CIPP 管道非开挖修复技术解析
一、CIPP 管道非开挖修复技术概述
随着城镇化进程的加快，城市地下管线迅速发展，接近使用寿命的给排水管道不断增多，管网出现老化、渗漏、腐蚀、接口脱节、错口等诸多问题。传统的开挖道路更换修复方式会严重影响城市交通和居民生活，在此背景下，非开挖修复技术应运而生。CIPP（原位固化法）作为目前应用广泛的非开挖管道修复技术之一，是采用翻转或牵拉方式将浸渍树脂的软管置入原有管道内，固化后形成管道内衬的修复方法。
该技术具有显著优点，施工速度快、工期短，能最大程度减少对城市交通和居民生活的影响；内衬管与原管道紧密贴合，且内衬管连续、表面光滑，可有效提高管道的密封性和流通能力。它被广泛应用于污水管道、供水管道等给排水管道的修复和更新，适用于圆形和矩形截面的管道。
CIPP 修复技术需解决材料选择、内衬管铺设和固化方法以及内衬管设计等主要问题。使用的主要材料为软管和树脂，树脂是系统的主要结构元素，通常分为不饱和聚酯树脂、乙烯树脂和环氧树脂三类。按照软管进入原有管道的方式，CIPP 可分为翻转式和拉入式两种工艺。软管的固化工艺有热水固化法、蒸汽固化法和紫外光固化法。内衬管设计包括确定软管直径和长度以及内衬管壁厚设计，分为半结构性修复和结构性修复两种情况考虑。
二、CIPP 管道非开挖修复技术的国外动态
2.1 管中管结构
根据 ASTM F1216 标准规定的 CIPP 修复技术施工流程，圆形截面管中管结构包含内膜、复合材料、外膜和旧管道四层。复合材料为树脂载体材料或增强材料，包括耐磨层；旧管道为待修复的污水、供水、化学及工业等压力管道。理想状态下，内衬管与原管道紧密贴合，但修复后内衬管常出现褶皱等屈曲变形。
2.2 内衬管稳定性研究历程
对外压圆柱管的研究可追溯到 19 世纪中叶，Fairbairn 认为管道长度和管径壁厚比是确定屈曲压力的重要参数。Bresse 应用小挠度理论，研究了外部静水压力作用下自由圆环的稳定性。G.H.Bryan 利用最小势能原理，对静力外压作用下长距离管道的屈曲临界荷载进行推导，并引入管道泊松比参数修正公式。Cheney 利用线性小挠度理论研究了外部均压作用下刚性边界内圆形圆环的稳定性，推导了临界压力方程。Glock 分析了外静压作用下刚性边界包裹薄圆环的稳定性问题，其模型与 Cheney 的有所不同。目前部分劣化管道上 CIPP 的设计方法使用 ASTM F1216 - 17 中的相关公式，增加了增强因子 K、安全因子 N 和椭圆度因子 C 等参数，并考虑内衬材料的蠕变效应，应用长期弹性模量修正短期弹性模量参数。但这些内衬管稳定性分析模型仅适用于局部劣化管道的半结构性修复设计，对于全部劣化管道的结构性修复设计，有另外的计算方程。
三、内衬管的结构刚度
3.1 土壤对管道刚度的影响
在《Structural Mechanics of Buried Pipes 3 edition》中，结构刚度被定义为抵抗挠曲变形的能力。George McAlpine 通过犹他州立大学在大型土壤槽中对 750 毫米有裂缝的无钢筋混凝土管道的测试发现，管道周围土壤的支撑能力（即土壤的坚硬程度）直接影响开裂刚性管道的有效刚度。在坚硬土壤中，管 - 土结构的有效刚度高，安装内衬管可防止土壤冲进管道造成空隙，保持土壤支撑；在较软土壤中，柔性内衬管可提高开裂混凝土管道的刚度，为开裂混凝土管道的内衬设计奠定了基础。
3.2 环刚度试验研究
Kamil Artur Mogielski 利用对比法对无内衬管和有内衬管的五种类型管道样品进行环刚度试验。结果表明，带内衬管的管材环刚度变化与管材和内衬的结合强度呈正相关，内管壁越粗糙，粘接能力越强。为满足经济性和耐久性设计理念，还需进一步研究环刚度增加与粗糙度和内衬管厚度之间的定量关系，通过建模计算内衬减薄系数来平衡三者影响，这些系数广泛应用于内衬管厚度设计方法中。
3.3 有限元分析
Michael J.P. Brown 利用三维有限元建模方法，分析了极限状态下 CIPP 内衬管的结构刚度对拉应力的影响。发现在最大工作压力下，内衬管的拉应力由无侧限的周向应力控制，环向刚度在一定范围内增加可降低内衬管工作状态下的拉应力。因此，若内衬管按此极限状态设计，环向模量应至少是轴向模量的 1.1 倍，以最小化内衬管的最大拉应力。
3.4 环向有效弹性模量确定方法
Gergely Czel 提出了一种根据环向压缩试验结果确定纤维缠绕的椭圆形聚合物内衬管环向有效弹性模量的新方法。该方法可用于质量控制和一般产品控制，适用于各种管道截面。设计工程师可通过该方法从任意椭圆型截面上环的简单压缩试验结果中计算出各种管材的有效弹性模量，弹性模量越大，内衬管刚度越大。
