自密實混凝土在穿堤管道堵復工程中的應用

賈士強 賈麗

摘要：對違規穿越東平湖圍壩的天然氣管道，為防止滲水作用形成的流土和管涌影響堤防穩定，結合管道穿越形式和區域地質條件，提出采用泵送法輸送混凝土封堵管道，在管道入口處由一節定做的變截面鋼錐管與天然氣管道連接，將天然氣管道直接作為混凝土泵送管道，對其輸送混凝土進行封堵并進行入口段防滲、出口段反濾、管周土體高噴截滲處理的堵復和加固方案，確保管道不危及堤防安全。同時對方案實施中自密實混凝土的配制與混凝土地泵選型進行分析和計算。該方案投資少，施工影響小，具有較高的社會、經濟、生態效益。

關鍵詞：管道堵復;泵送法;自密實混凝土;混凝土配制;地泵選型

中圖分類號：TV871.2 文獻標志碼：A

水政執法人員巡查過程中發現，在東平湖圍壩樁號40+050處，某天然氣管道工程以定向鉆穿越東平湖圍壩的方式，違規布置了一根天然氣輸送管道。該管道的穿越堤防位置、范圍不符合“有堤防河段新建管道工程原則上宜采取跨越堤防方式，管線工程確需采取穿越堤防方式的，須經充分論證，并采取相應的補救措施，保證管線本身出現任何安全故障時不得危及堤防安全”的規定。

本文以該管道穿越形式及區域地質資料為基礎，就管道堵復方案進行分析研究，提出針對穿越堤防管道的加固方案，確保管道不危及堤防安全。

1 工程概況及處理必要性

該天然氣管道為L360M直縫高頻電阻焊管（D273mm×8.8mm。管道工程等級為河流中型穿越，穿越處管道地區等級為二級，定向鉆曲率半徑為1500D，人土角為11°，出土角為8°。管線設計壓力為6.3MPa。管線總長565m，總體為U形。天然氣管線頂部埋深為19.70m，入土點位于東平湖新湖區內，距圍壩壩腳約135m，穿越圍壩處樁號40+050，出土點距京杭運河西堤堤腳約75m。

天然氣管道穿越堤防埋置地下，將會逐漸發生銹蝕滲漏或部分接口破壞，一旦啟用新湖分洪或蓄水，一是水流會在管道內形成流路，滲水會帶走河床和圍壩基礎下的土顆粒;二是由于定向鉆施工過程中改變了原土層的結構特性，管道與土結合處易形成滲水通道，在高水壓的作用下，將會沿管壁滲流或在長期滲水作用下形成流土或管涌。根據區域地質條件分析，場區地下水及湖水在浸水條件和干濕交替條件下，對鋼結構具有微腐蝕性。以上現象將影響圍壩穩定，給東平湖蓄滯洪水帶來安全隱患，應予以消除。

東平湖滯洪區設計運用水位43.72m（1985國家高程基準，下同），相應滯洪量為33.54億m³。東平湖圍壩為I級堤防，如果管道處圍壩決堤，遇東平湖新湖分洪運用，洪水將漫淹梁山縣、鄆城縣的大部分，水順京杭運河以西和洙趙新河以北人南陽湖，淹及嘉祥縣和巨野縣的一部分，共淹66個鄉（鎮），受淹面積3 319km²，受淹人口205.06萬人，淹沒耕地14.6萬km²，不計林、牧、副、漁業及交通設施，一次決溢經濟總損失約為43億元。因此，從蓄滯洪區安全運用方面考慮，該管道存在的問題必須通過工程措施予以消除，以保證東平湖蓄滯洪區正常運用。

