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摘要：隨著國(guó)家對(duì)水環(huán)境保護(hù)的重視，排水管道的建設(shè)總量不斷增加，一部分管道設(shè)施開始進(jìn)入老齡化，需要進(jìn)行及時(shí)的養(yǎng)護(hù)和修復(fù)。本文從物理學(xué)、生物化學(xué)原理的角度，介紹不為人眼所見的混凝土排水管道的破損原理，提出了預(yù)防管道破損的措施以及修復(fù)的對(duì)策。
關(guān)鍵詞：排水管道 破損原因 局部修復(fù) 整體修復(fù) 資產(chǎn)管理
一.前言
伴隨著城市交通設(shè)施——道路、橋梁以及地下軌道交通等的建設(shè)，用于保護(hù)公共水域水質(zhì)和城市公共環(huán)境的排水設(shè)施，近年也有了很大的發(fā)展，排水管道的建設(shè)總量也逐年增加。目前，一部分排水管道設(shè)施開始進(jìn)入老齡化，需要進(jìn)行必要的養(yǎng)護(hù)和修復(fù)。如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)生在排水管道的破損現(xiàn)象，并采取有效的措施進(jìn)行及時(shí)修復(fù)，是擺在我們面前的一大課題。
本文從物理學(xué)、生物化學(xué)原理的角度，闡述不為人眼所見的埋設(shè)于地下的混凝土排水管道的破損原理，提出預(yù)防管道破損的措施以及修復(fù)的對(duì)策。
二.鋼筋混凝土排水管道破損的原理分析
鋼筋混凝土排水管道具有很好的耐荷載能力和耐腐蝕性能，其使用壽命也很長(zhǎng)，在較好的使用環(huán)境下可以達(dá)到50-100年，因此在市政排水管道的施工建設(shè)中，一直作為首選被廣泛使用。但是，最近的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，伴隨著人類生活習(xí)慣和飲食結(jié)構(gòu)的不斷改變，大都市局部地區(qū)的污水中有機(jī)物含量增加，以及污水排水方式和排水設(shè)施構(gòu)造不合理的原因，產(chǎn)生的有害氣體使得管道出現(xiàn)混凝土被腐蝕和中性化的現(xiàn)象。另外，由于管道埋設(shè)時(shí)施工質(zhì)量的問(wèn)題及運(yùn)輸車輛重型化等的原因，對(duì)鋼筋混凝土排水管道造成損傷的現(xiàn)象增多，需要采取必要的措施來(lái)減少這種現(xiàn)象的發(fā)生。
2.1 生物化學(xué)原因?qū)艿栏g的分析
生活污水中含有大量的有機(jī)物質(zhì)，這些有機(jī)物在污水輸送的過(guò)程中，會(huì)受到厭氧細(xì)菌的作用，出現(xiàn)腐化現(xiàn)象而發(fā)出臭味。同時(shí)，會(huì)對(duì)排水管道和污水處理設(shè)施產(chǎn)生腐蝕。我們?cè)谶M(jìn)行排水管道養(yǎng)護(hù)工作中，經(jīng)常嗅到的類似臭雞蛋味道的物質(zhì)是硫化氫，該物質(zhì)在污水流動(dòng)過(guò)程中，或者經(jīng)過(guò)攪拌，即會(huì)揮發(fā)到空氣中去，對(duì)管道產(chǎn)生危害。
排水管道受腐蝕的主要原因是硫化氫，其過(guò)程可以分為如下幾個(gè)階段。
第一階段：好氧狀態(tài)下的污水通過(guò)硫酸鹽還原細(xì)菌的作用，將污水以及污泥中的硫酸鹽生成硫化氫并揮發(fā)到空氣中，其主要分子式如下：
SO4 2-+ C + H20 → HCO3 - + H2S↑
第二階段：通過(guò)硫磺細(xì)菌的作用，硫化氫和空氣的接觸過(guò)程中，生成對(duì)混凝土表面有嚴(yán)重腐蝕作用的亞硫酸和硫酸等，其主要分子式如下：
2H2S + O2 → SO3 2- → SO4 2-+ H20 → H2SO4
第三階段：硫酸分子溶解于因?yàn)闇夭疃Y(jié)在管道頂部的水滴中，與混凝土的主要成分進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，使得混凝土管道表面形成豆腐渣一樣的水石膏層等物質(zhì)，其主要分子式如下：
H2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO4·2H2O(二水石膏)
