不锈钢内衬技术对大管径管渠系统的改造及其应用

不锈钢内衬技术对大管径管渠系统的改造及其应用

杨旭   费扬   潘婷   李志

中建三局集团有限公司 200120

摘要：基坑工程及连通道顶管施工对合流管扰动较大，因此如何确保管渠系统的安全运行及下穿管道的顺利推进，值得探索。以临青南路地下连通道下穿DN3500合流管的保护工程为例，简述了不锈钢内衬技术在该工程的应用以及整体方案的制定实施，经实践，实际应用效果良好，满足后续正常运行的要求。

关键词：顶管施工；合流管；不锈钢内衬；修复

0 引言

地下管网是城市重要的基础设施，是城市功能正常运行的重要生命线。随着我国城市的不断发展，地下空间作业在施工中大量采用顶管、盾构的方式，因此近距离下穿市政排水管道设施的修复保护工作成为了急需攻克的难题。不锈钢内衬技术是通过利用不锈钢材料具有的较高抗拉强度，对发生结构性破坏、功能性破坏的管道进行修复，并且不锈钢内壁光滑摩擦小，修复后不会降低管道的过流能力。此外，不锈钢材料不会发生腐蚀作用。

1 工程概况

本工程位于上海市杨浦区大桥街道，整体项目由四个地块组成，整体东至双阳南路西侧公共绿地，西至广德路，南至安浦路，北至杨树浦路，阳浦路东西向穿越四地块间，临青南路南北向穿越四地块间。各地块间通过地下连通道相互连通。DN3500合流管位于临青南路下方，于2021年开始运营使用。

图 1地下连通道与DN3500合流管平面布置图

上海市杨浦区项目基坑属于深大基坑工程，施工周期较长，对周边环境影响较大。基坑围护与DN3500合流总管水平净距约2.3~ 19.0m。基坑工程施工会引起地层移动而导致不同程度的地面和隧道沉降，即使采用当前先进的基坑围护技术，也难以完全防止地面隆陷及地层水平位移的发生，进而引起DN3500合流管道发生变形和沉降。地下连通道设计使用年限为50年，结构安全等级为二级。如不对 DN3500 合流总管先进行加固保护，即便在下穿矩形顶管施工过程中未发生管道断损等问题，但随着地下连通道的正常使用，如果此时位于地下连通道上方的合流总管产生渗漏等情况造成地下土体流失，形成空洞，不仅影响周边道路交通，还将严重影响地下连通道的使用安全，甚至对周边地块建筑物形成安全隐患。再则，若在基坑工程施工及下穿矩形顶管推进过程中DN3500 合流管道发生渗漏，则会导致管内水大量流入工作井及基坑内，危及基坑、下穿矩形顶管施工及污水总管本身的安全。因此，为防止因穿矩形顶管造成破坏，在基坑及下穿矩形顶管施工前必须对 DN3500 合流管采取相应的加固保护措施。

2 内衬修复工艺研究

上海市杨浦区项目基坑工程安全等级一级，邻合流管位置环境保护等级一级。为确保基坑和顶管施工影响范围内合流总管的结构安全，经和权属单位多次沟通协调，采用内部不锈钢内衬修复工艺以确保 DN3500 合流管运行及排水安全。

2.1 局部修复

局部修复指只对管道接口等进行加固修理，主要有钢套环法、不锈钢双胀环法和不锈钢发泡筒法等。由于局部修复是在管道接口处增设一道加固体，这对管道内的水流形态和过水断面影响较大；且其对于管道的日常养护要求较高，所以局部修复方法应辅助采用。

2.2 整体修复

整体修复主要有三种方式：一种是采用树脂硬化法在管道内部形成新的排水管道，如CIPP、现场硬化等工艺；一种是采用小管穿大管的方式，在原管道内嵌套一根新的排水管，如短管内衬、不锈钢管片内衬等工艺，还有一种是在原管道的内部采用缠绕法形成一条新管道。基于合流管管径较大，对内衬管材料强度要求高，对比研究得出，DN3500 合流管采用不锈钢内衬技术施工。

不锈钢内衬技术是一种用于管道整体修复的工艺，是在旧管道内部安装经过加工的不锈钢管片，通过铺设及支架定位后在管道内部进行焊接，继而整体成型，以达到管道修复、防渗、防裂的目的，可大幅度提高原管道耐压水平。由于不锈钢内衬能够防止管道内壁的腐蚀，减小管道内壁粗糙度，增加水的过流量，使内衬后的管道更安全、经济，使用寿命更长，从而达到修复的目的。

3 不锈钢内衬技术修复加固工艺

3.1 临泵临排施工技术

不锈钢内衬技术施工前的一个重要的工序就是临泵临排。一方面是为了满足修复施工期间的断水需求，同时保证管道在此期间的正常运行。另一方面，为确保顶推施工的安全进行，穿越期间也需采用临泵临排措施。

