高聚物注漿技術在城市污水管道修復中的應用

唐 瑤，李碧清，肖先念，王復明，饒 虹，唐 霞

(1．廣州大學數學與信息科學學院，廣東廣州 510006;2．廣州市市政污水處理總廠，廣東廣州 510655;3．鄭州大學水利與環境學院，河南鄭州 450001)

地下管道修復可以分為開挖修復與非開挖修復兩類。開挖修復就是挖開路面后以新管道置換舊管道，然后將路面修復。開挖修復對城市交通產生影響，修復過程產生的噪音及粉塵干擾市民的正常生活。開挖修復施工時間相對較長，工程成本較高。近年來地下管道非開挖修復技術如內襯法、纏繞法、裂管法、原位固化法及管片法等在我國城市管道修復中已有少量應用［1，2］。內襯法是在舊管道中直接拖入新管道，新管道多數用塑料管。內襯法施工速度快，但因減少了過流斷面，新舊管之間空隙注漿填實施工較難。纏繞法是用工作井內的制管機將聚氯乙烯板帶卷成螺旋形的圓管送入舊管，新舊管之間的空隙需注漿填實。碎管法修復是運用氣壓、液壓或其他壓力設備破碎舊管道的同時拖入新管道，新管道采用塑料管。舊管道的碎屑被擠入土層中，碎管法適用于舊管道為易碎管材。碎管法施工速度快，但碎管設備的震動會影響其他的管線設施，碎管碎屑對新管的長期穩定運行會有影響。

注漿法在漏損管道的外側或裂縫部位直接注漿、封堵管道滲漏，注漿材料有無機漿及化學漿。采用高聚物注漿技術［3］對廣州大道南DN1200損壞的鋼筋混凝土污水管［4］進行了注漿修復。該管段是瀝滘污水廠的一條進水主干管，于2009年竣工，地面至管內底深約8．5 m，施工工藝為頂管施工，無管基礎，每天收集城市生活污水10×104m3。該地段地下水位離地面約1．5 m，細粉的流沙多。由于流沙的常年流動，造成了池滘村東側的119號檢查井與120號檢查井間管段的大部分管接頭部位下沉，2014年4月上旬共有26 m長的10節污水管出現下沉，出現10處滲漏、破損及錯位;污水管最大下沉量為650 mm。管頂鄰近路面塌陷面積約5 m2，塌陷深度為1．5 m，該污水管段基本失去污水收集與運輸功能。破損的管線距離周邊房屋間距僅8 m，對房屋安全造成威脅。表1為污水管道沉降量測量結果。

表1 污水管道沉降量測量結果Tab．1 Results of Measurement of Sewage Pipeline Settlement

1 污水管道修復方案比選

1．1 開挖修復方案

如果采用開挖修復方案，需要完成以下工程內容:① 電信管線、煤氣管線、軍用光纖管線及綠化樹木的遷移與回遷;②支護、外圍旋噴樁止水、底部旋噴樁封底、更換污水管道;③ 交通疏解。如此狹窄的范圍內同時遷移各管線的難度大，明挖支護與施工止水是修復過程中的關鍵環節。明挖修復方案總工程造價約410萬元。

1．2 高聚物注漿非開挖修復方案

鑒于該段損壞管線對周邊環境影響大、其他管線多、施工環境復雜等因素，根據該管段損壞的實際情況，決定采用高聚物注漿非開挖修復方案。高聚物注漿技術為非開挖修復技術，高聚物注漿車輕便靈活，施工現場適應性強。

2 非開挖注漿修復過程

2．1 主要設備、材料及工藝流程

2．1．1 主要機械設備與材料

小貨車2臺，用于裝運機具及材料;潛水裝置2套，用于水下封堵施工作業及備用;48 kW發電機1臺，提供施工電源;2．2 kW通風機2臺，用于水下作業;挖掘機2臺，開挖檢查井邊土方及吊裝鋼板;2 m×3 m寬鋼板2塊，擋水及擋沙包。焊機2臺，焊接鋼板配件;管道閉路電視內窺檢測設備(CCTV)1套，用于摸查污水管內情況;非開挖技術設備全套，其中集成式高聚物注漿車寬為2．8 m，高聚物材料直接放置于車內料桶，注漿車能實現100 m內遠距離注漿作業。

