《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Study on mechanical properties of self-prestressed prefabricated lining pipe for trenchless rehabilitation of large diameter underground pipelines
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大直径地下管道无开挖修复技术中，创新性采用预制超高性能混凝土（UHPC）管段结合铁基形状记忆合金（Fe-SMA）钢筋自预应力技术，通过三边受载试验和理论计算验证，自预应力管段较普通钢绞线管段开裂荷载提升37.6%，极限承载力显著增强，实现结构性能与过流能力平衡。
作者：季江浩、董志强、张云飞、朱红、侯世通、范建华
中国东南大学混凝土与预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京 211189
摘要
本文介绍了一种利用预制超高性能混凝土（UHPC）内衬管对大直径地下管道进行非开挖修复的创新技术。该技术包括在现有管道内组装加固的UHPC节段，并通过后灌浆技术修复结构受损的管道。除了普通的钢筋加固UHPC节段外，还提出了一种采用铁基形状记忆合金（Fe-SMA）钢筋加固的先进节段。在UHPC的自养护过程中，Fe-SMA钢筋的形状记忆效应（SME）和自应力同时被激活。对预制UHPC内衬管进行了三边加载试验以评估其机械性能，并进行了理论计算。结果表明，所有试样的第一个裂纹都出现在管顶/管底，失效伴随着内部钢筋的屈服。采用Fe-SMA钢筋加固的试样表现出比普通钢筋加固的试样更高的极限强度。值得注意的是，与未激活Fe-SMA钢筋的管道相比，自应力管道的裂纹载荷和0.2毫米裂纹宽度时的载荷分别增加了37.6%和19.3%。所提出的计算方法能够很好地预测自应力和非自应力预制内衬管的裂纹载荷。
引言
钢筋混凝土管道（RCPs）具有高刚性、高强度和成本效益，因此在世界各地的供水和排水工程中得到广泛应用（Younis等人，2021年；Zhu等人，2022年）。截至2021年，中国约有193.2万公里的供水和污水管道承担着城市基础设施的核心功能，其中超过一半的管道由混凝土或钢筋混凝土制成。然而，在其长期使用寿命中，这些钢筋混凝土管道会因荷载效应、环境腐蚀和材料老化等因素而出现各种形式的退化现象（Wang等人，2022b年；Wang等人，2023年）。作为城市安全和运行的重要“生命线”，这些管道的健康状况直接影响供水安全、排水和防洪以及城市公共安全（Ji等人，2025年；Zhai等人，2024b年）。
近年来，非开挖修复技术因对居民日常生活、城市交通和地表环境的影响最小而受到广泛关注，并已成为地下管道修复的重要方法（Gras-Travesset等人，2024年；Xi等人，2024年）。根据恢复原始管道承载能力的程度，非开挖修复方法可分为三类：非结构性修复（Zhu等人，2021年）、半结构性修复（Alam等人，2015年；Fang等人，2020年；Mogielski等人，2017年）和结构性修复（Li等人，2023年）。由于非结构性和半结构性修复方法对恢复承载能力的要求相对较低，其技术体系通过材料迭代和工艺创新而相对成熟，广泛应用于低至中度损坏的管道的功能性修复。
结构性修复技术要求新的内衬能够独立承受外部荷载。管道爆破是最常用的结构性修复方法之一，该方法利用破碎或切割设备从内部分解管道。尽管这种方法避免了挖掘且不会减少截面流量能力，但其过程相对复杂，且爆破操作可能引起土壤位移、地面隆起和爆破方向偏差等不良影响（Li等人，2023年）。随着新材料的发展，也可以设计使用高性能水泥砂浆的喷涂内衬作为结构性修复技术（Kohankar Kouchesfehani等人，2020年；Riahi等人，2019年）。Zhang等人（2024年）和Zhang等人（2022年）报告称，在40毫米厚的混凝土管道内表面喷涂20毫米厚的砂浆内衬后，峰值载荷增加了55.6%，且承载能力超过了原始管道。He等人（2025年）在先前已加载至极限载荷的100毫米厚钢筋混凝土管道内部喷涂了50毫米厚的砂浆层，修复后的管道承载能力超过了原始管道。然而，随着损坏程度的增加和管道直径的增大，喷涂内衬修复的效果会减弱，增加内衬厚度也不足以恢复严重损坏管道的承载能力（Wang，2022年）。面板内衬方法涉及将新的管道（例如PVC）从待修复的主管道内部组装起来，并在内衬和主管道之间的环形空间内灌浆以形成复合结构（Xue等人，2025年；Zhou等人，2020年）。关于这项技术的研究仍然相对有限，当应用于大直径管道时，通常会导致较大的流量截面损失。根据Ma（2024年）的研究，目前的面板内衬方法会使修复后的管道内径分别减少约100毫米和200毫米（对于原始直径分别为1000毫米和2000毫米的管道）。
除了上述修复技术外，还有其他多种非开挖修复方法适用于大直径管道和导管。例如，一些学者（Hu等人，2019年；Zhai等人，2024a）提出使用纤维增强聚合物（FRP）层来修复大直径预应力混凝土圆柱管（PCCPs）。然而，这种技术主要用于提高供水管道的内部压力承载能力，其对外部承载能力的改善仍需进一步研究。由于预制组装技术的优势，如质量控制容易、施工速度快和成本效益高，Wang等人（2022a）提出了一种创新的非开挖方法，使用高强度预制钢筋混凝土矩形节段进行涵洞修复。本研究使用C60混凝土和HRB500钢筋设计预制矩形节段，尺寸为长1960毫米、宽1760毫米、厚90毫米。在侧向支撑的前提下，这种节段结构的极限承载能力可达到约75 kN，截面流量能力损失约为20%。由此可见，在大直径地下管道的非开挖修复过程中，截面流量能力和修复后的承载性能之间存在矛盾。
