近泵站高水位急流通水大口徑混凝土管內襯雙脹環修復技術應用研究

孔煒

（上海浦東新區排水管理所，上海市200127）

0 引言

上海市的排水泵站、管道系統，主要建設于上世紀90年代初期，隨著城市發展及自然天氣原因，已不能滿足現有排水系統的要求。結合“十三五”規劃要求，上海積極推進排水系統的改造建設。據悉，截止目前為止，上海急需規劃提標改造的排水泵站有八十多座，同時還涉及許多老舊危險水閘、周邊管網等系統新建改造。排水系統工程建設將迎來新一輪的建設高潮。

目前我國城市地下管網已進入了更新修復期。地下排水管網的改造及更新是重點，也是難點。同時泵站結合管網的改造，既要不影響城市功能、不破壞道路環境，又要使老舊管道及時得到修復保護通水。

經過分析，管道漏水的主要原因是接口漏水。接口損壞原因主要是，施工質量差、不規范，地基沉降發生接口錯位、拉脫；管材質量差、接口尺寸不規范、膠圈老化等原因造成管道經常發生漏水現象。通過維修發現，管道管身沒有發現過漏水現緣，主要發生在接口處。因此，接口是管道修復的主要工作。

在工期方面，由于需加快新老更替，對項目工期要求也越來越緊。在復雜環境下，如何快速而安全地實現排水泵站升級、管道修復等高危作業，是人們面臨的挑戰和難題。

1 工程案例

1.1 總體概況

張家浜雨水泵站新建工程位于浦明路、張家浜西北角，占地面積約2 747.6 m2，雨水泵站建設規模30 m3/s。工程主要施工內容包括雨水泵房、進水閘門井、進水箱涵、出水漸擴箱涵、Y1與Y2特殊井、管道、道路及防汛墻等。其工程總體情況見圖1所示。

圖1 工程總體概況圖

Y1特殊井半徑為3.55m，開挖深度約10m。由于要保證2400老管通水至老泵站，Y1和老管連接設計圍護采用“騎馬井”圍護施工方式，圍護樁采用Φ800鉆孔灌注樁+雙排Φ800旋噴樁（見圖2所示）。鉆孔灌注樁樁長18.88 m，中心間距950 mm；旋噴樁樁長17.58 m，搭接300 mm。坑底采用2 400MJS旋噴樁進行加固，加固范圍坑底以下4 m。

圖2 Y1井管連接“騎馬井”施工示意圖

1.2 主要地質條件

根據勘察，該工程場地45 m深度范圍內地基土均屬第四紀全新世（Q4）和晚更新世（Q3）沉積物，主要由粘性土、粉性土和砂土組成。

自上而下涉及土層為①雜填土、②1粉質黏土、②3黏質粉土、③淤泥質粉質黏土、④淤泥質黏土、⑤黏土、⑥粉質黏土、⑦1黏質粉土、⑦2粉砂。

開挖面土層為③淤泥質粉質黏土，該土層粉性較重，含有機質、云母，夾少量薄層粉性土，土質較均勻。同時該區域淺部主要由碎石、建筑垃圾組成，局部有煤渣，夾較多黏性土；深部以黏性土為主，夾碎石、建筑垃圾，施工前期障礙物多、清障工作量大。

1.3 水文條件

該工程場地南部有地表水體分布，而場地內淺部分布有強透水層（第①層雜填土）和較強透水層（第②3層黏質粉土），場地內潛水與張家浜河水存在一定的水力聯系。張家浜系感潮內河，受非正規半日潮影響，每日兩漲兩落，日漸不等現象顯著，平均潮差2～3 m，潛水水位相應有所變化。

根據黃浦江黃浦公園水文站的歷年資料，經統計黃浦江張家浜實測潮位特征值為：實測最高潮位為+5.72 m，千年一遇高潮位為+5.86 m，歷年平均高潮位為+3.12 m，平均低潮位為1.29 m，平均潮位為2.21 m。

2 施工主要難點

2.1 2400老管“騎馬井”新建井與老管不斷流連接施工難度大、風險高

Y1井施工需保證2400管道的不斷流，設計采用“騎馬井”圍護施工方式。施工難度大、風險高。主要風險因素和施工難點有：

（1）2400老管井，由于其埋深年代久遠，相關位置及埋深資料稀少，“騎馬井”施工，需精確控制好圍護樁的標高及位置，以免對老管的破壞。在圍護施工前，需探摸清楚Y1與老管準確位置及標高。

