城市排水管道损坏与修复

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摘要：随着国家对水环境保护的重视，排水管道的建设总量不断增加，一部分管道设施开始进入老龄化，需要进行及时的养护和修复。本文从物理学、生物化学原理的角度，介绍不为人眼所见的混凝土排水管道的破损原理，介绍了管道修复的各种施工方法，并提出进行方案优选的方法。

关键词：排水管道 破损原因 修复 开挖置换 非开挖施工 方案优选

中图分类号：S276 文献标识码： A

近年来, 随着北京经济的发展, 城市建设的规模越来越大, 然而由于种种原因, 北京的雨、污水管线存在着不同程度的损坏现象, 从而给城市排水、地面交通与通讯带来后患, 严重影响城市的环境与市容。每年北京市用于管道抢修的费用高达上千万之多，面对这一状况, 如何加以控制, 并在技术上、 经济上选择更合适的修复方案, 已引起人们的关注。经验表明要解决该问题, 单靠一般的养护维修手段难以奏效, 往往顾此失彼, 甚至恶性循环, 因此需要展开损坏防治技术的系统研究。本文以北京市排水管道损坏的特点为例, 通过对中心城区的市政排水管道的损坏调查, 研究分析了其损坏机理, 介绍了管道修复的各种施工方法，并提出进行方案优选的方法[3]。

一、损坏类型及区域分布统计

在被调查的北京市城六区范围内, 2013年全年发生的下水道损坏有 101处之多, 每处损坏的长度、 范围、 程度各不相同, 有的地区多达几十处, 路面坍塌直径达 10m 以上, 深度达 2 m 以上, 由于形成的渗漏不易察觉, 大部分坍塌带有突然性, 不仅造成管道排水受阻, 而且严重影响了地面交通、 周围环境和地下管线安全。各区下水道损坏的情况, 按损坏地点、造成原因统计如下：

二、管道损坏的机理分析

由统计结果可看出,东、西城区发生数量最多，占到43%，海淀区占26%，朝阳区、丰台区各占14%，石景山发生数量最少，只有4%，可见越是靠近中心城区发生坍塌事件数量越多。

按照损坏原因分析, 管线老化腐蚀造成路面下沉与塌陷是主要的, 占总事件数量的78%，并且大部分发生在老旧城区；其次重车碾压造成路面塌陷的占8%；地铁其他管线施工破坏造成的占6%；违章穿越检查井的占5%；最少的属于私接破坏管线造成路面塌陷的占4%。

1、管线老化腐蚀造成路面塌陷：

北京某公司负责运营的排水管线约4700多公里，其中超出50年老旧管线的有483公里，约占10%；使用年限在30年~50年的排水管线有318公里，约占7%。这部分管道修建于不同的历史时期，有明清时代及解放前修建的旧砖沟，也有解放后由原来明排臭水沟改造而成的雨、污水合流沟，还有五、六十年代修建的合流管道。这些管道设计标准低、已使用年限较长，并存在私接乱接、管线占压问题，造成管网结构变形、损坏严重，塌帮断盖问题较多，容易造成断管塌陷等事故。

污水管线内有毒有害气体主要包括一氧化碳、硫化氢、甲烷等 ，其中硫化氢是排水管道受腐蚀的主要原因。由于生活污水中含有大量的有机物质，这些有机物在污水输送的过程中，会受到厌氧细菌的作用，出现腐化现象而发出臭味。硫化氢气体从污水中逸出，溶解于污水管道内表面水位上方的冷凝水中，在微生物作用下，硫化氢被氧化生成硫酸，与混凝土的主要成分进行化学反应，使得混凝土管道表面形成豆腐渣一样的水石膏层等物质。伴随着这种现象的加剧，会出现管道表面粗糙，混凝土内的石子逐渐表露，严重时会出现钢筋外露等现象，从而使管道的承载能力下降，影响到管道的正常使用。

2、重车碾压造成路面塌陷

重型车辆碾压造成方沟盖板断裂、侧墙坍塌、排水管线断裂、井周坍塌、雨水口坍塌：一部分原来位于路外的排水管线由于城市道路拓宽及道路等级提高而导致这部分管线位于路中，管线覆土太浅，又长期承受重型车辆的碾压，导致方沟盖板断裂、侧墙坍塌、排水管线断裂、井周坍塌等现象。

