混凝土箱涵與供水管線交叉工程施工技術(shù)研究

林 軍

(忻州市水利局，山西 忻州 034000)

1 工程概況

忻州市是山西省中北部一座古老的城市，近年來城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，城區(qū)面積由2012年的28.6km2擴展到目前的70.6km2，一座嶄新的城市已初見規(guī)模。由于城市面積的擴大，改變了城區(qū)產(chǎn)匯流下墊面條件，城區(qū)降雨產(chǎn)生的洪水遠超原有排洪系統(tǒng)的排泄能力。2013年6月19日一場強降雨，造成城區(qū)多處積水深達1.2m，嚴重影響了城區(qū)居民的正常生活。在這種情況下，忻州市政府決定進行城郊排洪應(yīng)急工程的建設(shè)，旨在解決忻州城區(qū)及近郊的防洪問題。工程包括東部排洪和西部排洪工程兩大部分，分別位于忻州東城區(qū)和西城區(qū)。東部排洪工程4.48km，主要包括忻定排洪渠拓寬疏浚整理2.8km和新建混凝土箱涵1.68km。西部排洪工程全長13.26km，主要包括云中河灌區(qū)一干渠擴建3.27km、北支退水渠4.3km和大西混凝土排洪渠5.69km。工程設(shè)計流量為15m3/s，建設(shè)總資金9747萬元。新建1.68km混凝土箱涵與城市東外環(huán)路108國道平行，箱涵距108國道的路基邊坡坡腳僅6m，直通南云中河，工程為地埋式箱涵，排洪箱涵頂部位于地面以下70～100cm，設(shè)計縱坡1.15‰，箱涵凈斷面尺寸為2×2.6m×2m(孔數(shù)×寬×高)。工程位于忻定盆地，地層為第四系松散堆積物，地基土可分兩層：上層為全新統(tǒng)粉土層，下層為全新統(tǒng)中粗砂。工程所處部位地下水位在1.5m左右，埋藏較淺，施工時存在涌水問題，由于地基處于軟塑狀態(tài)，需采取措施提高建筑物地基承載力。

排洪箱涵在樁號0+817.36處，與城市供水管線(坪上水源地～忻州城區(qū))相交，箱涵中心線與供水管道軸線交角106°，供水管道中心線高程與箱涵底板高程齊平。坪上供水管線是忻州市城市供水的主管線，所供水量占城市總供水量的30%，管道采用地埋Φ1400玻璃鋼夾砂管。若將供水管道直接穿越排洪箱涵，則存在兩方面的問題：一是直接造成箱涵的排洪能力不足，二是給供水管線造成安全隱患。故設(shè)計中采用了將交叉段的供水管道中心線高程下降1.90m，軸線向北側(cè)平移15m，供水管道從排洪箱涵底部穿越的倒虹吸方案，如圖1所示。倒虹吸段管道采用Φ1400鋼管，鋼管與原玻璃鋼夾砂管之間采用特制的DN1400鋼制轉(zhuǎn)換件進行連接，完成供水管線的連通?？紤]到工程安全及運行管理的便利，下穿排洪箱涵的Φ1400鋼管倒虹段需進行保護。設(shè)計中交叉部位采用兩箱涵正交疊放的形式進行處理，即下部為倒虹段保護箱涵，上部為排洪箱涵，并在下部的倒虹段保護箱涵末端設(shè)置了排水閥井，用于管道的檢修維護。倒虹段保護箱涵凈斷面尺寸為3m×2.2m(寬×高),如圖2所示。

2 施工難點分析

2.1 內(nèi)因

(1)箱涵距108國道的路基邊坡坡腳為6m，工程施工要求開挖的基坑深度為7～8m，該區(qū)域地下水位在現(xiàn)狀地面以下1.5m左右。開挖過程中出現(xiàn)的涌水及塌方將危及108國道的安全，因此施工排水及基坑支護均為施工的難點[1- 2]。

圖1 交叉工程平面圖

圖2 交叉部分剖面圖

(2)城市供水管線的材質(zhì)為具有柔性的玻璃鋼夾砂管，交叉工程倒虹吸段則采用鋼管，如何能將剛性管道與柔性管道正確連接，達到供水管道的標(biāo)準(zhǔn)要求，是本次施工的難點[3]。

