PCCP頂管在禹門口東擴(kuò)工程中的應(yīng)用

昝志斌

(山西省禹門口水利工程管理局 山西侯馬 043000)

1 引言

禹門口提水東擴(kuò)工程主管采用PCCP輸水,線路全長48.8km有多處穿越鐵路和公路,管線與鐵路和公路交叉處地層多為中等～強(qiáng)烈濕陷性黃土,為Ⅱ～Ⅳ級(jí)自重濕陷土層。為了減小工程施工對(duì)鐵路和公路交通的干擾,設(shè)計(jì)采用了頂管法施工方案。PCCP頂管是近年來研制的一種新型頂管技術(shù),在非濕陷性土層地區(qū)或濕陷等級(jí) (Ⅰ～Ⅱ級(jí)非自重濕陷)低的地區(qū)有應(yīng)用實(shí)例,但在濕陷等級(jí)高的地區(qū)尚無應(yīng)用。在濕陷性土層,尤其是濕陷等級(jí)高的地層采用PCCP頂管,防止管道接頭滲漏很關(guān)鍵。

本文針對(duì)禹門口東擴(kuò)工程輸水管線基礎(chǔ)地質(zhì)特性,研究了在Ⅱ～Ⅳ級(jí)自重濕陷土層采用PCCP頂管的可行性,介紹了PCCP頂管的設(shè)計(jì)情況和應(yīng)用情況。

2 工程概況

禹門口提水東擴(kuò)工程位于山西省中南部,是向臨汾、運(yùn)城六縣市 (新絳、稷山、襄汾、侯馬、曲沃、翼城)工、農(nóng)業(yè)以及農(nóng)村生活供水的保障性給水工程。工程沿線共布置調(diào)蓄水庫2座,提水泵站4座,主管線全長48.8km,支管線總長20km,輸水干渠總長11.1km,支渠總長34.3km。工程分兩期實(shí)施,其中:一期工程為向新絳、侯馬、曲沃、翼城四縣市工業(yè)及農(nóng)村生活和侯馬北莊、新絳三泉、曲沃澮河灌區(qū)、翼城利民灌區(qū)農(nóng)業(yè)供水。二期工程為向稷山汾南灌區(qū)、襄汾原井灌區(qū)農(nóng)業(yè)供水。

輸水線路經(jīng)過的主要地貌單元為山前洪積傾斜平原區(qū)、汾河河谷、漫灘及階地,本段汾河主要發(fā)育一級(jí)階地和三級(jí)階地。主要發(fā)育的地層有新生界第四系中更新統(tǒng) (Qpl2)、上更新統(tǒng) (Qpal3)、全新統(tǒng)(Qpal4)以及人工堆積 (Q s)。場地低液限粘土多為中等～強(qiáng)烈濕陷性土,存在濕陷性問題。一旦接頭漏水會(huì)造成管基沉降,嚴(yán)重會(huì)造成路基的沉降破壞。因此,基礎(chǔ)濕陷性問題是本工程設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn),如處理不當(dāng),將會(huì)直接影響工程的安全運(yùn)行。

該工程的管線工程有14處穿越公路和4處穿越鐵路。其中穿越鐵路頂管由于行業(yè)的特殊性,委托鐵路部門進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)和施工;其余穿越公路頂管由本工程設(shè)計(jì)單位完成設(shè)計(jì)。

3 本工程管道穿越公路方案比較

根據(jù)本工程管線穿越公路處的地形和地質(zhì)條件,經(jīng)分析比較,可能的頂管穿越方案有兩個(gè):一是利用箱涵 (或管涵)頂進(jìn),輸水管道在箱涵 (或管涵)中套穿;一是直接頂進(jìn)PCCP輸水管道。

3.1 利用箱涵或管涵頂進(jìn)方案

該方案是在現(xiàn)場制作鋼筋混凝土箱涵或預(yù)制管涵,然后將箱涵 (或管涵)逐節(jié)頂進(jìn),形成可套穿管道的矩形或圓形涵洞。其優(yōu)點(diǎn)涵內(nèi)穿管可按常規(guī)工藝進(jìn)行,鋪設(shè)工藝簡單,質(zhì)量容易控制,而且頂進(jìn)的箱涵 (或管涵)可作為輸水管道的保護(hù)屏障;缺點(diǎn)是工程量大、施工周期長。需要進(jìn)一步說明的是,在研究本工程頂進(jìn)方案時(shí),有關(guān)人員還對(duì)頂進(jìn)箱涵和涵管做了成本和工期的比較,以頂進(jìn)內(nèi)徑為2m的箱涵和管涵為例:采用箱涵頂進(jìn)方案成本約為2萬元/m,采用涵管頂進(jìn)方案成本約為1.5萬元/m。同時(shí)涵管頂進(jìn)方案還可以縮短工期1/3甚至1/2?？梢娫谝欢▋?nèi)徑范圍內(nèi),采用管涵頂進(jìn)要優(yōu)于箱涵頂進(jìn)。

