PCCP頂管在禹門口東擴工程中的應用

昝志斌

(山西省禹門口水利工程管理局 山西侯馬 043000)

1 引言

禹門口提水東擴工程主管采用PCCP輸水,線路全長48.8km有多處穿越鐵路和公路,管線與鐵路和公路交叉處地層多為中等～強烈濕陷性黃土,為Ⅱ～Ⅳ級自重濕陷土層。為了減小工程施工對鐵路和公路交通的干擾,設計采用了頂管法施工方案。PCCP頂管是近年來研制的一種新型頂管技術,在非濕陷性土層地區或濕陷等級 (Ⅰ～Ⅱ級非自重濕陷)低的地區有應用實例,但在濕陷等級高的地區尚無應用。在濕陷性土層,尤其是濕陷等級高的地層采用PCCP頂管,防止管道接頭滲漏很關鍵。

本文針對禹門口東擴工程輸水管線基礎地質特性,研究了在Ⅱ～Ⅳ級自重濕陷土層采用PCCP頂管的可行性,介紹了PCCP頂管的設計情況和應用情況。

2 工程概況

禹門口提水東擴工程位于山西省中南部,是向臨汾、運城六縣市 (新絳、稷山、襄汾、侯馬、曲沃、翼城)工、農業以及農村生活供水的保障性給水工程。工程沿線共布置調蓄水庫2座,提水泵站4座,主管線全長48.8km,支管線總長20km,輸水干渠總長11.1km,支渠總長34.3km。工程分兩期實施,其中:一期工程為向新絳、侯馬、曲沃、翼城四縣市工業及農村生活和侯馬北莊、新絳三泉、曲沃澮河灌區、翼城利民灌區農業供水。二期工程為向稷山汾南灌區、襄汾原井灌區農業供水。

輸水線路經過的主要地貌單元為山前洪積傾斜平原區、汾河河谷、漫灘及階地,本段汾河主要發育一級階地和三級階地。主要發育的地層有新生界第四系中更新統 (Qpl2)、上更新統 (Qpal3)、全新統(Qpal4)以及人工堆積 (Q s)。場地低液限粘土多為中等～強烈濕陷性土,存在濕陷性問題。一旦接頭漏水會造成管基沉降,嚴重會造成路基的沉降破壞。因此,基礎濕陷性問題是本工程設計的一大難點,如處理不當,將會直接影響工程的安全運行。

該工程的管線工程有14處穿越公路和4處穿越鐵路。其中穿越鐵路頂管由于行業的特殊性,委托鐵路部門進行專項設計和施工;其余穿越公路頂管由本工程設計單位完成設計。

3 本工程管道穿越公路方案比較

根據本工程管線穿越公路處的地形和地質條件,經分析比較,可能的頂管穿越方案有兩個:一是利用箱涵 (或管涵)頂進,輸水管道在箱涵 (或管涵)中套穿;一是直接頂進PCCP輸水管道。

3.1 利用箱涵或管涵頂進方案

該方案是在現場制作鋼筋混凝土箱涵或預制管涵,然后將箱涵 (或管涵)逐節頂進,形成可套穿管道的矩形或圓形涵洞。其優點涵內穿管可按常規工藝進行,鋪設工藝簡單,質量容易控制,而且頂進的箱涵 (或管涵)可作為輸水管道的保護屏障;缺點是工程量大、施工周期長。需要進一步說明的是,在研究本工程頂進方案時,有關人員還對頂進箱涵和涵管做了成本和工期的比較,以頂進內徑為2m的箱涵和管涵為例:采用箱涵頂進方案成本約為2萬元/m,采用涵管頂進方案成本約為1.5萬元/m。同時涵管頂進方案還可以縮短工期1/3甚至1/2?？梢娫谝欢▋葟椒秶鷥?采用管涵頂進要優于箱涵頂進。

3.2 直接頂進PCCP管道方案

該方案是直接將PCCP管道作為頂管頂進,頂進工藝與頂進管涵基本相同。該方案具有管涵頂進的優點,且工程量小、成本低、施工周期短;缺點是在頂進過程中的工藝和質量控制難度大,接頭漏水會造成基礎濕陷性土層沉降,影響輸水安全和公路路基安全,而且處理難度大。

上述兩個方案的優缺點比較明顯。利用箱涵或管涵頂進最大的缺點是施工周期長、成本高,而PCCP頂管相比之下成本要低、施工周期要短。至于PCCP頂管接頭滲漏問題的處理,可通過加強防身措施來實現。因此,在本工程實施過程中,有關人員以節省投資、加快施工進度和技術創新為目的,對PCCP頂管方案進行了重點研究。

