輸水管線工程PCCP管砂礫料回填指標研究與實踐

張巖

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 引言

為實現水資源合理配置，室外長距離輸水管道工程越來越多，尤其是大口徑輸水管道不斷出現，其中PCCP管就是目前常用的大口徑輸水管道之一。PCCP管是中國20世紀80年代末引進的管道技術，經過多年的發(fā)展，國內PCCP管最大管徑已達4 m。

預應力鋼筒混凝土管(PCCP)是以鋼筒混凝土為管芯，在混凝土管外纏繞環(huán)向預應力高強鋼絲，在鋼絲表面噴20 mm以上的砂漿保護層。管道承插口采用鋼板冷加工成型、公差配合，加工精度高，插口密封采用雙膠圈，密封性能好。既具有鋼管抗?jié)B、抗拉優(yōu)點，又具有混凝土管耐腐蝕、耐磨損和抗外壓優(yōu)勢，使用壽命長，能承受較高的內壓和外壓荷載，內壓達30.00 kg/cm2，外壓最大能承受10.00 m深覆土壓力，此類管材的管件配套齊全、簡便、可靠。PCCP管體為剛性管，而接頭采用承插式，具有可撓性，整體上屬柔性設計，是較好防震管材。

《預應力鋼筒混凝土管》顯示預應力鋼筒混凝土管的公稱內徑為DN400～DN4000，管線運行工作壓力或靜水頭≤2.00 MPa，目前國內PCCP管的最大工作壓力可做到2.00 MPa；有資料顯示國際上應用PCCP管工作壓力已達3.10 MPa以上，最高工作壓力可達4.10 MPa以上，最大管徑可達DN7600，使用壽命可達50 a之久。工程實踐中由于PCCP管的生產線可遷移至施工現場，有效降低工程運費，因此其綜合造價尤其是相同大口徑管材中有明顯的經濟優(yōu)勢，在長距離、大口徑輸水工程中已得到廣泛應用。

新疆某長距離輸水管線整體工程等級為Ⅰ等大(1)型。輸水管道主要建筑物級別為2級。該工程充分利用PCCP管的優(yōu)勢，全線采用地埋PCCP管輸水，最大管徑DN3400。管路沿線地形高低起伏較大，存在含土碎石、粉土質砂、含土中細砂、砂卵礫石、含土砂卵礫石、含土砂礫石、黃土等地層巖性，地震基本烈度為Ⅷ度。管道敷設時，管溝底部設置200.00 mm厚砂礫料墊層，其他部位采用開挖料回填，回填指標對保證管道安全運行至關重要。

2 回填指標

2.1 規(guī)范中的回填指標

PCCP管回填指標，目前所依據的規(guī)范有《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》《預應力鋼筒混凝土管道技術規(guī)范》《給水排水工程管道結構設計規(guī)范》《給水排水工程埋地預應力混凝土管和預應力鋼筒混凝土管管道結構設計規(guī)程》等。

在以上規(guī)范中，剛性PCCP管兩側回填指標均≥90.00%，管溝回填典型橫斷面見圖1。

圖1 溝埋式管道回填土壓實要求典型橫斷面圖

新疆某長距離輸水管線工程，線路長，地層巖性復雜多變，不同地層巖性采用的回填料不同。采用細粒土回填時，可采用壓實度指標；當采用砂礫料回填時，需要用相對密度指標，目前相關輸水管道規(guī)范中未給出相對密度控制指標。

2.2 砂礫料回填不同分區(qū)相對密度壓實指標重要性分析

管道沿線砂礫石段，管道回填分區(qū)見圖1所示。

墊層區(qū)，位于管道正下方、寬度為管道外徑1/3范圍內的墊層不宜壓實，規(guī)范中這一要求考慮安裝時便于進行高程調整，安裝過程中PCCP外防腐層不被磨損，同時在回填后，管道下壓過程中有利于形成土弧支撐角，避免管底應力集中，有利于管道結構安全。1/3范圍內不宜壓實可理解為不壓，采用天然開挖地基即可。但墊層區(qū)除管道正下方寬度為管道外徑1/3范圍以外必須按設計要求進行壓實。

