淺談高寒地區(qū)淺水位管道快速施工方法

李文端

內(nèi)蒙古地處高寒地區(qū),冰凍期從11月～次年4月,長(zhǎng)達(dá) 6個(gè)月,凍土層厚度最大可達(dá)3.19 m。多年平均氣溫-0.9℃(7月平均最高氣溫20.0℃,1月平均最低氣溫-40.5℃),歷史最低氣溫-42.1℃(1987年1月9日),地下水位埋藏淺,地下水資源豐富,勘察深度內(nèi)地下水為孔隙潛水,主要受大氣降水的補(bǔ)給,地下水位埋深1.75 m～4.10 m,平均2.03 m,地層存在淤泥、流砂的狀況。這種特殊的環(huán)境地質(zhì)條件給管道施工帶來(lái)很多的難題和阻礙。本文結(jié)合魯新礦井排水管道施工,討論高寒地區(qū)淺水位管道快速施工方法,進(jìn)一步完善高寒地區(qū)凍土層外排水管路敷設(shè)快速施工技術(shù)[1]。

1 工程概況

本工程位于內(nèi)蒙古魯新礦井—烏拉蓋河之間,設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度7 149.19 m。建設(shè)用途是將礦井水和生活污水經(jīng)水處理后,利用聯(lián)合泵房排放至烏拉蓋河。本工程采用φ 710PE管作為排水管,設(shè)計(jì)排水量2 400 m3/h,最大工作壓力0.4 MPa。接口采用PE管熱熔焊接技術(shù)。由于本地區(qū)處于高寒氣候地帶,凍土層平均厚度約為3.19 m,考慮到管路抗凍等因素,設(shè)計(jì)管路采取直埋方式敷設(shè),埋深為3.3 m。工程土方開挖至自然地坪下4 m。

2 施工存在的問(wèn)題

1)外排水工程位于魯新礦井與烏拉蓋河之間,冬季最低氣溫達(dá)-42.1℃,屬高寒地區(qū),土層中有永久凍土層,凍土層硬度很高,采用挖掘機(jī)開挖凍土層難度很大。2)地下水位高,地質(zhì)勘查報(bào)告顯示外排水工程全線大部分在自然地坪下2 m即到水層。3)外排水管路長(zhǎng)(設(shè)計(jì)長(zhǎng)度7 149.19 m),焊接接頭多,共 598個(gè)接頭,挖方量大,累計(jì)挖土方212 905.6 m3。施工期間恰逢雨季,提高了管材運(yùn)輸進(jìn)場(chǎng)以及下管、埋管的施工難度。4)土層土質(zhì)為粉質(zhì)黏土、細(xì)砂和淤泥,挖土深度4 m,全線基本都存在管涌、流砂坍塌和清淤問(wèn)題。5)工期短,任務(wù)重,合同工期要求為60 d。

3 高寒地區(qū)淺水位管道施工的建議方案

3.1 排水管道管材的合理選取

將外排水管道管材由鋼塑復(fù)合管改為 PE100φ 710×42.1管,管壁加厚(壁厚38 mm),意義重大,直接決定了外排水管路敷設(shè)工程的成敗,施工組織因此而更經(jīng)濟(jì)、合理、快速[2,3]。這是因?yàn)榕c鋼塑復(fù)合管相比,PE管有以下優(yōu)勢(shì)特性:1)連接可靠:聚乙烯管道系統(tǒng)之間采用電熱熔方式連接,接頭的強(qiáng)度高于管道本身強(qiáng)度;聚乙烯管道與其他管道采用法蘭連接,方便快捷。2)低溫抗沖性良好:聚乙烯的低溫脆化溫度極低,可在-60℃～60℃溫度范圍內(nèi)安全使用,冬季施工時(shí),因材料抗沖擊性好,不會(huì)發(fā)生管子脆裂。3)抗應(yīng)力開裂性優(yōu)良:PE管材具有低的缺口敏感性、高的剪切強(qiáng)度和優(yōu)異的抗刮痕能力,耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能也非常突出。4)耐老化,使用壽命長(zhǎng):含有2%～2.5%均勻分布的炭黑的聚乙烯管道能夠在室外露天存放或使用50年,不會(huì)因遭受紫外線輻射而損壞。5)耐磨性好:PE管道與鋼管的耐磨性對(duì)比試驗(yàn)表明,PE管道的耐磨性是鋼管的4倍,在泥漿輸送領(lǐng)域,同鋼管相比,PE管道具有更好的耐磨性,這意味著PE管道具有更長(zhǎng)的使用壽命和更好的經(jīng)濟(jì)性。6)可繞性好:PE管道的柔性使得它容易彎曲,工程上可通過(guò)改變管道走向的方式繞過(guò)障礙物,在許多場(chǎng)合,管道的柔性能夠減少管件用量并降低安裝費(fèi)用。7)搬運(yùn)方便:PE管道比混凝土管道、鍍鋅管和鋼管更輕,焊接工藝簡(jiǎn)單,它容易搬運(yùn)和安裝,施工方便,更低的人力和設(shè)備要求,意味著工程的安裝費(fèi)用大大降低,工程綜合造價(jià)相應(yīng)降低。8)施工環(huán)境要求低、適應(yīng)性更廣泛:PE管道可以在溝槽外焊接,整體下管、埋管,不硬性要求溝槽內(nèi)必須具備無(wú)水作業(yè)環(huán)境,比鋼塑復(fù)合管、預(yù)應(yīng)力混凝土管有更廣泛的適應(yīng)性。

