預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管在大型輸水工程中的難點(diǎn)處理

孫威（天津市華淼給排水研究設(shè)計(jì)院有限公司，天津300190）

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管在大型輸水工程中的難點(diǎn)處理

孫威
（天津市華淼給排水研究設(shè)計(jì)院有限公司，天津300190）

近年來，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）的技術(shù)愈發(fā)成熟，經(jīng)常在一些大型輸水、調(diào)水工程中得到應(yīng)用。論文中介紹的大口徑輸水管道是在城市的中心區(qū)域鋪設(shè)的，需要解決穿越道路、鐵路和河流等難點(diǎn)問題，還需要解決PCCP與鋼管之間的轉(zhuǎn)換問題，論文以該工程為例，對PCCP的設(shè)計(jì)、施工情況進(jìn)行簡要介紹。

PCCP；鋼管；設(shè)計(jì)；施工

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.169

1 引言

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe) PCCP，是由鋼板、混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼絲和水泥砂漿等幾種材料構(gòu)成的復(fù)合管材。通過多種材料的綜合，充分發(fā)揮了混凝土良好的抗壓性能、耐腐蝕性能以及鋼材的密封性和抗拉性，具有耐腐蝕、高強(qiáng)度和高抗?jié)B的特點(diǎn)。作為一種新型的鋼性管材，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用，至今已有70多年的歷史，自20世紀(jì)80年代開始引進(jìn)國內(nèi)后，在生產(chǎn)、設(shè)計(jì)和施工等方面的技術(shù)日趨成熟，而預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管憑借其自身良好的耐腐蝕性能和抗震性能，在施工過程中安裝便捷，在運(yùn)行期間維護(hù)方便、運(yùn)行用度低，經(jīng)濟(jì)壽命長，防滲水能力強(qiáng)，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常應(yīng)用在一些大型輸水、調(diào)水工程中。

2 工程簡介

南水北調(diào)工程的中線水源分配給天津市的年均水量為10.2億m3，天津市實(shí)收水量為8.6億m3，引江水原水供水設(shè)計(jì)規(guī)模為225萬m3/d?！疤旖蚴心纤闭{(diào)市內(nèi)配套水源管道工程”就是為迎接南水北調(diào)工程來水而鋪設(shè)的，是連接天津市西河原水樞紐泵站及宜興埠泵站2個(gè)水源地的水源管道。管徑2600mm，工程總長度約為11km，該水源管道的日輸水能力為110萬m3/d。由于該輸水管道的距離較長，投資較大，因此必須確定一種造價(jià)經(jīng)濟(jì)，技術(shù)先進(jìn)，性能可靠，施工方便，運(yùn)行安全，耐腐蝕性強(qiáng)，不污染水質(zhì)，使用壽命長的管材。在方案論述階段，通過對焊接鋼管，球墨鑄鐵管，纏繞式玻璃鋼管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管4種管材的基本性能、管材強(qiáng)度、耐久性、耐腐蝕性、施工便捷性的考量，以及各種管材綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的比較，最終選用嵌置式PCCP為工程的主要管材。考慮到敷設(shè)管線需要穿越市區(qū)的中心區(qū)域，并且需要橫穿一些交通主干道路，因此頂管穿越難點(diǎn)部位時(shí)，管材改用了鋼管。

本次管線的敷設(shè)在市區(qū)的中心區(qū)域進(jìn)行，工程沿線的各類難點(diǎn)很多，共需穿越市政道路6處、鐵路4處、高速公路1處、河流兩處及橋梁5處。這些工程難點(diǎn)處都不具備明挖的條件，只能采用頂管或沉管的方式施工，PCCP雖然有配套使用的特殊管節(jié)，但是必須根據(jù)使用情況提前訂制，不僅會提高工程造價(jià)，而且供貨周期較長難以保證工程的進(jìn)度，因此在設(shè)計(jì)中選擇了鋼管做為頂管和沉管的管材。

該工程采用的鋼管的管道內(nèi)徑為2600mm，外徑為2648mm，管道壁厚為24mm，重量為1.29t/m，管道采用焊接工藝，外防腐采用無溶劑聚氨酯涂料（PU），內(nèi)防腐采用水泥砂漿襯里，頂管處厚度不小于1mm，管頂覆土的最深處達(dá)到8.30m。