2.2 外因

(1)交叉工程施工時，必須切斷玻璃鋼夾砂管供水管線，而該管線是忻州城區(qū)供水的生命線，按照城市供水管網(wǎng)調(diào)度要求，斷水時間不能超過122h，施工組織難度大。

(2)城郊排洪應(yīng)急工程是忻州市重點工程，工期有嚴格限制。排洪箱涵的建設(shè)實行倒排工期制，這就要求交叉工程必須按期完成，否則參建單位均要受到處罰與問責(zé)。

3 施工方案

3.1 交叉工程原施工方案

箱涵所處位置地下水位較高，基礎(chǔ)開挖時排水是關(guān)鍵。經(jīng)多方案比較確定采用井點排水法降低地下水位后分段施工，沿箱涵長度方向每200m左右為一分段，共分8段。為防止基坑開挖時坍塌、滑坡，擬采用鋼板樁進行支護?；A(chǔ)開挖至設(shè)計高程后晾曬3～5d，然后進行碎石墊層鋪設(shè)及箱涵混凝土的支模與澆筑，完成一段回填一段，直至全部箱涵施工結(jié)束[4]。

交叉段施工時，其基坑開挖深度較其他箱涵段深3.7m左右，為保證施工正常進行，需要增加井點排水?dāng)?shù)量，延長排水時間，同時增大鋼板支護量[5]。在確定井點布設(shè)個數(shù)與鋼板樁數(shù)量滿足施工質(zhì)量與安全要求情況下，施工流程確定為：基坑開挖→碎石墊層鋪筑→C15混凝土墊層澆筑→倒虹段保護箱涵混凝土澆筑(底部與側(cè)墻部分)→Φ1400鋼管現(xiàn)場制作與焊接→吊車現(xiàn)場安放鋼管→C25混凝土鎮(zhèn)墩澆筑→鋼管與玻璃鋼夾砂管的連接→接口壓力測試→倒虹段保護箱涵兩側(cè)土方夯填→上部排洪箱涵的混凝土澆筑。按照各工序耗時計算，交叉工程施工用時10d。

3.2 施工方案的優(yōu)化

3.2.1 基坑開挖

基坑開挖時，因排水費用、排水效果等多種因素，施工單位井點排水方案是否更合理，進行了分析研究?？紤]到井點排水是由埋設(shè)在地下含水層的濾水管(井)將地下水抽走，借此形成地下水的局部降落，以滿足施工要求[6]，該辦法現(xiàn)場工藝復(fù)雜，造價高，常用于點狀工程中，而本項目為線型工程，施工費用遠超過預(yù)算，且效果不一定最優(yōu)。經(jīng)過分析論證，征得建設(shè)單位與監(jiān)理的同意，將施工方案進行優(yōu)化后，決定采用以下方案：從下游向上游方向分層、分段開挖，在開挖面底部的左側(cè)(即遠離108國道一側(cè))設(shè)置臨時排水溝，并在適當(dāng)位置設(shè)置集水坑，所排之水入集水坑后就近抽排入附近農(nóng)渠或下游河道[7]。排洪箱涵的基礎(chǔ)開挖深度為4.2～4.3m，擬按下列步驟進行施工。

(1)依據(jù)地形不同，第一次開挖時控制深度為1.5～2.0m(出水后為宜)，并在開挖面左側(cè)下挖一條底寬100cm、深度90cm左右的排水溝，用以排除開挖面高程以上的積水。同時在整個開挖段每隔300m設(shè)置1個集水坑將排水溝所排之水匯集后進行抽排，進入附近農(nóng)渠或下游河道。

(2)當(dāng)工作面晾曬2d左右達到干燥后，再進行第二次開挖，控制深度至基底高程。并在開挖面左側(cè)重新下挖臨時排水溝、布置集水坑進行抽排。排水辦法同上。

(3)待二次開挖后的工作面晾曬5d左右基本干燥后，可進行碎石墊層的鋪筑。碎石設(shè)計鋪筑厚度為80cm，施工時分兩次鋪筑，第一層鋪碎石厚度40cm左右，利用斗山DH300LC- 7挖掘機整平并用其履帶碾壓8遍后，再鋪筑第二層碎石，施工工序同第一層。

