超大管徑雙管PCCP輸水管管線改遷工程關鍵施工技術研究

郭明鑫，楊士發(fā)，陳遜賢，黃懷立，周廣宇，馮德鑾

（1、廣東工業(yè)大學土木與交通工程學院 廣州510006；2、廣州市自來水有限公司 廣州510600）

0 引言

預應力鋼筒混凝土管（PCCP）［1］是由鋼筒、高強度核心混凝土、預應力鋼絲和砂漿保護層組成的復合管材，其中管徑大于3.0 m 的PCCP 稱為超大直徑PCCP。PCCP 中的高強度預應力鋼絲環(huán)向纏繞于核心混凝土表面，而管段間的接駁處采用鋼制承插口，承插口連接處使用防滲膠圈的柔性接頭，具有密封性強、強度高、抗?jié)B性能良好和耐腐蝕等性能。PCCP 兼有鋼材和混凝土的優(yōu)點，尤其適合用于超大口徑、高強度、埋深大的市政管線［2-4］。

目前PCCP 管已廣泛應用于跨區(qū)域水源地之間的大型輸水工程，對PCCP 管在正常工作條件下的力學響應［5-7］、沉降發(fā)展［8-9］和防滲性能［10-11］已有相關研究，但是，隨著超大城市群和粵港澳大灣區(qū)概念的出現(xiàn)，廣東省區(qū)域性經(jīng)濟融合程度不斷加強，城市之間的公共交通迅猛發(fā)展，高速公路或輕軌的建設通常需要穿過大口徑輸水管的埋設段或其保護區(qū)范圍，公共交通的施工及運營過程必然會對大口徑輸水管的安全運營造成影響，因此大口徑輸水管管線需要進行必要的改遷［12-15］。大口徑管線改遷工程施工過程可能導致輸水管產(chǎn)生較大位移和不均勻沉降，造成管線的承插口脫落、輸水管爆漏等現(xiàn)象。本文以廣州市西江引水工程（佛山三水、南海段）與廣佛肇高速公路建設相涉段PCCP 輸水管管線改遷工程為依托，通過建立準確的三維有限元模型，分析不同施工工況、不同影響因素下正常供水PCCP 輸水管的位移演化規(guī)律，明確管線改遷工程中的關鍵施工工況，確定周全的管線改線施工方案，避免相鄰管線擾動過大，以確保施工質量和安全。

1 工程概況

1.1 廣州市西江引水超大管徑PCCP 輸水管管線改遷工程

廣州市西江引水是廣州市重要水源的供給工程，原水供水量涉及1 000 多萬市民的用水需求。本工程屬于城市生命線工程，自投產(chǎn)以來一直安全運行。西江引水干管佛山南海段長約28 km，佛山三水段長約16 km，管材主要為內(nèi)徑3.6 m 的超大口徑PCCP 管，其特點是長期運行穩(wěn)定，但對外圍擾動敏感，因此，對于特殊地段（過路口、河涌、盾構隧道等，約占15%）則采用鋼管。由于新建的廣佛肇高速公路騎壓于西江引水工程PCCP 輸水管埋設段，高速公路的施工及運營對超大口徑PCCP 輸水管的安全運營造成重大影響。廣佛肇高速公路建設方案中與西江引水工程相涉的管段總長約5.5 km，其中，高速路出入口匝道在西江引水管道正上方（簡稱匝道騎壓段）的管段長約3.6 km；高速路高架投影線在西江引水管道正上方（簡稱高架騎壓段）的管段長約1.9 km。倘若新建高速公路施工過程中造成管道擾動過大、管道破裂或爆開，將引發(fā)國家安全公共事件。考慮到西江引水工程的重要性，因廣佛肇高速公路的建設需求，需要對廣州市西江飲水工程中的原輸水管進行局部改線。原雙線輸水管外徑為4.1 m、單節(jié)長度為5.0 m 的大口徑PCCP 管，雙管水平距離為1.5 m，改遷后使用鋼管材料，應業(yè)主要求，施工過程中仍需持續(xù)供水并且單管供水時間不可大于7 d，超過7 d必須恢復雙管供水。

1.2 水文地質概況

PCCP 水管管線改遷工程位于佛山市南海區(qū)里水鎮(zhèn)，根據(jù)地質勘察報告可知，相應場地的地質條件復雜，土質情況較差，由上到下依次為填土、耕土、細砂、粗砂、淤泥和粗砂，地層分布不均，且存在較厚淤泥層且透水砂層厚度高達15 m，極易因施工擾動而產(chǎn)生較大變形，甚至可能出現(xiàn)流沙與管涌等滲透破壞現(xiàn)象，會對PCCP輸水管的位移控制產(chǎn)生重大影響。