由前述條件可知，管道穿越的各類交叉難點(diǎn)較多，PCCP與鋼管之間在重量、性能等方面均存在著較大的差異，因此，不同管道的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)便成為本次工程中的亟須解決的難點(diǎn)之一。

3 PCCP的難點(diǎn)處理

經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)地踏勘，該工程沿線的地勢較為平坦，工程沿線的地面設(shè)計(jì)高程約為2.70～3.40m，管道底標(biāo)高為-2.25～-1.55m，管頂覆土約為1.80～2.0m。通過對地質(zhì)勘探報(bào)告的分析，本工程的土質(zhì)情況較為均勻，基礎(chǔ)的持力層為粉質(zhì)黏土層，該土層的厚度為0.50～5.40m不等，埋深約為1.40～3.00m，工程力學(xué)性質(zhì)較好。

PCCP的自身重量較大，該工程采用的直徑為DN2600的PCCP重量為5.35t/m，滿水運(yùn)行期間的重量為10.66t/m，管頂?shù)母餐梁穸仍?.0m左右；而鋼管的自身重量相對較輕，DN2600鋼管的重量為1.29t/m，滿水運(yùn)行時(shí)的重量為6.60t/m，管頂覆土在2.0～8.3m。通過上述的比較可知，不考慮覆土的重量，兩種管材自身的延米重量就相差高達(dá)4.06t/m，重量相差約38%，在地形較為復(fù)雜的地方，穿越難點(diǎn)時(shí)，由于PCCP的重量遠(yuǎn)大于鋼管，要使PCCP和鋼管進(jìn)行安全連接、轉(zhuǎn)換，必須處理好在此接口處所產(chǎn)生的不均勻沉降，如果不能很好地解決這一問題，南水北調(diào)的輸水安全性就無法保證，會給運(yùn)行期間留下巨大的安全隱患。

通過計(jì)算得知，兩種管材在考慮外部荷載及自重產(chǎn)生的壓力時(shí)所產(chǎn)生的沉降差較大，除了利用管材自身的上述特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)外，還必須調(diào)整管道的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，使2種管材下的地基反力相對平衡，將二者之間的沉降差控制在管道自身的調(diào)節(jié)范圍之內(nèi)。兩種管道基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)均采用300mm厚的碎石和100mm厚的中、粗砂墊層作為基礎(chǔ)，但是二者的管基包角弧座（即管道與原土接觸的圓心角）的設(shè)計(jì)取值不同，PCCP的管基包角弧座設(shè)計(jì)取值采用120°，鋼管的管基包角弧座設(shè)計(jì)取值為90°，通過管道基礎(chǔ)中管基包角弧座的調(diào)整，盡量調(diào)整管道基礎(chǔ)的地基反力，從而調(diào)整管道的沉降量，減少彼此之間的沉降差[1]。為了便于管道的鋪設(shè)施工，在管道外側(cè)每側(cè)預(yù)留1.0m作為施工階段的作業(yè)面。PCCP的基礎(chǔ)處理詳見圖1。

圖1 PCCP基礎(chǔ)處理斷面圖

通過鋼管端柔口的設(shè)置，可以進(jìn)一步減少沉降差對管道的影響，提高工程的安全性。

4 PCCP的施工

在盡心設(shè)計(jì)的同時(shí)，整個(gè)施工過程，從施工放線到基槽開挖、從管道敷設(shè)到覆土回填，每一個(gè)步驟都要嚴(yán)格要求、仔細(xì)監(jiān)督，保證工程的順利實(shí)施。

4.1 施工放線

基槽開挖前用全站儀在原地面放出管道的中軸線，然后根據(jù)基礎(chǔ)斷面圖確定基槽開挖的寬度尺寸，畫出地面的開挖邊線。在施工過程中，要注意保護(hù)測量控制點(diǎn)，如發(fā)現(xiàn)控制點(diǎn)被破壞，應(yīng)及時(shí)通知測量人員補(bǔ)測，以確保測量的精確度。