4 本工程應用PCCP頂管的可行性分析

4.1 目前國內直接頂進輸水管的使用情況

國內頂管直接作為輸水管道是在PCCP使用發展過程中,根據PCCP結構特點和頂管特點由PCCP管廠所開發的一種新型頂管,其基本特點是帶鋼筒和承插口的預應力混凝土結構,分別作為管體防滲、接頭防滲、管體承受水壓力和外荷載措施。同時作為管道受力結構一般有兩種,一種是根據荷載情況設計采用兩層或三層鋼筋網鋼筒混凝土管體;一種是采用與PCCP完全相同的預應力混凝土結構,但保護層由砂漿層變為有一層鋼筋網的現澆混凝土保護層。因此,該頂管具有傳統頂管的全部功能并具有PCCP承受水壓力和接頭防滲的優點。也使該種頂管直接替代傳統頂管和內部穿管成為可能。

適應國內發展管道引水工程快速發展的形式需要,山東電力管道工程公司、無錫華毅管道有限公司、新疆國統管道股份有限公司分別于2006年、2007年、2009年研制生產了該種管道,并分別在陜西黑河水庫引水二期工程、河南云臺山引水工程、南通自來水公司管線工程、蘇州供水工程、東莞引水工程、杭州市七格污水處理廠二期進廠總管工程等多項工程中應用[1、2、3]。其中陜西黑河水庫引水二期工程采用了直徑2.4m的頂管2.2km,已運行近十年未出現異常情況;河南云臺山引水工程采用了直徑2.2m的頂管1km,已運行五年未出現異常情況。該兩項工程均為在北方地下水位較深的黃土區域所建工程,地質情況和管徑均對禹門口提水東擴工程具有很好的借鑒價值。

4.2 已應用的直接頂進輸水管道結構

4.2.1 非預應力鋼筒混凝土頂管

這種鋼筒混凝土頂管為帶鋼制承插口的鋼筒,內外焊接鋼筋籠后澆筑混凝土形成管體,管道接口采用承插式柔性接口,雙橡膠圈密封。這種結構山東電力管道工程公司有應用實例[1]。其結構設計如下。

(1)鋼筒鋼筒采用厚冷扎鋼板制成,兩端由鋼制承口環和插口環形成頂管的接口,接口采用雙膠圈的接口形式,便于管道安裝和接口密封性的檢驗。整個鋼筒隔斷了輸送水外滲的通道,形成了一個抗滲帶。

(2)鋼筋骨架網 鋼筒內側焊接單層鋼筋網,使鋼筒內側混凝土更好地與鋼筒內壁結合。鋼筒外側焊接雙層鋼筋籠,鋼筋規格根據管道使用工況設計確定。這樣鋼筒內外鋼筋籠與鋼筒形成一個整體,共同承擔管道所承受的內水壓和外部荷載及施工荷載。

(3)管體部分鋼筒內外澆注混凝土形成管體,鋼筒和鋼筋骨架籠埋置于混凝土中,達到混凝土對鋼材的良好防腐效果。

4.2.2 預應力鋼筒混凝土頂管

另一種是采用了與PCCP完全相同的預應力混凝土結構,但保護層由砂漿層變為帶有鋼筋網的二次模澆混凝土,也就是經特殊加工的PCCP結構,這種結構無錫華毅管道有限公司有應用實例。

4.2.3 兩種頂管的比較

兩種管道的主要區別是在承受內壓內壁裂縫情況不同。采用經特別加工的PCCP結構,充分利用了預應力鋼筒混凝土的優點,抗內壓能力強,在設計壓力下內壁不會出現裂縫。而普通鋼筋混凝土結構與預應力混凝土相比之下,在設計壓力下內壁易出現縱向小裂縫,裂縫深至鋼筋會對鋼筋造成銹蝕,該裂縫可能會對管道耐久性產生影響。從這點講,預應力混凝土結構的頂管又優于鋼筋混凝土結構的頂管。

4.3 本工程應用PCCP頂管的可行性分析

4.3.1 地質條件分析

本工程所設計各處頂管地層均為Q2和Q3黃土,土質均勻,地下水埋深在15m以下,非常有利于頂管作業,可頂進性好,利于提高開挖精度,且可以直接采用人工挖土作業。可見,從地質條件來看,本工程具備直接頂進PCCP管道的良好條件。

