排水管道CIPP法修復內襯結構穩定性分析

李 明

(中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司 天津 300308)

1 引言

伴隨我國城市發展的集約化、低碳化等趨勢，城市對地下排水管網運行性能要求越來越高，而鋪設年代久遠的排水管道由于其特殊的負荷情況和工作環境，常出現結構性缺陷和非結構性缺陷[1]。用傳統的明挖法進行施工修復，不僅會破壞道路，影響交通，而且代價巨大，因此非開挖管道修復技術應運而生[2-3]。原位固化法(CIPP)[4]作為非開挖管道修復的一種，由于其施工無需開挖路面，基本不影響交通，不擾民，施工速度快、效率高，可以有針對性地對原管道進行修復，減少資金的投入，用于非開挖管道修復能取得良好效果[5-7]，目前已經在城鎮給排水管道上得到了較為廣泛的應用[8-12]。

雖然CIPP技術已經在國內外的城市管網修復工程中得到較廣泛應用，但CIPP技術的材料和工藝不斷發展和進步，若采用早期設計理論，會造成材料的浪費，直接導致工程造價過高等問題，并不適用于現在CIPP工程[13]，

本文以福州市南臺路排水管道非開挖修復工程為研究對象，重點研究采用CIPP修復后復合結構內力與變形情況以及內襯材料的材料特性和內襯幾何因素對內襯管臨界屈曲強度的影響，為今后CIPP內襯設計提供理論參考。

2 工程概況

依托工程為福州市城區排水管網改擴建工程，該工程占地約81.3 km2，需要修復、改造的各類型排水管網達480 km，屬于目前國內最大的非開挖管道修復工程。待修復管道位于福州市南臺路W3000015331～W3000015486檢查井之間，為PVC管道，管徑為DN300，輸送介質為污水。管道內發生多處破裂、錯口、滲漏等缺陷，如圖1所示。管段存在重大缺陷，結構已經發生破壞，應立即修復。

3 CIPP內襯管壁厚設計

參照 CJJ/T 210—2014[4]和 ASTMF 1216[14]標準，本項目待修復管道屬于半結構性破壞，設計時只需考慮靜水壓力[15]。將管道尺寸系數(DR)取代原有的平均直徑，可得式(1):

式中:Pcr為管道屈曲強度；SDR為管道標準尺寸比；D0為原有管道平均外徑(m)；t為內襯管設計壁厚(m)。

橢圓度修正系數C:

式中:q為管道的形狀變形百分值；D為原有舊管道內徑(m)；Dmin為原有舊管道的最小內徑(m)；Dmax為原有舊管道的最大內徑(m)。由(1)式和(2)式可以推導出內襯管壁厚:

只考慮靜水壓力，作用在內襯管上的靜水壓力可用式(6)進行計算:

式中:C為橢圓度折減系數；K為原有管道對內襯管道的支撐系數；N為管道截面環向穩定性抗力系數；EL為內襯管道的長期彈性模量；ν為泊松比，通常情況下取0.3；PW為作用在內襯管上的靜水壓力(MPa)；HW為管頂上部地下水位高度(m)；γW為水的重度，一般取9.81 kN/m3。

本工程各參數取值:K＝7，ν＝0.3，N＝2.0，D0＝0.3 m，EL＝6 000 MPa，HW＝3.56 m。

代入式(6)得PW＝0.35 MPa，q＝2%(由于D、Dmax、Dmin不詳，《非開挖管道修復更新技術》[16]指出:如果要修復的管道沒有或者無法進行橢圓度測量，通常取橢圓度為2%進行計算)，計算得到C＝0.84，將上述數據代入式(5)可得內襯管壁厚t＝2.86 mm。因此，選用壁厚為3 mm的內襯材料。

4 數值模擬

本節采用有限元方法(FEM)對管道-內襯復合結構進行數值模擬，并給出相應求解步驟。借助ABAQUS有限元軟件，可輕松處理結構非線性問題，從而將重點放在管道內襯結構屈曲和承載性能等相關問題的模擬上。

4.1 模型設計

(1)模型參數定義

內襯在安裝過程中，受原有管道和施工工藝的影響，可能會出現各種幾何缺陷，如內襯和原有管道之間的環狀間隙、內襯局部的褶皺、原有管道截面橢圓化造成的內襯橢圓度、內襯的厚度不均勻等[18-21]。這些缺陷會極大地影響內襯的屈曲性能，在工程設計中應予以考慮。內襯管系統的幾何構型可以通過三種參數來表征:襯管尺寸比SDR、襯管與襯管之間的環形間距或間隙、橢圓度。

對于模型中材料屬性參數的設定，由于既有管道僅作為邊界條件為內襯管提供約束，因此，模型中既有管道選擇素混凝土管道，內襯管選擇環氧樹脂材料，內置玻璃纖維。

(2)襯管和既有管道缺陷設置

主管道橢圓度是需要考慮的主要影響因素。在目前的研究中，一般假定襯管的橢圓度與其主管的橢圓度相同，即:

另外，這些局部缺陷也應該與定義缺陷范圍的角度φ有關，如圖2所示。

4.2 復合結構相互作用與荷載設置

內襯管與既有管道的貼合程度通過設置相互作用的接觸范圍來模擬。在Ⅱ區內，假定內襯管與既有管道緊密貼合，二者同步協調變形，因此，在Ⅱ區內將內襯管與既有管道設定為綁定約束。如圖2所示，Ⅰ區內襯管與既有管道未貼合在一起，內襯管與既有管道之間的接觸設置為硬接觸。