4.2 基槽開挖

1）基槽的開挖采用機(jī)械為主、人工為輔的方式進(jìn)行，以機(jī)械開挖為主，人工輔助清底。機(jī)械開挖時(shí)嚴(yán)格遵循“分層開挖、嚴(yán)禁超挖”的原則，以確保槽底的土壤不被擾動和破壞，為防止擾動槽底的原狀土層，開挖到槽底設(shè)計(jì)高程以上20cm處應(yīng)停止，剩余的20cm保護(hù)層由人工挖除并修正清底，避免超挖或欠挖[2]。

2）基槽開挖過程中需要及時(shí)排水，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制地下水位的高度。未能及時(shí)回填的管道，特別是靠近河流處的管道，必須采取持續(xù)、有效的降水措施，避免發(fā)生浮管現(xiàn)象。

3）基槽成型后應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)槽，合格后用水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程復(fù)測，用經(jīng)緯儀確定管道中心線，以確保管道施工的準(zhǔn)確度。

4.3 管道施工

砂石墊層需要承受管道自重、運(yùn)行期間的水重及覆土重等外部荷載，因此，墊層的承載能力對于管道的運(yùn)行安全起著至關(guān)重要的作用[3]。

1）墊層施工前必須做釬探試驗(yàn)，以檢驗(yàn)土質(zhì)的均勻性，確?；椎某休d能力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。砂石墊層敷設(shè)時(shí)用機(jī)械運(yùn)至基槽內(nèi)，然后人工將其整平，壓實(shí)系數(shù)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

2）墊層的石屑粒徑應(yīng)控制在5～15mm之間，不應(yīng)含有大型土塊等雜物。石屑墊層應(yīng)分層填墊、逐步夯實(shí)，每層填墊厚度不超過25cm，采用沖擊夯振動夯實(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中的墊層形狀，超填出一定的高度，然后利用管道的自身重量下壓形成設(shè)計(jì)斷面。

3）為保護(hù)外露的承插口鋼構(gòu)件不受腐蝕，應(yīng)在管道接頭處的外側(cè)進(jìn)行灌漿保護(hù)。管道在承插口處應(yīng)設(shè)置承口坑，坑的寬度和深度不應(yīng)大于所需尺寸，灌漿完畢后應(yīng)采用與墊層相同的材料將承口坑填實(shí)，以確保接頭下部的墊層密實(shí)。

4.4 基槽回填

管道在驗(yàn)收合格后應(yīng)及時(shí)回填覆土，避免將已安裝完畢的管道長期暴露在外?；靥钪?，應(yīng)對回填材料進(jìn)行最優(yōu)含水率檢查，確保壓實(shí)后能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。回填時(shí)應(yīng)采用輕型機(jī)械從基槽兩壁同時(shí)向管線方向回填，管道兩側(cè)應(yīng)同時(shí)、分層回填，管道兩側(cè)回填土的最大高差不應(yīng)超過20cm，不應(yīng)單側(cè)回填或用推土機(jī)從一側(cè)推埋，避免管道出現(xiàn)軸線位移或接口變形[4]。

5 結(jié)語

經(jīng)過各方的共同努力，在設(shè)計(jì)、施工過程中克服了種種困難，該工程終于順利完工，并已于2014年年底順利通水運(yùn)行，經(jīng)過一年多以來的運(yùn)行實(shí)踐證明，該管道的運(yùn)行效果良好。

【1】G月50332—2002給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

【2】G月50268—2008給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

【3】周玫生.大口徑預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2004 (9):15-17.

【4】劉同進(jìn)，鄭東.超大直徑PCCP管道安裝施工技術(shù)探討[J].水利水電施工，2007(A02):47-48.

Difficulties in Large Water Conveyance Project of Prestressed Steel Cylinder Concrete Pipe

SUN Wei
(Tianjin Hua Miao Research&Design Institute of Water and Waste WaterCo.Ltd.,Tianjin300190,China)

In recent years, prestressed steel cylinder concrete pipe (PCCP) technology becoming mature, often been used in some large waterconveyance and water transfer project.The large diameter water transmission pipeline is laid down in the central area of the city, not only need tosolve the crossing road, railway ,river and the other difficult problems, but also need to solve the conversion problem between PCCP and the steelpipe.This paper taking the project as an example,briefly introduces the design and construction of the PCCP.

PCCP；steelpipe；design；construction

TU990.3

B

1007-9467（2016）12-0165-03

2016-10-20

孫威（1973～），男，天津人，高級工程師，從事水利工程及市政工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。