摘要：CIPP（即原位固化法）作為一種重要的非開挖管道修復技術(shù)，具有施工速度快、工期短、內(nèi)襯管與原管道緊密貼合、內(nèi)襯管連續(xù)且表面光滑等優(yōu)點，被廣泛應用于污水管道、供水管道等給水排水管道的修復和更新。在充分調(diào)研國內(nèi)外對該技術(shù)的研究情況基礎上，本文重點介紹近年來國內(nèi)外CIPP修復技術(shù)在彈性穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)剛度、強度（承載力）及管周土壓力等方面的研究情況，指出了在CIPP設計過程中目前存在的缺陷及未來的研究方向。簡要介紹我國CIPP修復技術(shù)的工程實踐以及面臨的問題與挑戰(zhàn)，為進一步研究內(nèi)襯管的結(jié)構(gòu)受力特性提供參考。
隨著我城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，城市地下管線迅猛發(fā)展，近年來，接近使用壽命的給排水管道日益增多，管網(wǎng)老化、滲漏、腐蝕、接口脫節(jié)、錯口等問題日益突出。傳統(tǒng)的開挖道路更換修復嚴重影響城市交通和居民生活，因此非開挖修復技術(shù)應運而生。原位固化法（Cured-In-Place Pipe, CIPP）是目前采用最為廣泛的非開挖管帶修復技術(shù)之一，是指采用翻轉(zhuǎn)或牽拉方式將浸漬樹脂的軟管置入原有管道內(nèi)，固化后形成管道內(nèi)襯的修復方法。具有施工速度快、工期短、內(nèi)襯管與原管道緊密貼合、內(nèi)襯管連續(xù)且表面光滑等優(yōu)點，因此被廣泛用于圓形和矩形截面給排水管道的修復和更新。原位固化法需要解決的主要問題，包括材料的選擇、內(nèi)襯管的鋪設和固化方法以及內(nèi)襯管設計。使用的主要材料是軟管和樹脂，其中樹脂是系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)元素。樹脂材料通常可以分為不飽和聚酯樹脂、乙烯樹脂和環(huán)氧樹脂三類。按照軟管進入原有管道的方式不同，可將 CIPP 分為翻轉(zhuǎn)式和拉入式兩種工藝。軟管的 固化工藝目前包括：熱水固化法、蒸汽固化法和紫外光固化法。內(nèi)襯管設計主要包括軟管直徑和長度的確定和內(nèi)襯管壁厚設計，分為半結(jié)構(gòu)性修復和結(jié)構(gòu)性修復兩種情況考慮。
CIPP 技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外的城市管網(wǎng)修復更新工程中得到較廣泛的應用，但是作為一項高新技術(shù)，其基礎理論研究不足。在彈性穩(wěn)定性方面，對于完全劣化的管道，目前的設計方法沒有計算外荷載的準則，而是人為判斷確定；內(nèi)襯管臨界壓力的計算都是基于均勻靜水壓力，沒有考慮到非均勻荷載及原管道破損情況；在結(jié)構(gòu)剛度方面，目前基本上都是通過環(huán)向壓縮試驗結(jié)果計算確定，精度不夠高，誤差較大；在強度方面，給排水管道考慮流體沖擊壓力、偶爾和周期性波動壓力對內(nèi)襯管力學性能的影響研究不足；在管周土壓力方面，結(jié)構(gòu)性修復中，ASTM F1216-17用一個地基反力模量值來表示土，忽略周圍土體管道力學性能的變化，可能會導致設計不安全。
