鮑月全，馮東陽，余凱華，徐　禪，江曉華

（1.上海市城市排水有限公司管線管理分公司，上海市201103;2.同濟大學地下建筑與工程系，上海市200092; 3.上海市城市排水有限公司，上海市200233）

受腐蝕大口徑排水管道結構安全評估與保護研究綜述

鮑月全1，馮東陽2，余凱華3，徐禪1，江曉華1

（1.上海市城市排水有限公司管線管理分公司，上海市201103;2.同濟大學地下建筑與工程系，上海市200092; 3.上海市城市排水有限公司，上海市200233）

城市排水管道在長期服役過程中面臨突出的腐蝕和耐久性問題，尤其是對于大口徑的干線排水管道，腐蝕類缺陷造成的結構安全隱患更是十分嚴峻?，F對埋地管道結構缺陷檢測技術研究、受損排水管道安全性評估研究、受損管道維護與修復技術研究等國內外關于受腐蝕大口徑排水管道結構安全評估的研究進展進行了系統(tǒng)的分析和綜述，并對典型及時新的排水管道健康狀況評估與維護管理系統(tǒng)（含規(guī)范評分系統(tǒng)、高級健康診斷與決策管理系統(tǒng)）、影響大口徑排水管道結構安全的外部環(huán)境因素等進行了分析研究，以供受腐蝕大口徑排水管道結構安全評估與保護研究提供借鑒和參考。

排水管道;腐蝕;力學性能;安全評估;綜述

0　引　言

排水管道是城市排水體系的重要基礎設施，承擔著城市雨污水有序收集、輸送、處理和排放等任務，對于維持城市日常運營至關重要。國內大中城市自上世紀七八十年代起，便陸續(xù)開始合流污水管道的建設，至今這些合流污水箱涵管齡普遍已達30a左右，已進入或接近設計年限中期。

隨著服役時間的增長，排水管道因污水腐蝕沖刷所致的結構缺陷與耐久性問題逐漸顯露出來。最近的現場調查表明，運營約30a的某大口徑合流污水排水箱涵，頂板內層鋼筋已經普遍銹斷失效，銹蝕率幾近100%；混凝土因鋼筋的銹脹而剝落形成蝕槽，厚度損失達1/6～1/3，如圖1所示。

圖1　大口徑排水箱涵腐蝕狀況實景及示意圖

排水干線是城市的生命線工程，但遭受此種嚴重的腐蝕缺陷后，其結構安全岌岌可危，并埋下巨大的環(huán)境、經濟和社會隱患。

為解決受腐蝕排水管道的結構缺陷及劣化問題，國內外的研究者開展了持久而深入的研究，取得了豐富而顯著的成果，這對于指導我國大口徑排水管道(箱涵)的管理和維護有寶貴的參考價值。

本文系統(tǒng)闡述了受腐蝕大口徑排水管道結構安全評估及相近領域的研究進展，主要包括4個方面：（1）埋地管道結構缺陷檢測技術研究；（2）受損排水管道結構安全評估研究；（3）受損排水管道修復技術研究；（4）排水管道健康狀況綜合評估及維護管理系統(tǒng)研究。

最后對有關環(huán)境因素對大口徑排水管道安全性的影響之研究作些介紹，并對各環(huán)境因素的作用機制進行了定性分析。

1　埋地管道結構性缺陷檢測技術研究進展

埋地管道的缺陷可以歸為兩類：一是影響管道結構安全的結構性缺陷，比如管壁腐蝕或磨損、縱向或環(huán)向裂縫、管段撓曲或失穩(wěn)坍塌、地層空洞等；二是影響管道正常運營(對結構安全影響不大)的功能性缺陷，比如淤泥沉積、管壁結垢、樹根侵入、滲漏等[1,2]，本文重點關注結構性缺陷的檢測。按照原理，排水管道檢測技術主要分為以下幾類。

1.1光學檢測技術

基于可見光的檢測技術包括人進入法、CCTV錄像、SSET掃描等，其中猶以CCTV最為常用?？梢姽鈾z測的優(yōu)點是可以直觀地辨識裂縫、管壁腐蝕、撓曲、錯臺等結構性缺陷，缺點是只能看到表面情況而無法獲知管壁剩余厚度、裂縫開展深度、地層疏松程度及空洞等深部狀況，并且由于受光照條件限制，只能用于水面以上，且易受表面污泥、水滴等的干擾。

