关于大口径玻璃钢夹砂管非开挖修复方案的研究

关于大口径玻璃钢夹砂管非开挖修复方案的研究

徐毅帆1 王津龙2

1黄河勘测规划设计研究院有限公司天津设计院

2中水电（天津）建筑工程设计院有限公司

摘要：结合项目2000mm大口径有压玻璃钢夹砂管的特点，比较了不同非开挖修复方案的技术优势和不足，优选出碳纤维加固法作为最终的修复方案，并对其施工工艺进行介绍。

关键词：玻璃钢夹砂管、非开挖修复、碳纤维加固法

1 玻璃钢夹砂管概述

玻璃钢管材作为一种新型材料，诞生于上世纪五十年代，始用于石油工业。随着技术的发展，上世纪七十年代出现的玻璃钢夹砂管，大大降低的管道造价，从而广泛应用于化工、军工、水利、市政等行业。

由于玻璃钢夹砂管为非均质复合材料，且管壁通常偏薄，故其在抗外压稳定方面容易出现问题，尤其是作为大口径有压管道时，在运行过程中处于交变应力作用下，强度易产生疲劳损失，进而导致变形破坏。

2 项目概况

项目管道接泵站出水管，全程带压，铺设超过十年，管道玻璃钢夹砂管结构，管径2000mm，壁厚50mm，设计压力0.6MPa，沿线不具备开挖条件，且检查井少，最大间距达2.5km。

3 非开挖修复方案比选

目前，世界上较先进的管道非开挖修复技术有3大类，一是采用树脂固化的方法在管道内部形成新的排水管道，如CIPP、现场固化等工艺；二是采用小管穿大管的方式，在原有管道内部套入小的排水管道，以解决燃眉之急，如短管内衬、U型管拖入等工艺；三是采用螺旋制管的方式在原有管道的内部采用缠绕法形成一条新管道，如螺旋缠绕法等。

根据相关技术规程及国内同类工程施工经验，项目选择原位固化法、机械制螺旋缠绕法、不锈钢内衬法、碳纤维加固法进行比选。

3.1 原位固化法

原位固化法主要是在现有缺陷管道内壁内衬一层热固性物质，利用水压与气压将内衬管翻转或通过绞车将内衬管拉扯到缺陷修复设计预定位置，通过热水、蒸汽或紫外线等加热手段使内衬管固化，从而将内衬管与原缺陷管道紧密结合，完成旧管道的修复更新工作。

技术优势：1、环境与交通等影响小。2、全过程施工可控性好。3、作业工期短。4、外部荷载承受能力强。5、整体性好。

技术不足：1、对工人的技术水平和经验有较高的要求。2、材料成本高，尤其是大口径管道受限于材料重量，单次修复长度不超过200m。3、原位固化修复技术的施工质量受到树脂软管材料和现场施工过程等方面的影响，产生内衬管表面鼓胀、材料未固化、内衬材料严重褶皱与棱纹，甚至发生裂纹和材料破损等问题。

3.2 机械制螺旋缠绕法

机械螺旋缠绕法是通过螺旋缠绕的方法在待修复管道内部将带状PVC型材通过压制卡口不断的前进形成新的管道，新管道卷入待修复管道后，通过扩张紧贴旧管壁或以固定口径在新旧管之间注浆形成复合新管。

技术优势：1、施工简便；2、施工机动性强；3、真正的非开挖修复；4、可带水作业；5、衬管完全无渗漏，密闭性好；6、一次性修复长度大。

技术不足：1、压力管道常规PVC内衬管不满足要求，需采用不锈钢材质；2、修复完后需注浆。3、需进行管道内部焊接。

3.3 不锈钢内衬法

不锈钢内衬法是在待修复管道两端开挖作业坑，用专用设备把薄板不锈钢制成符合尺寸要求的管坯，再用专用小车将管坯输送到待衬管道内，在管道内用机械胀管器把不锈钢管坯撑圆并紧贴在旧管道内壁上，采用氩弧焊焊接不锈钢管坯的纵缝和环缝形成整体不锈钢内衬层管，管道端口采用厚不锈钢过渡板将薄不锈钢内衬管与原管道连接为一体成为复合管道，从而达到对原旧管道修复改造升级的目的。

技术优势：1、耐腐蚀，耐高温，寿命长，无污染，承压高，摩阻小，损失小。2、地面工人少，施工机具少，施工占地面积小。3、工作坑开挖数量少，施工作业对周围环境和交通影响小。4、壁厚较薄且不锈钢表面光滑摩擦力小。