4.3.2 成本分析

采用PCCP直接頂進與傳統頂涵加套管工藝相比,可省去穿管工序、穿管安裝費和頂進箱涵或管涵材料。由于頂管內徑減小,僅此一項即可節省管材費用40%-50%,同時土體開挖量也可減少50%～60%。從節省投資角度來看,直接頂進PCCP管道是合理的。

4.3.3 防止管道接頭滲漏的措施

本工程應用PCCP頂管面臨的最大問題是防滲漏問題。與國內以應用的工程實例相比較,本工程頂管處為中等～強烈濕陷性土,管道基礎條件差。對于未經處理的具有濕陷性管道基礎,一旦出現滲漏,基礎出現沉降,不僅影響管道運行安全,而且會影響所穿越公路的交通安全。因此,防止管道接頭滲漏也是PCCP頂管的技術難點。

根據以往經驗,采用良好的安裝工藝和質量保證措施,PCCP管道接頭防滲是絕對可靠的,并能最大程度適應不均勻沉降。如河南云臺山引水工程采用了直徑2.2m的頂管1000m,已運行五年未出現異常情況。陜西黑河水庫引水二期工程采用了直徑2.4m的頂管2200m,當時安裝完成后進行接頭打壓檢驗只有5節管道不能正常打壓穩定,約占接頭數量千分之五;通過采取石棉水泥方案進行接頭抹縫處理后投入運行,目前已運行近十年未出現異常情況。本工程如能嚴格控制并減少承插口的制作精度,嚴格控制頂管施工工藝和安裝質量,并增加管內接縫加強防滲處理措施,頂管接頭漏水問題基本可以完全杜絕。

借鑒已經應用的工程經驗,防止管道接頭滲漏可采用以下措施。

(1)加強接頭防滲處理。可對頂管內部接縫進行防滲處理,可結合南水北調PCCP漏水管道處理措施對全部內部接縫進行加強防滲處理。

(2)加強接頭制作及安裝質量控制。制作時盡量減小管接頭橢圓度、頂進前先進行接頭水壓試驗,確認管接頭密封良好后再頂進,后期接頭漏水可能性很小。

(3)加強開挖和測量控制,提高頂管軸線和高程精度,最大限度保證承插接口處于正常工作狀態。

(4)加強通水前接頭打壓控制。把握接頭工作條件并對打壓不合格管道進行進一步處理和缺陷備案。

工程實踐證明,只要采取措施得當,接頭的滲漏問題是可以解決的,從而使PCCP頂管在本工程的應用成為可能。

5 PCCP頂管在本工程中的應用情況

經過有關人員的多方論證和技術咨詢,本工程采用了PCCP頂管方案。采用的PCCP頂管管節長3m,內徑直徑1.6～2.0m,其結構如下。

(1)預應力部分 采用與預應力鋼筒混凝土管相同的結構,具有防滲、耐久性好、可承受頂推力的特點。

(2)保護層用20cm厚的鋼筋網模澆混凝土代替砂漿保護層,增強了PCCP管的受頂推力的條件。

(3)接頭防滲結構采用了雙膠圈止水、管內接縫底層聚氯密封膏層、外層水泥砂漿層、表面聚尿防滲層結構,相當于對接頭防滲漏增加了多重保險.該防滲結構設計可保證在膠圈止水失效后作為備用防滲結構,提高了管道接頭抗滲漏能力。

目前,該方案得到了實施,并達到了預想的初步目標:施工速度快,縮短了近1/3的工期;投資節省近40%左右。PCCP頂管接頭采取的包括膠圈止水、管內接縫底層聚氯密封膏層、外層水泥砂漿層、表面聚尿防滲層等防滲漏措施,在頂進的PCCP管打壓試驗中也未發現異常,證明效果還是很好的。

6 結束語

綜合上述分析論證和應用情況來看,在Ⅱ～Ⅳ級自重濕陷土層內采用PCCP頂管是可行的。PCCP頂管在禹門口東擴工程中的應用,在山西省尚屬首例,其經驗可在今后的類似工程中推廣應用。

1 寧靖華,張士靜,李容高.頂進施工用鋼筒混凝土管的研制和應用.特種結構,2005年第3期

2 金文航,莫連華,潘治凡,駱衛忠.鋼筒混凝土管在頂管法施工中的應用中國市政工程.2005年第2期

3 李耀良,趙敏杰,張璐璐,王建華.砂性土中鋼筒混凝土管頂管施工技術[J].建筑施工,2007年第11期