3、地铁及其他管线施工破坏排水管线造成路面塌陷

由于燃气、上水、电信、电力、地铁等施工中挖断或占压排水管线，回填不实或回填较大石块，不符合规范要求，砸毁排水管线，或者外界打桩振动、 挤压使粉砂产生扰动、 液化,土体结构被破坏,另外排水管线附近深基坑开挖, 施工降水引起地下土层扰动和沉降，导致管线接口的开裂或窨井的沉降，造成排水管线渗漏，最终导致路面塌陷。

4、违章穿越检查井造成路面塌陷

由于电信、电力等管线施工时高程与排水管线矛盾，不按规范实施避让原则，直接违章穿越、侵占排水管沟或检查井，造成管线渗漏，最终导致路面坍塌。

5、私接破坏管线造成路面塌陷

一些排水用户接入市政管线前不到管理单位办理报装手续，雇佣非专业队伍，私自将用户线接入市政排水管线，并且不按规范要求施工，破坏排水管线，造成管线渗漏，最终导致路面塌陷。

三、排水管道的修复方法

为了及时修复损坏的排水管道，确保污水排放以及道路的交通安全，需要采用合理有效地修复方法,对排水管道进行及时修复。根据管道的损坏情况以及管道的重要性，目前的使用年数等各种情况进行综合分析，制定出经济合理的修复方案是十分必要的。从目前所开发并已经被采用的技术来看，可以分为开挖置换和非开挖二大类[2]。

1、开挖置换

在有条件的地区，以开槽的形式进行管道的更换。传统的施工方法，工程造价较低，特别是埋深较浅、管径较小的排水管道，缺点是：破坏路面面积大，影响交通，对人们的生活、工商业活动影响大，特别是交通要道、商业繁华地区不具备开挖施工的条件[1]。

2、非开挖施工

非开挖施工最大的优点就是施工期间开挖量非常少，减少了对交通、环境、周边建筑物基础的破坏和不良影响，减少对居民正常生活的干扰；有较好的社会效益和经济效益, 在可比性相同的情况下, 非开挖管线修复的综合成本低于开挖法施工, 且在管径越大、埋深越大时越明显。在大多数情况下, 尤其是在繁华市区或管线埋深较深地带, 非开挖施工是开挖施工的极好代替方法。

针对待修复管道的不同情况有各种不同的修复方法，各有特点，具体情况介绍如下：

1）胀管法置换

胀管法置换是非开挖液压扩管修复技术，采用液压驱动原理，由快装杆牵引破碎头和膨胀器，拖带高密度聚乙烯PE管前进，从而实现胀碎旧管、换装新管的目的。

特点是只需要开挖工作坑，对交通、周围环境影响较小；可以避免因不采用碎管修复而新铺管道的地下空间占用；施工工期短，单机日修复能力（不含准备时间）可达120m；修复后的管道为PE管，其内壁粗糙度与混凝土管道比降低幅度大；能实现在原管道基础上破旧立新，等径或扩径更换管道。

胀管法可对于管径300～600mm的多级管道进行等径和扩径替换，要求修复管道在道路下的埋深应大于1.5m，相邻管线的净距离应大于0.8m。

2）螺旋缠绕法

工艺是在原有管道内将PVC型材螺旋缠绕成一条新管道，型材由锁扣固定在一起，管道间的环形空隙采用注浆处理，形成一个内套复合管。

特点是可修复园管、马蹄形、蛋形、矩形等多种截面管道，另外螺旋缠绕机可在现有井室作业，不需开挖工作坑，施工对当地居民及交通流的影响较小。缺点是形成的复合管管径有所减小，并且工程费用较高。

螺旋缠绕法可对于管径200～3000mm的管道进行修复。

3）短管内衬法

短管内衬法是以待修复加固管道为载体，将经过特殊切削加工管口的聚乙烯（PE）短管，以液压方式逐节连接，并同步牵引至待修复管道内，以实现修复加固管道的施工工艺。

短管内衬法特点是管节长度可依据需要设计，具有可调节性；管道连接口制作成子母锁扣形式，具有防脱性；管道连接口设置O型圈密封，具有防渗性。可在现有井室作业，不需开挖工作坑，对周围环境没有污染和损害，施工对当地居民及交通流的影响非常小，工程费较低。

短管内衬法可对于管径小于900mm的园管进行修复。

4） PR板内衬法

在方沟管道内部加装耐腐蚀、抗摩擦的复合板。该复合板的一侧为抗渗的膜结构，一侧为V型或T型的塑料镶嵌钩，也称为嵌钉。将PR板在方沟内进行焊接拼装，采用专用塑料胀管将PR板固定在方沟内壁上，PR板固定后再注入自然固化强力树脂，并将PR板与塑料膨胀管铸成一个整体。树脂固化后靠胀管的拉力、树脂的粘结力双重作用与原方沟紧密结合，形成防渗性能高，整体性好和安全性可靠的新方沟。