基于不可見光的檢測技術包括紅外熱成像、激光檢測等。熱成像是利用不同介質導熱性的差異，通過紅外熱譜獲知管道周圍介質的分界分布情況，優(yōu)點是可以捕捉到地層空洞、裂縫等信息，缺點是易受地表氣象活動的影響，且難以精確測量管壁厚度等尺寸信息[3,4]。激光檢測的本質是基于光的反射和干涉進行測距，優(yōu)點是可以精確地掃描和測量管道的內輪廓，并可識別窄至0.3mm的裂縫[5]，缺點是為避免折射只能用于空管或滿管(但滿管可能有衍射問題[2]）。

1.2電磁檢測技術

大口徑排水管道多采用受力及耐久性更好的混凝土結構，因而難以應用只適用于金屬的磁通法、渦流法、低頻電磁場法等多數電磁缺陷檢測技術，而地質雷達（GPR）則是個例外。GPR是基于電磁波會在介電常數不同的兩種介質的界面發(fā)生反射的原理，通過對反射或透射波的分析來確定物體內部界面（不連續(xù)面或缺陷）的位置[6]。優(yōu)點是可以探知混凝土內部空洞、地層空洞、管道滲漏等隱蔽缺陷，可以測量管壁剩余厚度，缺點是不直觀、需要專門的技術人員處理和解讀檢測數據。

1.3聲波及振動檢測技術

基于聲波的檢測技術主要有聲納、超聲導波等。聲納是基于聲波會在密度不同的兩種介質的界面發(fā)生反射的原理對關心的界面進行定位，優(yōu)點是可以精細地探測管道的內輪廓，從而推知管道變形情況、管壁蝕后厚度、淤泥量等，甚至可以區(qū)分出小至5mm的缺陷[7]，缺點是管內水氣共存時比較難處理（聲波在水和空氣中的傳播速度不同）。超聲導波[8]可以快速探知并定位管壁局部蝕坑、缺口等幾何缺陷，并能估計缺陷大小，缺點是不直觀，對全局性的缺陷(如管道的整體腐蝕)較難反映。

基于振動的檢測技術主要是沖擊回波法，即通過人為施加振動，通過振動波的性態(tài)分析管道的整體狀態(tài)，多用于預應力混凝土管的檢測[9]。

1.4復合檢測技術

以上各種檢測技術都能在排水管道的缺陷檢測中發(fā)揮一定的作用，但也都有所欠缺，而包含多種傳感器的復合檢測系統(tǒng)則可以在一定程度上實現優(yōu)劣互補、減少漏檢，從而獲得更全面的信息。

在這方面，Andrews等[6]用“CCTV-聲納”復合系統(tǒng)在加拿大的多個城市檢測了超過50km的干線排水管道（口徑2100～2900mm），該系統(tǒng)利用聲納完成水下檢測，用CCTV完成水面以上的檢測，從而克服聲納處理水氣共存的困難，以及CCTV水下檢測的困難。

Koo等[10]用“DSET-地質雷達”復合系統(tǒng)對美國菲尼克斯的1.8km帶PVC內襯的試驗段混凝土排水管道 (直徑0.75～0.9m)進行了檢測。該系統(tǒng)用DSET（數字化掃描評估技術）對PVC內襯的表面缺陷狀況進行掃描，用地質雷達對混凝土外襯的腐蝕厚度及空洞進行探測。

Gooch等[11]基于“CCTV-激光”復合法開發(fā)了一套半自動的下水道檢測車。該系統(tǒng)先通過錄像查找內壁缺陷，然后利用激光進行三角定位，以確定缺陷的具體位置，從而將CCTV的直觀和激光的精確結合起來。類似的，Kirkham等[12]開發(fā)的PIRAT系統(tǒng)可以根據管內水量、缺陷大小等靈活選取激光或聲納掃描器與CCTV組合。

2　受損排水管道結構安全評估研究進展

排水管道因腐蝕而發(fā)生結構性缺陷后，承載能力相比完整狀態(tài)有所下滑，此時應根據檢測到的缺陷（管壁腐蝕變薄、開裂等）對管道結構進行二次力學分析和計算。這方面的典型研究有關鍵截面法和完整模型法。