（2）由于2400管道直徑較大，因此在“騎馬井”施工時，需采取合理方案確保圍護外圍的封閉及止水。

（3）2400管道埋深久遠，其管材質量不能保證，基坑開挖后，容易出現接縫滲水及管節脫節現象。在通水情況下管道破壞將帶來不利的影響。

針對性措施有：

（1）在施工前，由業主委托專業檢測單位，對2400老管進行CCTV檢測及位置標高確認，為Y1井圍護及開挖施工提供準確的老管資料。

（2）對坑外老管端頭及坑底部位予以加固，為保證加固及止水的搭接，采用大直徑MJS加固，確保老管外圍及坑底的加固質量。

（3）加強對管道接頭部位滲漏及管節脫節的控制，對管節部位采用內襯接縫雙脹環止水加固措施以防止管節滲水。

（4）加強施工過程中的監測，信息化施工，確保基坑開挖及周邊環境的安全。

2.2 老管臨近運營泵站管道水位高，水流急

該工程老管接縫修復臨近運營泵站較近。在管道修復雙脹環施工時，由于離運營泵站近，管道標高較低和平緩管道水位較高，施工時降低水位較為困難；同時，為降低管內水位，需啟動泵站內水邊抽水，由于離泵站較近，管道內水流較急，給管道修復作業人員帶來較大的困難和風險。

2.3 施工場地小、施工安全風險大

施工場地臨近Y1井周邊的保護建筑物為變壓器（距離圍護約1.3 m）。汽車洗車店距離約8 m，東側6層居民房距離Y1圍護邊約10 m。周邊環境復雜且作業空間小，若出現險情，無搶險通道。總之，一旦出現險情，應急搶險難點大，施工作業安全風險高。

為此，在施工過程中，需加強對臨近建筑的保護，并加強監測。其中，變壓器距離Y1較近，施工過程需重點加強對其保護。

3 近泵站高水位急流通水大口徑混凝土管內襯雙脹環修復施工

3.1 雙脹環施工特點及原理

不銹鋼雙脹環修復技術是一種管道非開挖局部套環修理方法。該技術采用的主要材料為環狀橡膠止水密封帶與不銹鋼套環，在管道接口或局部損壞部位安裝橡膠圈雙脹環，橡膠帶就位后用2～3道不銹鋼脹環固定，達到止水目的。

不銹鋼雙脹環施工速度快，質量穩定性較好，可承受一定接口錯位，止水套環的抗內壓效果比抗外壓要好，但對水流形態和過水斷面有一定影響。

雙脹圈分兩層，一層為緊貼管壁的耐腐蝕特種橡膠，另外一層為兩道不銹鋼脹環（見圖3）。在管道接口或局部損壞部位安裝環狀橡膠止水密封帶，橡膠帶就位后用2～3道不銹鋼脹環固定，安裝時先將螺栓、楔形塊、卡口等構件使套環連成整體，再緊貼母管內壁，利用專用液壓設備，對不銹鋼脹環施壓，使安裝壓力符合管線運行要求，在接縫處建立長久性、密封性的軟連接，使管道的承壓能力大幅提高，能夠保證管線的正常運行。

圖3 雙脹環接縫處理示意圖

3.2 雙脹環施工流程

由于2400老管埋深年代較為久遠（近30 a），其管材質量已達到設計及使用年限，其接縫及管材自身質量目前已難以確保。為控制基坑開挖后老管接縫的滲水，基坑開挖前采用雙脹環對其接縫進行處理。

雙脹環施工主要流程為：

（1）管道封堵抽水清淤；

（2）管道硬質垃圾清除；

（3）雙脹環安裝修復；

（4）修復后CCTV檢測及通水檢測。

圖4為雙脹環施工流程圖。

圖4 雙脹環施工流程圖

3.3 管道封堵疏通

在雙脹環施工前的準備期間，使用高壓射水車，通過高壓射水的強大壓力，用高壓射水頭在管道內來回移動，使高壓水流不斷沖洗管壁，從而將原附著于管壁的污泥和垃圾清理至檢查井內，從而達到徹底清理管壁的效果，確保清洗后管壁無殘留物，達到排水管道的內窺檢測要求（見圖5）。

在管道清洗和堵點疏通前，也包括管道的內窺檢測前，若管道內積水較深或為滿水管道，則必須對管道進行封堵和排水施工后，才能進行管道的清洗和堵點施工。管道的封堵方式主要為臨時管塞封堵，在上下游管道各封堵1個管塞。

圖5 高壓射水清洗示意圖

將管塞放入封堵管道的管內臨近管口處，使用空氣壓縮機將氣體沖入管塞內，待管塞膨脹后，完成管道的封堵過程，同時在地面以系于管塞上的牽引繩做好安全固定。

封堵順序遵循先封上游、后封下游的方式進行（見圖6）。待管道封堵完成后，采用高揚程水泵將預檢測管道內的積水排至下游通暢的同類型排水管網內。

圖6 管道封堵示意圖

在修復施工期間，為保證安全，同時采用100泥漿泵對管道進行臨時排水處理。為確保工程施工安全順利完成，上述設備采用一備一用的方式進行。

3.4 雙脹圈局部修復

張家浜雨水泵站新建工程Y1井內雨水管雙脹環加固安裝，地點位于浦明路張家浜橋東側輔道橋北Y1井處。需完成7個雙脹環的安裝。泵站配合降水至管道直徑1/3處，停水后進行安裝，每次安裝泵站允許停水2 h，因此7個雙脹環需7次配合安裝。