本模型中既有管道與內襯管所受的靜水壓力，通過設置沿既有管道外壁均勻分布的荷載進行模擬，同時設置重力以模擬自然條件下初始缺陷的形成。

4.3 結果分析

施加荷載后，內襯管的變形如圖3所示。圖3中，最大應力出現在自由區域的中部和邊緣部位。與無約束的單獨襯管相比，受約束環承受的壓力要大得多，屈曲變形也相對嚴重得多。塑性屈服極限首先出現在自由區域中部的內纖維部位，之后外部纖維達到壓縮塑性屈服極限，最終邊緣點處的內外纖維也逐漸達到塑性屈服狀態。當塑性鉸在中部和邊緣部位出現后，內襯斷裂、坍塌，在不考慮材料失效的情況下，預計臨界壓力將顯著升高，達到4.36 MPa。

(1)SDR值對內襯管臨界屈曲強度的影響

為了研究SDR值對內襯管臨界屈曲強度的影響，設置6組數值進行模擬，SDR值分別取50、100、200、300、400、500，研究不同 SDR 值下內襯管臨界屈曲強度的變化情況，結果如圖4所示。從圖4中可看出，隨著SDR值的增加，內襯管的臨界屈曲強度不斷降低，當SDR值大于100時，內襯管的臨界屈曲強度小于1 MPa。因此，在設計時，內襯管的SDR值不應過大。

(2)邊界條件對內襯管臨界屈曲強度的影響

如圖5所示，對于固定SDR值(SDR＝100)的襯管，極限壓力隨φ(界面脫離范圍)的增加而下降。受約束襯管的抗屈曲性能通過與既有管道相互作用而得到顯著提高，無論哪種因素使襯管與既有管道之間的理想接觸發生退化，就有可能導致襯管的增強作用降低，從而降低襯管的屈曲壓力。

(3)彈性模量對內襯管臨界屈曲強度的影響

內襯管材的彈性模量是影響內襯臨界屈曲壓力的重要影響因素之一。由圖6可知，隨內襯材料彈性模量增加，屈曲強度也成比例增加。

(4)橢圓度對內襯管臨界屈曲強度的影響

內襯管橢圓度對內襯管屈曲強度的影響模擬結果如圖7所示。隨著管道橢圓度增加，內襯管的屈曲強度逐漸降低。

5 修復效果評價

5.1 運行狀態評估

施工完成后，利用管道機器人對修復后的管道外觀進行檢測。依據ASTM F1216相關規定，內襯管外觀檢測應滿足以下要求:內襯管表面應光潔、平整，無局部劃傷、裂紋、磨損、氣泡、褶皺等影響管道結構和使用功能的損傷和缺陷；內襯應緊貼舊管道，不應有可見地下水滲漏。修復效果見圖8。檢測資料顯示，修復后管道內壁光滑，無裂紋、褶皺等現象，極大減小了管道內壁對水流的摩擦作用，保證足夠的過水能力且修復材料為樹脂，可有效提高管道的抗滲性。

5.2 力學性能測試

ASTM相關標準和CJJ/T 210—2014規定，能夠用于管道修復的內襯管應滿足表1中的力學性能要求。

(1)縱向拉伸試驗

本試驗共選取5個樣品，樣品寬度為25 mm，長度為300 mm，試驗機加載速度為5 mm/min，結果見表2。

表2 縱向拉伸試驗結果

由表2可知，本工程所用內襯材料的縱向拉伸強度平均值為117 MPa，遠大于測試標準62 MPa，符合設計要求。

(2)三點彎曲試驗和短期彎曲模量試驗

本試驗共選取5個樣品，樣品寬度為50 mm，長度為60 mm，支撐點跨度為48.8 mm，支撐點直徑為4 mm。試驗機從管道外壁施加力，加載速度為10 mm/min，結果見表3。

表3 三點彎曲試驗和短期彈性模量試驗結果

由表3可知，本工程所選用的內襯材料短期彎曲模量平均值為28 045 MPa，首次斷裂彎曲強度為687 MPa，均遠大于測試標準，符合設計要求。

綜上所述，本工程所選用的光固化內襯材料力學性能較好，其各項指標均遠大于設計標準要求，可以用于管道修復。

6 結論

本文以福州市城區排水管網改擴建工程(連坂片區)南臺路W3000015331～W3000015486檢查井之間排水管道修復為研究對象，采用有限元軟件模擬典型管道-內襯結構，揭示了外壓作用下受約束CIPP內襯的基本結構行為，準確預測極限屈曲壓力，確定了SDR值、界面貼合程度、內襯材料彈性模量和橢圓度對內襯管臨界屈曲強度的影響，為排水管道光固化CIPP法內襯壁厚設計提供數據支撐。主要結論包括:

(1)通過有限元模擬，揭示了外壓作用下受約束CIPP內襯的基本結構行為:內襯管的臨界屈曲強度隨SDR值的增大不斷降低；對于固定SDR值(SDR＝100)的襯管，臨界屈曲強度隨φ(界面脫離范圍)的增加而下降、隨內襯材料彈性模量的增加而增加、隨橢圓度的增加而遞減。

(2)采用CIPP法修復排水管道時，不會降低管道的過流能力，修復后管道內壁表面光滑、無裂紋，證明內襯材料的各項力學性能均滿足相關規范的要求。