本文在充分調(diào)研國內(nèi)外CIPP技術(shù)的理論研究進展以及國內(nèi)的工程實踐案例后，從彈性穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)剛度、強度（承載力）及管周土壓力四個方面介紹了國內(nèi)外CIPP修復技術(shù)的研究情況，指出了目前該技術(shù)在內(nèi)襯管設計中存在的缺陷，為今后該技術(shù)的研究提供了有指導意義的參考。同時，還結(jié)合國內(nèi)的工程案例，分析了該項技術(shù)在實際工程中的應用情況以及面臨的問題與挑戰(zhàn)。
01.CIPP管道修復技術(shù)的國外動態(tài)
根據(jù)ASTM F1216標準中規(guī)定的CIPP修復技術(shù)的具體施工流程，總結(jié)得到了圓形截面管中管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中左圖為橫截面宏觀示意圖，右圖為管壁局部放大示意圖。管中管結(jié)構(gòu)一共包含內(nèi)膜、復合材料、外膜和舊管道四層，復合材料為樹脂載體材料或增強材料，包括耐磨層；舊管道為出現(xiàn)問題待修復的污水管道、供水管道、化學及工業(yè)管道等壓力管道。
理想的管中管結(jié)構(gòu)模型中，內(nèi)襯管與原管道之間是緊密貼合的，但在修復完成后往往會發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯管出現(xiàn)褶皺等屈曲變形。對外壓圓柱管的研究可追溯到19世紀中葉（1858 Fairbairn），他認為管道長度和管徑壁厚比是確定屈曲壓力的重要參數(shù)。Bresse（1866）應用小撓度理論，研究了在外部靜水壓力作用下，自由圓環(huán)的穩(wěn)定性并得出如下表達式：
G.H.Bryan (1889)利用最小勢能原理，對靜力外壓作用下的長距離管道的屈曲臨界荷載進行了相關(guān)推導，為了表示無限長管道的平面應變效應，引入了管道的泊松比v參數(shù)。（1）式被修正為（2）式：
Cheney(1971)利用線性小撓度理論研究了外部均壓作用下剛性邊界內(nèi)的圓形圓環(huán)的穩(wěn)定性。在發(fā)生屈曲后，屈曲的內(nèi)襯分為兩個部分，上部向內(nèi)屈曲，下部緊靠外剛性壁。在圓環(huán)的上半部分（θ=±φ），圓環(huán)可以自由地采取與微分方程和邊界條件相一致的形狀。但是，較低的部分只能在圓周方向上發(fā)生偏轉(zhuǎn);不允許徑向偏轉(zhuǎn)。他進一步假設腔壁隨著環(huán)向內(nèi)運動，而環(huán)抵抗向外運動，但不抵抗向內(nèi)運動。利用最小勢能原理，推導的臨界壓力方程為：
Glock (1977)分析了外靜壓作用下剛性邊界包裹的薄圓環(huán)的穩(wěn)定性問題。Glock的模型假設環(huán)和剛性腔之間沒有摩擦，與Cheney(1971)的模型相似，Glock(1977)設想了兩個區(qū)域:區(qū)域I和區(qū)域II，如圖2所示。但不同的是，Glock的模型不要求腔壁隨環(huán)向內(nèi)移動。
目前安裝在部分劣化管道上的CIPP的設計方法使用的是ASTM F1216-17中的X I.1（如式（5））。設計公式相較式（2），增加了增強因子K、安全因子N和橢圓度因子C等參數(shù)，考慮到內(nèi)襯材料的蠕變效應，式（5）應用長期彈性模量修正了短期彈性模量參數(shù)。
增強因子K可以解釋為由于封閉的既有管道支撐增加了CIPP襯墊的屈曲阻力。ASTM F1216推薦的增強因子最小值為7，Guice (1994) 的實驗表明，對于不同材質(zhì)的內(nèi)襯管道，增強因子K值相差較大。橢圓度因子C可以解釋由于既有管道初始缺陷或橢圓化而導致的CIPP承載力降低情況，由下式表征：