通過(guò)上述的幾個(gè)階段，原本屬于堿性的混凝土管道的表面，由于受到酸性物質(zhì)的影響，混凝土從堿性被逐漸中性化。伴隨著這種現(xiàn)象的加劇，會(huì)出現(xiàn)管道表面粗糙，混凝土內(nèi)的石子逐漸表露，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)鋼筋外露等現(xiàn)象，從而使管道的承載能力下降，影響到管道的正常使用。混凝土管道表面受腐蝕的原理見圖-1所示。
2.2 外界的物理原因?qū)艿罁p壞的情況分析
地下管道在建設(shè)和使用的過(guò)程中，管道本體會(huì)受到各種外來(lái)的載荷而被損壞。同時(shí)，管道和管道的連接處由于施工質(zhì)量，地面車輛的震動(dòng)以及聯(lián)結(jié)處水封橡膠圈老化變形等，也會(huì)發(fā)生問(wèn)題，引起排水管道出現(xiàn)嚴(yán)重的功能性問(wèn)題。
這里，就由于外界的物理原因?qū)艿罁p壞的現(xiàn)象分二種情況進(jìn)行說(shuō)明，指出發(fā)生的原因以及預(yù)防的措施。
(1) 管體結(jié)構(gòu)受到損壞的分析
鋼筋混凝土排水管道具有很好的抗載荷性能，并具有一定的彈性。但是，當(dāng)受到外界載荷尤其是沖擊載荷的作用，管道的變性超過(guò)其允許的范圍時(shí)，管道會(huì)發(fā)生破損現(xiàn)象，一般會(huì)在管道的頂部，底部以及左右兩側(cè)出現(xiàn)裂紋。
對(duì)于出現(xiàn)裂紋的管道，如果埋設(shè)在地下水位較高，周圍的泥土又是比較松散的流沙土的情況下，會(huì)按如下的階段發(fā)生管道破損，引起路面的坍塌。具體的變化如圖-2所示。
第一階段：管道出現(xiàn)輕度裂縫，管道周圍泥沙隨地下水滲入管道內(nèi)部。
第二階段：由于管道兩側(cè)的泥土減少，阻止管道變形的支撐力減弱，管道裂縫加劇，地下水和泥沙的流入加劇，路面開始出現(xiàn)沉降。
第三階段：伴隨著管道上下左右泥土的流失，周圍出現(xiàn)較大空洞，管道被嚴(yán)重?fù)p壞。此時(shí)路面會(huì)出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。
如上所述，對(duì)于在電視檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)裂縫的排水管道，需要及時(shí)地采取必要的修理措施，及時(shí)阻止地下水的滲漏，達(dá)到阻止管道體系損壞進(jìn)一步惡化的目的，把問(wèn)題解決在搖籃之中。
(2) 管道體系受到損壞的分析
鋼筋混凝土排水管道具有很好的抗載荷性能，但是，當(dāng)兩節(jié)管道的連接處受到外力的作用而受到損壞，或接口處的止水橡膠圈出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題及老化時(shí)，整個(gè)管道系統(tǒng)會(huì)受到嚴(yán)重影響，最終會(huì)造成整個(gè)管道體系嚴(yán)重破損的現(xiàn)象。
對(duì)于出現(xiàn)管接口破損的管道，如果埋設(shè)在地下水位較高，周圍的泥土又是比較松散的流沙土的情況下，會(huì)按如下的階段發(fā)生管道體系的破損，引起路面的坍塌。具體的變化如圖-3所示。
第一階段：管道接口出現(xiàn)輕度滲水，管道周圍泥沙隨地下水滲入管道內(nèi)部
第二階段：由于管道接口處的泥土減少，阻止管道變形的支撐力減弱，出現(xiàn)管體位移，地下水和泥沙的流入加劇，路面開始出現(xiàn)沉降。
第三階段：伴隨著管體上下左右泥土的流失，周圍出現(xiàn)較大空洞，管體位移加劇。此時(shí)路面會(huì)出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。
如上所述，對(duì)于在電視檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)接口處已經(jīng)出現(xiàn)滲漏的排水管道，需要及時(shí)的采取必要的修理措施，以阻止地下水的滲漏，達(dá)到阻止管道體系損壞進(jìn)一步惡化的目的。
三.排水管道的非開挖修復(fù)方法