2 三維有限元模型的建立

2.1 基本情況

三維有限元模型的數(shù)值模擬范圍包括：原PCCP輸水管、PCCP 管座、原管槽支護體系（拉森Ⅳ鋼板樁+φ 500×12 鋼管支撐，水平間距5.0 m）、新管槽及其支護體系（拉森Ⅳ鋼板樁+φ 500×12 鋼管支撐，水平間距5.0 m）、新鋼管管槽開挖深度及其影響范圍內(nèi)的巖土層。PCCP輸水管外徑4.1 m，內(nèi)徑3.6 m，上覆土層6.1 m，兩管水平距離1.5 m；新鋼管管槽開挖寬度為10.2 m；當新鋼管管槽開挖深度不大于6.4 m 時，新鋼管管槽支護結構采用1 道鋼支撐；當新鋼管管槽開挖深度大于6.4 m 時，新鋼管管槽支護結構采用2道鋼支撐。計劃開挖鋼管管槽與原輸水管槽的位置關系如圖1 所示。有限元數(shù)值模擬分別分析：①新鋼管管槽開挖深度；②PCCP 輸水管管槽與新鋼管鋼槽水平間距；③地下水位變化；④新鋼管管槽支護結構位移；⑤PCCP 輸水管單管改遷共5 個因素對PCCP 輸水管位移的影響規(guī)律。三維有限元模型取60 m×20 m×30 m（長×寬×深）的區(qū)域，上部為自由邊界，底部全約束，各側邊限制向基坑方向的水平位移，三維有限元模型如圖2 所示。其中，新鋼管管槽的模擬開挖深度分別為5.4 m、6.4 m、7.7 m 和8.4 m；擬設計新鋼管與原輸水管管槽水平距離分別為2.0 m、3.0 m、4.0 m 和6.0 m；新鋼管管槽開挖時地下水位深度分別為0.0 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m和4.0 m（數(shù)值表示距離地表的豎直距離）。

圖1 擬挖新鋼管與原輸水管管槽的位置關系Fig.1 Plane Relationship between the New Steel Pipe Groove to be Excavated and the Original PCCP Water Pipe Groove （mm）

圖2 Midas/GTS有限元模型Fig.2 Midas/GTS Finite Element Model

2.2 基本假定

本文建立的模型基本假定如下：①土體模型采用莫爾-庫侖本構模型，支護結構體系本構模型采用線性彈性模型，各材料的物理力學參數(shù)如表1所示；②假定各土層都為成層均質水平分布；③不考慮地下水在開挖過程中的影響；④不考慮開挖過程中的時間因素。

根據(jù)勘察報告可得該施工現(xiàn)場的土層參數(shù)，如表1所示。

3 數(shù)值模擬結果與分析

3.1 模擬結果

3.1.1 新鋼管管槽開挖深度對PCCP 輸水管位移影響結果

Midas/GTS 有限元模型中，分別設置新鋼管管槽的開挖深度為5.4 m、6.4 m、7.7 m 和8.4 m，其中新舊管槽間距為2.0 m、4.0 m 和6.0 m，限于篇幅，僅給出新舊管槽間距為2.0 m的模擬結果，如圖3～圖6所示。

表1 有限元模型各材料物理力學參數(shù)Tab.1 The Physical and Mechanical Parameters of Each Material in The Finite Element Model

3.1.2 新舊管槽水平間距對PCCP輸水管位移影響結果

Midas/GTS 有限元模型中，分別設置新鋼管管槽的開挖深度為5.4 m、6.4 m、7.7 m和8.4 m，其中新舊管槽間距為2.0 m、4.0 m和6.0 m，限于篇幅，僅給出新鋼管管槽開挖深度為8.4 m的模擬結果，如圖7～圖10所示。

圖3 管槽間距2.0 m，新管槽開挖深度5.4 mFig.3 Slot Spacing 2.0 m，Excavation Depth of New Steel Pipe Groove 5.4 m

圖4 管槽間距2.0 m，新管槽開挖深度6.4 mFig.4 Slot Spacing 2.0 m，Excavation Depth of New Steel Pipe Groove 6.4 m

圖5 管槽間距2.0 m，新管槽開挖深度7.4 mFig.5 Slot Spacing 2.0 m，Excavation Depth of New Steel Pipe Groove 7.4 m

圖6 管槽間距2.0 m，新管槽開挖深度8.4 mFig.6 Slot Spacing 2.0 m，Excavation Depth of New Steel Pipe Groove 8.4 m