上述所討論的剛性腔內(nèi)薄環(huán)的臨界屈曲壓力計算模型，都得到了形式相似的臨界屈曲壓力計算公式。這些方程的基本形式是：
以上內(nèi)襯管穩(wěn)定性分析模型只適用于局部劣化管道，即僅適用于半結(jié)構(gòu)性修復設計。而對于全部劣化管道，即結(jié)構(gòu)性修復設計，ASTM F1216-93(公式X1.3)中介紹了目前安裝在完全惡化的主管道中的CIPP的設計方法，計算方程為：
1.2內(nèi)襯管的結(jié)構(gòu)剛度
在《Structural Mechanics of Buried Pipes 3 edition》一書中，結(jié)構(gòu)剛度被定義為抵抗撓曲變形的能力，在數(shù)值上等于應力-應變圖上任意點處的斜率F/D。George McAlpine (2001)通過猶他州立大學(USU)在大型土壤槽中對750毫米有裂縫的無鋼筋混凝土管道的測試結(jié)果（如圖3），發(fā)現(xiàn)管道周圍土壤的支撐能力（即土壤的堅硬程度）直接影響著開裂剛性管道的有效剛度。在堅硬的土壤中，管－土結(jié)構(gòu)的有效剛度非常高，安裝內(nèi)襯管可以通過防止土壤沖進管道造成土壤空隙來保持土壤的支撐。在較軟的土壤中，柔性內(nèi)襯管可以提高開裂混凝土管道的剛度。為開裂混凝土管道的內(nèi)襯設計奠定了基礎。
Kamil Artur Mogielski, Dr.Eng(2017)利用對比法對無內(nèi)襯管和有內(nèi)襯管的五種類型的管道樣品進行了環(huán)剛度試驗。實驗結(jié)果表明，帶內(nèi)襯管的管材的環(huán)剛度變化與管材與內(nèi)襯的結(jié)合強度呈正相關(guān)，內(nèi)管壁越粗糙，粘接能力越強。為了滿足經(jīng)濟性和耐久性的設計理念，還需要進一步研究環(huán)剛度的增加與粗糙度和內(nèi)襯管厚度之間的定量關(guān)系。通過建模計算得出的內(nèi)襯減薄系數(shù)來平衡三者之間的影響。這些系數(shù)被廣泛應用到內(nèi)襯管厚度的設計方法中。
Michael J.P. Brown(2014)利用三維有限元建模的方法，分析了極限狀態(tài)下CIPP內(nèi)襯管的結(jié)構(gòu)剛度對拉應力的影響。發(fā)現(xiàn)在最大工作壓力下，內(nèi)襯管的拉應力實際上是由無側(cè)限的周向應力控制的。環(huán)向剛度的增加在一定范圍內(nèi)可以降低內(nèi)襯管在工作狀態(tài)下的拉應力。因此，如果內(nèi)襯管是根據(jù)這種極限狀態(tài)設計的，則環(huán)向模量應至少是軸向模量的1.1倍，以最小化內(nèi)襯管的最大拉應力。
Gergely Czel(2015)提出了一種根據(jù)環(huán)向壓縮試驗結(jié)果確定纖維纏繞的橢圓形聚合物內(nèi)襯管環(huán)向有效彈性模量的新方法。所提出的試驗方法也可用于質(zhì)量控制和一般產(chǎn)品控制，適用于各種管道截面。設計工程師可以通過該方法從任意橢圓型截面上的環(huán)的簡單壓縮試驗結(jié)果中計算出各種管材的有效彈性模量，彈性模量的值越大，內(nèi)襯管的剛度也越大。
1.3內(nèi)襯管的強度（承載力）
Nancy Ampiah(2008)對比分析了鑄鐵水管內(nèi)安裝樹脂浸漬氈管時出現(xiàn)的褶皺對內(nèi)襯管強度的影響。從加拿大一個施工現(xiàn)場取的三組常見的褶皺內(nèi)襯管，采用基于裂片測試的方法，通過與無褶皺的內(nèi)襯管相互之間對比分析（測試結(jié)果如圖4），發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)褶皺的地方是內(nèi)襯管強度最低的地方，內(nèi)襯管的失效破壞從這里開始；褶皺的形態(tài)和尺寸對內(nèi)襯管的第一次開裂時的所能承受的載荷有顯著影響，而對內(nèi)襯管的最終承載能力的影響比對第一次開裂荷載小。