2 天然氣管道封堵方案

2.1 封堵方案設計

針對該工程管道長、埋置深，且管道在地面以下呈U形布置的特點，如將管道全部挖出，對現有堤防工程的破壞很嚴重，放坡開挖挖地、壓地多，移民賠償工作難做，開挖管道投資高，環境破壞大，并嚴重影響梁濟運河河道過流。為保證穿堤管道不危及堤防安全，結合管道長度長、管徑較粗的實際情況，本次設計采用高壓地泵輸送混凝土封堵管道的方案。由于天然氣管道長且為U形，混凝土泵送管道無法進入待封堵管道施工，因此擬將天然氣管道直接用作混凝土泵送管道，人口處由一節定做的變截面鋼錐管與天然氣管道連接。地泵出口壓力不小于混凝土最大泵送阻力。考慮工程的特殊性，如骨料太大容易在長距離泵送過程中將管道堵死，泵送混凝土采用具有良好填充性和間隙通過性的自密實微膨脹混凝土。針對整個管道的封堵加固，提出經濟、合理、可行的實施方案：自密實微膨脹混凝土堵復管道、人口防滲、出口反濾、管周土體截滲處理的補救方案，見圖1。

2.2 自密實混凝土配制與混凝土地泵選型

2.2.1 自密實混凝土配合比技術指標

自密實微膨脹混凝土的配制是管道堵復技術的核心。一般通過復合摻人活性礦物摻料和化學外加劑來降低水灰比，提高混凝土的流動性，并達到緩凝、保塑的施工要求。活性礦物摻料除了取代一部分水泥、減少收縮的作用外，還可以取代一部分細骨料，通過發揮其微集料效應，更好地填充混凝土內部的孔隙，起到改善混凝土的和易性和可泵性、提高混凝土的密實度和耐久性、減少泵送時混凝土對管壁的摩擦阻力的作用;因高強自密實混凝土所用膠凝材料總量在500～550kg/m³之間，砂率較大，粗骨料用量和粒徑均較小，容易產生較強的收縮，引起內應力裂縫，從而導致混凝土強度和耐久性降低，需要通過加入膨脹劑來保證混凝土的無收縮或微膨脹。

天然氣管道封堵采用高壓地泵管道灌注，要求混凝土具有良好的工作性能，能夠無需振搗自動填充，快速施工。要求混凝土坍落度為200mm±20mm，經時損失≤20mm/h，擴展度為600mm，無抗凍要求，混凝土強度等級為C30。

（1）原材料：①水泥型號為P·O 32.5，優先使用不含礦物摻合料的硅酸鹽水泥;②砂為中砂，含泥量不得大于3%;③碎石規格及比例為細石子（粒徑5～16mm）：粗石子（粒徑5～25mm）=40：60;④粉煤灰為I級粉煤灰;⑤外加劑為聚羧酸高效減水劑;⑥膨脹劑為UEA膨脹劑。

（2）配合比設計如下。

①混凝土配合強度及配合比計算。根據設計要求以及《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011），要求該混凝土符合《自密實混凝土應用技術規程》（CECS 203-2006）中三級自密實要求。

水泥強度等級：

f_ce=γ_Gf_ce.g=1.12×32.5=36.4MPa

膠凝材料28d膠砂抗壓強度值：

f_b=γ_fγ_sf_ce=0.85×1.0×36.4=30.94MPa

混凝土配合強度：

f_cu.0≥f_cu.k+1.645o-=30+1.654×5.0=38.27MPa

計算得自密實混凝土水膠比：

W/B=α_af_b=（f_cu.0+α_aα_bf_b）=0.46×30.94/（38.23+

0.46×0.07×30.94）=0.36

②水泥、摻合料、外加劑及用水量的確定。混凝土設計使用年限為100a，電通量指標小于1000C，環境作用等級為T1、H1。根據規程和設計要求，為滿足其工作性要求，自密實混凝土膠凝材料總量不應小于500kg/m³，水膠比應小于0.35。為提高混凝土的耐久性，滿足混凝土封堵管道要求，在混凝土中摻人粉煤灰、膨脹劑和減水劑，經試驗確定用水量為164.4kg/m³。考慮摻有膨脹劑強度會降低，選取水膠比為0.30，此時有摻合料膠凝材料總量為548kg/m³，膨脹劑8%摻量等量取代水泥摻量為43.8kg/m³，粉煤灰20%摻量等量取代水泥摻量為109.6kg/m³[1]。

