南水北調北京段停水檢修施工組織及工期優化

劉燁華 楊玉鋒 楊進新

(北京市水利規劃設計研究院，北京 100048)

1 工程背景

南水北調中線一期工程(北京段)自2008年開始輸水，至2019年底共輸水50億m3，其中2017—2018年度輸水達12.11億m3。南水北調已成為支撐首都可持續發展的重要水源。目前工程處于工程建設期的運行管理階段，工程檢修、大修的標準和年際安排尚未明確提出。自2008年通水至今，2009年和2014年進行了兩次年際檢修，2017年對右線局部區段進行了停水排空檢修。

工程通水運行多年，主體結構未發現明顯滲漏、爆管、破損，但全線未進行停水檢修，經水利部和北京市委、市政府批準，于2019年11月開始停水進行全面檢查與設施設備維護，檢修范圍為惠南莊～大寧調壓池段輸水管道(PCCP)、崇青及西甘池隧洞、大寧調壓池、永定河倒虹吸、盧溝橋暗涵、西四環暗涵、團城湖明渠7個單元工程共80km，檢查內容為主體結構、水機設備、金屬結構、電氣及自動化設備、附屬設施，主要存在問題為大范圍疑似斷絲管節、局部管道裂縫及部分設備設施損壞、管內附著物及藻類沉積，根據檢查結果及運管單位要求進行維護更新、加固及完善。

2 工程實施方案

工程停水檢修執行以下技術路線：工程停水調度→工程排水→工程現狀檢查→確定處理方案→實施加固修復→工程充水→加大流量聯合試驗、恢復供水。具體實施方案如下：

干線檢修期間的停水調度：通過京密引水渠和密云～懷柔～九廠的輸水管線，將密云水庫水源輸送給北京市，共需密云水庫水量5.6億m3。

工程排水流程為全線管涵尾水自流→管涵末端及分水口集中抽排→分段排水放空→局部低洼部位積水抽排，理論排水量約為195萬m3，計劃工期1.5～2.0個月。

工程主體結構現狀檢查以人工普查為主，檢查工程主體結構、管涵襯砌外觀，包括裂縫、滲水點、表面疏松層、剝離深度和剝蝕面積、伸縮縫情況、鋼筋銹蝕外露等缺陷，分左右線統計分布和數量情況，并同時檢查各類水機、電氣、金結設備，計劃工期15～30天。

加固修復：根據部位、埋深、壓力及開挖條件進行分類，對管涵采用外預應力鋼絞線加固、地面卸載或注漿、管道內環氧涂層封閉裂縫及內貼碳纖維布修復、管涵變形縫重新修復、變形縫手刮聚脲涂層封閉處理。人工清除管內附著物和淤泥，維修更換各類水機、電氣、金結設備、設施，工期5個月。

最后是恢復供水階段，通過惠南莊泵站給PCCP充水，PCCP充水及分段打壓測試，進行加大流量聯合調試試驗，然后恢復供水，工期15天。

根據上述技術路線各階段任務和工期安排并考慮檢修項目的特點，擬定停水檢修期8個月。

3 施工組織及工期優化

3.1 工程排水及檢查

3.1.1 根據控制工期的關鍵節點布置排水分段

為滿足全線排空需要，排水組織結合歷次排水積累的經驗，在現有設備基礎上增加排水設備，先后啟用干線雙側管涵排水口，控制總體工期在1個月以內，排水區間分段以能夠滿足進人檢查要求進行優化設置。

工程檢修經檢查及專項檢測和測試后，再確定管道修復或加固的具體方案，因此實施效果及工期存在較大不確定性，故根據控制工期的關鍵節點和區段提前安排工作，結合實際可用排空點位及排水設施在有限資源前提下合理調配，通過模擬計算管道積水排空排水量及排空時間，確定PCCP工程干線2～3號排空閥井段及4～5號排空閥井段、7號排空閥井為重點強排區間，并從中根據工程修復和加固需要選取抽排控制節點(見圖1)。

圖1 分段排水過程模擬分析

對控制性的重點區段排空井附近河道進行事先協調，采取局部工程措施保證其排水，在分段排水放空階段集中力量加大抽排，提前半個月完成區段排水，優先實現控制節點的干場作業條件，給關鍵節點后續施工提供了較充足的工期裕度。

3.1.2 密切排水與檢查銜接，統籌排水及檢查工期安排

加強排水與檢查的密切銜接，在能夠保證管涵內人員安全的前提下，排水按不影響人身安全的0.5m水深為限，即攜帶安全監測儀器第一時間進洞檢查，外觀檢查分段多工作面進行，隨排水隨檢查隨匯總，建立各專項檢修工作決策機制，第一手數據及時上報不過夜，在各層級共享平臺匯集資料實時分析研判。全段排水與基本完成外觀檢查同步完成，實現外觀及結構檢查不占據直線工期，專項檢測、測試及試驗等盡量少占用直線工期。

在12月初全部排水工作結束時，結構檢查記錄及統計已完成，襯砌結構數字地質雷達檢測和電磁法檢測斷絲數量已開展，現場剝離砂漿斷絲驗證已準備就緒，基本達到了預期的設想，排水及檢查工期整體上實現了優化。

3.2 工程加固修復

3.2.1 內加固段推行施工工序標準化和機械化，實現工期協調可控

對PCCP縱向裂縫和大范圍斷絲管節采取內部粘碳纖維布方式加固處理，縱向裂縫管對裂縫進行表面封閉，管內環向粘貼一層碳纖維，最后表面涂刷環氧涂層封閉。大范圍斷絲管節采用1縱+6環共7層粘貼碳纖維，按PCCP管內壁表面處理流程為第1層碳纖維布環向粘貼→第2層碳纖維布縱向粘貼→第n層碳纖維布環向粘貼→碳纖維表面涂環氧保護涂層、接口部位粘貼碳纖維手刮聚脲(見表1)。