為了及時(shí)修復(fù)損壞的排水管道，確保污水排放以及道路的交通安全，需要采用合理有效地修復(fù)方法,對(duì)排水管道進(jìn)行及時(shí)修復(fù)。根據(jù)管道的損壞情況以及管道的重要性，目前的使用年數(shù)等各種情況進(jìn)行綜合分析，制定出經(jīng)濟(jì)合理的修復(fù)方案是十分必要的。從目前所開發(fā)并已經(jīng)被采用的技術(shù)來(lái)看，可以分為管道整體修復(fù)技術(shù)和點(diǎn)狀修復(fù)二大類。從上述分析可以看到，對(duì)由于生物化學(xué)原因造成嚴(yán)重腐蝕的管道，可以采用整體修復(fù)，而對(duì)于管道接口處有初期破損的管道，則可以采用局部修復(fù)技術(shù)對(duì)管道及進(jìn)行修復(fù)。
3.1 管道整體修復(fù)技術(shù)
整體修復(fù)通常是指對(duì)兩座檢查井之間的管道進(jìn)行整體加固、修復(fù)的做法。采用整體修復(fù)可以達(dá)到防腐、防滲、增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的目的。整體修復(fù)是管道非開挖修復(fù)的主流，而應(yīng)用最多的整體修復(fù)方法是在舊管道內(nèi)加裝一道內(nèi)襯管。
按修復(fù)后管道內(nèi)的內(nèi)襯管和原有舊管之間的結(jié)構(gòu)不同進(jìn)行分類，可以分為自立管、復(fù)合管、雙層構(gòu)造管的三個(gè)種類。具體的分類如圖-4所示。
(1)自立管：不考慮舊管的強(qiáng)度，內(nèi)襯管自身可以承受外部的壓力，具有和新管同等以上的耐負(fù)載能力和持久性能。是按開槽埋管時(shí)管道所承受的載荷來(lái)進(jìn)行內(nèi)襯管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的管道。
(2)復(fù)合管：內(nèi)襯管和舊管形成一體后共同承受外部的載荷，兩者合成一體后具有和新管同等以上的耐負(fù)載能力和持久性能。這種管道需要在舊管和內(nèi)襯管之間的縫隙內(nèi)注漿，以達(dá)到復(fù)合的目的。
(3)雙層構(gòu)造管：考慮舊管可以承受外部荷載，地下水壓的載荷由內(nèi)襯管承擔(dān)。舊管和內(nèi)襯管以雙層構(gòu)造的方式共同承受外部的載荷，具有和新管同等以上的耐負(fù)載能力和持久性能，這樣的內(nèi)襯管比較薄，具有很好的經(jīng)濟(jì)性和施工性。
參考國(guó)外管道非開挖修復(fù)的統(tǒng)計(jì)資料得到，目前使用最為廣泛的是翻轉(zhuǎn)法原位固化內(nèi)襯技術(shù)，又稱CIPP(Cured In Place Pipe) 內(nèi)襯技術(shù)。其主要的技術(shù)原理和特點(diǎn)如下說(shuō)明。
3.2 翻轉(zhuǎn)法原位固化法內(nèi)襯技術(shù)
翻轉(zhuǎn)法即把灌浸有熱硬化性樹脂的軟管材料運(yùn)到工地現(xiàn)場(chǎng)，利用水和空氣的壓力把材料翻轉(zhuǎn)送至管道并使其緊貼于管道內(nèi)壁，通過(guò)熱水，蒸氣，噴淋或紫外線加熱的方法使樹脂材料固化，在舊管內(nèi)形成一根高強(qiáng)度的內(nèi)襯樹脂新管的方法。
由于翻轉(zhuǎn)的動(dòng)力是空氣和水，只要材料加工上沒(méi)有問(wèn)題，一次施工的距離可以非常長(zhǎng)。據(jù)資料記載，在日本北海道的工地上有過(guò)對(duì)φ600mm的污水管道一次性施工長(zhǎng)度為500m的記錄。在世界上具有代表性的翻轉(zhuǎn)法技術(shù)為Insituform工法，還有一些在該工法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良的技術(shù)，如德國(guó)的In Pipe工法，日本的Turn young 工法，ICP Breathe工法等，這些工法在材料強(qiáng)度，施工技術(shù)等方面各有特色，活躍在管道非開挖修復(fù)施工最前線。翻轉(zhuǎn)法修復(fù)后管道的示意如圖-5所示。
圖-5 翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法的示意圖
翻轉(zhuǎn)法技術(shù)在中小口徑(φ250mm～φ1200mm)管道的修復(fù)上得到廣泛的應(yīng)用，其特點(diǎn)如下：