對于其他管材的圓形或橢圓形截面管道，同樣存在相同的規(guī)律。因此，在內(nèi)襯管的設計及安裝過程中應該使內(nèi)襯管與原管道緊密貼合，防止褶皺的出現(xiàn)影響整個系統(tǒng)的強度。
內(nèi)襯管的設計應該充分考慮到安裝過程中常常出現(xiàn)一些質(zhì)量問題，美國的Raymond Sterling(2016)基于美國相應的ASTM測試標準，對取自北美11個城市的25個不同使用年限的修復重力式污水管道的CIPP內(nèi)襯管樣品進行了抗拉強度、抗彎強度等性能測試。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)襯管的安裝過程中存在一些質(zhì)量問題，比如：內(nèi)襯管與主管之間未能完全緊密貼合，內(nèi)襯管的厚度未達到設計要求的厚度，這些都影響內(nèi)襯管的強度和壽命，因此，合理設計和安裝CIPP 內(nèi)襯管可以使其使用壽命最大化。
輸水管道運營過程中的沖擊壓力是工作壓力的2到3倍，因此在進行該類管道的內(nèi)襯設計時，需要考慮的內(nèi)部壓力應該包含工作壓力、周期性的和偶爾的波動壓力。為了更好地了解CIPP內(nèi)襯管對沖擊和周期性壓力的響應，滑鐵盧大學建設的新的襯墊壓力測試設施可用于CIPP內(nèi)襯管短期和長期爆破試驗等，推動了CIPP壓力內(nèi)襯管設計的發(fā)展。
1.4管周土壓力
埋地管根據(jù)其結(jié)構(gòu)性能通常分為剛性管和柔性管兩種。一般來說，地埋管支撐的能力來自兩個方面：首先，地埋管承受外部荷載的固有強度；其次，地埋管兩側(cè)土壤的側(cè)壓力。側(cè)向壓力在管道環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的應力與垂直荷載產(chǎn)生的應力方向相反，從而幫助管道承受垂直荷載。埋地管道周圍土壓力的大小與土體條件、埋管深度和管土相互作用等因素有關(guān)，在管土相互作用方面，美國的U. LUSCHE(1965)討論了在高荷載作用下埋地圓柱管與周圍土體的相互作用。通過區(qū)分壓力重分布、變形約束和拱起三種作用類型，可以最有效地分析相互作用現(xiàn)象。在系統(tǒng)變形較小的情況下，作用在管壁上的壓力高度不均勻。當荷載增加時，原來的圓管變形成近似水平橢圓的形狀，并在這一過程中調(diào)動了側(cè)向被動土壓力。不久，任何壓力的增加都將以這樣一種方式分布在管道周圍，從而在管道中造成純環(huán)壓。基于這一環(huán)壓縮理論的分析發(fā)現(xiàn)只要合理地設計和施工管-土系統(tǒng)，通過壓力重分布實現(xiàn)管周圍壓力的平衡是安全可靠的，且系統(tǒng)的失效將由管的壓縮屈服引起。對管-土系統(tǒng)的分析和設計提出了改進建議。
Burns和Richard(1964)認識到Marston/Spangler方法的缺點，并提出解決方案，適用于彈性的、埋深大的圓柱形管道，它被包裹在各向同性、均勻的無限彈性介質(zhì)中，壓力均勻分布在遠離管道的水平面上。并提出了粘結(jié)和非粘結(jié)兩種土-管界面條件的求解方法。在粘結(jié)界面的情況下，假定剪切應力和徑向應力在管道與周圍連續(xù)介質(zhì)的界面上傳遞。對于無粘結(jié)界面，土與管道之間的界面不傳遞剪應力。建立了粘合和非粘結(jié)兩種相互作用情況下徑向壓力、管道徑向撓度、彎矩和推力的方程。