3.2 有效、有序的組織管理

由于外排水管道施工工期緊(60 d),線路長(zhǎng)(7 149 m),無(wú)可供借鑒的施工經(jīng)驗(yàn),需邊干邊摸索經(jīng)驗(yàn),隨時(shí)解決出現(xiàn)的問(wèn)題。而且牽涉社會(huì)關(guān)系處理,需兩家單位配合施工,組織協(xié)調(diào)管理工作至關(guān)重要。事實(shí)表明,有效、有序的組織管理為施工順利開展提供了切實(shí)保障。

3.3 合理安排施工工序

經(jīng)過(guò)挖掘機(jī)試挖發(fā)現(xiàn)土層在自然地坪下約2 m存在凍土層,硬度很高,經(jīng)研究決定土方分兩層開挖,第一層挖至凍土層后自然晾曬降低硬度。既使挖掘機(jī)能充分工作,不怠工,不閑置,凍土解凍后又使施工難度降低,從而提高工效,節(jié)省機(jī)械臺(tái)班,加快施工進(jìn)度并降低工程造價(jià)(減少機(jī)械閑置費(fèi))。

3.4 適當(dāng)加大挖土斷面

由于土層土質(zhì)為細(xì)砂和淤泥,挖土深度4 m,地下水高(埋深2 m),全線基本都存在流砂坍塌和清淤問(wèn)題,采取適當(dāng)加大挖土斷面的方式解決流砂坍塌和清淤。原設(shè)計(jì)采取的方案是全線井點(diǎn)降水和邊坡支護(hù),工期長(zhǎng),而且造價(jià)很高。采取適當(dāng)加大挖土斷面的方式解決流砂坍塌和清淤,水泵明溝排水解決地下水問(wèn)題。雖增加了部分挖土成本,但是節(jié)省了全線井點(diǎn)降水和邊坡支護(hù)的大量費(fèi)用,總體還是大大降低了造價(jià),并加快了工程施工速度。

3.5 PE管的合理安裝

施工時(shí)根據(jù)PE管可彎曲(最小曲率半徑70 m)、重量輕的特點(diǎn),在草地上集中焊接,然后再集中下管,避免了在溝內(nèi)焊接作業(yè)所要求的溝內(nèi)必須無(wú)水的條件,大大降低了降水難度,減少了降水臺(tái)班,節(jié)省了費(fèi)用。在下管時(shí)只要控制管頂標(biāo)高滿足在凍土深度以下就可以埋管,如此一來(lái)溝內(nèi)的水就不必完全抽干,采取兩臺(tái)挖掘機(jī)交互清淤、摁管、埋管就能滿足設(shè)計(jì)要求,從而既加快了工程進(jìn)度,又降低了工程造價(jià)。利用PE管彎曲性能好的特點(diǎn),在轉(zhuǎn)點(diǎn)(1,2,3,4)處可以直接熱熔焊接,節(jié)省了加設(shè)法蘭盤的材料費(fèi)和安裝費(fèi)用,降低了造價(jià)(見(jiàn)圖1)。

4 經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益分析

通過(guò)對(duì)該工程的設(shè)計(jì)及施工方案的論證和優(yōu)化,大大節(jié)省了該工程各項(xiàng)投資費(fèi)用,從而降低了工程造價(jià)。該工程原設(shè)計(jì)管材為DN700鋼塑復(fù)合管,根據(jù)當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)價(jià)格調(diào)研,鋼塑管價(jià)格相對(duì)較低,比同等直徑PE管價(jià)格低約300元/m。但是,采用鋼塑復(fù)合管施工方案從其他方面相應(yīng)增加了工程建設(shè)費(fèi)用。通過(guò)方案優(yōu)化創(chuàng)新,采用PE管快速施工方案比采用鋼塑復(fù)合管施工方案施工共節(jié)省資金397.90萬(wàn)元,取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí),高寒地區(qū)凍土層外排水管路敷設(shè)快速施工技術(shù)的實(shí)施,魯新礦井外排水管路工程施工共歷時(shí)2個(gè)月,比原設(shè)計(jì)方案縮短工期2個(gè)月,節(jié)省了大量資金,降低了工程造價(jià),并且確保了施工質(zhì)量和安全,快速、高質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)的完成了建設(shè)任務(wù)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)魯新礦井外排水管路快速施工技術(shù)的研究,形成了一套更加系統(tǒng)、完整的高寒地區(qū)凍土層、地下水位埋藏淺條件下長(zhǎng)距離、大口徑PE管快速施工技術(shù),將為高寒地區(qū)煤炭及其他相關(guān)行業(yè)的類似工程提供很好的借鑒,對(duì)煤炭行業(yè)的技術(shù)更新起到非常重要的作用,推廣應(yīng)用前景廣闊。

[1]于居洲.高原高寒多年凍土區(qū)的橋梁施工技術(shù)[J].冰川凍土,2006,28(2):596-600.

[2]劉靜云.埋地PE管施工技術(shù)的探討[J].山西建筑,2009,35(3):172-173.

[3]張麗云.常用幾種塑料管材的特性分析[J].包鋼科技,2008,34(1):94-95.