(1)施工時(shí)間短：內(nèi)襯材料在工廠加工后運(yùn)至工地，現(xiàn)場(chǎng)的施工從準(zhǔn)備，翻轉(zhuǎn)，加熱，固化一般只需約8個(gè)小時(shí)，可以十分方便地解決施工時(shí)的臨時(shí)排水問(wèn)題。
(2)設(shè)備占地面積?。篊IPP施工法只需小型的鍋爐和熱水循環(huán)泵等設(shè)備，施工時(shí)占用道路面積小(在檢查井邊的位置，寬約2.5m，長(zhǎng)約15m)，噪音低，對(duì)道路交通造成的影響不大。
(3)內(nèi)襯管耐久實(shí)用：內(nèi)襯材具有耐腐蝕，耐磨損的優(yōu)點(diǎn)，材料強(qiáng)度大，耐久性根據(jù)設(shè)計(jì)要求最大可達(dá)50年，對(duì)管的地下水滲入問(wèn)題徹底解決，一勞永逸。管的斷面積損失小，表面光滑，水流摩擦下降(摩擦系數(shù)由0.013降為0.010)，提高了管道的流量能力。
(4)保護(hù)環(huán)境，節(jié)省資源：不開挖路面，不產(chǎn)生垃圾，不堵塞交通，使管道修復(fù)施工的形象大為改觀。總體的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益較好。
由于該技術(shù)具有良好的施工性和較高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，在發(fā)達(dá)國(guó)家被廣泛采用，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年世界上有1000公里以上的各類管道，采用翻轉(zhuǎn)法原位固化內(nèi)襯技術(shù)進(jìn)行修復(fù)。
3.3 管道局部修復(fù)技術(shù)
局部修復(fù)也稱為點(diǎn)狀修復(fù)，通常指只對(duì)管道接口等損壞點(diǎn)進(jìn)行防滲堵漏修理的一種做法。如果兩座檢查井之間的管道只有少量接口損壞并且管材結(jié)構(gòu)完好，對(duì)這類管道采用點(diǎn)狀修理顯然有其合理性。點(diǎn)狀修理的特點(diǎn)是針對(duì)性強(qiáng)，哪里壞就修哪里，這樣就可以降低修理費(fèi)用。
局部修復(fù)的缺點(diǎn)是無(wú)法提高管道的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。有些方法(如嵌補(bǔ)注漿法)的質(zhì)量穩(wěn)定性較差，施工操作費(fèi)工費(fèi)時(shí)。有些方法(指套環(huán)法)則對(duì)水流和絞車疏通有一定影響，其適用范圍也有限制。這里就常用的套環(huán)法進(jìn)行說(shuō)明。
3.4 套環(huán)法局部修復(fù)技術(shù)
采用在管道接口部位安裝止水套環(huán)來(lái)阻止?jié)B漏的做法稱為套環(huán)法。套環(huán)與母管之間的止水材料有兩種，一種是橡膠圈，另一種是密封膠?？梢哉f(shuō)，除老式鋼套環(huán)以外，套環(huán)法在各種點(diǎn)狀修理方法中施工最方便，修理質(zhì)量也是最可靠的。套環(huán)法的缺點(diǎn)是套環(huán)對(duì)水流有一定影響，容易造成垃圾沉淀，對(duì)管道疏通也有妨礙，特別是絞車疏通時(shí)容易被拉松帶走。
根據(jù)所使用的材料以及在母管內(nèi)部固定方法的不同，套環(huán)法局部修復(fù)技術(shù)也有許多種類。如在國(guó)內(nèi)使用較多的鋼套環(huán)法和不銹鋼套環(huán)法，加拿大的PVC套環(huán)和不銹鋼發(fā)泡筒法，日本的SNAP LOCK局部修復(fù)法，以及美國(guó)和德國(guó)廠家開發(fā)的多脹圈止水環(huán)工法。圖-6是采用美國(guó)NPC脹環(huán)局部修復(fù)技術(shù)進(jìn)行修復(fù)后的管道接口部位示意圖，止水帶用橡膠制成，一個(gè)不銹鋼脹環(huán)被分成三段。每段脹環(huán)兩頭做成90度尖頭，采用NPC特有的擠壓螺栓將脹環(huán)向外壓緊，達(dá)到防止地下水從接縫處滲漏的目的。
3.5 整體修復(fù)和局部修復(fù)技術(shù)的比較
對(duì)管道內(nèi)部由于受到有害氣體的腐蝕，管道內(nèi)表面整體度出現(xiàn)破損的情況，需要進(jìn)行整體的預(yù)防性修理，以阻止腐蝕的進(jìn)一步深化而出現(xiàn)鋼筋外露直至影響混凝土管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度現(xiàn)象的發(fā)生。
