近泵站高水位急流通水大口径混凝土管内衬双胀环修复技术应用研究

孔炜

（上海浦东新区排水管理所，上海市200127）

0 引言

上海市的排水泵站、管道系统，主要建设于上世纪90年代初期，随着城市发展及自然天气原因，已不能满足现有排水系统的要求。结合“十三五”规划要求，上海积极推进排水系统的改造建设。据悉，截止目前为止，上海急需规划提标改造的排水泵站有八十多座，同时还涉及许多老旧危险水闸、周边管网等系统新建改造。排水系统工程建设将迎来新一轮的建设高潮。

目前我国城市地下管网已进入了更新修复期。地下排水管网的改造及更新是重点，也是难点。同时泵站结合管网的改造，既要不影响城市功能、不破坏道路环境，又要使老旧管道及时得到修复保护通水。

经过分析，管道漏水的主要原因是接口漏水。接口损坏原因主要是，施工质量差、不规范，地基沉降发生接口错位、拉脱；管材质量差、接口尺寸不规范、胶圈老化等原因造成管道经常发生漏水现象。通过维修发现，管道管身没有发现过漏水现缘，主要发生在接口处。因此，接口是管道修复的主要工作。

在工期方面，由于需加快新老更替，对项目工期要求也越来越紧。在复杂环境下，如何快速而安全地实现排水泵站升级、管道修复等高危作业，是人们面临的挑战和难题。

1 工程案例

1.1 总体概况

张家浜雨水泵站新建工程位于浦明路、张家浜西北角，占地面积约2 747.6 m2，雨水泵站建设规模30 m3/s。工程主要施工内容包括雨水泵房、进水闸门井、进水箱涵、出水渐扩箱涵、Y1与Y2特殊井、管道、道路及防汛墙等。其工程总体情况见图1所示。

图1 工程总体概况图

Y1特殊井半径为3.55m，开挖深度约10m。由于要保证2400老管通水至老泵站，Y1和老管连接设计围护采用“骑马井”围护施工方式，围护桩采用Φ800钻孔灌注桩+双排Φ800旋喷桩（见图2所示）。钻孔灌注桩桩长18.88 m，中心间距950 mm；旋喷桩桩长17.58 m，搭接300 mm。坑底采用2 400MJS旋喷桩进行加固，加固范围坑底以下4 m。

图2 Y1井管连接“骑马井”施工示意图

1.2 主要地质条件

根据勘察，该工程场地45 m深度范围内地基土均属第四纪全新世（Q4）和晚更新世（Q3）沉积物，主要由粘性土、粉性土和砂土组成。

自上而下涉及土层为①杂填土、②1粉质黏土、②3黏质粉土、③淤泥质粉质黏土、④淤泥质黏土、⑤黏土、⑥粉质黏土、⑦1黏质粉土、⑦2粉砂。

开挖面土层为③淤泥质粉质黏土，该土层粉性较重，含有机质、云母，夹少量薄层粉性土，土质较均匀。同时该区域浅部主要由碎石、建筑垃圾组成，局部有煤渣，夹较多黏性土；深部以黏性土为主，夹碎石、建筑垃圾，施工前期障碍物多、清障工作量大。

1.3 水文条件

该工程场地南部有地表水体分布，而场地内浅部分布有强透水层（第①层杂填土）和较强透水层（第②3层黏质粉土），场地内潜水与张家浜河水存在一定的水力联系。张家浜系感潮内河，受非正规半日潮影响，每日两涨两落，日渐不等现象显著，平均潮差2～3 m，潜水水位相应有所变化。

根据黄浦江黄浦公园水文站的历年资料，经统计黄浦江张家浜实测潮位特征值为：实测最高潮位为+5.72 m，千年一遇高潮位为+5.86 m，历年平均高潮位为+3.12 m，平均低潮位为1.29 m，平均潮位为2.21 m。

2 施工主要难点

2.1 2400老管“骑马井”新建井与老管不断流连接施工难度大、风险高

Y1井施工需保证2400管道的不断流，设计采用“骑马井”围护施工方式。施工难度大、风险高。主要风险因素和施工难点有：

（1）2400老管井，由于其埋深年代久远，相关位置及埋深资料稀少，“骑马井”施工，需精确控制好围护桩的标高及位置，以免对老管的破坏。在围护施工前，需探摸清楚Y1与老管准确位置及标高。