3.2 直接頂進(jìn)PCCP管道方案

該方案是直接將PCCP管道作為頂管頂進(jìn),頂進(jìn)工藝與頂進(jìn)管涵基本相同。該方案具有管涵頂進(jìn)的優(yōu)點(diǎn),且工程量小、成本低、施工周期短;缺點(diǎn)是在頂進(jìn)過程中的工藝和質(zhì)量控制難度大,接頭漏水會(huì)造成基礎(chǔ)濕陷性土層沉降,影響輸水安全和公路路基安全,而且處理難度大。

上述兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較明顯。利用箱涵或管涵頂進(jìn)最大的缺點(diǎn)是施工周期長、成本高,而PCCP頂管相比之下成本要低、施工周期要短。至于PCCP頂管接頭滲漏問題的處理,可通過加強(qiáng)防身措施來實(shí)現(xiàn)。因此,在本工程實(shí)施過程中,有關(guān)人員以節(jié)省投資、加快施工進(jìn)度和技術(shù)創(chuàng)新為目的,對(duì)PCCP頂管方案進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

4 本工程應(yīng)用PCCP頂管的可行性分析

4.1 目前國內(nèi)直接頂進(jìn)輸水管的使用情況

國內(nèi)頂管直接作為輸水管道是在PCCP使用發(fā)展過程中,根據(jù)PCCP結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和頂管特點(diǎn)由PCCP管廠所開發(fā)的一種新型頂管,其基本特點(diǎn)是帶鋼筒和承插口的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),分別作為管體防滲、接頭防滲、管體承受水壓力和外荷載措施。同時(shí)作為管道受力結(jié)構(gòu)一般有兩種,一種是根據(jù)荷載情況設(shè)計(jì)采用兩層或三層鋼筋網(wǎng)鋼筒混凝土管體;一種是采用與PCCP完全相同的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),但保護(hù)層由砂漿層變?yōu)橛幸粚愉摻罹W(wǎng)的現(xiàn)澆混凝土保護(hù)層。因此,該頂管具有傳統(tǒng)頂管的全部功能并具有PCCP承受水壓力和接頭防滲的優(yōu)點(diǎn)。也使該種頂管直接替代傳統(tǒng)頂管和內(nèi)部穿管成為可能。

適應(yīng)國內(nèi)發(fā)展管道引水工程快速發(fā)展的形式需要,山東電力管道工程公司、無錫華毅管道有限公司、新疆國統(tǒng)管道股份有限公司分別于2006年、2007年、2009年研制生產(chǎn)了該種管道,并分別在陜西黑河水庫引水二期工程、河南云臺(tái)山引水工程、南通自來水公司管線工程、蘇州供水工程、東莞引水工程、杭州市七格污水處理廠二期進(jìn)廠總管工程等多項(xiàng)工程中應(yīng)用[1、2、3]。其中陜西黑河水庫引水二期工程采用了直徑2.4m的頂管2.2km,已運(yùn)行近十年未出現(xiàn)異常情況;河南云臺(tái)山引水工程采用了直徑2.2m的頂管1km,已運(yùn)行五年未出現(xiàn)異常情況。該兩項(xiàng)工程均為在北方地下水位較深的黃土區(qū)域所建工程,地質(zhì)情況和管徑均對(duì)禹門口提水東擴(kuò)工程具有很好的借鑒價(jià)值。

4.2 已應(yīng)用的直接頂進(jìn)輸水管道結(jié)構(gòu)

4.2.1 非預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土頂管

這種鋼筒混凝土頂管為帶鋼制承插口的鋼筒,內(nèi)外焊接鋼筋籠后澆筑混凝土形成管體,管道接口采用承插式柔性接口,雙橡膠圈密封。這種結(jié)構(gòu)山東電力管道工程公司有應(yīng)用實(shí)例[1]。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下。