表1為C30自密實微膨脹混凝土參數和配合比。

2.2.2 混凝土輸送地泵參數與選型

（1）混凝土泵的工作壓力計算。混凝土泵送時總的壓力損失為

P=P₁+P₂+P₃式中：P₁為混凝土在泵管內流動中的沿程壓力損失，包括混凝土的黏性所產生的阻力以及混凝土流動中產生的摩擦阻力;P₂為混凝土管中的彎管、錐管所產生的局部壓力損失以及屬于泵體的換算壓力損失;尸。為混凝土垂直泵送時克服混凝土重力所需要的壓力[2]。

根據《混凝土泵送施工技術規程》（JGJ/T 10-2011），混凝土泵的額定工作壓力應大于P。

每1m長水平管的壓力損失

考慮錐管、彎管、傾斜上下管的水平換算，計算得管道的水平換算距離L為1215m，則

P₁=ΔP_H×L=0.00444×1215=5.39MPa

以每個彎管、錐管的換算壓力損失為0.1MPa計，屬于泵體的Y形管、分配閥換算壓力損失約為0.08MPa，則

P₂0.1x3+0.08x2=0.46MPa

P₃=ρgh=2350×9.8×（36.12-19.72）=0.38MPa

總壓力損失P=5.39+0.46+0.38=6.23MPa。因此，混凝土泵的額定工作出口工作壓力應大于6.23MPa，以此選配混凝土地泵型號。

（2）混凝土泵的數量及選型。混凝土輸送泵由泵體和輸送管組成，通過采用外部動力驅動泵送系統，通過液壓系統利用壓力將混凝土沿管道連續輸送。本次封堵天然氣管道對混凝土泵各系統的要求有[3]：①液壓系統泵送油路采用開式回路，液壓泵采用變量柱塞泵，額定壓力高;分配回路采用恒壓變量控制系統，液控換向。②泵送系統采用耐磨性能好的大直徑混凝土缸。③攪拌系統采用定量齒輪泵系統，擺線馬達通軸驅動攪拌葉片;料斗攪拌機構采用浮動密封，確保混凝土連續、高效泵送。④分配閥型式為S管閥，要求閥組質量穩定可靠。⑤具有冷卻系統，確保設備即使在極端天氣下也可正常工作。⑥油電兩用的外部驅動確保適應野外供電不便的環境。

擬采用JBS40-10-45帶攪拌滾筒中高壓混凝土泵。最大理論混凝土輸送量為40m³/h，輸送泵缸徑D=0.18m，混凝土缸內活塞沖程L=1.1m，混凝土缸數量為2。作業效率η為0.6，管配條件系數α為0.85，混凝土出口壓力為10MPa，額定出料容量為0.45m³，額定功率為45kW。封堵管道的混凝土灌注量q_n為9.0m³/h。

混凝土泵車需要臺數N=q_n/（q_maxη）=9.0/（40×0.6）=0.38，因此需要一臺混凝土地泵車。

根據《大體積混凝土施工規范》（GB504%-2009），每臺混凝土泵的實際平均輸出量為Q=Q_max·α·η=40×0.85×0.6=20.4m³/h。封堵整個管道所需混凝土約為28.5m³，因此該混凝土地泵正常運轉后約需1.5h可完成管道的封堵工作，實現快速施工要求。

2.3 天然氣管道入口段防滲

為防止管道銹蝕破損及管道與土層連接處管道定向鉆穿越施工造成的土層松動，或者新湖分洪蓄水運用后在長時間滲水作用下對圍壩產生滲透破壞，需對管道人口段進行防滲處理，以防止土顆粒在長期滲透作用下被大量帶出造成管涌破壞。

天然氣管道封堵以后，管道人口處開挖基坑至黏土層頂高程以下1m，基坑內的管道一并拆除。基坑寬度為4m，順管線長20m，深4.5m，邊坡坡比1：20然后回填防水材料，由于當地黏土稀缺，因此采用當地土質較好的壤土加水泥，按水泥：壤土（質量比）為14：100制成水泥土，回填至地面高程以下1.0m處，水泥土上覆蓋1.0m壤土，以便土地復耕。