對(duì)管道的上部整體出現(xiàn)較長(zhǎng)的縱向裂縫，并伴有地下水滲漏的情況，也建議采用整體修復(fù)的方法及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，以避免泥沙大量流入而出現(xiàn)管道變形增大直至出現(xiàn)坍塌的現(xiàn)象的發(fā)生。
當(dāng)管道的接口處出現(xiàn)地下水滲漏時(shí)，需要采用局部修復(fù)技術(shù)及時(shí)進(jìn)行止水，以免進(jìn)一步擴(kuò)展而造成管道系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象。當(dāng)同一段管道中有三處以上的接口出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，建議采用整體修復(fù)技術(shù)及時(shí)進(jìn)行預(yù)防性修復(fù)。
整體修復(fù)和局部修復(fù)技術(shù)的適用比較如表-1所示。
表-1 整體修復(fù)和局部修復(fù)技術(shù)的比較表
技術(shù)分類 | 技術(shù)的定義 | 管道腐蝕 | 管道破損 | 接口滲漏 | 經(jīng)濟(jì)比較 |
整體修復(fù) | 兩座檢查井之間的管道進(jìn)行整體加固、修復(fù)。 | 適用 | 適用 | 適用 | 單位長(zhǎng)度的單價(jià)較低。 |
局部修復(fù) | 只對(duì)管道接口等損壞點(diǎn)進(jìn)行防滲堵漏的修理。 | 不適用 | 不適用 | 適用 | 單位長(zhǎng)度的單價(jià)較高。 |
分析比較 | 為了確保修復(fù)效果和經(jīng)濟(jì)效果，當(dāng)兩座檢查井之間的管道需采用局部修復(fù)達(dá)到3處以上時(shí)，建議采用整體修復(fù)技術(shù)對(duì)管道進(jìn)行修復(fù)。 | ||||
四.結(jié)束語(yǔ)
用于污水輸送的排水管道是市政基礎(chǔ)設(shè)施和社會(huì)資產(chǎn)的重要組成部分。它的正常與否關(guān)系到城市的環(huán)境狀況和衛(wèi)生面貌，同時(shí)還關(guān)系到道路的交通安全。所以，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)部的問(wèn)題，采用合適的非開挖技術(shù)進(jìn)行修復(fù)是十分必要的。二十世紀(jì)80年代初期開始建設(shè)的排水管道，將逐漸進(jìn)入高齡期，今后用于養(yǎng)護(hù)管理這些設(shè)施的資金必將成為一個(gè)很大的負(fù)擔(dān)。發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，為了能夠合理的利用有限的政府預(yù)算，管理好這個(gè)龐大的管道設(shè)施的資產(chǎn)，開始采用資產(chǎn)運(yùn)行管理的模式，把握這些資產(chǎn)的現(xiàn)狀，推測(cè)今后每年為了確保正常運(yùn)行所需要的費(fèi)用，從現(xiàn)在開始為將來(lái)的管理經(jīng)費(fèi)做準(zhǔn)備，以指導(dǎo)現(xiàn)在和今后的社會(huì)資產(chǎn)的運(yùn)用和投資規(guī)劃。參照國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)有計(jì)劃地進(jìn)行預(yù)防性修理來(lái)減少大開挖修復(fù)施工給管理經(jīng)費(fèi)和城市交通帶來(lái)的壓力，真正實(shí)現(xiàn)建有所管是十分必要的。
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作者介紹：孫躍平∶亞太地區(qū)注冊(cè)工程師APEC Engineer(Civil)，EMF國(guó)際注冊(cè)工程師IntPE(Jp)，日本國(guó)家注冊(cè)工程師P.E.Jp(Civil Sewage)
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