地下管道脱空渗漏高聚物注浆抬升修复与数值分析

2015-12-21徐建国胡会明李松涛李耀军

水利与建筑工程学报 2015年3期

徐建国，胡会明，李松涛，李耀军

（郑州大学水利与环境学院，河南郑州450002）

地下管网是现代化城市不可或缺的重要基础设施，是城市赖以生存和发展的物质基础和不可缺少的生命线，其肩负着城市污水、雨水排放的重任。随着我国经济的发展，城市建设的规模越来越大，铺设的地下管道也越来越长，管道剩余的使用年限也越来越短。近年来，随着人们对现代文明意识和环保意识的加强，地下管道的安全性受到越来越多的关注。然而目前管道老化、破坏现象日益严重，每年仅因管道渗漏造成的直接或间接经济损失可达数十亿元［1-2］。现有地下管道维修方法主要有两类：一类是开挖修复方法；另一类是非开挖修复方法。开挖修复方法指开挖破损管道上方土层，对破损管道进行局部修复或整体更换新管道的方法。虽然该方法可以有效解决管道沉降问题，但这类方法施工成本高、工期长、施工区居民生活和交通受到严重干扰。非开挖修复方法主要有原位固化法、穿插法、爆管法、折叠内衬法和喷涂法等［3-4］。虽然这些方法可以在一定程度上解决地下管道结构病害及渗漏水问题，但都或多或少地存在着造价高、工期长、施工难度大、施工质量不易控制、无法根治病害等问题。因此，研发施工快捷、环境影响小、成本较低、实用可靠的地下管道非开挖修复新技术已成为我国地下管道养护领域亟待解决的重要问题。

郑州大学河南省岩土工程检测与防护重点实验室课题组借助高聚物材料具有高膨胀性的特点［5-6］，研发了地下管道沉降抬升注浆技术，为地下管道的沉降修复提供了新的非开挖技术手段。与传统开挖维修技术相比，该项技术具有施工速度快、造价低、基本不影响道路交通和周围环境等优点，是一项值得推广的管道沉降渗漏修复技术。

本文基于“广州市广州大道下水管道高聚物注浆修复脱空渗漏”工程实例，通过建立地下管道-高聚物修复材料-土体数值分析模型，并考虑土体材料的非线性特性和接触摩擦特性等，对比计算了高聚物注浆修复前后、在静力荷载和地震动力荷载下管道的受力和变形特性。为采用高聚物注浆技术治理地下管道沉降与脱空渗漏病害提供理论依据。

1 地下管道脱空与渗漏病害治理高聚物注浆技术

软弱土层、流沙、地下暗河等地质条件将直接导致地下管道渗漏与沉降等病害，针对这种情况，课题组研发了地下管道接触渗漏治理高聚物导管注浆技术、高聚物膜袋注浆与导管注浆结合的复合注浆技术、以及地下管道沉降抬升注浆技术等［7-11］。其技术原理是：首先用探地雷达（GPR）快速检测地下管道与土体接触渗漏病害位置；然后在渗漏位置两侧地表钻孔，将注浆管下到管道渗漏位置，向其脱空与渗漏位置注射高聚物，注射到位的高聚物材料迅速发生反应、膨胀固化、封堵渗漏、填充脱空，同时抬升由于脱空而沉降的管道，从而治理管道与土体接触渗漏病害（图1为管道内注浆抬升治理渗漏示意图）。

2 地下管道沉降与脱空渗漏病害治理高聚物注浆修复数值分析

为对比高聚物注浆修复渗漏管道前后的工作状况和受力变形特性，通过建立“地下管道-高聚物注浆材料-土体”有限元数值计算模型，开展地下管道沉降与脱空高聚物注浆修复前后受到静力及地震荷载作用下的数值计算分析对比。本文以实际工程项目“广州市广州大道南污水管道高聚物沉降抬升修复项目”为计算模型。广州市广州大道污水主干管始建于2004年，现已运行11a。由于该区域存在软弱土层、流沙和暗河等不良地质条件，污水管网在建成后出现不均匀沉降，造成管段连接处发生错位、漏水等病害。污水管道材质为钢筋混凝土，内径1.4 m，外径1.6m，管道沉降最大深度达0.6m，沉降脱空区域长度14m，已不能正常运行。通过采用高聚物导管注浆进行污水渗漏治理和沉降抬升修复，现管道已恢复正常输水运行状态，取得了很好的治理效果。