(4)在鋪筑合格的碎石墊層上，澆筑10cm厚的混凝土C15墊層。

(5)進行箱涵的模板支護、鋼筋綁扎及混凝土澆筑。施工時由下游向上游逐次進行澆筑，成型一段基礎(chǔ)，澆筑一段箱涵。在箱涵澆筑完成前，排水工作不能停止。

在排洪箱涵樁號0+828～0+843段，城市供水管線由東向西穿越與箱涵交叉，由于此時排洪箱涵部分的土方已全部挖走，則排洪箱涵下部的倒虹吸保護箱涵基礎(chǔ)開挖的施工難度就大幅度降低了，但仍須下挖3.7m左右才能達到設(shè)計高程，此時的開挖面距108國道護坡坡腳不足4m，考慮放坡等因素，再行開挖將嚴重影響公路路基的穩(wěn)定。若在工作面范圍內(nèi)開挖排水坑進行強排，因地下水此處匯集，即使利用水泵抽排降低了水位，也會導(dǎo)致邊坡不斷塌陷，無法形成工作面。因此，施工時先在基坑遠離公路一側(cè)挖集水坑，四周用碎石和塊石護邊后，再利用水泵抽排降低水位；同時為避免路基邊坡失穩(wěn)對公路路基的影響，在靠近公路邊坡采用木樁支護的方式進行防護，即采用小頭直徑20cm、長度6m的圓木樁連打兩排，木樁間距約80cm，排距約100cm，達到減輕側(cè)向土壓力保證邊坡土體不坍塌的內(nèi)目的[8]。排水問題解決后，基坑開挖即可正常進行。

3.2.2 Φ1400鋼管焊接

原方案倒虹吸段材料選用Φ1400鋼管，擬依照設(shè)計圖紙現(xiàn)場加工制作、全部焊接完成，待倒虹吸段保護箱涵的底板與側(cè)墻澆筑完畢達到初凝后，將焊好的管道吊裝入位，再與已接于玻璃鋼夾砂管上的DN1400鋼制轉(zhuǎn)換件對接。倒虹吸段鋼管大致呈“凵”字形，鋼管水平段長10.4m，兩個傾斜段長分別為17.6m、13.3m，總重約14t，管段長重量大。深基坑內(nèi)作業(yè)時，管道吊裝難度大，而且兩個斜段鋼管的管端與固定于玻璃鋼夾砂管上的鋼制轉(zhuǎn)換件焊接時，角度調(diào)整難度更大，不利于現(xiàn)場施工。在這種情況下，施工單位征得建設(shè)單位與監(jiān)理的同意，決定對原施工方案進行優(yōu)化。經(jīng)研究決定從倒虹吸段的管件構(gòu)成上分段加工：水平段、斜管段、兩個彎頭。分段加工后，因每個部件重量較小便于運輸，可使用一般運輸工具直接運往工地。運至施工現(xiàn)場后，可按下列工序進行。

(1)待倒虹吸段保護箱涵的底板與側(cè)墻澆筑完畢達到初凝后，將水平部位鋼管先定位，并固定。

(2)將彎頭放入預(yù)定位置，調(diào)整后與已安裝在玻璃鋼夾砂管上的DN1400鋼制轉(zhuǎn)換件進行焊接。

(3)將斜管段吊裝入預(yù)定位置，進行調(diào)整。將其一頭與彎頭連接，另一頭與倒虹吸段水平管連接。通過切割斜管段接頭部分(斜管段在制作時就留有余量，擬用于切割調(diào)整)調(diào)整合適后進行焊接。然后進行彎頭處的混凝土鎮(zhèn)墩的澆筑，以確保彎頭部位管道不會發(fā)生位移。

(4)上下游兩個彎段的做法相同。

通過上述辦法，將倒虹吸段鋼管全部焊接后，可進行倒虹吸段保護箱涵兩側(cè)的回填。回填完成后，即可進行交叉工程上部排洪箱涵的施工。

3.3 交叉建筑物管道工程施工質(zhì)量控制

3.3.1 鋼管間焊縫的檢測

倒虹吸段鋼管施工時采用分段式焊接方式進行連接，焊縫存在于以下幾處:①倒虹吸水平段與斜管段的焊接，上下游共2處；②斜管段與彎頭一端的焊接，上下游各1處；③彎頭段另一端與DN1400鋼制轉(zhuǎn)換件管尾的焊接，共2處。焊接采用方式為氬弧焊、手工電弧焊，焊縫種類是“V”型。焊縫質(zhì)量按SL432- 2008《水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進行驗收，合格等級：縱縫Ⅰ級，環(huán)縫Ⅱ級。