圖7為管道接縫雙脹環處理縱斷面圖。

3.4.1 雙脹環施工主要材料

（1）不銹鋼環（預制環）。

其不銹鋼片采用奧氏體不銹鋼304（316亦可）。材料特性：304號不銹鋼具有良好的延展性，易冷加工成型，抗拉強度（Ts抗拉強度為700 N/mm，Ys屈服強度為450 N/mm）均有優越的表現，相當于碳鋼（6.8級）。同時，不銹鋼還具有耐腐蝕，對侵蝕、高低溫都有良好的抵抗力。

（2）環狀橡膠止水密封帶。

圖7 管道接縫雙脹環處理縱斷面圖

該密封帶需采用耐腐蝕的橡膠，緊貼管道的一面需做成齒狀，以便更好地貼緊管壁。

3.4.2 橡膠圈雙脹環修理施工方法

潛水員先對管道接口進行清理，然后將環狀橡膠帶和不銹鋼片帶入管道內。在管道接口安裝環狀橡膠止水密封帶。在橡膠帶就位后，用2～3道不銹鋼脹環固定。安裝時，先將螺栓、楔形塊、卡口等構件使套環連成整體，再緊貼母管內壁，使用液壓千斤頂設備，對不銹鋼脹環施壓。

（1）密封帶定位：安裝前應先處理好兩個要密封接觸的部位，以便密封唇口能完全地緊密貼合從而提供一種長久的密封。密封帶放置時，要保證其位置放置在待修部位正上方，并使待修管口處于密封帶中間部位，密封部分用干刷，將之清掃干凈，并涂粘合劑，可以將密封帶與管道緊密粘合在一起。密封帶必須精確地置于涂層之上。由于該工程管道臨近泵站水位高，水流急，柔性橡膠密封帶在急流水中固定較為困難，通過技術攻關最終采用“鋼管十字架”結合頂托臨時固定法，最終確保了橡膠密封帶的固定（見圖8所示）。

（2）不銹鋼內漲圈定位：密封帶定位以后，將不銹鋼保持帶放在密封帶的環槽內。在定位過程中，要注意內漲圈準確放置在密封帶的環槽內，不銹鋼內漲圈的開口要位于管道的側下方。

（3）不銹鋼內漲圈的固定：不銹鋼內漲圈定位后，用專用液壓工具對內漲圈的不銹鋼保持帶施加壓力。加壓裝置壓力達到時，關閉保險開關，將圓弧形的不銹鋼楔插入縫隙 (在膨脹的保持帶兩端）。楔子曲率半徑應與管道半徑相同。將加壓裝置中的壓力釋放，然后在密封帶的第二根不銹鋼保持帶上重復此操作。

圖9、圖10分別為雙脹圈安裝固定示意圖及其實景。

圖9 雙脹圈安裝固定示意圖

圖10 雙脹圖安裝固定之實景

3.5 閉路電視檢測（CCTV檢測）

雙脹環修復好后，對管道進行質量檢測。CCTV檢測儀裝備有最先進的攝像頭、爬行器及燈光系統，完全由帶遙控操縱桿的監視器控制，操作簡單，移動方便，可以進行影像處理、記錄攝像頭的旋轉和定位。它還具有高質量的圖像記錄和文字編輯功能。其主要工作部分為一部四輪驅動的攝像小車和一臺計算機。根據不同管徑，可以選用不同型號的CCTV。通過它能夠將管道中的情況一覽無余。在項目中，對管內情況實在無法得知的時候，便采用此設備對管段進行檢查。在管道修復完成后，進行一次CCTV檢測，作為修復驗收資料。

4 施工效果

張家浜雨水泵站Y1井φ2400老管采用雙脹環接縫處理，待Y1井開挖管道暴露后，管道管身沒有發現過漏水現象，確保了老泵站的通水運營施工。雙脹環法管道接口修復技術施工工法不受地面交通、環境溫度的影響。工程實施完全達到了預期的效果，取得了較好的經濟和社會效益（見圖11）。

圖11 雙脹環接縫內部施工及管道開挖效果圖

5 結語

本文以張家浜雨水泵站新建工程為背景，結合該工程Y1井“騎馬井”φ2400大直徑混凝土近泵站高水位急流通水內襯雙脹環修復技術研究的同時兼顧實際施工的工況銜接，做到安全、經濟、合理。主要成果如下：

（1）針對近泵站高水位急流通水大口徑混凝土管道修復及原位通水保護施工難點，采用雙脹環管道接縫施工工法，總結了完整的管道接縫處理雙脹環施工工法，并確保了老泵站的通水運營施工，大大減短了工期和節約了成本。

（2）針對近泵站高水位急流通水管道中雙脹環安裝難點，創新性地采用“鋼管十字架”結合頂托臨時固定法，最終確保了橡膠密封帶的固定及雙脹環的成功安裝。

（3）管道潛水作業涉及井下施工，有毒氣體施工風險大，施工前必須做好有效的應急預案及安全防護措施。