（2）由于2400管道直径较大，因此在“骑马井”施工时，需采取合理方案确保围护外围的封闭及止水。

（3）2400管道埋深久远，其管材质量不能保证，基坑开挖后，容易出现接缝渗水及管节脱节现象。在通水情况下管道破坏将带来不利的影响。

针对性措施有：

（1）在施工前，由业主委托专业检测单位，对2400老管进行CCTV检测及位置标高确认，为Y1井围护及开挖施工提供准确的老管资料。

（2）对坑外老管端头及坑底部位予以加固，为保证加固及止水的搭接，采用大直径MJS加固，确保老管外围及坑底的加固质量。

（3）加强对管道接头部位渗漏及管节脱节的控制，对管节部位采用内衬接缝双胀环止水加固措施以防止管节渗水。

（4）加强施工过程中的监测，信息化施工，确保基坑开挖及周边环境的安全。

2.2 老管临近运营泵站管道水位高，水流急

该工程老管接缝修复临近运营泵站较近。在管道修复双胀环施工时，由于离运营泵站近，管道标高较低和平缓管道水位较高，施工时降低水位较为困难；同时，为降低管内水位，需启动泵站内水边抽水，由于离泵站较近，管道内水流较急，给管道修复作业人员带来较大的困难和风险。

2.3 施工场地小、施工安全风险大

施工场地临近Y1井周边的保护建筑物为变压器（距离围护约1.3 m）。汽车洗车店距离约8 m，东侧6层居民房距离Y1围护边约10 m。周边环境复杂且作业空间小，若出现险情，无抢险通道。总之，一旦出现险情，应急抢险难点大，施工作业安全风险高。

为此，在施工过程中，需加强对临近建筑的保护，并加强监测。其中，变压器距离Y1较近，施工过程需重点加强对其保护。

3 近泵站高水位急流通水大口径混凝土管内衬双胀环修复施工

3.1 双胀环施工特点及原理

不锈钢双胀环修复技术是一种管道非开挖局部套环修理方法。该技术采用的主要材料为环状橡胶止水密封带与不锈钢套环，在管道接口或局部损坏部位安装橡胶圈双胀环，橡胶带就位后用2～3道不锈钢胀环固定，达到止水目的。

不锈钢双胀环施工速度快，质量稳定性较好，可承受一定接口错位，止水套环的抗内压效果比抗外压要好，但对水流形态和过水断面有一定影响。

双胀圈分两层，一层为紧贴管壁的耐腐蚀特种橡胶，另外一层为两道不锈钢胀环（见图3）。在管道接口或局部损坏部位安装环状橡胶止水密封带，橡胶带就位后用2～3道不锈钢胀环固定，安装时先将螺栓、楔形块、卡口等构件使套环连成整体，再紧贴母管内壁，利用专用液压设备，对不锈钢胀环施压，使安装压力符合管线运行要求，在接缝处建立长久性、密封性的软连接，使管道的承压能力大幅提高，能够保证管线的正常运行。

图3 双胀环接缝处理示意图

3.2 双胀环施工流程

由于2400老管埋深年代较为久远（近30 a），其管材质量已达到设计及使用年限，其接缝及管材自身质量目前已难以确保。为控制基坑开挖后老管接缝的渗水，基坑开挖前采用双胀环对其接缝进行处理。

双胀环施工主要流程为：

（1）管道封堵抽水清淤；

（2）管道硬质垃圾清除；

（3）双胀环安装修复；

（4）修复后CCTV检测及通水检测。

图4为双胀环施工流程图。

图4 双胀环施工流程图

3.3 管道封堵疏通

在双胀环施工前的准备期间，使用高压射水车，通过高压射水的强大压力，用高压射水头在管道内来回移动，使高压水流不断冲洗管壁，从而将原附着于管壁的污泥和垃圾清理至检查井内，从而达到彻底清理管壁的效果，确保清洗后管壁无残留物，达到排水管道的内窥检测要求（见图5）。

在管道清洗和堵点疏通前，也包括管道的内窥检测前，若管道内积水较深或为满水管道，则必须对管道进行封堵和排水施工后，才能进行管道的清洗和堵点施工。管道的封堵方式主要为临时管塞封堵，在上下游管道各封堵1个管塞。

图5 高压射水清洗示意图

将管塞放入封堵管道的管内临近管口处，使用空气压缩机将气体冲入管塞内，待管塞膨胀后，完成管道的封堵过程，同时在地面以系于管塞上的牵引绳做好安全固定。

封堵顺序遵循先封上游、后封下游的方式进行（见图6）。待管道封堵完成后，采用高扬程水泵将预检测管道内的积水排至下游通畅的同类型排水管网内。

图6 管道封堵示意图

在修复施工期间，为保证安全，同时采用100泥浆泵对管道进行临时排水处理。为确保工程施工安全顺利完成，上述设备采用一备一用的方式进行。

3.4 双胀圈局部修复

张家浜雨水泵站新建工程Y1井内雨水管双胀环加固安装，地点位于浦明路张家浜桥东侧辅道桥北Y1井处。需完成7个双胀环的安装。泵站配合降水至管道直径1/3处，停水后进行安装，每次安装泵站允许停水2 h，因此7个双胀环需7次配合安装。

