滑移穿套玻璃鋼管法在東水西調改造工程中的應用

楊 玲，王 雷，王 亮，周志華

(1.北京市水利規劃設計研究院，北京 100048；2.北京水務投資中心，北京 100048)

東水西調工程是1990年為解決京西工業區供水危機而修建的一項重要應急供水工程。該工程把密云水庫來水從頤和園團城湖自東向西利用三級泵站和20km管道引至京西地區，解決當時四廠(首都鋼鐵公司、高井電廠、石景山電廠和門頭溝城子水廠)的生產生活用水。隨著官廳水庫水質變差，1994年為保證門頭溝城子地區的飲水安全，東水西調歷經改造后成為城子水廠的專用供水管線，一直運行至今[1]。2014年南水北調中線供水進京，東水西調納入南水北調總體規劃，賦予了新的供水功能，提出了新的供水要求。根據區域社會、經濟以及環境發展的需要，保證安全高效地使用南水，最大限度地發揮現有工程的作用，對東水西調存在隱患的部分供水設施進行了新的改造，為石景山區、門頭溝區提供水質優良、安全健康的南水北調中線或密云水庫水，實現雙水源供水，提高供水保證率[2]。

東水西調工程穿越海淀、石景山、門頭溝區，管道上部地面建筑物密集，無法采用明挖施工法對年久失修的管道進行更換；同時，受投資、現狀管道管材、管徑以及改造后管道輸水能力、糙率、施工工期、拆遷工作等因素影響，最終選定采用滑移穿套法改造現狀存在安全隱患的管道，本文介紹了滑移穿套玻璃鋼管在東水西調改造工程中的應用，以及在設計和施工中應注意的問題，為以后中心城區的老舊管道改造提供一定的借鑒經驗。

1 滑移穿套玻璃鋼管法在東水西調工程中的確定

滑移穿套法是一種非開挖復原管線技術，通過把糙率較小、直徑相對較小的新管牽引推入已惡化的現狀管道，并在現狀管道和新管之間填塞填縫材料防止內管發生較大的振動位移，以達到恢復原有管道輸水能力的目的。

滑移穿套玻璃鋼管法在恢復輸水能力、縮短施工工期、節約工程投資、簡化施工工藝等方面具有如下優點：

(1)穿套會縮小輸水管徑，但不影響輸水規模和輸水能力

采用套管必定會縮小輸水管道管徑，為不減少輸水過流流量，必須選用比原糙率更小的管材。東水西調現狀鋼筋混凝土管糙率為0.014，可以達到套管糙率要求的管材有：鋼管、涂塑復合鋼管和玻璃鋼管。其中，鋼管糙率0.012，涂塑復合鋼管和玻璃鋼管糙率0.009。

根據東水西調需要改造段管道的控制輸水工況，經計算，不同管材的穿套管徑要求見表1。

表1 不同管材的穿套管徑比選

由表1可見，從符合穿套條件并滿足水力性能要求角度看，復合鋼管和玻璃鋼鋼管都能滿足要求，而DN1000鋼筋混凝土管穿套DN950鋼管時略顯困難。

(2)現狀管道供水運行中，應盡力減少改造停水期

由于東水西調工程是城子水廠的專用供水工程，沒有其他長期性可替代水源，而城子水廠承擔著門頭溝門城、廣寧、麻峪地區20萬人的飲水問題[3]，因此東水西調管線工程的改造須選擇改造工期短、停水工期短、停水影響小的施工工藝。施工工期主要體現在接口安裝工期和頂進工期兩個方面。

接口工期：鋼管和涂塑復合鋼管均需采用現場焊接方式，焊接工期長。若需減少焊口數量，則需增加管節長度，增大豎井結構尺寸和頂管頂力。而玻璃鋼管采用承插接口，并設置膠圈，安裝方便快捷，能有效縮短施工工期，并能夠在穿套完成后從管道內部對每個接口進行試壓，不受作業空間限制的影響。

頂進工期：鋼管和涂塑復合鋼管自身重量大，在頂進過程中需要頂力較大，頂進較慢；玻璃鋼管自身重量小，且承插口形式讓穿套過程中接觸面較小(只有承口局部與原管道接觸)，頂進力較小，更容易實現穿套過程，大大加速了頂進過程。東水西調改造工程實際施工中，DN1400玻璃鋼管每天至少安裝頂進40m。

因此，從縮短停水施工工期角度來看，不管是接口工期還是穿套頂進工期，玻璃鋼管都具有較大的優勢。

(3)中心城區占地拆遷難度大，應盡力減少豎井數量和尺寸

在現狀混凝土管中滑移穿套玻璃鋼管相對于鋼管頂進更為容易，摩擦力更小，頂進力要求更小，對頂進設備要求也更低。同樣的頂進力能使頂進長度大幅度增加，減少了施工豎井的設置，在中心城區很大程度上緩解了拆遷壓力。此外，由于玻璃鋼管接頭采用柔性橡膠圈密封，每個接頭還具有1°～3°的偏轉作用，對于現狀管道較小的轉彎(1°～3°)[4]可以通過接頭借轉糾偏后繼續頂進，不需增設豎井。

東水西調改造工程中，DN1400玻璃鋼管最長穿套頂進距離達302m，且成功利用接頭借角少設置4座豎井，大大減少了豎井的占地拆遷工作量。

(4)穿套法有效利用現狀管道，節約工程投資

穿套技術有效利用原有混凝土管做支撐骨架，既可以減少地面拆遷工作量、減少工程開挖量，又能高效利用原有混凝土管的結構剛度，保護內套管免受外部載荷，降低內管的剛度要求，一舉兩得的方案能夠有效節約投資。