Elmer L. Matyas(1983)通過懸浮管道模型試驗結(jié)果，得出了計算非屈服水平剛性管在沉降回填作用下所受的豎向土荷載。該計算方法得到的結(jié)果比實際豎向土荷載小，而根據(jù)實驗結(jié)果曲線擬合得到的曲線方程可以很好的估算豎向土荷載。
對于埋地柔性管，周圍土體顯著提高了管的屈曲強度。僅通過無支撐結(jié)構(gòu)的室內(nèi)試驗，無法確定埋地管的屈曲強度。在現(xiàn)場單獨測試每一個結(jié)構(gòu)也是不可行的。因此，需要建立理論模型來量化埋地柔性管的屈曲行為。A. D. SPASOJEVIC(2007)通過建立物理模型試驗，以CIPP為例研究了土體荷載對大口徑、密閉、無粘結(jié)、柔性的排水管道的影響。主管與周圍土體的相互作用強烈影響著土體荷載向CIPP管道的傳遞，在土體荷載的長期作用下，管-土結(jié)構(gòu)會變形并與內(nèi)襯相互作用。此外，在管道系統(tǒng)運營過程中，地面荷載（如交通荷載等）通過影響管土相互作用，進而影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，合理的內(nèi)襯管設計和安裝還應該考慮到交通荷載等地面荷載的影響。
02.國內(nèi)CIPP管道修復技術(shù)工程實踐
隨著我國城市管網(wǎng)的迅猛發(fā)展，已建成多年的城市地下管線開始出現(xiàn)滲漏、腐蝕、坍塌等問題，由于城市的建筑交通等設施密集，開挖修復對交通和居民生活造成的影響較大，因此，非開挖管道修復技術(shù)備受青睞。近年來，CIPP管道修復技術(shù)在管網(wǎng)修復領域應用越來越廣泛。表１列出了我國CIPP管道修復技術(shù)的成功經(jīng)典案例。
使用年限過長的老舊管道出現(xiàn)的問題一般是比較復雜的，包括淤堵、滲漏、腐蝕、坍塌等問題中的幾種，需要先采取預處理措施才能進行CIPP修復。以四川省成都市金牛區(qū)星河路D400污水管線修復工程為例，現(xiàn)場管線受下游塌陷影響，上游管線淤堵，管線腐蝕嚴重且塌點較長。經(jīng)過多次計算和研討，最后將此工程分塌點處理、清淤和紫外光固化內(nèi)襯修復三個階段進行。修復后材料經(jīng)試驗其強度，耐腐蝕性，力學性能遠高于同管徑混凝土管。修復后的效果如圖5所示，徹底解決了此段管線排水問題。
在國內(nèi)CIPP修復工藝中內(nèi)襯管的設計是根據(jù)《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復更新工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T210-2014）中的規(guī)定的計算公式進行壁厚計算。以成都市武都路、大安西路、大安東路、大安中路、華星路的污水管道修復工程的內(nèi)襯管設計為例，通過檢測發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有管道受到嚴重腐蝕，因此按照結(jié)構(gòu)性修復的計算公式進行壁厚計算。紫外光固化工藝為原位固化法中的一種工藝，其所用內(nèi)襯管材料主要為玻璃纖維增強樹脂基材料，根據(jù)《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復更新工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T210-2014）中的規(guī)定，其短期力學性能的最小要求應滿足表2中的要求。