2.1關鍵截面法

Bairaktaris等[13]在其管道評估系統(tǒng)的力學分析模塊中，將圓管的整環(huán)均分成12份，即離散成由12個節(jié)點(關鍵截面)剛接的12段一維梁單元，單元剛度根據實測壁厚算得。當CCTV檢測到縱向裂縫時，則將最近的剛接節(jié)點置為鉸，然后在水土壓力、交通荷載作用下對管環(huán)實施荷載結構法彈性有限元計算，算得某個節(jié)點(截面)的最大拉應力超過管材抗拉強度時則退化為鉸。當鉸的數量超過一定閾值時判定整體失穩(wěn)，當節(jié)點的軸力或剪力超過材料強度時判定局部失穩(wěn)。

Becker等[14]進一步發(fā)展了關鍵截面法，通過設置土彈簧考慮地層抗力，并通過考慮管材性質、荷載、管土接觸條件等參數隨時間的演變，對管段未來的安全性做出預測。

2.2完整模型法

Alani等[15]基于地層結構法對管道進行二維完整模型的計算，根據DP強度(屈服)準則判斷混凝土材料的破壞。該文亦考慮了外部荷載、管壁腐蝕的不確定性和時變性，采用隨機有限元法(SFEM)計算結構的失效概率隨時間的變化，實現管道的壽命預測，并對車輛荷載大小、上覆土厚、管壁厚度等因素做了參數研究和敏感性分析。

Rˇoutil等[16]在進行排水管道劣化的時變效應研究時，以一組承受對徑壓力的圓管作為算例測試對混凝土劣化指標進行參數研究，其管道失穩(wěn)破壞采用混凝土斷裂理論(裂縫帶模型)。注意到，該算例采用的非線性混凝土模型可以方便地推廣到埋地管道的真實受力模擬。

3　受損排水管道修復技術研究進展

檢測結果揭示的功能性缺陷，以及力學計算揭示的對結構安全構成威脅的結構性缺陷，都需要采取相應的修復措施，其研究有以下幾個方面。

3.1開挖式修復

隨著損傷程度由輕到重，排水管道的修復措施可以分為局部修補、整體翻新和整體替換三個級別[17]。其中管段替換往往需要通過開挖法完成，即先挖除舊管道周圍的覆土，再在原位施作新的管段。通常，開挖式修復主要用于管段損傷嚴重、普通的加固措施已經難以奏效，或者個別管段嚴重偏離設計軸線的情況。相比非開挖式修復技術，開挖式修復的優(yōu)點在于施工條件好、可保證過流斷面等。

3.2非開挖式修復

開挖式修復雖然有施工條件好等優(yōu)勢，但同時也帶來造價高、環(huán)境影響大、干擾地面交通、影響市容等諸多弊端，因而在很多情況下，城區(qū)受損排水管道并不具備開挖式修復的條件。在這樣的背景下，各種非開挖修復技術得到了發(fā)展。

3.2.1涂層技術

涂層（Coating）主要用于輕度及中度損傷的修復。這類技術是通過在管道內壁噴涂一層水泥砂漿、(噴射)混凝土、樹脂等材料，來阻止污水對結構的進一步侵蝕，達到延緩結構劣化的目的。根據相關文獻的報道，通過及時、反復的涂層修復可以將管道的服役壽命延長30～50a之久[18]。同時，配合鋼筋網使用的噴射混凝土涂層法可以用于重度損傷的修復。

3.2.2內襯技術

內襯（Lining）技術主要用于中度及重度損傷。這類技術是將一層新的預制管道插入受損段，通過注漿等方法充填新舊管道之間的空隙，從而形成新的受力體系、延緩管道的進一步腐蝕。內襯技術按橫斷面的連續(xù)程度可分為整環(huán)式和拼接式，按施工方法可分為穿插法（SlipLining）、原位固化法（CIPP）、螺旋纏繞法（SWP）、折疊法（FFP）、套環(huán)法等[19]。

此外，非開挖修復技術中的爆管法可以代替開挖法進行管段的整體替換，但有環(huán)境擾動問題。

4　排水管道健康狀況評估及綜合維護管理系統(tǒng)研究進展

由于工作環(huán)境嚴酷、劣化速度快，排水管道比一般結構更需要全壽命維護，因而催生了一系列結構健康診斷和維護管理系統(tǒng)的發(fā)展。

4.1規(guī)范評分法

為指導排水管道的運營管理與缺陷修復，很多國家都出臺了排水管道健康診斷與評估指南。

英國水研究中心于1980年頒布了排水管道狀況分類手冊[20]，隨后又于1983年出臺了污水管道修復手冊SRM[4]。SRM建議利用人工或CCTV檢測結果，對污水管道的安全等級進行評分（1～5），然后優(yōu)先對安全性低、破壞后附帶影響大的管段進行維護。澳大利亞、美國、日本等國也制定有類似的分級標準，典型例子如表1所列。