2.4 天然氣管道出口段反濾

為防止新湖長期滲水帶走大量地下土顆粒，需對管道出口段進行反濾處理。考慮在管道封堵以后，管道出口處開挖基坑至地面以下3m，基坑寬度為4m，順管線長15m，深3m，邊坡坡比1：2。做3層反濾：自上而下分別為碎石厚0.5m、粗砂厚0.5m、中細砂厚0.5m。反濾層上覆壤土1.5m，以便土地復耕。

2.5 天然氣管道管周圍土體截滲加固

為了防止因管道施工擾動土體、固結后形成空洞影響圍壩的安全，應對管周進行截滲處理。截滲墻工藝具有施工方便、工效高、可有效消除堤身堤基滲水等優點，尤其是可以解決堤基強透水層漏水問題。在堤身和堤基透水覆蓋層中設置不透水截滲墻到相對不透水層，截斷滲流途徑，減小滲透流速、滲透坡降和出逸比降，從而防止堤壩發生管涌、流土、滑坡等滲透破壞，同時可減少工程永久占地及移民搬遷，是常用的堤壩加固措施。

考慮對施工造成的管道外壁土體松動及空隙進行加固，加固位置分別在：①緊挨人口防滲處（靠近圍壩側）順管長8m;②從圍壩臨湖壩腳位置處向臨湖側順管道方向加固30m，向背湖側順管方向加固至背湖壩腳外2m處，長度35m。加固長度共73m，高度為天然氣管道中心線上、下各2m，寬度為天然氣管道中心線左、右各2m。

目前，截滲墻加固施工工藝有多種，如混凝土截滲墻（開槽法）、水泥土攪拌樁截滲墻、振沖板墻截滲墻、高壓定向噴射灌漿和垂直鋪塑等。工程區地層大多為軟塑、可塑狀態，含水量高且成墻位置在堤防多個不同部位，地質結構變化較大，除高壓旋噴灌漿工藝外，其他截滲墻工藝對管道周圍擾動土的加固作用不明顯，加固效果較差，因此采用高壓旋噴截滲墻。

管道周圍土體灌漿加固后，需對加固體上部未灌漿的鉆孔進行封孔處理，防止形成新的滲流通道。經過對回填灌漿、黏土球封孔等措施進行經濟技術比較后，確定采用既經濟又便于實施的黏土球封孔。要求黏土球直徑為2.0～2.5cm，風干后使用。黏土的黏粒含量大于30%，塑性指數大于17。采用黏土球封填時，按2.5倍孔內取出土體的質量向孔中投入黏土球，每次實際壓實封孔的孔段長度控制為0.3m，工程鉆孔孔徑為130mm，孔體積為3.98×10^-3m³，理論封填量為13.93kg。

3 結語

（1）東平湖圍壩天然氣管道堵復補救工程采用泵送自密實微膨脹混凝土，與傳統開挖基坑再拆除管道相比，減少了基坑開挖土方及開挖土堆放臨時占地費用，避免了施工期間對運河河道過流的影響，具有明顯的社會效益、經濟效益、防洪效益和生態環境效益。

（2）對確需穿越堤防的管線的補救措施，或違規穿越堤防的管線消除安全隱患工程措施，可利用自密實混凝土管道堵復技術，在較小投資的情況下消除堤防的安全隱患，而且不影響河道行洪和防洪。

（3）隨著我國經濟發展和沿河城市發展戰略規劃的逐步實施，近年來穿越河道輸油、輸氣管道數量逐漸增多，管道的使用年限為 30～50a，遠小于大堤的使用年限，待管道報廢后，對爬越堤防及穿越主河槽的管道，可利用該方案將管道堵復和加固，以較小的投資消除隱患。該堵復技術在涉河項目中具有借鑒意義和推廣應用價值。

參考文獻：

[1]彭新顏.自密實微膨脹混凝土配合比設計和施工要點[J].科技致富向導，2010（14）：201-202.

[2]鄭捷.混凝土泵送壓力的幾種計算方法[C]//中國硅酸鹽學會.2009年全國商品混凝土技術與管理交流大會論文集.北京：中國硅酸鹽學會，2009：244-246.

[3]李寶國.混凝土輸送泵的選擇[J].山西水利科技，2011（4）：46-47.