PCCP管結構計算時一般采用土弧基礎，工程結構計算時土弧角度取90°，設計回填支撐角120°，以保證有一定的安全裕度。120°支撐角通常也稱為腋角部位，是結構受力的關鍵點，其壓實指標至關重要。

《預應力鋼筒混凝土管道技術規(guī)范》說明顯示，地埋管道的受力狀態(tài)不完全取決于管體本身的結構性能，而與周圍土體密切相關。對回填分區(qū)提出壓實度要求，加強管側土體的支承作用，使其受力得到改善，可充分發(fā)揮管體的承載能力。

博士學位論文《軟土地基上南水北調PCCP供水管線工程施工關鍵技術研究》文中對不同壓實度、不同墊層厚度有限元計算后發(fā)現：“PCCP 管道各部分應力與砂墊層壓實度、最大厚度有很重要的關系。砂墊層最大厚度一定時，PCCP 管道各部分應力值隨著壓實度的增大而減小”?？梢娀靥钪笜藢Y構有重要影響。

3 新疆某輸水管線工程回填指標的確定

管溝回填區(qū)域一般分為墊層區(qū)、管身下部回填區(qū)、上部回填區(qū)及管頂500.00 mm以上回填區(qū)等分區(qū)。根據沿線土的性質，細粒土采用壓實度回填指標，則管頂500.00 mm以下各個分區(qū)按規(guī)范要求值≥90.00%的壓實度控制。對于砂礫料，壓實度已不在適用，需采用相對密度指標控制。

采用開挖沙礫料回填段，由于規(guī)范中沒有相對密度回填指標明確規(guī)定，因此需參考相關規(guī)范進行取值，工程案例中砂礫料回填指標所參考主要規(guī)范見表1。

由表中不同規(guī)范對相對密度的最低要求可以看出，相對密度基本≥0.70。參考類似工程，結合工程案例建筑物級別(2級)及地震烈度(Ⅷ度)，并考慮墊層區(qū)對PCCP管結構的重要性，確定工程案例不同填筑區(qū)的相對密度，見圖2。

4 不同分區(qū)壓實問題討論

墊層區(qū)中的腋角位置是形成管道土弧基礎上有效支撐的重要部位，在水平向產生約束和抑制作用，抑制管線轉角，有利于輸水管線的穩(wěn)定，有利于沿線管的使用狀態(tài)和使用壽命，其填筑指標至關重要。

表1 管道砂礫料回填指標參考規(guī)范表

圖2 溝埋式管道回填砂礫料相對密度指標典型橫斷面圖

目前PCCP的使用量雖然很大，但大多情況下要求施工滿足設計要求是有難度的，尤其是其管道基礎腋角回填問題，一直難以解決，致使現在使用的PCCP很多在超負荷運行狀態(tài)中。

對于腋角回填壓實指標難度大問題，建議從以下方面進行控制：①虛鋪每層厚度≤200.00 mm，并通過試驗段最終確定填筑料含水率、壓實機具、碾壓遍數等參數。②在管溝內利用開弧設備直接開挖與支撐角相對應的弧面，將管道安裝到弧面內，解決腋角回填壓實難問題。③有效支撐角范圍內回填采用特制材料，如微膨脹材料、水泥土等。④發(fā)明特制工具對腋角區(qū)進行振搗壓實。

5 結語

供水管道工程中，管道周圍回填料一般分為砂礫料(粗粒土)、細粒土，不同土料，根據《土工試驗方法標準》，當砂礫料(粗粒土)中細粒土含量≤12.00%時，填筑料用相對密度控制，反之用壓實度控制。參考相關規(guī)范及類似工程，結合建筑物級別和地震烈度來確定砂礫料回填相對密度指標，可供類似工程參考，建議相關規(guī)范中列出相對密度的最小控制指標確定方法。為解決管道腋角壓實問題，可從填筑料、施工工藝等方面進行改進，保證承載土弧基礎對管道形成充分支撐，保障管道安全運行。