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。