(1)鋼筒鋼筒采用厚冷扎鋼板制成,兩端由鋼制承口環(huán)和插口環(huán)形成頂管的接口,接口采用雙膠圈的接口形式,便于管道安裝和接口密封性的檢驗(yàn)。整個(gè)鋼筒隔斷了輸送水外滲的通道,形成了一個(gè)抗?jié)B帶。

(2)鋼筋骨架網(wǎng) 鋼筒內(nèi)側(cè)焊接單層鋼筋網(wǎng),使鋼筒內(nèi)側(cè)混凝土更好地與鋼筒內(nèi)壁結(jié)合。鋼筒外側(cè)焊接雙層鋼筋籠,鋼筋規(guī)格根據(jù)管道使用工況設(shè)計(jì)確定。這樣鋼筒內(nèi)外鋼筋籠與鋼筒形成一個(gè)整體,共同承擔(dān)管道所承受的內(nèi)水壓和外部荷載及施工荷載。

(3)管體部分鋼筒內(nèi)外澆注混凝土形成管體,鋼筒和鋼筋骨架籠埋置于混凝土中,達(dá)到混凝土對(duì)鋼材的良好防腐效果。

4.2.2 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土頂管

另一種是采用了與PCCP完全相同的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),但保護(hù)層由砂漿層變?yōu)閹в袖摻罹W(wǎng)的二次模澆混凝土,也就是經(jīng)特殊加工的PCCP結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)無錫華毅管道有限公司有應(yīng)用實(shí)例。

4.2.3 兩種頂管的比較

兩種管道的主要區(qū)別是在承受內(nèi)壓內(nèi)壁裂縫情況不同。采用經(jīng)特別加工的PCCP結(jié)構(gòu),充分利用了預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土的優(yōu)點(diǎn),抗內(nèi)壓能力強(qiáng),在設(shè)計(jì)壓力下內(nèi)壁不會(huì)出現(xiàn)裂縫。而普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力混凝土相比之下,在設(shè)計(jì)壓力下內(nèi)壁易出現(xiàn)縱向小裂縫,裂縫深至鋼筋會(huì)對(duì)鋼筋造成銹蝕,該裂縫可能會(huì)對(duì)管道耐久性產(chǎn)生影響。從這點(diǎn)講,預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的頂管又優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的頂管。

4.3 本工程應(yīng)用PCCP頂管的可行性分析

4.3.1 地質(zhì)條件分析

本工程所設(shè)計(jì)各處頂管地層均為Q2和Q3黃土,土質(zhì)均勻,地下水埋深在15m以下,非常有利于頂管作業(yè),可頂進(jìn)性好,利于提高開挖精度,且可以直接采用人工挖土作業(yè)。可見,從地質(zhì)條件來看,本工程具備直接頂進(jìn)PCCP管道的良好條件。

4.3.2 成本分析

采用PCCP直接頂進(jìn)與傳統(tǒng)頂涵加套管工藝相比,可省去穿管工序、穿管安裝費(fèi)和頂進(jìn)箱涵或管涵材料。由于頂管內(nèi)徑減小,僅此一項(xiàng)即可節(jié)省管材費(fèi)用40%-50%,同時(shí)土體開挖量也可減少50%～60%。從節(jié)省投資角度來看,直接頂進(jìn)PCCP管道是合理的。

4.3.3 防止管道接頭滲漏的措施

本工程應(yīng)用PCCP頂管面臨的最大問題是防滲漏問題。與國內(nèi)以應(yīng)用的工程實(shí)例相比較,本工程頂管處為中等～強(qiáng)烈濕陷性土,管道基礎(chǔ)條件差。對(duì)于未經(jīng)處理的具有濕陷性管道基礎(chǔ),一旦出現(xiàn)滲漏,基礎(chǔ)出現(xiàn)沉降,不僅影響管道運(yùn)行安全,而且會(huì)影響所穿越公路的交通安全。因此,防止管道接頭滲漏也是PCCP頂管的技術(shù)難點(diǎn)。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),采用良好的安裝工藝和質(zhì)量保證措施,PCCP管道接頭防滲是絕對(duì)可靠的,并能最大程度適應(yīng)不均勻沉降。如河南云臺(tái)山引水工程采用了直徑2.2m的頂管1000m,已運(yùn)行五年未出現(xiàn)異常情況。陜西黑河水庫引水二期工程采用了直徑2.4m的頂管2200m,當(dāng)時(shí)安裝完成后進(jìn)行接頭打壓檢驗(yàn)只有5節(jié)管道不能正常打壓穩(wěn)定,約占接頭數(shù)量千分之五;通過采取石棉水泥方案進(jìn)行接頭抹縫處理后投入運(yùn)行,目前已運(yùn)行近十年未出現(xiàn)異常情況。本工程如能嚴(yán)格控制并減少承插口的制作精度,嚴(yán)格控制頂管施工工藝和安裝質(zhì)量,并增加管內(nèi)接縫加強(qiáng)防滲處理措施,頂管接頭漏水問題基本可以完全杜絕。