表1 管道不同補強類型的碳纖維布內加固方式

因檢查分析后需內加固的管道數量有較大的增加，根據管道內加固分析計算，部分管節需粘貼7層碳纖維布，數量大且呈集中分布，90%以上處于19～21號排氣閥井段，管內作業全部在地下有限空間進行，施工作業安全和勞動防護要求高，同時作為南水北調干線工程，施工質量需嚴格控制。

針對上述情況，考慮到7層纖維布粘貼層數的特殊性，結合前期試驗形成的1縱+3環施工工藝技術標準，形成了一套可實施的施工工序和相應要求，作業前全程人員培訓和認證，嚴控基面打磨、粘貼及封閉等工序的施工要求，確保施工質量達到統一工藝標準。在此基礎上，創新優化各工序施工方式，改良形成標準化適用弧面的打磨吸塵一體施工工序，連續內加固段下部搭設臨時棧橋提高工效，特定條件下應用全環同步間隔施工法。施工過程中經多方比選及試驗，確定增柔增韌的改進型環氧涂層，1.5mm厚環氧涂層一次成型，并優化4mm手刮聚脲涂刷6遍成型的等強時間，通過增加層間胎基布提高層間附著力，保證各項作業程序符合要求的同時優化工序銜接，全程記錄施工信息形成實時臺賬，做到施工質量和責任可實時追溯。管道內加固優化項目及效果見表2。

表2 管道內加固優化項目做法及效果

3.2.2 管外預應力加固集中各專業力量改進技術方案，持續優化確保安全

管外預應力加固方式主要用于周口河和19號閥井附近管道加固，其中周口河處為雙線共20節連續加固管道段，除6節為驗證斷絲數需剝離防腐層后進行加固，施工工序按圖2所示跳倉法進行，其他管節在管外直接環穿鋼絞線加固。

圖2 管外剝離保護層后環穿鋼絞線加固工藝流程

在吸收前期試驗形成的常規管外預應力加固施工工藝的基礎上，充分研究高地下水位條件下的PCCP管節連續加固的復雜性和可實施性，期間還需預留取樣驗證及斷絲檢測的周期，同時新冠肺炎疫情的爆發進一步壓縮了可用于外加固施工的時間，針對上述面臨的困難和風險，采取了多種技術手段盡可能地保障工期和工程質量。

首先考慮開挖基坑與干線排水同步進行，減少基坑開挖占用直線工期，并充分預留降水作業工期，降低砂礫石層施工降水難度。管道剝離保護層和鋼絲、環穿鋼絞線等加固工序作業時，在嚴格按5個單元區劃分施工的前提下，統籌考慮加固管段的整體穩定和各管節的自身穩定，相鄰管道同期施工單元區數錯鋒波動排布，同時單節管道施工優化為兩序施工，即一序進行兩個或三個單元區施工，二序進行剩余單元區施工，并采取管底鋼木支撐和保留完好管基土等措施保持管道穩定。鋼絞線張拉時布置全周腳手架形成雙側通長型施工平臺，預緊結束即進行下一工序施工，全部鋼絞線固定完成后，跳倉分區統一逐級循環張拉到控制應力值，減少工序輪換操作的繁復性。

管外壁固定鋼絞線的錨具需進行防護，數量多達600個，采用特制的標準化外保護罩包裹外露錨頭，再安裝標準化的模具用于保護層砂漿澆筑，模具可重復使用降低成本，同時提高工效。管基回填支立特制異形模板，兩側同時架設并側向支撐，上部預留澆筑口灌注自密實混凝土以保護加固管道穩定。管周鋼絞線外部掛鋼筋網后，機械噴涂環氧聚合物砂漿，人工配合刮涂管道頂部，保證鋼絞線的完全防護與密封。最后管周填土在全部加固工序完成后統一進行，嚴格按分區要求進行回填壓實。管道外加固優化項目及效果見表3。

表3 管道外加固優化項目做法及效果

4 結 語

a.通過前期對干線停水檢修項目進行周密籌劃與組織，并根據項目實施過程各期進展情況及現場條件持續優化和改進設計與施工方案，南水北調中線干線北京段工程圓滿通過加大流量聯合調度試驗，于2020年6月1日恢復通水，歷時7個月完成檢修工作，工期比預定時間縮短一個月，這期間技術協作與攻關充分發揮了科技資源優勢。工程檢修期間，北京市民的用水以密云水庫水為主，提前通水意味著密云水庫的供水壓力得到極大的緩解。保質優質完成南水北調干線北京段工程檢修后，每天進京南水由340萬m3增加到400余萬m3，進一步提高了首都綜合供水保障率，經濟效益和社會效益十分顯著。

b.對于長距離大型輸水工程，每個檢修期停水后，維修加固的管節數量多、工期要求緊，同時管道內徑大因而作業難度大，由于受到管道加固節數、粘貼層數及環數的累積疊加影響，同一道工序需反復施工成百上千次，施工操作難度和施工風險程度成幾何倍數加大，一旦某一環節有疏忽產生紕漏，對于輸水管線來說都意味著埋下了安全隱患。因此，還需進一步對環向纖維布一次成環工藝和內碳纖維布各工序一體化的施工裝置進行研究，以減少勞動工作量，提高工效，保證施工質量和施工安全。