排水管道CIPP法修复内衬结构稳定性分析

李 明

(中铁十八局集团建筑安装工程有限公司 天津 300308)

1 引言

伴随我国城市发展的集约化、低碳化等趋势，城市对地下排水管网运行性能要求越来越高，而铺设年代久远的排水管道由于其特殊的负荷情况和工作环境，常出现结构性缺陷和非结构性缺陷[1]。用传统的明挖法进行施工修复，不仅会破坏道路，影响交通，而且代价巨大，因此非开挖管道修复技术应运而生[2-3]。原位固化法(CIPP)[4]作为非开挖管道修复的一种，由于其施工无需开挖路面，基本不影响交通，不扰民，施工速度快、效率高，可以有针对性地对原管道进行修复，减少资金的投入，用于非开挖管道修复能取得良好效果[5-7]，目前已经在城镇给排水管道上得到了较为广泛的应用[8-12]。

虽然CIPP技术已经在国内外的城市管网修复工程中得到较广泛应用，但CIPP技术的材料和工艺不断发展和进步，若采用早期设计理论，会造成材料的浪费，直接导致工程造价过高等问题，并不适用于现在CIPP工程[13]，

本文以福州市南台路排水管道非开挖修复工程为研究对象，重点研究采用CIPP修复后复合结构内力与变形情况以及内衬材料的材料特性和内衬几何因素对内衬管临界屈曲强度的影响，为今后CIPP内衬设计提供理论参考。

2 工程概况

依托工程为福州市城区排水管网改扩建工程，该工程占地约81.3 km2，需要修复、改造的各类型排水管网达480 km，属于目前国内最大的非开挖管道修复工程。待修复管道位于福州市南台路W3000015331～W3000015486检查井之间，为PVC管道，管径为DN300，输送介质为污水。管道内发生多处破裂、错口、渗漏等缺陷，如图1所示。管段存在重大缺陷，结构已经发生破坏，应立即修复。

3 CIPP内衬管壁厚设计

参照 CJJ/T 210—2014[4]和 ASTMF 1216[14]标准，本项目待修复管道属于半结构性破坏，设计时只需考虑静水压力[15]。将管道尺寸系数(DR)取代原有的平均直径，可得式(1):

式中:Pcr为管道屈曲强度；SDR为管道标准尺寸比；D0为原有管道平均外径(m)；t为内衬管设计壁厚(m)。

椭圆度修正系数C:

式中:q为管道的形状变形百分值；D为原有旧管道内径(m)；Dmin为原有旧管道的最小内径(m)；Dmax为原有旧管道的最大内径(m)。由(1)式和(2)式可以推导出内衬管壁厚:

只考虑静水压力，作用在内衬管上的静水压力可用式(6)进行计算:

式中:C为椭圆度折减系数；K为原有管道对内衬管道的支撑系数；N为管道截面环向稳定性抗力系数；EL为内衬管道的长期弹性模量；ν为泊松比，通常情况下取0.3；PW为作用在内衬管上的静水压力(MPa)；HW为管顶上部地下水位高度(m)；γW为水的重度，一般取9.81 kN/m3。

本工程各参数取值: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不详，《非开挖管道修复更新技术》[16]指出:如果要修复的管道没有或者无法进行椭圆度测量，通常取椭圆度为2%进行计算)，计算得到C＝0.84，将上述数据代入式(5)可得内衬管壁厚t＝2.86 mm。因此，选用壁厚为3 mm的内衬材料。

4 数值模拟

本节采用有限元方法(FEM)对管道-内衬复合结构进行数值模拟，并给出相应求解步骤。借助ABAQUS有限元软件，可轻松处理结构非线性问题，从而将重点放在管道内衬结构屈曲和承载性能等相关问题的模拟上。

4.1 模型设计

(1)模型参数定义

内衬在安装过程中，受原有管道和施工工艺的影响，可能会出现各种几何缺陷，如内衬和原有管道之间的环状间隙、内衬局部的褶皱、原有管道截面椭圆化造成的内衬椭圆度、内衬的厚度不均匀等[18-21]。这些缺陷会极大地影响内衬的屈曲性能，在工程设计中应予以考虑。内衬管系统的几何构型可以通过三种参数来表征:衬管尺寸比SDR、衬管与衬管之间的环形间距或间隙、椭圆度。

对于模型中材料属性参数的设定，由于既有管道仅作为边界条件为内衬管提供约束，因此，模型中既有管道选择素混凝土管道，内衬管选择环氧树脂材料，内置玻璃纤维。

(2)衬管和既有管道缺陷设置

主管道椭圆度是需要考虑的主要影响因素。在目前的研究中，一般假定衬管的椭圆度与其主管的椭圆度相同，即:

另外，这些局部缺陷也应该与定义缺陷范围的角度φ有关，如图2所示。

4.2 复合结构相互作用与荷载设置

内衬管与既有管道的贴合程度通过设置相互作用的接触范围来模拟。在Ⅱ区内，假定内衬管与既有管道紧密贴合，二者同步协调变形，因此，在Ⅱ区内将内衬管与既有管道设定为绑定约束。如图2所示，Ⅰ区内衬管与既有管道未贴合在一起，内衬管与既有管道之间的接触设置为硬接触。