3.1.1 临泵临排设计方案

(1) 临泵选型相关要求

临泵一般为QH 型潜水混合泵，具有流量大、扬程高的特点，由于电机与泵的结构是一体的，现场安装便捷，因此可以大大简化临泵安装的土建结构工序，减少安装面积；其次，泵在水中运行，电机周围有水流，噪声低，并且电机具有良好的冷却条件，所以可以长时间运行。

在施工前，根据临泵型号来选择潜水轴流泵，并复核上游排水管道的过水流量、管道的 管底标高、水流提升高度，并确定临泵的流量及扬程是否满足要求。

(2) 流量计算

根据本工程旱天修复的前提与原则，雨天需恢复现状合流管原过水能力，因此，雨水流量无需纳入本次临排规模的覆盖范围，故本临排方案计算临排规模时，需按照 QL=Qdr 进行计算，即临排流量需不低于旱天峰值设计流量(截流污水量 0.55 m3/s) 。若按照新松潘泵站雨水设计规模 Qs= 17.5 m /s3 ，计算流量为 8.1 m /s3。

3.1.2 临排形式

为保证本区域排水安全，考虑到极端暴雨天气，本工程临排形式选用中导管临排和地面临排结合的方式。

(1) 中导管临排

在合流总管设置一根中导管，传输来自上游的合流污水，为合流总管修复创造干仓条件便于管内加固施工。现状合流总管口径为 DN3500，为保证施工人员在中导管两侧的施工空间，本工程中导管口径取DN1200，沿现状DN3500合流总管坡度敷设。为确保施工期间安全，原则上中导管采用不承压运行，经查询，充满度是0.75，流速1.15m/s，流量1.04m /s3 ，足以满足非汛期污水输送要求。

(2) 地面临排

考虑到极端暴雨天气增多，总排水量按照汛期流量50%核算，结合中导管流量，经计算,地面临排尚需解决流量为3.01m3 /s ，需要通过地面临排传输。在现状管道上方设置新检查井，在新开井内设置临泵，短时暴雨经临泵提升后，可通过拟建地面临排管道沿临青南路西侧排入新松潘泵站。地面临排管2根管径为DN900，设置两台900QZB-100的井筒式潜水轴流泵(流量2.2m³/s)，可满足排水输送要求。

(3) 临泵临排主要施工方案

DN3500管内架设DN1200中导管，在合流总管上新增骑马井，内设两台900QZB-100的井筒式潜水轴流泵，沿临青南路西侧向南敷设两根DN900临管至新松潘泵站出水高位井；临排钢管采用明管敷设。

3.2 不锈钢内衬施工技术

3.2.1 修复加固方案

本工程需加固的DN3500顶管为系统总管，如果采用局部修复方式，会减小其过水断面，继而会对上游管道的排水产生影响，导致上游管道排水不畅，产生壅水现象等。考虑到基坑开挖与顶管施工影响范围不同，故修复加固工艺如下：

(1)对于顶管下穿施工和基坑围护结构与管道水平净距小于3m的范围内，对内衬材料强度要求较高，采用内衬效果较好的整环不锈钢内衬修复；

(2) 对于顶管下穿施工和基坑围护结构与管道水平净距大于 3m的范围，在管节接缝处采用不锈钢套环加环状橡胶止水密封带加固，加强接缝处抗渗漏性能。

图2 M5-01和N2-01地块间地下连通道平面图

3.2.2 内衬不锈钢管片制作及其修复方案

3.2.2.1不锈钢管片制作

不锈钢管片型号为304，厚度为16mm，影响范围2段长度为82.3米，外径为3456mm。在加工厂内对原材进行激光线切割、激光割孔、碾平、滚圆，加工每节内衬宽100cm，分7片安装；

3.2.2.2不锈钢管片修复方案

（1）对原DN3500合流管管道进行预处理，清理混凝土管表面松动的骨料；

（2）分块吊装及运输 16mm 厚不锈钢内衬；

（3）错缝拼接内衬，焊接不锈钢内衬连成整体；

（4）初期定位拼装采用不锈钢氩弧焊丝手工焊接施工，整体焊接采用不锈钢药芯焊丝焊接施工。

（5）不锈钢内衬与原管道之间的缝隙处压注 6cm 厚自密实微膨胀水泥基灌浆料。根据注浆计划预留好注浆孔。注浆孔每3m设置一处，位置设于3点、6点、9点、12点三个位置。注浆顺序为先6点注浆至9点、3点冒浆停止。

