排水管道非开挖修复技术的应用现状及展望

引言我国大多数城市发展已从建设时代逐渐进入了运行和维护管理时代，且随着城市化进程的加快，我国城市人口迅速增长，用地面积迅速扩张，同时，对城市各类基础设施的要求也越来越多。尤其是近年来全国重点区域及重点流域对排水污水的处理提出了更高的要求，排水系统的维护与修复显得尤为重要[1]。我国上海、北京和广州等城市混凝土排水管道铺设较早，其管龄普遍在30～50年。这些混凝土管道在服役过程中，会受到化学、物理和生物等各种复杂因素的影响，遭受腐蚀破坏，大多已出现渗漏，严重的甚至发生管道变形和不均匀沉降等。为不影响城市正常排水，应及时对这些混凝土管道采取修复措施。我国以前在管道修复工作中常用的是传统的开挖修复技术。所谓开挖修复技术，就是修复管道时，必须开挖管道上路路面，这需要路面停止通车，并利用挖掘设备对管道铺设部位进行挖掘，修复或更换管道后，再行填土和铺设混凝土，修复期长，工作量大，而且对交通运营影响严重。随着我国城市化的进展，城市地下管线错综复杂，城市道路的负荷越来越严重，排水管道开挖修复面临的困难越来越大，已不适应现代化城市运维的高标准和高要求。管道非开挖修复技术于20世纪70年代在发达国家初露端倪，在我国也有近20年的探索之路。该修复技术无需破坏路面或者仅破坏少许路面，利用原有的检查井即可对管道进行修复加固。该技术整体优势在于修复工程对地面、交通、环境以及周围地下管线等的影响较小，避免了开挖修复技术造成的大面积负面影响[2]。当前，管道非开挖机器人修复技术已被研发成功，必将颠覆传统的管道开挖修复技术，修复效率大幅提高。本文对管道非开挖技术的分类、工艺及其优缺点进行论述，并重点介绍非开挖修复技术之一的机器人修复技术。

1常用管道非开挖修复技术

管道非开挖修复技术根据修复的整体性可分为整体修复和局部修复两大类。1.1整体修复技术整体修复指对某一段管道进行整体加固和修复。采用整体修复可以达到防腐、防渗、增加结构强度甚至修旧如新的目的。目前常用的整体修复技术有：穿插法、原位固化法、螺旋缠绕法、内衬法、碎裂管法。1.1.1穿插法穿插法是指在旧管道中拖入新管，在新、旧管体之间注入高强浆体，将旧管体与新管体连接为一个整体的方法。穿插法所用管材通常选择聚乙烯（PE）管，有时也用聚氯乙烯（PVC）管、陶瓷管、混凝土管或玻璃钢管等[3]。采用穿插法修复管道后，新管的内壁直接接触管内流动的液体。1.1.2原位固化法原位固化法，又称CIPP（CuredInPlacePipe）法。该技术是指将具有防渗透和耐腐蚀的复合纤维增强软管作为载体，浸渍环氧树脂或不饱和树脂后作为内衬材料，将软管一端翻转并用夹具固定在修复管道的入口处，用压力水或气体作动力，将软管紧贴于旧管内壁，当内衬管到达终点时，在管内进行加热，使环氧树脂或不饱和树脂固化，树脂固化后，软管与原管道紧密连接，形成新的内衬层[4]。1.1.3螺旋缠绕法所谓螺旋缠绕法，是利用螺旋缠绕工艺，将带锁扣的PE条带或PVC条带紧密贴合在原管道内壁，形成内衬，再在原管道与内衬间的空隙内注浆，注浆材料凝结硬化后将原管道与内衬连接为牢固整体。1.1.4内衬法内衬法根据工艺分类，可分为折叠内衬法和缩径法。折叠内衬法，是采用可加热变形的PE管或PVC圆管，在施工前先将管道加热并折叠成U形、C形等形状，立即从一个检查井口插入，从另一个检查井口拉出，等就位后，再利用加热或加压方法，使已变形的管道恢复成圆形，从而与原管道紧密贴合，构成复合管道。缩径法，是指通过机械作用使用于装配的内衬管断面直径缩小，将直径缩小的内衬管送进原管中，就位后，利用加热、加压或靠自身弹性，其内衬管恢复至原有形状，从而与原管道内壁紧密贴合[5]。1.1.5碎裂管法碎裂管法，采用碎裂管设备从内部将原管道破碎或割裂后，将原管道碎片挤入周围土体形成管孔，同步拉入新管道。以上5种常用的管道非开挖整体修复技术，各有适用条件和优缺点，具体见表1[6]。表1常用的管道非开挖整体修复技术的适用条件及优缺点1.2局部修复技术[7-8]局部修复指对管道接口、管身等某些损坏部位进行局部的防渗堵漏修复。局部修复针对性强，可降低维修费用，但无法增加结构整体的强度。目前常用的局部修复技术有：点状原位固化法、套环法[9]。1.2.1点状原位固化法点状原位固化法也被称为局部树脂固化技术。该技术是将浸渍了热固性树脂的玻纤布（或毡）紧贴于管道内部缺陷位置，树脂固化后，在管道内部缺陷处形成局部包围的短管内衬。1.2.2套环法套环法是指通过在管道接口部位或局部损坏部位安装止水套环进行局部修复的方法。常用的管道非开挖局部修复技术的适用条件和优缺点见表2。表2常用的管道非开挖局部修复技术的适用条件及优缺点2/机器人修复技术展望