焊接結(jié)束后24h，使用CTS- 9002+型超聲波探傷儀進行檢測，檢測結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3.3.2DN1400鋼制轉(zhuǎn)換件與玻璃鋼夾砂管連接處的檢測

倒虹吸段管道為Φ1400鋼管，供水管道為玻璃鋼夾砂管，二者之間采用特制的鋼制轉(zhuǎn)換件進行連接。DN1400鋼制轉(zhuǎn)換件，分為插口式與承口式。鋼制轉(zhuǎn)換件共2個，上游側(cè)為承口式構(gòu)件，長度716mm；下游側(cè)為插口式構(gòu)件，長度705mm。

當(dāng)交叉工程的倒虹吸鋼管安裝就位后，方可進行供水管線的斷水與切割。在業(yè)主規(guī)定停水時間內(nèi)，一方面須將玻璃鋼夾砂管內(nèi)的水排空，另一方面在擬切割玻璃鋼夾砂管的部位準(zhǔn)確開挖，不得損壞承插口。因玻璃鋼夾砂管單根節(jié)長12m，為便于保護玻璃鋼夾砂管的承插口接頭，施工時在交叉工程施工范圍內(nèi)共取掉兩節(jié)。在鋼制轉(zhuǎn)換件生產(chǎn)廠家技術(shù)人員的現(xiàn)場指導(dǎo)下，進行鋼轉(zhuǎn)換件與玻璃鋼夾砂管的連接。

上游側(cè)承口式鋼制轉(zhuǎn)換件與玻璃鋼夾砂管接口的密封圈位于玻璃鋼夾砂管的插口端，密封圈共設(shè)置兩道；下游側(cè)插口式鋼制轉(zhuǎn)換件的密封圈就位于其插口端，也設(shè)置有兩道密封圈。剛性管道與柔性管道的連接密封主要依靠兩道密封圈，在兩道密封圈之間，設(shè)置有Φ10打壓孔，可用于檢測膠圈的密封性。玻璃鋼夾砂管與鋼制轉(zhuǎn)換件連接完成后，用加壓泵通過Φ10打壓孔對膠圈段注水打壓，檢測過程為：上游承插口達到壓力1.1MPa，保持30min后，壓力無下降；下游承插口達到壓力0.9MPa，保持30min后，壓力無下降，見表1。檢測結(jié)果表明：鋼制轉(zhuǎn)換件與玻璃鋼夾砂管連接處符合GB20801- 2006《壓力管道規(guī)范》的規(guī)定要求，膠圈無滲漏現(xiàn)象。

表1 承插口膠圈嚴密性檢測情況記錄

4 方案優(yōu)化前后工期對比

交叉工程施工時，必須切斷玻璃鋼夾砂管供水管線，而該管線是忻州城區(qū)供水的生命線，按照規(guī)定供水管網(wǎng)的斷水時間必須得到市政府的批準(zhǔn)。交叉工程原施工方案呈報市政府的斷水時間為240h，市政府根據(jù)城市供水管網(wǎng)調(diào)度要求，批復(fù)的斷水時間為122h。

施工單位在業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理單位的全程配合下，運用優(yōu)化后的施工組織方案，晝夜奮戰(zhàn)，累計用時82h完成施工任務(wù)，較市政府批示施工時間122h縮短了40h。交叉工程施工中，下部倒虹吸部分的提前完成，一方面沒有對城市供水造成影響，另一方面保證了其上部箱涵工程的如期施工，對各參建單位意義重大。

5 結(jié)語

交叉建筑物的倒虹吸部分完工后，通水運行正常。1年以后，建設(shè)單位與管理運行單位對該段工程再次檢查，管道未發(fā)生漏水現(xiàn)象，效果良好。通過本次施工實踐，深刻體會到工程管理的重要性。施工組織措施安排、進度排序的合理與否，不僅降低工程的費用，更關(guān)乎到工程是否能按期完成。本工程的施工經(jīng)驗可為類似工程的建設(shè)提供借鑒。

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