图1 高聚物注浆填充脱空示意图

2.1 有限元模型的建立

利用ABAQUS软件进行数值分析，采用20节点等参单元对埋管结构进行网格剖分［12-13］，其中周围土体材料、管道与高聚物填充材料均按照不同材料组设定，在有限元建模分析中土体材料采用Mohr-Coulomb模型，管道与周围土体及高聚物材料间设置接触单元（图2为埋管结构计算模型，图3为结构网格剖分）。高聚物注浆材料的密度为0.2g／cm3，弹性模量为20MPa，抗拉和抗压强度分别为2.12MPa和2.94MPa；管道混凝土重度23kN／m3，弹模25 000MPa，抗拉和抗压强度分别为2.0 MPa和30MPa。按照管道底部脱空和脱空处注浆填充高聚物材料两种情况分别计算管道所受到的最大拉应力、压应力、剪应力和管道位移。分为2种工况计算：（1）埋管结构受到自重及上部荷载作用；（2）埋管结构自重及上部荷载作用再施加底部地震荷载。地震加速度采用El-centro波调幅0.05g（广州地区地震烈度6度），地震加速度沿结构底面水平向输入，整体阻尼矩阵按瑞利阻尼。

图2 埋管结构计算模型

图3 埋管结构网格剖分

2.1.1 基本假定

有限元计算分析中采用如下假定

（1）建立埋管结构三维空间模型，并考虑了初始地应力的影响；

（2）埋管周围土体采用Mohr-Coulomb模型模拟材料的弹塑性特性；

（3）管道、土体与高聚物材料间均设置接触单元。

2.1.2 高聚物材料力学参数

从早上6点到晚上9点，几乎排满了各类课程和修行任务，天天如此，年年如此。寺院全年有两次假期，春节放假后，2月10日得准时回寺；6月1日放暑假后，25日得回寺。

根据非水反应类聚氨酯高聚物材料的弹性模量与密度试验，以及材料抗拉、抗压强度与密度关系试验，所得的试验结果见表1，以及图4、图5。

表1 高聚物材料弹性模量与密度关系

2.1.3 周围土体材料

周围土体材料应力应变关系可采用Mohr-Coulomb模型［14-15］，线弹性模型基于广义胡克定律，其本构方程为：

图4 高聚物材料抗拉强度与密度关系

图5 高聚物材料抗压强度与密度关系

式中：σ为应力分量向量；εel为应变分量向量；Del为弹性矩阵。

Mohr-Coulomb模型屈服准则为：

式中：τ为剪切强度；c为材料的黏聚力；σ为正应力；φ为材料的内摩擦角；各参数值见表2。

把τ和σ代入式（2），则Mohr-Coulomb准则可写为：

式中：s为大小主应力差的一半，即为最大剪应力；σm为大小主应力的平均值，因此，Mohr-Coulomb屈服准则假定材料的破坏与中应力无关。典型的岩土材料的破坏受中应力的影响，但这种影响比较小，所以，对于大部分的应用来说，Mohr-Coulomb屈服准则具有足够的精度。

表2 土基材料与基岩参数表

在周围土体、管道与填充高聚物之间设置接触单元，来模拟界面间产生的相对错动、滑移与分开等状态。如设Fs和Fn分别为接触单元间的摩擦力和法向力，Kt为黏性系数，Kn为法向刚度，u为切向位移，d为接触点距离。

2.2 计算结果与分析

2.2.1 埋管高聚物注浆抬升修复受力分析

当埋管结构由于管道脱空渗漏而无法正常工作时，采用高聚物注浆修复方法，一方面高聚物材料具有自膨胀特性对沉降管道结构抬升复位，同时高聚物材料对管道下的脱空区域也进行了填充，治理了渗漏且修复了病害。通过数值计算分析表明，管道在注浆抬升过程中受力平稳且管道应力均在安全范围内。修复过程中管道所受最大拉应力位于管道内壁顶部，最大值为1.579MPa；管道所受最大压应力位于管道左右内壁，最大值为2.992MPa。地下埋管在高聚物注浆修复过程管道荷载施加如图6所示；管道的最大拉、压应力图如图7、图8所示。