3.2.2.3管道内部作业安全

（1）通风控制：该工程施工管道较长，在管内施工时，要注意管内通风问题。通过风速计检测管道内风量，保证施工安全。管道通风由至少2台1kW轴流风机同时进行，持续时间不少于30分钟。在进入管道前使用测氧仪进行取样检测，当含氧量在18% ~22%范围内时，才可进入管道内进行施工。并注意观测其他有毒气体、可燃气体浓度，使其指标在安全范围内；

（2）照明设施：在管道内部设置足够的照明设备，以便工作人员能够看清周围环境，避免因光线不足导致跌倒或其他意外伤害；

（3）防滑措施：由于合流管道内部地面可能比较湿滑，故采取防滑措施，例如铺设防滑垫或提供防滑鞋，防止工作人员因滑倒而受伤；

（4）工具和材料管理：在管道内部施工时，合理放置工具和材料，避免因杂乱无章导致意外伤害。施工前检查工具和机械，确保其处于良好状态，防止任何潜在的安全隐患；

（5）防火措施：合流管道内部可能存在易燃或易爆气体，因此必须严格控制火源，并在施工现场设置灭火设施；

（6）人员培训与资格认证：对合流管道内部施工的工作人员进行相关培训，并确保他们具有相应的资格认证，以证明他们具备操作技能和安全意识；

（7）吊装作业安全：在进行吊装作业时，必须由专业人员进行指挥，确保所有人员都听从指挥信号。吊装设备和所吊装的阀门或组合件的重量必须相适应，确保绑扎点能够承受其负荷。在起吊及搬运配件、阀门时，采取保护措施，防止损坏设备；

（8）应急预案：在施工前制定应急预案，包括紧急疏散、急救等内容，以便在紧急情况下迅速采取措施，保护工作人员的生命安全。

3.2.3 内贴式止水带修复方案

对于基坑围护结构与管道水平净距大于 3m 的范围，在管节接缝处采用内贴式止

水带修复。

（1）钢环套采用 SUS304不锈钢，单边宽 80mm，钢环套分三或四片，每片之间拼缝全部采用等强满焊，焊缝等级为一级；

（2）钢环套与管壁之间设置环向橡胶止水带，采用耐腐蚀的橡胶，紧贴管道的一面需做齿状，以便更好地贴紧管壁；止水带通过不锈钢螺栓膨胀固定；

（3）环向橡胶止水带采用人工辅助沿管道环向平铺于管道内壁的方式进行，平铺后应完全覆盖管道缺陷处，同时橡胶圈表面应平整、无褶皱，内壁紧贴原管道；

（4）钢环套应沿止水橡胶圈的压槽安装，安装时保证钢套环垂直无倾斜，牢固可靠；安装完成后应拆除胀环上焊接的液压设备支撑点，拆除时应沿环向施力拆除，禁止沿纵向用力拆除。

4 BIM技术实施

BIM设计近些年越来越得到大家的认可，被广泛应用在各行各业的工程设计中。Autodesk Revit是三维设计中用到的一款主流设计软件，本文将Autodesk Revit与管道修复相结合，旨在探索如何在三维设计中制作、并使用不锈钢内衬技术。Autodesk Revit是为建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)服务的综合应用程序，包含适用于建筑设计、设备和结构工程及工程施工的各项功能。Autodesk Revit 通过参数驱动模型即时呈现设计师的工作并提高设计精度；通过协同工作加强设备专业和建筑、结构专业间的信息沟通以减少冲突；通过模型分析支持节能设计；通过自动更新变更，减少整个项目设计的失误，是 BIM设计中的主流应用软件，在民用及工业建筑设计中广泛应用。BIM是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，是对工程项目相关信息的详尽表达。同时又是一种应用于设计、建造、管理的数字化方法。基于最先进的三维数字设计和工程软件所构建的“可视化”的数字建筑模型，三维可视化是其特点之一。BIM 技术在建筑领域逐步深入，已覆盖到项目策划、设计、实施、运行各个阶段。

基于BIM技术对管片焊接质量进行管控，首先对管片、焊口进行编号，编号信息包含管道类型、焊工编号、实施日期等内容，并与模型关联，生成二维码，完成焊缝的全过程管控。BIM模型示意图如下图所示。

图3 施工剖面BIM模型示意图

图4 管片焊缝BIM模型示意图

5 技术应用效果

本工程地下连通道顶管施工中应用不锈钢内衬修复技术对重要排水管DN3500合流管进行保护，顶管推进期间管内直接监测点的累计沉降为18 mm，顶推完成后再次对管内进行了CCTV检测，根据检测结果显示经修复的管体管壁完好，未产生任何渗漏点，可继续满足后续正常运行。

6 结语

不锈钢内衬修复技术凭借其工艺的综合优势，产生了的良好经济效益和社会效益，被广泛应用于城镇地下管道的腐蚀破损修复改造中。随着我国科技的进步和对其工艺创新的深入研究，不锈钢内衬修复技术在我国的市场前景必将更加广阔。

参考文献：

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