为了解决大直径地下管道修复过程中环境影响、机械性能和截面流量能力等多重要求，本研究提出了一种基于预制加固超高性能混凝土（UHPC）节段的非开挖修复技术。该方法旨在将预制节段组装在结构受损的管道内，形成新的高承载能力内衬管，如图1所示。在施工过程中，首先将预制节段组装在主管道内部并临时固定。随后，在组装好的内衬和主管道之间注入灌浆材料，填充预制节段之间的连接处以及主管道和新内衬之间的缝隙。利用UHPC优异的抗压和抗拉性能，内衬管可以采用更薄的结构形式（Fakeh和Fam，2025年；Park等人，2015年；Peyvandi等人，2013年）。除了加固UHPC节段外，还可以使用环形钢筋进行节段的环形拼接。通过使用穿过预留孔的螺丝实现纵向连接，如图1所示。除了普通钢筋外，预制节段还创新性地加入了新型铁基形状记忆合金（Fe-SMA）钢筋。Fe-SMA是一种具有形状记忆效应（SME）的特殊金属材料。当预应变Fe-SMA的SME被激活时，如果相变产生的剩余永久变形受到限制，晶体结构变化产生的能量将以预应力的形式存在（Shahverdi等人，2018年）。近年来，由于价格低廉和性能稳定，Fe-SMA被广泛用作混凝土结构中的预应力材料（Li等人，2025b年；Schranz等人，2021年）。Michels等人（2017年）使用Fe-SMA条带加固钢筋混凝土（RC）梁，结果表明Fe-SMA可以有效提高开裂载荷。Czaderski等人（2021年）使用Fe-SMA箍筋在RC T型梁中引入U形预应力，有效提高了剪切裂缝出现的载荷。U形预应力还降低了内部钢筋箍筋的应力水平。此外，Fe-SMA的预应力是由晶体结构的相变产生的，因此没有预应力摩擦损失（Han等人，2025年；Liu等人，2025年；Sun等人，2025年）。因此，Fe-SMA特别适合用于薄壁弯曲结构。Fe-SMA的SME可以在UHPC的自养护过程中同时被激活，从而在较薄和弯曲的UHPC节段中引入预应力。一些研究（Cui等人，2025年；Dong等人，2024年；Zhao等人，2025年）表明，使用Fe-SMA加固UHPC结构并引入自应力可以进一步提高抗裂性，并充分利用UHPC的机械性能，为结构加固和耐久性提升提供了有前景的方法。
为了研究预制内衬管的机械性能，本研究重点关注预制节段和后灌浆层，并根据GB/T 16752–2017标准（中国标准化管理委员会，2017年）进行了三边加载试验。还研究了各种混凝土材料、组装方法以及是否存在预应力对机械性能的影响。进行了全面分析，以研究新型预制内衬管的裂纹发展模式、失效模式、载荷-位移曲线、开裂载荷和峰值载荷。最后，建立了相应的理论模型来预测预制管道的开裂载荷和极限载荷。
节选内容
UHPC与普通混凝土
本实验使用了两种混凝土：普通混凝土（OC）和UHPC。两种混合物均使用了P.I 42.5水泥、Elkem 940硅灰、S95矿渣和Sika 530P超塑化剂。为了确保薄壁节段的优质浇筑，OC使用了直径为5–8毫米的粗骨料。UHPC混合物中加入了直径为0.2毫米、长度为13毫米的短直钢纤维，体积用量为1.5%。原材料和混合比例见表1。经过28天的养护后...
试样制备
试样的制作过程如图2所示，包括六个步骤，详细如下：
a) 钢筋预处理。Fe-SMA/钢筋的末端加工成螺纹，将螺纹部分的直径减小到8毫米。然后按照图2(a)所示将钢筋弯曲到指定的半径。
b) 钢筋模板组装。使用螺丝将底部挡板固定在基础上。将垂直支撑管插入底部挡板预先钻好的孔中。
失效模式
所有试样的裂纹传播模式相似：第一个裂纹都出现在管顶或管底，裂纹数量和长度随着载荷的增加而增加。随后，裂纹出现在外部的弹簧线上，如图6(a)所示。随着载荷的进一步增加，管顶/管底混凝土和两侧灌浆材料中的裂纹在整个试样中扩展。在加载过程中，外部灌浆层与内部节段之间发生了脱粘...
开裂载荷
管道通常在高度腐蚀性的环境中运行；外层混凝土的裂纹会导致内部钢筋的腐蚀，从而影响结构的耐久性。因此，开裂载荷是衡量管道性能的关键指标。本节计算了有无自应力的组装管道的开裂载荷，并将其与实验结果进行了比较。
在三边加载条件下，组装好的管道在管顶受到集中载荷F的作用...
结论
本文提出了一种用于大直径地下管道非开挖修复的新型内衬预制管道结构。该预制管道由加固的超薄UHPC节段组成。通过实验研究，揭示了这种新型内衬组装管道的失效模式和机械性能。此外，还研究了混凝土强度、组装方法以及自应力的存在对组装管道性能的影响。
作者贡献声明
季江浩：撰写——初稿、可视化、方法论、调查、数据分析、概念化。董志强：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、方法论、资金获取、数据分析、概念化。张云飞：撰写——审稿与编辑、方法论、数据分析。朱红：撰写——审稿与编辑、监督、调查。侯世通：撰写——审稿与编辑、监督、调查。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢以下机构的财政支持：国家自然科学基金（编号：52378139）、江苏省优秀青年基金（编号：BK20230088）、国家重点研发计划（编号：2024YFD1600404）、中央高校基本科研业务费（编号：2242022k30031）。