表1　排水管道健康狀況評價分級標準表[21]（英國SRM）

在國內方面，上海在2009年發(fā)布了地方標準《排水管道電視和聲納檢測評估技術規(guī)程》，是國內首部排水管道內窺檢測評估技術規(guī)程[22]。隨后，住建部在2012年發(fā)布了《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術規(guī)程》（CJJ181），主要也是根據內窺影像對管體本身的缺陷進行評分，然后綜合考慮分值和破壞后果的嚴重性制定修復計劃。

4.2高級健康診斷與決策管理系統(tǒng)

城市排水管網甚為龐雜，單純按照規(guī)范評分法進行檢測和評估，會有效率低、主觀性、管理麻煩等問題。為此，有研究者開發(fā)出了智能化、信息化、自動化的排水管道高級健康診斷與決策管理系統(tǒng)?，F分述如下：

Kirkham等[11]開發(fā)的PIRAT系統(tǒng)，可以根據管內機器人攜帶的CCTV和激光(或聲納)檢測的幾何數據，通過一個智能解讀系統(tǒng)(包括機器視覺、神經網絡分類器等內容)自動地對缺陷進行識別和評分，管理者可以在后期通過圖形化的界面直觀地了解缺陷狀況。

Koo等[9]在其排水管道狀況評估系統(tǒng)中，將管道檢測數據(內窺圖像、地質雷達)、GIS地理信息數據和污水水力數據等納入到統(tǒng)一的平臺內，通過整合利用這些信息，采用一種多因素回歸模型來自動地預測管道結構失效的可能性。

Bairaktaris等[12]在其排水管道修復決策支持系統(tǒng)中，用圖形化的GIS用戶界面將地質信息、圖像診斷、受力分析、修復技術、修復先后排序等模塊整合起來，用戶可以通過GIS清晰地了解城市的整個排水管網的結構安全狀況、維修情況。且GIS提供的排水管道直徑、覆土厚度、地面交通強度、臨近結構分布情況等信息，可以為管道受力計算及維修次序決策提供依據。

5　環(huán)境因素對大口徑排水管道結構安全的影響分析

受腐蝕大口徑排水管道不僅面臨結構性缺陷所致的承載力下降這一“內憂”，還會受到各種外部環(huán)境作用帶來的“外患”。通常，環(huán)境因素或是對排水管道形成加卸載、直接以力的形式威脅其結構安全，或是引起地層的不均勻移動、間接導致其變形病害。它們的具體作用機理分析如下：

5.1地面活荷載

排水管道（箱涵）屬于淺埋基礎設施，在其長距離地穿越城市淺層地下空間時，不可避免地會受到地面上活躍的人類活動的影響，典型的代表就是車輛荷載和堆載。

5.1.1車輛荷載

車重經路基傳至管周，形成管頂豎向及管側水平向的附加土壓力。

5.1.2地面堆載

一來引起管頂及管側的附加土壓力(荷載類病害)；二來過大或不對稱的堆載會引起地層移動，使管體破裂或接頭張開(變形類病害)。

5.2臨近施工

隨著城市地面空間的逐漸飽和，大量的市政、能源、交通、商業(yè)設施轉入地下，與此相關的基坑開挖、降水、頂管等地下工程施工活動絡繹不絕。

5.2.1打樁

一來擠土效應導致管側土壓力增加；二來土中超孔隙水壓力上升使土的流塑性增強，導致水平位移、垂直隆起等次生地層移動，管段隨之產生開裂等變形病害。

5.2.2基坑開挖

一來使管側向土壓力減小(由靜止土壓力向主動土壓力演變)；二來基坑降水及開挖引起坑外土體的下沉和側移，誘發(fā)管段的變形病害。

5.3地層變化

排水管道賦存于地層之中，直接受地層的荷載和支承，故地層的一些變化可能會殃及管道安全。

5.3.1地層腐蝕及流失

在排水管道的運營過程中，管體開裂或接頭張開等缺陷會成為污水和地層之間的通道，使污水滲入地層，或者相反，使水土向管內流失。前者主要造成地下水水質的污染，同時可能對土層中的某些礦物形成腐蝕；后者主要造成地層的機械潛蝕，使土層變疏松甚至出現空洞，從而引起管道所受土壓力及支承條件的變化，嚴重時還會造成地面塌陷。這方面已引起研究者的關注[23]。