對于輸送相同流量，從表1中可以看出，選用玻璃鋼管可縮小約1～2個管徑等級，節省管材投資費用；其次由于鋼管和復合鋼管質量重，管道在運輸、現場吊裝成本費用也遠遠高于玻璃鋼管。總之，從管材成本、運輸成本、現場安裝施工、頂進設備成本角度看，玻璃鋼管會比鋼管節約很大投資。

根據以上四個方面，東水西調改造工程最終選擇采用滑移穿套玻璃鋼管法施工。

2 滑移穿套玻璃鋼管法在設計和施工中的重點

2.1 設計中的重點

(1)軸向強度確定

承插口的玻璃鋼管在原混凝土管內形成以承插口為支撐點的連續架空結構形式，這種連續架空結構對玻璃鋼管的軸向拉伸強度提出了更高的要求；同時，在穿套頂進過程中需要克服摩擦力頂進，對管道的軸向抗壓強度也提出了相對于普通埋地玻璃鋼管更高的要求。因此，如何合理確定合適的軸向強度是滑移穿套玻璃鋼管設計中的重點。

以電廠段現狀DN1600混凝土管穿套DN1000玻璃鋼管為例，管道設計工作壓力0.4MPa。若采用埋地方式敷設，玻璃鋼管的軸向拉伸強度僅需180kN/m，環向強度1260kN/m即可。在東水西調實際穿套施工中，選用了軸向拉伸強度為230kN/m，環向強度1890kN/m，成功完成穿套施工。

(2)剛度確定

常規的埋地施工和土中頂管玻璃鋼管都需要采用高剛度，因為埋地管道需要承載土壤載荷和其他外部荷載，而頂管施工更需要在頂進中承受較大摩檫力和頂進力。而滑移穿套玻璃鋼管是利用現狀混凝土管來承擔外部荷載，玻璃鋼管本身并不考慮承受外載荷，頂進過程中與現狀管道的摩擦力也遠小于在土中的摩檫力，因此可以采用剛度較小的管材，避免不必要的浪費。根據CECE246∶2008《給水排水工程頂管技術規程》，玻璃鋼管頂管的剛度等級不應小于15000Pa[5]。

在東水西調改造工程中，滑移穿套的不同管徑的玻璃鋼管的剛度均為5000Pa，遠小于常規頂管對管材剛度的要求。

(3)是否采用夾砂管

玻璃鋼夾砂管相比純玻璃鋼管剛度更大，壁厚也相對更厚，但成本更低，適用于壓力小、外荷載較大、維護量小的大口徑管道。東水西調改造工程中，在玉泉山段和電廠段DN1600現狀混凝土管中穿套DN1400和DN1000玻璃鋼管時，考慮到穿套空間富余量較大，本著結構安全并節約投資的原則，采用了夾砂管，而在石電支渠段DN1000現狀混凝土管中穿套DN880管道時，考慮到外荷載較小且穿套空間極為狹促，為了更快捷順利的滑移穿套，采用了重量相對較輕、但成本相對較高的純玻璃鋼管。

2.2 在施工中的重點

(1)接口連接

承插接口在滑移穿套過程中容易錯位或者發生膠圈脫落，影響接口嚴密性。穿套施工中，應進修三次接口打壓。首先應在穿套推進前對每個接口試壓，其次在每段管道滑移穿套就位后，對每個接口進行復檢，若發現有接口漏水，則應從接口內側做糊口處理，以保證接口不會出現漏水現象。最后在每一個水壓試驗段管道穿套完成后、水壓試驗前，應再次對每個接口進行一次打壓復核檢查，確保水壓試驗成功。

(2)灌漿填縫

滑移穿套完成后，應進行灌漿縫，防止玻璃鋼管在混凝土管內發生漂管等較大位移，進而影響管道本身及接口的穩定。灌漿填縫是關系到整個滑移穿套工藝是否成功的最關鍵環節。

根據東水西調改造工程的實際施工經驗，內外管空間間隙較小的可以采用水泥砂漿灌漿，水泥砂漿稠度70～100mm，灌漿壓力0.02MPa，如DN1000現狀混凝土管中穿套DN880管道；若內外管空間間隙較大，則可以采用流動性較強的自密實混凝土進行灌漿。分段灌漿的管節長度不宜較長，以不超過15～20m為宜。同時在灌漿之前應采取管箍措施保障在灌漿過程中管道不發生偏移和漂浮。

3 結論及建議

(1)東水西調改造工程中共在現狀混凝土管中滑移穿套玻璃鋼管3.54km，其中包括DN1600管道中穿套DN1400玻璃鋼管2273m，DN1600混凝土管道中穿套DN1000玻璃鋼管850m，DN1000混凝土管中穿套DN880玻璃鋼管420m。截至目前，已成功通水運行一年多，未發現管道漏水等其他事故現象。工程實踐較為成功。

(2)滑移穿套玻璃鋼管法縮小輸水管徑但不影響輸水規模，施工方便快捷,節約施工工期，能有效減少拆遷工作量，同時有利于節約工程投資，對于在城市中心區的老舊給水、排水管道更換具有較大的推廣價值。

(3)玻璃鋼管制造機械化程度較低，生產過程中受人為因素影響較大，因此在使用中應特別注意出廠管材的質量控制和檢驗。