借鑒已經(jīng)應(yīng)用的工程經(jīng)驗(yàn),防止管道接頭滲漏可采用以下措施。

(1)加強(qiáng)接頭防滲處理。可對(duì)頂管內(nèi)部接縫進(jìn)行防滲處理,可結(jié)合南水北調(diào)PCCP漏水管道處理措施對(duì)全部內(nèi)部接縫進(jìn)行加強(qiáng)防滲處理。

(2)加強(qiáng)接頭制作及安裝質(zhì)量控制。制作時(shí)盡量減小管接頭橢圓度、頂進(jìn)前先進(jìn)行接頭水壓試驗(yàn),確認(rèn)管接頭密封良好后再頂進(jìn),后期接頭漏水可能性很小。

(3)加強(qiáng)開挖和測量控制,提高頂管軸線和高程精度,最大限度保證承插接口處于正常工作狀態(tài)。

(4)加強(qiáng)通水前接頭打壓控制。把握接頭工作條件并對(duì)打壓不合格管道進(jìn)行進(jìn)一步處理和缺陷備案。

工程實(shí)踐證明,只要采取措施得當(dāng),接頭的滲漏問題是可以解決的,從而使PCCP頂管在本工程的應(yīng)用成為可能。

5 PCCP頂管在本工程中的應(yīng)用情況

經(jīng)過有關(guān)人員的多方論證和技術(shù)咨詢,本工程采用了PCCP頂管方案。采用的PCCP頂管管節(jié)長3m,內(nèi)徑直徑1.6～2.0m,其結(jié)構(gòu)如下。

(1)預(yù)應(yīng)力部分 采用與預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管相同的結(jié)構(gòu),具有防滲、耐久性好、可承受頂推力的特點(diǎn)。

(2)保護(hù)層用20cm厚的鋼筋網(wǎng)模澆混凝土代替砂漿保護(hù)層,增強(qiáng)了PCCP管的受頂推力的條件。

(3)接頭防滲結(jié)構(gòu)采用了雙膠圈止水、管內(nèi)接縫底層聚氯密封膏層、外層水泥砂漿層、表面聚尿防滲層結(jié)構(gòu),相當(dāng)于對(duì)接頭防滲漏增加了多重保險(xiǎn).該防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可保證在膠圈止水失效后作為備用防滲結(jié)構(gòu),提高了管道接頭抗?jié)B漏能力。

目前,該方案得到了實(shí)施,并達(dá)到了預(yù)想的初步目標(biāo):施工速度快,縮短了近1/3的工期;投資節(jié)省近40%左右。PCCP頂管接頭采取的包括膠圈止水、管內(nèi)接縫底層聚氯密封膏層、外層水泥砂漿層、表面聚尿防滲層等防滲漏措施,在頂進(jìn)的PCCP管打壓試驗(yàn)中也未發(fā)現(xiàn)異常,證明效果還是很好的。

6 結(jié)束語

綜合上述分析論證和應(yīng)用情況來看,在Ⅱ～Ⅳ級(jí)自重濕陷土層內(nèi)采用PCCP頂管是可行的。PCCP頂管在禹門口東擴(kuò)工程中的應(yīng)用,在山西省尚屬首例,其經(jīng)驗(yàn)可在今后的類似工程中推廣應(yīng)用。

1 寧靖華,張士靜,李容高.頂進(jìn)施工用鋼筒混凝土管的研制和應(yīng)用.特種結(jié)構(gòu),2005年第3期

2 金文航,莫連華,潘治凡,駱衛(wèi)忠.鋼筒混凝土管在頂管法施工中的應(yīng)用中國市政工程.2005年第2期

3 李耀良,趙敏杰,張璐璐,王建華.砂性土中鋼筒混凝土管頂管施工技術(shù)[J].建筑施工,2007年第11期