本模型中既有管道与内衬管所受的静水压力，通过设置沿既有管道外壁均匀分布的荷载进行模拟，同时设置重力以模拟自然条件下初始缺陷的形成。

4.3 结果分析

施加荷载后，内衬管的变形如图3所示。图3中，最大应力出现在自由区域的中部和边缘部位。与无约束的单独衬管相比，受约束环承受的压力要大得多，屈曲变形也相对严重得多。塑性屈服极限首先出现在自由区域中部的内纤维部位，之后外部纤维达到压缩塑性屈服极限，最终边缘点处的内外纤维也逐渐达到塑性屈服状态。当塑性铰在中部和边缘部位出现后，内衬断裂、坍塌，在不考虑材料失效的情况下，预计临界压力将显著升高，达到4.36 MPa。

(1)SDR值对内衬管临界屈曲强度的影响

为了研究SDR值对内衬管临界屈曲强度的影响，设置6组数值进行模拟，SDR值分别取50、100、200、300、400、500，研究不同 SDR 值下内衬管临界屈曲强度的变化情况，结果如图4所示。从图4中可看出，随着SDR值的增加，内衬管的临界屈曲强度不断降低，当SDR值大于100时，内衬管的临界屈曲强度小于1 MPa。因此，在设计时，内衬管的SDR值不应过大。

(2)边界条件对内衬管临界屈曲强度的影响

如图5所示，对于固定SDR值(SDR＝100)的衬管，极限压力随φ(界面脱离范围)的增加而下降。受约束衬管的抗屈曲性能通过与既有管道相互作用而得到显著提高，无论哪种因素使衬管与既有管道之间的理想接触发生退化，就有可能导致衬管的增强作用降低，从而降低衬管的屈曲压力。

(3)弹性模量对内衬管临界屈曲强度的影响

内衬管材的弹性模量是影响内衬临界屈曲压力的重要影响因素之一。由图6可知，随内衬材料弹性模量增加，屈曲强度也成比例增加。

(4)椭圆度对内衬管临界屈曲强度的影响

内衬管椭圆度对内衬管屈曲强度的影响模拟结果如图7所示。随着管道椭圆度增加，内衬管的屈曲强度逐渐降低。

5 修复效果评价

5.1 运行状态评估

施工完成后，利用管道机器人对修复后的管道外观进行检测。依据ASTM F1216相关规定，内衬管外观检测应满足以下要求:内衬管表面应光洁、平整，无局部划伤、裂纹、磨损、气泡、褶皱等影响管道结构和使用功能的损伤和缺陷；内衬应紧贴旧管道，不应有可见地下水渗漏。修复效果见图8。检测资料显示，修复后管道内壁光滑，无裂纹、褶皱等现象，极大减小了管道内壁对水流的摩擦作用，保证足够的过水能力且修复材料为树脂，可有效提高管道的抗渗性。

5.2 力学性能测试

ASTM相关标准和CJJ/T 210—2014规定，能够用于管道修复的内衬管应满足表1中的力学性能要求。

(1)纵向拉伸试验

本试验共选取5个样品，样品宽度为25 mm，长度为300 mm，试验机加载速度为5 mm/min，结果见表2。

表2 纵向拉伸试验结果

由表2可知，本工程所用内衬材料的纵向拉伸强度平均值为117 MPa，远大于测试标准62 MPa，符合设计要求。

(2)三点弯曲试验和短期弯曲模量试验

本试验共选取5个样品，样品宽度为50 mm，长度为60 mm，支撑点跨度为48.8 mm，支撑点直径为4 mm。试验机从管道外壁施加力，加载速度为10 mm/min，结果见表3。

表3 三点弯曲试验和短期弹性模量试验结果

由表3可知，本工程所选用的内衬材料短期弯曲模量平均值为28 045 MPa，首次断裂弯曲强度为687 MPa，均远大于测试标准，符合设计要求。

综上所述，本工程所选用的光固化内衬材料力学性能较好，其各项指标均远大于设计标准要求，可以用于管道修复。

6 结论

本文以福州市城区排水管网改扩建工程(连坂片区)南台路W3000015331～W3000015486检查井之间排水管道修复为研究对象，采用有限元软件模拟典型管道-内衬结构，揭示了外压作用下受约束CIPP内衬的基本结构行为，准确预测极限屈曲压力，确定了SDR值、界面贴合程度、内衬材料弹性模量和椭圆度对内衬管临界屈曲强度的影响，为排水管道光固化CIPP法内衬壁厚设计提供数据支撑。主要结论包括:

(1)通过有限元模拟，揭示了外压作用下受约束CIPP内衬的基本结构行为:内衬管的临界屈曲强度随SDR值的增大不断降低；对于固定SDR值(SDR＝100)的衬管，临界屈曲强度随φ(界面脱离范围)的增加而下降、随内衬材料弹性模量的增加而增加、随椭圆度的增加而递减。

(2)采用CIPP法修复排水管道时，不会降低管道的过流能力，修复后管道内壁表面光滑、无裂纹，证明内衬材料的各项力学性能均满足相关规范的要求。