將雙組份高聚物凝固體材料浸泡于水中3個月，高聚物無降解及腐爛現象，濾出液中不含高聚物材料成分。分別將雙組份高聚物凝固體材料浸泡于10% 硫酸、10% 氫氧化鈉、乙醇及機油中時，高聚物凝固體材料體積損失率分別為5．4%、1．4%、3．6%及2．0%，表明高聚物材料抗化學及油脂腐蝕的性能優良，具有較好的耐久性，實際地下工程中遇到類似化學及油脂腐蝕劑概率極小。

2．1．2 非開挖修復工藝流程

污水管道非開挖修復工藝流程為:修復范圍內施工圍蔽→上游及下游檢查井裝沙包砌筑擋水→拆除檢查井井口→安裝井口加固鋼板→檢查井內沙包堵水砌筑→1 300 mm氣囊封堵加強止水→潛水員下井摸查→清除積泥→CCTV檢測→非開挖高聚物注漿修復→清拆檢查井內的封堵物及外運→檢查井、地面及綠化修復。

2．2 注漿修復前的施工止水

在修復范圍內先采用輕型井點降水，井點布置間距為1 m，再用潛水泵排出污水管道內的積水。

2．3 導管注漿技術

利用探地雷達(GPR)檢測待修復的污水管道，確定漏損部位，檢測線為管道兩側邊沿線，沿管道縱向方向連續檢測。利用鉆孔設備在漏損管段兩側沿管道縱向等間距布置注漿孔，注漿孔間距為1 m、直徑16 mm，深度至管底、縱向垂直，水平孔位誤差應小于50 mm。按相應長度截取注漿管，沿注漿孔插入注漿管至漏損部位，可以人工用手操作，也可以借助沖擊鉆操作。安裝好注射帽及注射槍后，按照配比將兩種高聚物材料通過輸料管道輸送到注射槍口，兩種高聚物材料在注射槍口混合，注漿壓力為7 MPa，混合的高聚物材料沿注漿管至漏損部位，迅速發生化學反應，膨脹固化。注漿量達到設計要求后立即關閉注射槍保險，等待15 s以后使用專用工具分離注射槍及注射帽，切除露出地面的注漿管。15～20 min后，利用探地雷達進行注漿后的檢測，分析注漿效果，如達不到預期效果，再次補注。利用高聚物導管注漿形成的注漿材料填充管道與土體間的空隙，擠密周圍土體，封堵管道滲漏部位。圖1為注漿孔布置示意圖。

圖1 注漿孔布置示意圖Fig．1 Schematic Diagram of Arrangement of Grouting Hole

2．4 導管注漿與膜袋注漿的復合注漿技術

2．4．1 高聚物膜袋樁與高聚物帷幕形成固沙體

利用探地雷達探測管段涌沙及滲漏位置，在漏損管段兩側沿管道縱向等間距布置注漿孔，注漿孔間距為300～500 mm，直徑為90 mm，利用鉆孔設備從地面向下鉆孔，注漿孔深度至管底以下100 mm。沿注漿孔插入兩根注漿管，一根注漿管底部綁扎膜袋，并用環箍將膜袋開口端與注漿管固定，膜袋直徑為40 mm，長度為1 500 mm。通過注漿管向膜袋內注射高聚物材料，高聚物在膜袋內迅速膨脹并固化，形成高聚物膜袋樁。然后通過另外一根注漿管向膜袋樁間隙處注射高聚物材料，高聚物材料反應膨脹固化后，在高聚物膜袋樁之間形成高聚物帷幕，高聚物膜袋樁與高聚物帷幕形成固沙體，防止排除管道積水時流沙涌入管內。圖2為高聚物膜袋樁布置示意圖。

圖2 高聚物膜袋樁布置示意圖Fig．2 Schematic Diagram of Arrangement of Film Bag Pile

2．4．2 修復管道錯縫滲漏

污水管道內排除積水后，施工人員進入管道內，在錯縫處安裝膜袋，膜袋數量由錯縫長度確定。按照從兩邊向中間的注漿順序，通過注漿管向每個膜袋內注射高聚物材料，高聚物在膜袋內迅速膨脹并固化，填充錯縫處空隙，封堵管道錯縫處的滲漏。在污水管道內錯縫處的兩側均勻布孔，鉆孔數量由管道滲漏脫空的現場情況確定。由注漿管向管道外脫空區域注射高聚物材料，高聚物材料反應膨脹固化后，填充管道外脫空區。圖3為管道錯縫滲漏修復現場圖。