圖7 新舊管槽水平間距2.0 mFig.7 Horizontal Distance Between New and Old Pipe Grooves 2.0 m

圖8 新舊管槽水平間距4.0 mFig.8 Horizontal Distance Between New and Old Pipe Grooves 4.0 m

3.1.3 新管槽施工時，地下水位對既有PCCP 管的位移影響結果

圖9 新舊管槽水平間距6.0 mFig.9 Horizontal Distance Between New and Old Pipe Grooves 6.0 m

圖10 新鋼槽開挖對PCCP輸水管位移影響結果Fig.10 Summary of the Results of the Excavation of the New Steel Pipe Channel on the Displacement of the PCCP Water Pipe

由圖10 可知，當新舊管槽水平間距小于4.0 m或新鋼管管槽開挖深度大于6.4 m 時，PCCP 管的位移快速增加，因此，建議實際工程中，新管槽與原管槽水平間距設置為4.0 m，新鋼管管槽開挖深度為6.4 m。在此基礎之上，為考慮不同地下水位狀態(tài)下，新管槽施工對原PCCP 輸水管的不同影響，Midas/GTS 三維有限元模型中設置新舊管槽間距為4.0 m，新鋼管管槽開挖深度為6.4 m，地下水位為0.0 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m和4.0 m。新管槽施工時地下水位深度對PCCP 輸水管位移模擬影響結果如圖11～圖16所示。

圖11 地下水位為0.0 mFig.11 Groundwater Level 0.0 m

圖12 地下水位為1.0 mFig.12 Groundwater Level 1.0 m

圖13 地下水位為2.0 mFig.13 Groundwater Level 2.0 m

圖14 地下水位為3.0 mFig.14 Groundwater Level 3.0 m

圖15 地下水位為4.0 mFig.15 Groundwater Level 4.0 m

3.1.4 新鋼管管槽支護結構水平位移對PCCP 輸水管位移影響結果

由上述模擬結果可得，新管槽施工會對原有PC?CP 管造成較大影響。倘如新管槽施工過程中，其支護體系位移過大，進而造成原有PCCP 管的不均勻位移過大，更甚則直接導致輸水管爆裂。因此，在新管槽施工過程中必須對其支護體系進行實時監(jiān)測，設置預警值。本節(jié)重點分析新管槽支護結構水平位移對既有PCCP 管位移的影響規(guī)律，進而確定管槽支護體系的位移監(jiān)測報警值，為工程監(jiān)測提供客觀依據(jù)。Midas/GTS 三維有限元模型中，設置新舊管槽間距為4.0 m，新鋼管管槽開挖深度為6.4 m，新鋼管管槽支護結構水平位移對原PCCP 管位移影響結果如圖17 所示。新鋼管管槽支護結構水平位移對既有PCCP 管位移影響結果如圖18所示。

圖16 地下水位與各特征位移的關系Fig.16 Relationship between Groundwater Level and Various Characteristic Displacements

圖17 新鋼管管槽水平位移對PCCP輸水管位移影響結果Fig.17 The Effect of the Horizontal Displacement of the New Steel Pipe Trough on the Displacement of the PCCP Water Delivery Pipe

圖18 新鋼管管槽支護結構水平位移與既有PCCP輸水管位移的關系Fig.18 The Relationship between the Horizontal Displacement of the New Steel Pipe Trough Supporting Structure and the Displacement of the Existing PCCP Water Delivery Pipe

3.1.5 PCCP 輸水管單管改遷對另一正常供水PCCP輸水管位移影響結果

由于遷管段地基存在深厚的砂層（10.65 m）和淤泥（3.4 m），因此，有必要研究單管改遷施工工況對既有PCCP 管的影響效果。本節(jié)重點分析PCCP 輸水管單管改遷過程中另一正常供水PCCP 輸水管的位移演化規(guī)律。Midas/GTS 三維有限元模型中，設置新舊管槽間距為4.0 m，新鋼管管槽開挖深度為6.4 m，主要模擬工況為：①新管槽開挖完成；②既有PCCP 管槽開挖完成；③切割共用管座；④單管停水；⑤單管改遷。PCCP 輸水管單管改遷對另一正常供水的PCCP 輸水管位移影響結果如圖19和表2所示。

3.2 結果分析

由圖3～圖10可知，隨著新管槽開挖深度增加以及新舊管槽水平距離的減小，PCCP輸水管的位移逐漸增加，而新鋼管管槽開挖深度大于7.7 m或新舊管槽水平間距小于4.0 m時，PCCP輸水管的位移快速增加。