技术不足：1、不锈钢内衬修复技术工艺是采用的薄壁不锈钢板贴敷法修复，由于内衬层为薄壁不锈钢板，其承受外压（真空负压）能力较低，容易造成不锈钢内衬层变形、塌陷、破损；2、要求管道内允许焊接。

3.4 碳纤维加固法

碳纤维加固法属内衬管的一种，主要是通过在玻璃钢夹砂管内表面粘贴碳纤维布及碳纤维板的方法对管道进行加固补强。

技术优势：1、抗腐蚀抗老化性能；2、材料轻质高强；3、施工方便快捷4、适合于所有尺寸和所有材质的管道5、无需进行开挖施工；6、采用碳纤维在玻璃钢夹砂管内侧进行加固补强的方法可行，加固不污染水体、不影响水质安全；7、结构交叉荷载作用以及材料流变损伤对玻璃钢夹砂管影响较大，需提高管道的整体性能，并在后续使用过程中减少疲劳荷载影响。

技术不足：1、对工人的技术水平和经验有较高的要求。2、现场施工环境较差。3、施工距离受出入口及竖向检修口间距影响。

3.5 非开挖修复方案选择

以下分别从内衬管材质、施工距离、适用性，工程造价、受力性能、缩径量等各方面进行对比分析。

1、内衬管材质比较

机械螺旋缠绕法和不锈钢内衬法均采用不锈钢内衬，原位固化法、碳纤维加固法采用抗腐蚀能力优良的环氧树脂及玻璃纤维或碳纤维材料，其在抗腐蚀性能上机械螺旋缠绕法和不锈钢内衬法不如原位固化法、碳纤维加固法。

2、施工条件比较

机械螺旋缠绕法施工段长度可达1000m，但在管道起伏、转弯处仍需人工进入配合施工，单个施工段过长不利于通风，易发生危险；原位固化法由于管径大且为有压管道，造成材料单位重量较大，受限于施工能力，施工段长度仅200m；不锈钢内衬法和碳纤维加固法均需人工进入管道内进行内衬管施工，仅为内衬管材质的差异，为保证施工人员安全，施工段长度不宜超过500m。由于项目管道检修井间距大、高程起伏大、弯道多，采用机械螺旋缠绕法施工较为困难。

3、适用性比较

机械螺旋缠绕法适用管径为DN200~3000，原位固化法适用管径为DN200~2400，不锈钢内衬法、碳纤维加固法适用管径为DN800以上。

4、管内焊接作业要求

结合各种修复方法采用的功法及主要修复材料的性质，其中不锈钢内衬法、机械螺旋缠绕法需在管内进行焊接作业，而原位固化法、碳纤维加固法均无需在管道内壁进行焊接作业。管道内密闭空间的焊接对通风、防触电以及施工器具的运输和布置均有较高要求，同时，项目修复管道为玻璃钢夹砂管材质，主要组成材料为树脂，若修复方案涉及焊接工艺，如不采取有效的隔热防火措施，极易发生危险。

5、工程造价比较

原位固化法造价最高，且主要用于无压、污水管道的修复，所使用材料会对水质产生一定污染，机械螺旋缠绕法次之，不锈钢内衬法和碳纤维加固法造价基本持平。项目补水管道管径大、高程起伏大，且为有压管道，根据国内同类工程施工经验，紫外光整体修复最大管径为1500mm左右，因管径大导致所需加固材料的厚度较大，经计算，2000mm管径所需内衬厚度达16mm，该厚度下紫外光的穿透效率大大降低，从而影响固化效果。

6、受力性能比较

根据同类工程经验和实验研究可知，玻璃钢夹砂管是树脂基复合材料，在长期交变应力作用下，会产生疲劳强度损失，项目管道已运行十余年，综合作用下，原有管道的强度存在一定损失，碳纤维片材加固法可分摊部分的环向内力，可大幅度提高玻璃钢夹砂管的环向承载能力，提高结构的耐久性。

7、缩径量比较

紫外光原位固化法、不锈钢内衬法、碳纤维加固法内衬材料均小于5mm，缩径量较小，机械螺旋缠绕法缩径量达100~150mm，远远大于另外三种方案。

综上所述，综合考虑到项目可实施性、施工安全、工程造价等因素，推荐采用碳纤维加固法。

4 总结

结合项目特点和现场实际情况，项目最终选择采用碳纤维加固法对玻璃钢夹砂管进行非开挖修复，主要修复工艺为：管道内表面清理→内壁拉毛→涂底层胶→涂浸渍胶→粘贴碳纤维布→涂碳纤维布面胶→初凝固化后打磨处理→涂碳纤维板粘结胶→粘贴碳纤维板→洞施支架压实→养护。

相信经过项目的实施，将为后期大口径有压玻璃钢夹砂管的非开挖修复提供思路和参考。