图7为管道接缝双胀环处理纵断面图。

3.4.1 双胀环施工主要材料

（1）不锈钢环（预制环）。

其不锈钢片采用奥氏体不锈钢304（316亦可）。材料特性：304号不锈钢具有良好的延展性，易冷加工成型，抗拉强度（Ts抗拉强度为700 N/mm，Ys屈服强度为450 N/mm）均有优越的表现，相当于碳钢（6.8级）。同时，不锈钢还具有耐腐蚀，对侵蚀、高低温都有良好的抵抗力。

（2）环状橡胶止水密封带。

图7 管道接缝双胀环处理纵断面图

该密封带需采用耐腐蚀的橡胶，紧贴管道的一面需做成齿状，以便更好地贴紧管壁。

3.4.2 橡胶圈双胀环修理施工方法

潜水员先对管道接口进行清理，然后将环状橡胶带和不锈钢片带入管道内。在管道接口安装环状橡胶止水密封带。在橡胶带就位后，用2～3道不锈钢胀环固定。安装时，先将螺栓、楔形块、卡口等构件使套环连成整体，再紧贴母管内壁，使用液压千斤顶设备，对不锈钢胀环施压。

（1）密封带定位：安装前应先处理好两个要密封接触的部位，以便密封唇口能完全地紧密贴合从而提供一种长久的密封。密封带放置时，要保证其位置放置在待修部位正上方，并使待修管口处于密封带中间部位，密封部分用干刷，将之清扫干净，并涂粘合剂，可以将密封带与管道紧密粘合在一起。密封带必须精确地置于涂层之上。由于该工程管道临近泵站水位高，水流急，柔性橡胶密封带在急流水中固定较为困难，通过技术攻关最终采用“钢管十字架”结合顶托临时固定法，最终确保了橡胶密封带的固定（见图8所示）。

（2）不锈钢内涨圈定位：密封带定位以后，将不锈钢保持带放在密封带的环槽内。在定位过程中，要注意内涨圈准确放置在密封带的环槽内，不锈钢内涨圈的开口要位于管道的侧下方。

（3）不锈钢内涨圈的固定：不锈钢内涨圈定位后，用专用液压工具对内涨圈的不锈钢保持带施加压力。加压装置压力达到时，关闭保险开关，将圆弧形的不锈钢楔插入缝隙 (在膨胀的保持带两端）。楔子曲率半径应与管道半径相同。将加压装置中的压力释放，然后在密封带的第二根不锈钢保持带上重复此操作。

图9、图10分别为双胀圈安装固定示意图及其实景。

图9 双胀圈安装固定示意图

图10 双胀图安装固定之实景

3.5 闭路电视检测（CCTV检测）

双胀环修复好后，对管道进行质量检测。CCTV检测仪装备有最先进的摄像头、爬行器及灯光系统，完全由带遥控操纵杆的监视器控制，操作简单，移动方便，可以进行影像处理、记录摄像头的旋转和定位。它还具有高质量的图像记录和文字编辑功能。其主要工作部分为一部四轮驱动的摄像小车和一台计算机。根据不同管径，可以选用不同型号的CCTV。通过它能够将管道中的情况一览无余。在项目中，对管内情况实在无法得知的时候，便采用此设备对管段进行检查。在管道修复完成后，进行一次CCTV检测，作为修复验收资料。

4 施工效果

张家浜雨水泵站Y1井φ2400老管采用双胀环接缝处理，待Y1井开挖管道暴露后，管道管身没有发现过漏水现象，确保了老泵站的通水运营施工。双胀环法管道接口修复技术施工工法不受地面交通、环境温度的影响。工程实施完全达到了预期的效果，取得了较好的经济和社会效益（见图11）。

图11 双胀环接缝内部施工及管道开挖效果图

5 结语

本文以张家浜雨水泵站新建工程为背景，结合该工程Y1井“骑马井”φ2400大直径混凝土近泵站高水位急流通水内衬双胀环修复技术研究的同时兼顾实际施工的工况衔接，做到安全、经济、合理。主要成果如下：

（1）针对近泵站高水位急流通水大口径混凝土管道修复及原位通水保护施工难点，采用双胀环管道接缝施工工法，总结了完整的管道接缝处理双胀环施工工法，并确保了老泵站的通水运营施工，大大减短了工期和节约了成本。

（2）针对近泵站高水位急流通水管道中双胀环安装难点，创新性地采用“钢管十字架”结合顶托临时固定法，最终确保了橡胶密封带的固定及双胀环的成功安装。

（3）管道潜水作业涉及井下施工，有毒气体施工风险大，施工前必须做好有效的应急预案及安全防护措施。