注：抗拉強度只對壓力管道有要求。
其中材料力學性能按照最小要求值表2和表3中的材料性能作為臨界點計算壁厚。對于彈性模量處于臨界點之間的材料壁厚按照較低臨界點計算的壁厚選取。其他參數(shù)按表4選取。臨界點材料壁厚計算結(jié)果見表5。
最終本工程內(nèi)襯管壁厚設計值應滿足大于等于表5中的臨界點材料壁厚值即可。
隨著CIPP管道修復技術(shù)的不斷推廣與發(fā)展，該項技術(shù)在修復管道管徑、管長及修復厚度等方面都取得了一定的突破，以北京市海淀區(qū)學知橋南的管線修復工程為例。該工程由三段組成，管徑大小為D1200-1500。三段管線腐蝕嚴重且地上有一座高架橋，采用紫外固化內(nèi)襯全結(jié)構(gòu)修復，修復總長度為240米，修復厚度13mm~15mm。成功實現(xiàn)了CIPP修復技術(shù)在大管徑，大厚度，大長度方面的突破，這在國內(nèi)外都屬于罕見工程案例。再以山東省臨沂市青龍河污水管網(wǎng)修復工程為例，該工程采用紫外光固化修復的管徑為DN1200，全長34段共1985.2m。
在利用原位固化法修復排水管道中，樹脂的固化方式除了紫外光固化，還有熱水固化和蒸汽固化，如濟南市趵突泉公園污水管道出現(xiàn)滲漏嚴重，采用的就是熱水固化樹脂的內(nèi)襯法進行修復，修復后管道嚴密性得到增強，大大增強了承壓、耐腐蝕、抗?jié)B能力。熱水固化法是內(nèi)襯法修復使用最早的一種方法，它使得長距離、大直徑管道的內(nèi)襯法修復成為可能。而天津市某新建產(chǎn)業(yè)園區(qū)道路和天津開發(fā)區(qū)內(nèi)泰豐路污水管道的修復采用的都是蒸汽固化樹脂法，修復后管道的滲漏問題徹底解決了。蒸汽固化法的主要優(yōu)點是固化速度快，可應用于高差 <200ft（60m）的大斜度污水管道修復。
CIPP管道修復技術(shù)在我國還處于起步階段，目前已有很多采用CIPP技術(shù)修復排水管道的工程案例。但是，相關(guān)理論的研究非常有限。舒彪等總結(jié)了CIPP技術(shù)在施工中常見的質(zhì)量問題，包括針孔、缺口、起皺、開裂等，并分析了問題產(chǎn)生的原因，提出了一些解決方案。周律等以廣州市中心城區(qū)DN300-800mm的地下排水管道非開挖修復為例，采用層次分析法，綜合考慮施工條件、費用、效益等因素，對比分析了螺旋纏繞法、原位固化法和穿插法3中方法的適用性。孫躍平分析了CIPP內(nèi)襯制管的構(gòu)造設計和性能指標，在CIPP修復排水管道后，管道的結(jié)構(gòu)以雙層構(gòu)造管為主，即舊管道承受地面荷載，內(nèi)襯管承受地下水壓。性能指標包括承荷載能力、耐腐蝕和耐磨損性能、水密性能。
依據(jù)《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復更新工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T210-2014）內(nèi)襯管設計沒有考慮原管道幾個缺陷，包括褶皺、環(huán)狀間隙等對圓周支撐系數(shù)K值的影響。安關(guān)峰等人針對這一問題進行了深入研究，針對不同公式分別采用工程案例計算了 CIPP 內(nèi)襯的壁厚，并以此為依據(jù)提出了優(yōu)化的 CIPP內(nèi)襯外壓屈曲設計方法。
在排水管道采用CIPP修復后的質(zhì)量驗收方面，遆仲森等對比分析了現(xiàn)場取樣和室內(nèi)鑄樣的力學性能測試試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果相差較大，因此，在管道原位同化法修復內(nèi)襯管質(zhì)量驗收中，建議對內(nèi)襯管進行現(xiàn)場取樣檢測。