圖3 管道錯縫滲漏修復現場圖Fig．3 Scene Diagram of Rehabilitation of Broken Joit of Sewage Pipeline

2．4．3 注漿抬升下沉的污水管道

利用管道閉路電視內窺檢測技術(CCTV)對沉降的污水管探測檢查，確定沉降的位置及沉降量。對于需要抬升的管道，在管道內的下沉端沿管道縱向以300～400 mm間距鉆膜袋布置孔，孔徑50～120 mm，孔深為200～400 mm。圖4為污水管道內注漿孔布置示意圖。將注漿管放入膜袋開口端，并用環箍將膜袋開口端與注漿管固定，膜袋長度應大于孔深，膜袋直徑取100～400 mm，膜袋長度取300～600 mm。將捆扎好的膜袋放入膜袋孔內。圖5為注漿抬升下沉的污水管道示意圖。依次通過注漿管向膜袋內注射高聚物材料，高聚物在膜袋內迅速膨脹并固化，產生的巨大膨脹力抬升下沉的污水管道。圖6為注漿抬升下沉的污水管道現場施工圖。

圖4 污水管道內注漿孔布置示意圖Fig．4 Schematic Diagram of Arrangement of Grouting Hole in Sewage Pipeline

圖5 注漿抬升下沉的污水管道示意圖Fig．5 Schematic Diagram of Lift of Sewage Pipeline Settlement

圖6 注漿抬升下沉的污水管道現場圖Fig．6 Scene Diagram of Lift of Sewage Pipeline Settlement

在膜袋孔連線的中間部位鉆注漿孔，孔徑16 mm，深度為污水管道壁厚，由注漿管向脫空區注射高聚物材料，高聚物材料迅速反應，膨脹固化物填補因抬升污水管道形成的脫空區域，并對周圍軟土加固。

3 修復效果

廣州大道南DN1200鋼筋混凝土污水管修復工程歷時40天，共使用高聚物注漿材料865 kg。注漿修復前污水管道內有多處滲漏，注漿修復后所有滲漏點停止滲漏，下沉的污水管段提升至設計標高，污水管道恢復了污水收集與輸送功能。共修復10節污水管段，總長為26 m，修復總費用為105萬元。圖7為修復前污水管道積水圖，圖8為修復后的污水管道圖。

圖7 修復前污水管道積水圖Fig．7 Photo of Accumulated Water in Sewage Pipeline

圖8 修復后的污水管道圖Fig．8 Photo of Repaired Sewage Pipeline

4 結語

(1)利用導管注漿技術將新型非水反應高聚物注入管道與土體間的空隙，擠密周圍土體，能有效封堵管道滲漏部位。

(2)導管注漿與膜袋注漿的復合注漿技術能有效抬升沉降的管道，穩定污水管道滲漏段的流沙，加固管道滲漏段的管基礎，恢復污水管道的營運功能。

(3)所研發的新型非水反應高聚物注漿材料具有反應快、膨脹率高、防滲性能優、柔韌耐久、無污染及成本低等特點。

城市管線是城市的生命線，城市管線的損壞使城市工作與生活不能正常運行。高聚物注漿技術在廣州大道南的工程修復實踐表明，當地下管道出現水平方向錯位、垂直方向錯位或局部滲漏時，非開挖注漿修復技術具有省投資、省工期及施工過程環境友好的特點。

［1］李碧清，唐瑤，馮新，等．廣州市城市河涌生態恢復的工程實踐［J］．中國給水排水，2011，27(22):76-78．

［2］吳堅慧．排水管道檢測評估與非開挖修復設計方案［J］．凈水技術，2012，31(4):158-162．

［3］石明生，馬小躍，王復明．高聚物注漿技術在水泥混凝土道路維修中的應用［J］．河南科學，2010，28(1):74-77．

［4］李碧清，唐瑤，唐霞，等．廣州市排水系統存在的問題與對策［J］．廣東科技，2013，22(2):175-176．