除了以上几种国内常用非开挖技术外，经过多年的研究与开发，国内外已经在管道机器人领域取得了重大突破。自从20世纪50年代提出管道清理器以来，管道机器人开始发展迅猛，其中一部分已经进入到试应用阶段，在管道的清理、探伤、补口和维修等领域突显了优势，但距大规模应用还有一定距离。机器人修复是非开挖修复技术中最新的、灵活度最高的方法之一，是一种使用遥控的修复装置来进行修复工作的方法。遥控修复装置一般为轮式结构，并配有各种施工工具，通常与照明和闭路电视检测（CCTV检测）系统配合使用[10-11]。2.1修复机器人分类修复机器人根据用途分为磨削机器人、填充机器人和离心喷射机器人三类。磨削机器人用来清除管道内树根、石块和淤泥等影响修复杂物，也可以对缺陷处（腐蚀凹坑、疏松部位和裂缝等）进行磨削和清理，为修复材料喷射和填充提供良好的基体表面。填充机器人则可以在磨削过的缺陷处填充修复材料，并能够抹平修复材料表面，形成光滑内壁，通常用于管道的局部修复。离心喷射机器人则是利用专用的管喷设备，将修复材料泵送到管道中心位置高速运转的喷头上，修复材料在高速运转下产生离心力，被均匀地甩到管道内壁，其模型示意图如图1所示。离心喷射设备在牵引车的推动下，在管道中沿轴线方向缓慢前进，修复材料与管道内壁完全贴合，达到良好的致密性，凝结硬化后与原管道内壁形成具有一定强度的整体结构。该技术施工速度快，施工效率高，可用于管道的整体修复，也可用于管道的局部修复[12]。图1砂浆离心喷射管道修复技术模型示意图2.2机器人修复技术的适用条件及其特点目前的机器人修复技术仅适用于管径为200~800mm的单一管径的直管修复。但实际上，地下管道除单一管径的直管外，还有“T”形管、“L”形管、弯管和变径管等其他形状的管道，以目前的机器人修复技术，还无法灵活应用于这些管道的修复。虽然该技术存在一定的局限性，但该技术应用于单一管径的直管修复时，优势十分明显：它无需开挖地面，修复后过流断面损失小，施工时间短，修复效率高，修复过程中噪音小，可适用的缺陷种类多，经济性好[13]。2.3修复材料的研制与选择修复材料应选择特种水泥砂浆。这类特种砂浆与常用的修复树脂相比，具有与混凝土管道基底的匹配性好，且砂浆对环境污染小，随拌随用，操作方便，施工成本远低于树脂材料。地下管道内部环境复杂，易受到化学、生物腐蚀以及物理冲击。同时，考虑大部分地下管道修复是抢修工程，对施工时间有严格要求，应保证砂浆在较短时间内凝结、硬化并尽快建立强度。这就要求修复材料具有快硬早强、耐腐蚀性、无收缩、与管道内壁良好的粘结性等特点。另外，填充修复砂浆还应具有良好的自流平性和填充性，离心喷射砂浆则要求良好的挂壁性和触变性。仅满足以上要求的喷射用修复砂浆在施工过程中，必须首先将正常通水的管道进行临时封堵，并将排水管道中的水全部排出后才可进行修复，无法带水作业。而要带水作业的话，则必须开发研制水下抗分散性砂浆。水下抗分散性砂浆是在普通砂浆中掺入以絮凝剂为主的抗分散剂从而使其保持良好的流动性和抗分散性[14-15]。采用此类砂浆对管道进行修复，无需排出管道中的水，可直接将其喷射或注入水下，其能在水下不受水流影响而与管壁紧密贴合，凝结硬化后形成整体[16]。这种做法省时省力，克服了普通砂浆抗水洗能力差的问题，可大大简化施工工艺，加快工程进度，提高工程质量，节约综合成本。这类砂浆不仅适用于水下局部填充修复，而且也适用于旋转喷射的整体修复。可以预见，水下抗分散性砂浆与机器人配合使用，将在管道修复方面带来更好的技术和经济效益。结语

当前，国内常用的管道整体非开挖修复技术包括：穿插法、原位固化法、螺旋缠绕法、内衬法和碎裂管法，管道局部非开挖修复技术包括：点状原位固化法和套环法。随着时代的发展，排水管道修复对施工质量和施工效率的要求越来越高