串合疊梁式后背墻在壓力管道水壓試驗中的應用

黎偉鋒，羅滬文

（惠州市水電建筑工程有限公司，廣東 惠州 516001）

0 引言

大口徑PCCP壓力管道在進行水壓試驗時，在水的壓力作用下會對管道的悶頭產生巨大的水平推力，并全部傳遞到后背墻上；后背墻的整體性以及強度需保證在試壓過程中的水平推力作用下不被破壞且不產生大滑移。如后背墻不堅固，管道將產生很大的縱向位移，損壞法蘭，甚至產生環向開裂，極易引起安全事故。基于上述原因，后背墻在大口徑壓力管道下的水壓試驗研究層出不窮。孫鈺[1]等，針對長距離、大口徑PCCP管道水壓試驗靠背形式的簡化，以大伙房輸水工程DN2400PCCP管道為依托，提出了采用預制混凝土梁組裝靠背的方案。

根據規范規定，大口徑PCCP壓力管道水壓試驗的試驗管段不得用閘閥做堵板、一次水壓試驗管段長度不宜大于1.0 km[2]。對于長距離的輸水管道，為解決大口徑管道水壓試驗的后背支撐問題，通常都是視作大體量、整體的一次性現場澆筑鋼筋混凝土后背墻或設置鋼支撐結構，利用剛性墻或鋼支撐后的被動土壓力來平衡及抵抗水壓試驗時悶頭所傳遞出來的水平推力。其技術可行，但施工復雜，試驗完成后需拆除，不能重復利用、投資大、對工期影響大[3]。為了更加清楚地了解疊合梁后背墻在大口徑管道的應用安全性能，本文結合惠東縣稔平半島供水工程對其進行研究。

1 串合疊梁式后背墻設計與制作

1.1 結構設計關鍵點

1）后背墻采取預制鋼筋混凝土疊梁串合而成；各疊梁預留孔，孔內插入鋼軌（軌型：38 kg/m），將各疊梁串合起來共同承擔試驗壓力所產生的水平推力，防止外力集中作用在單個或少數疊梁上而導致抵抗力不足；

2）疊梁串合孔內插入鋼軌后灌入中粗砂并振實，使各疊梁層間所受的剪力迅速、有效地傳給鋼軌承擔，防止各疊梁受力不均導致主受力的疊梁產生位移、“沖切”破壞，以致于疊梁串合后背墻整體傾覆或解體；

3）疊梁預留串合孔上口尺寸稍大于下口尺寸，防止鋼軌拔出時，孔內的砂形成楔緊效應而影響鋼軌的順利拔出；預留孔內襯8 mm厚鋼板，防止疊梁預留串合孔周邊混凝土局部受壓超限而破壞；

4）疊梁分塊設計時與大口徑PCCP管道安裝現場使用的吊車的起吊能力相匹配，現場裝配。

1.2 施工制作關鍵點

1）鋼筋混凝土疊梁施工嚴格按《混凝土結構工程施工質量驗收規范》GB50204執行。

2）控制疊梁預制誤差、確保施工精度，防止裝配時串合孔不在同一軸線上，以免安裝時疊梁層間間隙過大或串合孔錯位。混凝土疊梁底板、頂面的平整度誤差不超過3 mm，串合孔的模具安裝垂直，上、下疊梁預留串合孔的錯位不超過3 mm；確保上下塊疊梁平穩和各疊梁組裝到位并共同受力。

3）串合孔每根梁設4個、均布，采用8 mm厚鋼板制作，與鋼筋安裝時預埋并固定；串合孔上開口尺寸：159 mm×139 mm，下開口尺寸：155 mm×135 mm，高度隨疊梁。

4）疊梁吊環采用HPB300圓鋼φ30制作，嚴禁用二級或三級鋼替代，使用冷加工鋼筋制作；吊環埋入構件的深度不應小于35 d，且應與構件內鋼筋焊接或者綁扎；為避免吊環影響疊梁組裝不到位，吊環設置于頂時采取隱藏式。