李兆超用最小勢能原理和薄殼理論，在平面應變狀態(tài)下，推導出了不均勻厚度的柔性襯砌在均勻外壓下的臨界彈性屈曲壓力的解析公式，并利用ABAQUS進行了有限元模擬，驗證了公式的正確性。
在充分引進國外先進材料和技術(shù)工法并且不斷吸取經(jīng)驗的基礎上，我國CIPP管道修復技術(shù)日漸成熟，紫外光固化內(nèi)襯修復技術(shù)已逐漸成為了排水管道非開挖修復的主流技術(shù)，在修復大長度、大管徑病害復雜的管道方面都取得了突破，但是與國外相比在內(nèi)襯管設計理論研究、修復長度、技術(shù)設備等方面仍然存在一定的差距，內(nèi)襯管設計理論研究基本上都是在國外研究的基礎上進行的。
03.CIPP管道修復技術(shù)的未來與挑戰(zhàn)
根據(jù)原管道的破損情況，我們將其分為局部劣化和完全劣化兩種類型。對于局部劣化的圓形管道，通過幾種模型的相互對比，發(fā)現(xiàn)Glock模型的邊際誤差最小；Aggarwal和Cooper對內(nèi)襯進行了外部壓力測試。在試驗中，襯管被安裝到鋼管中，在襯管和套管之間施加壓力，并以約為預期失效壓力的l/10的幅度逐漸遞增，直至失效。觀察內(nèi)部，以確定何時發(fā)生膨脹。結(jié)果表明，試驗失穩(wěn)壓力遠大于由方程求得的理論失穩(wěn)壓力。襯管的抗屈曲能力在既有管道的約束作用下得到了顯著增強。
對于局部劣化的橢圓形管道，Guice (1994) 將18個不同橢圓度的CIPP試樣置于橢圓形鋼管中進行測試，其中6根在不同橢圓度水平（5%，10%和20%）下測試，現(xiàn)場實踐中橢圓度在10%左右波動。在試驗過程中，只觀察到屈曲破壞模式。在外力作用下，由于內(nèi)襯管失穩(wěn)而產(chǎn)生屈曲破壞。這種類型的破壞總是通過伴隨的嘎吱聲來識別，這表明了屈曲破壞的開始。在橢圓度為5%和20%的案例中，屈曲失效模式均為單波屈曲模式。分析表明，ASTM-F1216低估了橢圓形既有管道中修復的CIPP襯管結(jié)構(gòu)的屈曲壓力。在橢圓度5%的情況下，實際的屈曲壓力被低估約44%；在橢圓度10%的情況下，實際的屈曲壓力被低估約45%；在橢圓度20%的情況下，實際的屈曲壓力被低估約56%。由于屈曲壓力被低估，因此從設計的角度來看，這種分析是保守的。
對于完全劣化的管道，ASTM F1216-93(公式X1.3)中介紹了目前安裝在完全惡化的主管道中的CIPP的設計方法。在AWWA方程中增加了橢圓度和安全系數(shù)（見式（8））。AWWA方程是在Lusher(1966)提出的用于預測埋地撓性管屈曲壓力的方程的修正方程。
最新修訂的ASTM F1216-17對于安裝在完全惡化的管道上的CIPP的計的主要缺點是：
（1）沒有計算外載荷q的準則，而是取決于設計者的判斷；
（2）該方法利用地基土反力模量來表示周圍土體，而地基土反力模量很難準確獲得；
（3）該程序?qū)⒐艿狼茐淖鳛槲ㄒ坏脑O計準則，忽略了其他預期的破壞準則。
縱觀國內(nèi)外有關(guān)CIPP管道修復技術(shù)的科研成果與工程實踐，該項技術(shù)在非開挖管線修復領域占據(jù)比較重要地位，以其新舊管道緊密貼合、無需灌漿、施工速度快、工期短、內(nèi)表面光滑等優(yōu)點被廣泛應用于污水管道的修復。隨著管線問題的日益突出及可持續(xù)發(fā)展理論的提出，這都給CIPP修復技術(shù)提出了更高的要求，致使該項技術(shù)面臨以下幾方面的挑戰(zhàn)：