5.3.2地下水位升降

一來會引起土的抗剪強度等力學性質的改變，從而影響管側土壓力；二來會直接改變管周水壓力（管底浮托力、管側水平水壓力）。

5.3.3地層不均勻沉降

為軟土地區(qū)的高發(fā)事件，土質軟硬不均、局部抽排水、局部堆卸載、震動等諸多不確定因素都可能是其誘因。它使管段的支承條件非均勻化，從而產生次應力、引起管身開裂，或致接頭張開及錯位。

5.4偶然荷載

5.4.1地震

上世紀末以來，許多城市的市政管網在地震中遭受嚴重的破壞，從而引起人們對埋地管道抗震的重視[24,25]。Rourke等[26]的研究指出，地震對埋地管線的影響主要在于臨時性的地震波效應、永久性的地層移動效應兩個方面，前者波及面廣但致損性不強，后者僅影響個別地點但致損性強。埋地管道的震害主要在于剛度薄弱處的大變形及幾何突變處的剪切破壞，前者如管段接縫的張開、錯臺，后者如管道與人孔或風井的交接區(qū)斷裂，其中猶以管道接口破壞為主[27]，縱向破壞常重于橫向。

5.4.2爆炸沖擊

一些特殊的交通事故，比如易燃運輸物的爆炸、重型物體（如混凝土管樁、砂石）的墜落等，會對路面及淺層土體形成沖擊，從而影響淺埋排水管道(箱涵)的結構安全。爆炸沖擊會在地表形成瞬間的額外壓力(沖擊波超壓或固體沖擊)，經上覆土傳至管頂及管側，引起附加荷載。

6　結論與展望

本文圍繞受腐蝕大口徑排水管道的結構安全問題，對相關領域的研究進展作了調研，對此種受損管道的內憂外患做了分析，主要結論有：

（1）在管道缺陷檢測方面，直觀的CCTV內窺是主流檢測技術，但也需要聲納、激光、地質雷達等技術的配合，以補充幾何尺寸、內部缺陷等信息。

（2）在腐蝕管道結構安全評估方面，從簡單實用的一維關鍵截面法到精細的二維完整模型法，從單指標破壞準則到DP準則、斷裂理論準則，從確定性分析到考慮參數時變的非確定性分析，均有成熟的實踐。但研究對象多為素混凝土圓形管道，而對箱涵(矩形)的研究較為鮮見，由于箱涵受彎明顯、對鋼筋更為依賴，故考慮鋼筋的受腐蝕大口徑排水箱涵的結構安全是不夠的，這是一項有待探索的課題。

（3）在受損排水管道修復方面，在嚴重結構缺陷發(fā)生之前進行非開挖修復是最經濟合理的做法，而嚴重損傷情況(尤其是對大口徑管道或箱涵)則較難通過非開挖方式處理，這方面尚有發(fā)展空間。

（4）在排水管道健康評估系統(tǒng)方面，實用的規(guī)范評分法可以解決普遍的受損排水管道的維護問題，但也存在主觀、效率不高及管理不便等缺點，一些針對排水管道的高級診斷與管理系統(tǒng)則可以比較自動化、智能化地完成評估工作，其專門的管道受力分析模塊對大口徑排水管道意義尤重，因為它可以清晰地了解管道的結構安全狀態(tài)。此外，高級系統(tǒng)對GIS的利用值得關注，這一做法既能為管道的力學計算提供數據，又能為管道維護管理帶來方便。

（5）在環(huán)境因素對排水管道的影響方面，應該意識到管道結構安全既有管壁腐蝕的“內憂”，又有地面荷載、臨近施工、地層變化等“外患”。本文對典型“外患”做了定性分析，而具體的量化規(guī)律、各類環(huán)境的危害性的比較、保護性環(huán)境限制標準的制定等課題則有待進一步的力學計算。

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TU992.23

B

1009-7716（2016）11-0079-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.11.022

2016-09-06

鮑月全（1976-），男，上海人，高級工程師，從事排水管網檢測養(yǎng)護及維修管理工作。