四、内衬管的强度（承载力）
4.1 褶皱对内衬管强度的影响
Nancy Ampiah 对比分析了铸铁水管内安装树脂浸渍毡管时褶皱对内衬管强度的影响。从加拿大施工现场取三组常见褶皱内衬管，采用基于裂片测试的方法与无褶皱内衬管对比分析，发现褶皱处是内衬管强度最低的地方，内衬管失效破坏从这里开始。褶皱的形态和尺寸对内衬管第一次开裂时所能承受的载荷有显著影响，而对最终承载能力的影响比对第一次开裂荷载小。对于其他管材的圆形或椭圆形截面管道，也存在相同规律。所以，在内衬管设计及安装过程中，应使内衬管与原管道紧密贴合，防止褶皱出现影响系统强度。
4.2 内衬管安装质量对强度的影响
美国的 Raymond Sterling 基于美国相应的 ASTM 测试标准，对取自北美 11 个城市的 25 个不同使用年限的修复重力式污水管道的 CIPP 内衬管样品进行抗拉强度、抗弯强度等性能测试。结果发现，内衬管安装过程中存在质量问题，如内衬管与主管未完全紧密贴合、内衬管厚度未达设计要求，这些都会影响内衬管的强度和寿命。因此，合理设计和安装 CIPP 内衬管可使其使用寿命最大化。
4.3 冲击压力对内衬管设计的影响
输水管道运营过程中的冲击压力是工作压力的 2 到 3 倍，所以在进行该类管道内衬设计时，需考虑的内部压力应包含工作压力、周期性和偶尔的波动压力。滑铁卢大学建设的新衬垫压力测试设施可用于 CIPP 内衬管短期和长期爆破试验等，推动了 CIPP 压力内衬管设计的发展。
五、管周土压力
5.1 埋地管的分类及受力分析
埋地管根据结构性能分为刚性管和柔性管。地埋管支撑能力来自自身承受外部荷载的固有强度和两侧土壤的侧压力，侧向压力在管道环内产生的应力与垂直荷载产生的应力方向相反，可帮助管道承受垂直荷载。埋地管道周围土压力大小与土体条件、埋管深度和管土相互作用等因素有关。
5.2 管土相互作用研究
美国的 U. LUSCHE 讨论了高荷载作用下埋地圆柱管与周围土体的相互作用，通过区分压力重分布、变形约束和拱起三种作用类型分析相互作用现象。在系统变形较小时，管壁压力高度不均匀；荷载增加时，圆管变形成近似水平椭圆形状，调动侧向被动土压力，压力增加会以特定方式分布在管道周围，造成纯环压。基于环压缩理论分析，合理设计和施工管 - 土系统，通过压力重分布实现管周围压力平衡是安全可靠的，系统失效将由管的压缩屈服引起。
5.3 不同土 - 管界面条件的求解方法
Burns 和 Richard 认识到 Marston/Spangler 方法的缺点，提出适用于弹性、埋深大的圆柱形管道的解决方案，该管道包裹在各向同性、均匀的无限弹性介质中，压力均匀分布在远离管道的水平面上。他们提出了粘结和非粘结两种土 - 管界面条件的求解方法，建立了粘合和非粘结两种相互作用情况下径向压力、管道径向挠度、弯矩和推力的方程。
5.4 竖向土荷载计算
Elmer L. Matyas 通过悬浮管道模型试验结果，得出计算非屈服水平刚性管在沉降回填作用下所受的竖向土荷载的方法。该计算方法结果比实际竖向土荷载小，而根据实验结果曲线拟合得到的曲线方程可较好估算竖向土荷载。对于埋地柔性管，周围土体显著提高了管的屈曲强度，仅通过无支撑结构的室内试验无法确定埋地管的屈曲强度。
六、CIPP 管道非开挖修复技术的应用前景与挑战
6.1 应用前景
CIPP 管道非开挖修复技术凭借其施工速度快、对环境影响小等优点，在城市管网修复更新工程中具有广阔的应用前景。随着城市的发展，地下管线的维护和更新需求不断增加，CIPP 技术可以在不破坏地面的情况下对管道进行修复，大大减少了对城市交通和居民生活的干扰。同时，该技术适用于多种类型的管道，包括污水管道、供水管道等，能够满足不同场景的需求。此外，随着技术的不断发展和创新，CIPP 技术的修复效果和质量将不断提高，应用范围也将进一步扩大。
6.2 面临的挑战
尽管 CIPP 技术已经得到了较广泛的应用，但作为一项高新技术，其基础理论研究还存在不足。在弹性稳定性方面，对于完全劣化的管道，目前的设计方法缺乏计算外荷载的准则，多为人为判断确定；内衬管临界压力的计算基于均匀静水压力，未考虑非均匀荷载及原管道破损情况。在结构刚度方面，目前通过环向压缩试验结果计算确定的精度不够高，误差较大。在强度方面，对给排水管道流体冲击压力、偶尔和周期性波动压力对内衬管力学性能的影响研究不足。在管周土压力方面，结构性修复中用一个地基反力模量值表示土，忽略周围土体管道力学性能的变化，可能导致设计不安全。此外，CIPP 技术的成本相对较高，在推广应用过程中可能会受到一定限制。未来需要加强基础理论研究，提高技术的可靠性和经济性，以更好地满足城市管网修复的需求。