（1）CIPP管道修復領域的相關(guān)標準還需要進一步細化和完善，在《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術(shù)規(guī)程》CJJ 181-2012中將結(jié)構(gòu)性缺陷程度劃分為四個等級，其中Ⅱ、Ⅲ等級的修復工藝需要進一步補充；
（2）未來用于CIPP管道修復的更加耐腐蝕、高承載力、更環(huán)保內(nèi)襯管新復合材料的研發(fā)，將進一步增加修復之后管道的使用壽命，進而推動CIPP技術(shù)的發(fā)展；
（3）相關(guān)理論有待更加全面的研究，內(nèi)襯管屈曲的設計研究應該不僅僅是在假定周圍是均勻的靜水壓力，應該更多的結(jié)合工程實際，研究非均勻荷載的計算模型，并且要考慮原管道的破損情況；
（4）未來地下空間建筑信息模型（BIM）的建立，為管道修復設計、施工、質(zhì)量評估等提供了更加詳細完備的資料。同時，也能為保證管道修復工程的安全性、適用性和耐久性奠定基礎。
04.結(jié)語
通過對國內(nèi)外CIPP管道修復技術(shù)的回顧，得到了如下結(jié)論：
對于局部劣化圓形管道情況：
1）與其他分析模型相比，Glock模型的邊際誤差最小；
2）ASTM-F1216中方程X1.1與實驗結(jié)果有較大偏差，建議的增強因子K在不同產(chǎn)品之間存在顯著差異。
對于局部劣化橢圓形管道情況：
1）在試驗過程中，只觀察到屈曲的破壞模式。然而，屈曲并不是CIPP的唯一失效形式。事實上，最近在路易斯安那理工大學對其中一個CIPP系統(tǒng)進行的實驗研究中，發(fā)現(xiàn)了另一種失效模式。失效被確定為襯管壁的分裂。造成這種失效的真正原因還不清楚。因此，今后的研究應集中于研究其他可能的失效模式，還需要確定這些失效模式是在什么條件下開始的；
2）隨著管道橢圓度的增大，管道的屈曲壓力不斷減小；
3）ASTM-F1216，方程X1.l低估了所有測試的橢圓度的屈曲壓力。對于5%的橢圓度，它與實驗結(jié)果的偏差為44%;對于10%的橢圓度，它與實驗結(jié)果的偏差為45%;對于20%的橢圓度，它與實驗結(jié)果的偏差為56%。
需要進一步的實驗和分析研究來驗證所提出的模型，并驗證考慮本研究未包括的參數(shù)的CIPP系統(tǒng)的行為，如：
1）其他幾何形狀或SDR值的影響效果；
2）CIPP材料隨時間的粘彈性(蠕變)行為；
3）其他類型的既有管道異常的影響，如局部既有管道上的小缺陷；
4）CIPP襯管和既有管道之間的間隙大小對結(jié)果的影響。
對于完全劣化管道，在大多數(shù)情況下，惡化的管道是漏水的管道，允許地下水和細顆粒從管道周圍的土壤滲入。細小顆粒的移動造成了管道的空隙，改變了管道周圍區(qū)域的機械性能。因此，ASTM F1216-17對于安裝在完全惡化的管道上的CIPP的設計中用一個地基反力模量值來表示土，忽略周圍土體管道力學性能的變化，可能會導致設計不安全。需要另一種方法來考慮管道周圍土壤和整個土壤介質(zhì)之間的力學性能差異。
總的來說， CIPP內(nèi)襯管的設計規(guī)范中缺乏計算完全劣化管道外荷載的準則，并且在考慮管土相互作用時，利用地基反力模量值表示土體，忽略了周圍土體管道力學性能的變化。而對于局部劣化管道，不止屈曲一種失效模式，且在研究內(nèi)襯管屈曲穩(wěn)定性時基本上都假設其承載均勻靜水壓力，缺乏非均勻荷載狀態(tài)下的研究，未來應該研究其他可能出現(xiàn)的失效模式以及失效的原因。未來CIPP將會更加成熟并且在排水管道修復中將發(fā)揮著越來越重要的作用。
向維剛1，馬保松2，趙雅宏1
(1.中國地質(zhì)大學 工程學院，武漢 430074;2.中山大學 土木工程學院，珠海 519082）