2 案例分析

2.1 工程概述

惠東縣稔平半島供水工程，輸水線路總長度約為62.300 km，其中管線總長度約為52.286 km。工程設計引水流量為5.2 m3/s。主要供水的對象為規劃建設的半島沿海工業區及旅游區，兼顧補充沿線稔山、鐵涌、平海和港口四鎮的綜合用水，工程等別為Ⅱ等，工程規模為大型。主管材為PCCPDE2000×6000/P0.6/H4(H6)和PCCPDE1800×6000/P0.6/H4等，管道采用溝埋方式鋪設，管頂覆土厚度不小于2.0 m。

2.2 串合疊梁式后背墻工作流程

惠東縣稔平半島供水工程串合疊梁式后背墻實施工作流程如下：

后背墻（疊梁式）預制→后背墻處基坑清理、平整→吊放第1、2塊疊梁，調平、穩固→臺背回填砂性土，人工分層夯實→吊放第3、4、5條靠背梁，調平、穩固→1～5號疊梁串成一體，串孔內的空隙灌填干中粗砂，敲擊、振動鋼軌，使砂振實→后背墻與悶頭、支撐體系聯結及加固→進行水壓試驗。

2.3 疊梁尺寸核算

惠東縣稔平半島供水工程大口徑PCCP壓力管道水壓試驗用的后背墻的尺寸一般按基坑的深度和寬度來設定，以DN2000管徑為例，墻高約為5.5 m比較適宜；疊梁尺寸初定為：B×b×H=4700 mm×1200 mm×5500 mm，經核算符合安全要求后，分5塊制作，設4組，其中上部2塊按側放布置，以增加后背墻擋土高度。

后背抗力按庫倫土壓力理論計算，后背墻的寬度B滿足下式要求：

式中：R為管道蓋堵水壓力傳遞給后背墻的總推力P為管道試驗壓力，P=1.5×0.6=0.9 MPa；D為管道內徑，即悶頭盲板直徑，D=2.0 m；F為后背墻與基底土的摩擦力，kN；摩擦系數取f=0.35～0.4Ep為后背墻被動土壓力，Ep=1/2·γ·H∧2·tg∧2（45°+φ/2）；K 為安全系數，取[K]=1.5。

將各值代入式（1），求出K值，若滿足K≥[K]=1.5，說明疊梁尺寸的選取是合適的。見圖1、圖2。

圖1 串合疊梁式后背墻俯視圖（單位：mm）

圖2 串合疊梁式后背墻設計組合簡圖（單位：mm）

2.4 鋼軌數量的確定及安全復核

后背墻的疊梁用鋼軌串合，各疊梁層間所受的剪力迅速、有效地傳給鋼軌承擔，防止各疊梁受力不均導致主受力的疊梁位移[3]。后背墻疊梁為5節，按最不利計算，其受影響最大的鋼軌串為中下2節；同時鋼軌串有4根，共同承擔剪力。

按工字形截面梁，剪應力計算公式：

式中：A為鐵軌截面積，A=4950 mm2。

鋼軌材料為U74，抗拉強度Rm=780 N/mm2，屈服強度取σs=410 N/mm2。

求得：τmax=2826×1000/4950/4=142.7N/mm2≤σs，經計算復核，用4根鋼軌串合是安全的。

3 結論與建議

在惠東縣稔平半島供水工程中，管道水壓試驗后背墻方案如采用現澆鋼筋混凝土，后背墻長寬高尺寸設計為4.7 m×1.0 m×5.0 m，按最少50次試驗、后背墻需要建造100座次計，預算造價達288萬元；采用串合疊梁式后背墻設計及施工，制作2組共20個梁塊，按50次工地轉運及安裝，施工成本約為38.8萬元，節省約249萬元，效益非常明顯。

串合疊梁式后背墻可以成功應用于惠東縣稔平半島供水工程此類大口徑、長距離的PCCP壓力管道水壓試驗中，且便于制造，變即建即拆模式為裝配式模式，能重復使用，實施簡單，所需費用較低，避免了每次水壓試驗完成后需對后背墻進行拆除造成的浪費和污染，節能環保，安全可靠。