由圖11～圖16 可知，新鋼管管槽支護結構位移、地面沉降和既有PCCP 輸水管位移都對地下水位深度有較大的的敏感性，故采取何種措施有效控制地下水位，減小新管槽施工對原PCCP 輸水管的影響變得尤為重要。由圖16 可以直觀看出，當?shù)叵滤幌陆禃r，地面沉降增加，支護結構體系位移減少，而既有PCCP輸水管位移呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。主要原因是地下水位可改變作用在新管槽支護體系的孔隙水壓力同樣可影響既有輸水管地基的有效應力。倘若地下水位降低，直接使作用在支護結構上的孔隙水壓力變小，間接使支護結構的位移減小；同時作用在輸水管地基上的有效應力增大，PCCP 管沉降隨之增加；因此地下水位對既有PCCP 管的實際影響程度極其復雜。借助有限元軟件對其進行合理分析發(fā)現(xiàn)，當?shù)叵滤粸?.0 m時，既有PCCP 輸水管的位移最小，特別是遠側PCCP管。因此建議地下水位降水處理至2.0 m左右為宜。

圖19 PCCP輸水管單管改遷對另一正常供水PCCP管位移影響結果Fig.19 The Result of PCCP Water Delivery Pipe Relocation Affecting the Displacement of Another Normal Water Supply PCCP Pipe

表2 遷管過程中各遷管工況對另一正常工作PCCP管位移的影響Tab.2 The Influence of Each Pipe Relocation Condition on the Displacement of Another Normal Supply PCCP pipe

由圖17～圖18 可知，新鋼管管槽支護結構位移對既有PCCP 輸水管位移影響較大?！督ㄖ庸こ瘫O(jiān)測技術標準：GB 50497—2019》規(guī)定新管槽施工對臨近管道的位移需不大于10～30 mm，因為本項目關系到廣州市大部分市民的供水情況，故管槽施工對既有輸水管造成的位移宜控制在10 mm以內(nèi)。根據(jù)有限元分析結果（見圖18），當PCCP 管位移為10 mm 時，對應支護結構的位移為16 mm，因此新管槽施工過程中，應對其支護結構進行實時監(jiān)測，將其位移為16 mm 設置為報警值，當位移趨近該報警值時，需立刻采取針對性措施對既有PCCP管進行保護。

由圖19 和表2 可知，在整個PCCP 輸水管改線工程施工過程中，有2 個工況對正常工作的PCCP 管產(chǎn)生影響較大：①新管槽開挖后，另一正常工作的輸水管出現(xiàn)8.5 mm 的位移；②待改遷的輸水管停水后，鄰近正常工作的輸水管已出現(xiàn)18.4 mm 的位移。因此，在施工過程中，對這2個工況尤為特別注意，確保管槽開挖過程中對其支護體系變形及位移數(shù)據(jù)的實時觀測；單管停水時，需加強對正常供水PCCP 管位移的監(jiān)測頻率，保證能及時發(fā)現(xiàn)問題并采取合理的保護措施。

4 結論

本文重點分析了PCCP 輸水管遷管過程中各施工工況對正常供水PCCP 輸水管位移的影響規(guī)律，可為西江引水管線改遷工程的前期施工設計提供參考建議，確保單管遷移施工過程中原PCCP 管輸水工作的安全運營，也可為高度發(fā)展的地區(qū)管線改遷工程提供參考依據(jù)，具體結論如下：

⑴ 在使用拉森Ⅳ鋼板樁+φ 500×12 鋼管支撐@5 000的支護結構形式對新管槽進行支護的情況下，新鋼管管槽開挖對PCCP 輸水管的影響在安全范圍之內(nèi)，當新舊管槽水平距離大于4.0 m 且新鋼管管槽深度小于7.7 m 時，新管槽施工對原PCCP 管的影響累積位移值不大于10 mm，確保輸水工作的正常進行。

⑵新鋼管管槽支護結構位移、地面沉降和既有PCCP 輸水管位移都對地下水位深度有較大的敏感性。因此，如何采取措施控制地下水位，就可減小新鋼管管槽施工對既有PCCP 輸水管位移的影響，以確保輸水工作的安全運營；分析結果結果表明，施工過程中降水應將地下水位控制在2.0 m左右。

⑶新鋼管管槽支護結構位移對既有PCCP 輸水管位移影響較大，應控制既有PCCP 管位移在10 mm內(nèi)，其對應支護結構的位移為16 mm 以內(nèi)，方能保證PCCP輸水管的正常供水。

⑷單管改遷施工過程中，新管槽施工和輸水管單管停水對另一正常工作的PCCP輸水管影響較大。