PR板内衬法主要用于对方沟的修复。

5）EECM砂浆与混凝土修补

EECM砂浆与混凝土修补剂是由水分散环氧乳液、水泥、砂及外加剂配制而成的一种新型砂浆与混凝土修补材料，该材料和砼基层的粘结强度比普通水泥砂浆的粘结强度增加5～10倍，比凿毛处理增加2～3倍。它能避免饰面材料脱落、抹灰砂浆空鼓等弊端，此外它还具有优良的防水、补强、耐腐蚀、耐湿热和抗冻融等性能。

EECM砂浆与混凝土修补法适用于大管径的圆形管道和方沟的管道修复。

6）UV式内衬紫外固化法

UV式内衬法在传统翻转内衬法基础上进行了技术创新，固化方式采用紫外灯照射固化，固化时间大大缩小的同时，也减少了蒸汽或热水的制备缓解。

该工艺适用于地下排水管道或方沟；修复对象的截面可为圆形、椭圆形、蛋形、方形等特殊形状；适用的圆形管道内径通常为DN150～1200mm，最大的管径可至DN2000mm。

四、排水管道修复方案的优选

排水管道修复的方法较多，如何根据各种方法的特点，适用范围，选择最优的施工方法，越来越受到人们的普遍关注，特别是随着社会的发展和人们环境质量意识的逐渐加强, 应做到合理的经济性和社会效益二者之间的相互统一, 即要使有限的资金得到合理的使用，又要追求最大化的社会效益，我们应当建立管道修复方法的评价体系，选择排水管道修复的最佳方案。

1、建立各种修复方法的适宜条件比对表

根据以上各种修复方法的介绍，建立各种修复方法适用的管径、管沟、腐蚀程度的对比表：

2、经济成本和社会效益的评价

对比各种修复方法的施工费用可以得出，开挖置换单方造价最低，胀管置换、短管内衬居中，紫外固化稍高，螺旋缠绕制管法最高，同样方法，可以比较出工期、管道结构、道路损坏程度、交通、人们生活、工商活动等影响程度，如下表所示：

可以根据具体工程位于道路的级别、繁华程度、管径大小、管道埋深等调整各影响因素的评价。

按照10分制给定各影响因素的分值m，工程费用最低10分，较低8分，一般6分，较高4分，最高2分，以此类推，各类影响因素的分值均可以按此办法设定。

3、确定影响因素的权重

由于工程费用是主要因素，故权重p设定为40%，影响交通因素权重设定为20%，工期、新管结构、道路损坏、影响交通、影响人们生活、工商活动因素权重均设定为10%。

4、计算修复方法的综合分值并排序

修复方法的综合分值等于各影响因素的分值m与其权重系数p的乘积之和，计算公式为：

M=∑（m1×p1+m2×p2+……m7×p7）

通过计算得到各类修复方法的综合分值后，进行排序，可以得到最优的施工方法。

5、应用举例

例如：某工程为北京市和平里西街污水管线改造工程，现况管道管径D500mm，埋深3米左右，中度腐蚀，需修复该管道。

先根据各种修复方法的适宜条件初步确定可以采用的方法是开挖置换、胀管置换、短管内衬、螺旋缠绕制管法、紫外固化5种方法施工，按照上述评价方法确定影响因素的权重及分值，分别计算出各类修复方法的综合分值，并排序，见下表：

从上表中可以看出短管内衬法分值最高7.8分，可优先选用该方法进行修复。

综上所述，排水管网是城市安全与繁荣的根基所在，它的正常与否关系到城市的环境状况和卫生面貌，同时还关系到道路的交通安全。现在北京早期建设的管道已进入高龄期，今后用于养护管理这些设施的资金必将成为一个很大的负担。因此，及时发现管道的安全隐患，采用最合适的技术进行修复，一定能发挥资金的最大效能，从根本上解决城市排水管网的安全问题，为首都繁荣发展保驾护航。

参考文献

[1]何晓婷, 蔡珍红 运用开挖技术与非开挖技术的经济比较分析 重庆建筑大学学报

[2]孙跃平朱丹华 杨后军 地下排水管道破损的原因分析及其修复对策2009城镇排水系统溢流污染控制 国际研讨会论文集 266-271

[3]刘华平上海市排水管道硫化氢腐蚀的探查与分析给水排水 2005