工程實(shí)踐，該項(xiàng)技術(shù)在非開挖管線修復(fù)領(lǐng)域占據(jù)比較重要地位，以其新舊管道緊密貼合、無需灌漿、施工速度快、工期短、內(nèi)表面光滑等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于污水管道的修復(fù)。隨著管線問題的日益突出及可持續(xù)發(fā)展理論的提出，這都給CIPP修復(fù)技術(shù)提出了更高的要求，致使該項(xiàng)技術(shù)面臨以下幾方面的挑戰(zhàn)：
?。?）CIPP管道修復(fù)領(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還需要進(jìn)一步細(xì)化和完善，在《城鎮(zhèn)排水管道檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)程》CJJ 181-2012中將結(jié)構(gòu)性缺陷程度劃分為四個(gè)等級(jí)，其中Ⅱ、Ⅲ等級(jí)的修復(fù)工藝需要進(jìn)一步補(bǔ)充；
?。?）未來用于CIPP管道修復(fù)的更加耐腐蝕、高承載力、更環(huán)保內(nèi)襯管新復(fù)合材料的研發(fā)，將進(jìn)一步增加修復(fù)之后管道的使用壽命，進(jìn)而推動(dòng)CIPP技術(shù)的發(fā)展；
?。?）相關(guān)理論有待更加全面的研究，內(nèi)襯管屈曲的設(shè)計(jì)研究應(yīng)該不僅僅是在假定周圍是均勻的靜水壓力，應(yīng)該更多的結(jié)合工程實(shí)際，研究非均勻荷載的計(jì)算模型，并且要考慮原管道的破損情況；
?。?）未來地下空間建筑信息模型（BIM）的建立，為管道修復(fù)設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量評(píng)估等提供了更加詳細(xì)完備的資料。同時(shí)，也能為保證管道修復(fù)工程的安全性、適用性和耐久性奠定基礎(chǔ)。
04.結(jié)語
通過對(duì)國(guó)內(nèi)外CIPP管道修復(fù)技術(shù)的回顧，得到了如下結(jié)論：
對(duì)于局部劣化圓形管道情況：
1）與其他分析模型相比，Glock模型的邊際誤差最小；
2）ASTM-F1216中方程X1.1與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大偏差，建議的增強(qiáng)因子K在不同產(chǎn)品之間存在顯著差異。
對(duì)于局部劣化橢圓形管道情況：
1）在試驗(yàn)過程中，只觀察到屈曲的破壞模式。然而，屈曲并不是CIPP的唯一失效形式。事實(shí)上，最近在路易斯安那理工大學(xué)對(duì)其中一個(gè)CIPP系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究中，發(fā)現(xiàn)了另一種失效模式。失效被確定為襯管壁的分裂。造成這種失效的真正原因還不清楚。因此，今后的研究應(yīng)集中于研究其他可能的失效模式，還需要確定這些失效模式是在什么條件下開始的；
2）隨著管道橢圓度的增大，管道的屈曲壓力不斷減??；
3）ASTM-F1216，方程X1.l低估了所有測(cè)試的橢圓度的屈曲壓力。對(duì)于5%的橢圓度，它與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差為44%;對(duì)于10%的橢圓度，它與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差為45%;對(duì)于20%的橢圓度，它與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差為56%。
需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和分析研究來驗(yàn)證所提出的模型，并驗(yàn)證考慮本研究未包括的參數(shù)的CIPP系統(tǒng)的行為，如：
1）其他幾何形狀或SDR值的影響效果；
2）CIPP材料隨時(shí)間的粘彈性(蠕變)行為；
3）其他類型的既有管道異常的影響，如局部既有管道上的小缺陷；
4）CIPP襯管和既有管道之間的間隙大小對(duì)結(jié)果的影響。
對(duì)于完全劣化管道，在大多數(shù)情況下，惡化的管道是漏水的管道，允許地下水和細(xì)顆粒從管道周圍的土壤滲入。細(xì)小顆粒的移動(dòng)造成了管道的空隙，改變了管道周圍區(qū)域的機(jī)械性能。因此，ASTM F1216-17對(duì)于安裝在完全惡化的管道上的CIPP的設(shè)計(jì)中用一個(gè)地基反力模量值來表示土，忽略周圍土體管道力學(xué)性能的變化，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)不安全。需要另一種方法來考慮管道周圍土壤和整個(gè)土壤介質(zhì)之間的力學(xué)性能差異。
總的來說， CIPP內(nèi)襯管的設(shè)計(jì)規(guī)范中缺乏計(jì)算完全劣化管道外荷載的準(zhǔn)則，并且在考慮管土相互作用時(shí)，利用地基反力模量值表示土體，忽略了周圍土體管道力學(xué)性能的變化。而對(duì)于局部劣化管道，不止屈曲一種失效模式，且在研究?jī)?nèi)襯管屈曲穩(wěn)定性時(shí)基本上都假設(shè)其承載均勻靜水壓力，缺乏非均勻荷載狀態(tài)下的研究，未來應(yīng)該研究其他可能出現(xiàn)的失效模式以及失效的原因。未來CIPP將會(huì)更加成熟并且在排水管道修復(fù)中將發(fā)揮著越來越重要的作用。
向維剛1，馬保松2，趙雅宏1
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，武漢 430074;2.中山大學(xué) 土木工程學(xué)院，珠海 519082）
來源： 中國(guó)給水排水