基于軟聯(lián)結(jié)支護(hù)體系的PCCP管道快速施工技術(shù)

何 濤，楊金松，唐 亮，汪君暉，韓耀煒，李卷利

(中建三局綠色產(chǎn)業(yè)投資有限公司,湖北 武漢 430056)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會不斷發(fā)展,水利工程日益顯現(xiàn)其基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐作用[1-2]。近年來我國重大水利工程建設(shè)蓬勃發(fā)展,PCCP管道在近三十年的使用實(shí)踐、調(diào)查比選和經(jīng)驗摸索過程中,其經(jīng)濟(jì)實(shí)用、可靠耐久、綜合性能優(yōu)異得到普遍認(rèn)可,已成為水資源調(diào)配工程包括南水北調(diào)工程、山西省萬家寨引黃工程等在內(nèi)的多項國家重點(diǎn)工程選用的管材[3-6]。PCCP管道尺寸大、重量沉,在施工作業(yè)面有限、地質(zhì)情況不良、地表障礙復(fù)雜、機(jī)械設(shè)備操作受制約、征地拆遷難以協(xié)調(diào)等不良工況安裝過程中存在管道施工效率低、管道施工成本高、管道施工影響大等問題[7-10],因此如何優(yōu)化管道安裝施工工藝直接關(guān)系到整個工程建設(shè)的質(zhì)量、安全、工期和造價目標(biāo)。

1 項目概況

安寧市車木河水庫引水管線建設(shè)工程(三期)輸水管線起始于車木河水庫,終止于大屯水廠,管線總長度約41.85 km,輸水規(guī)模8.8萬m3/d,管徑DN1 400,管材主要選用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP管),單節(jié)管長5 m或6 m,單根管質(zhì)量達(dá)10 t～14 t,屬于長距離大口徑PCCP管道安裝工程。本工程水文、地質(zhì)情況較復(fù)雜,地下水豐富,地下水位埋藏淺,場地地基土承載力弱,需處理后作為管基基礎(chǔ)持力層。

2 施工工藝分析

在施工作業(yè)面有限、地質(zhì)情況不良等工況下,傳統(tǒng)大口徑PCCP管道施工工藝存在施工效率低、管道施工成本高、管道施工影響大等問題[11-13],針對不良工況下大口徑PCCP管道傳統(tǒng)施工工藝存在的以上弊端,結(jié)合工程實(shí)際提出“基于軟聯(lián)結(jié)支護(hù)體系的不良工況下大口徑PCCP管道快速施工工法”,新型快速施工工法工藝流程圖見圖1。

傳統(tǒng)施工工法與新型快速施工工法主要施工工藝分析對比見表1。

表1 主要施工工藝分析對比表

傳統(tǒng)施工工法與新型快速施工工法主要特點(diǎn)對比見表2。

表2 主要特點(diǎn)分析對比表

3 新工法關(guān)鍵工序施工工藝

3.1 軟聯(lián)結(jié)支護(hù)體系安裝

3.1.1 鋼板樁沉樁

軟聯(lián)結(jié)支護(hù)體系為采用花籃螺栓使鋼板樁與圍檁支撐之間形成軟聯(lián)結(jié)的支護(hù)體系,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示,其具有較高的施工便利性和較高的安全性能,圍檁與支撐材料用量少,能多次循環(huán)周轉(zhuǎn)使用,能極好適應(yīng)線性工程特點(diǎn)[18-19]。鋼板樁結(jié)構(gòu)選型采用6 mⅣ型拉森鋼板樁。DN1 400 PCCP管道溝槽平均挖深3.5 m,需施打9 m長Ⅳ型拉森鋼板樁方可保證嵌固深度要求,為降低施工成本,減少鋼板樁用量,采用原始地面削坡1 m、施打6 m長Ⅳ型拉森鋼板樁的施工方法。圍檁支撐安裝主要施工步驟如下:

1)原始地面削坡1 m。沉樁之前按1∶1坡比降低原始地面標(biāo)高1 m。

2)鋼板樁沉樁。因施工部位臨近地物較多,振動錘選擇12RF高頻免共振振動錘以減少對周邊敏感構(gòu)筑物的影響。

3.1.2 圍檁支撐安裝

1)鋼圍檁加工。

a.圍檁采用H400×400×13×21 mm型鋼腰梁,長度8 m,H型鋼需預(yù)留固定孔,孔徑150 mm,間距3 000 mm,傾角值設(shè)定為10°,距離型鋼翼板外側(cè)距離50 mm,施鉆過程中固定孔定位偏差不宜大于10 mm,傾斜度不應(yīng)大于5%,對孔位、孔距、偏角進(jìn)行復(fù)查準(zhǔn)確后開鉆,鉆孔過程中要達(dá)到“準(zhǔn)、平、穩(wěn)”的要求,確保機(jī)鉆孔不發(fā)生移位和擺動。

b.鋼圍檁的材料性能、規(guī)格、參數(shù)必須滿足要求,加工焊縫外形光滑、均勻,不得有漏焊、焊穿、裂紋等缺陷,各配件尺寸符合要求,型材線形,復(fù)試合格。

2)對撐加工。

a.對撐采用Φ325×8 mm圓鋼,長度2 m。圓鋼加工時兩端各留200 mm×200 mm鋼板作為與鋼圍檁連接的綴板,綴板上預(yù)留50 mm×50 mm吊裝孔洞。

b.鋼支撐的材料性能、規(guī)格、參數(shù)必須滿足要求,加工焊縫外形光滑、均勻,不得有漏焊、焊穿、裂紋等缺陷,各配件尺寸符合要求,復(fù)試合格。

3)鋼圍檁安裝。

腰梁施工前測量人員根據(jù)圖紙測放腰梁控制線,使用打樁機(jī)液壓錘夾緊型鋼緊貼鋼板樁內(nèi)側(cè)放置腰梁,安裝要確保水平成線、支墊密實(shí)、受力均勻、觀感美觀。使用國標(biāo)M14×250 mm鍍鋅伸縮花蘭螺栓和2 t弓型卸扣,將H型鋼腰梁與鋼板樁頂端連接,間距1 500 mm,梅花形布置,連接時按順序緊固,螺栓連接必須保證緊固。

4)支撐安裝。

對撐采用Φ325×8 mm圓鋼支撐梁,間距7 000 mm(凈空),確保6 m長DN1 400 PCCP管順利下管。用吊車配合吊裝鋼支撐梁,支撐通過預(yù)留孔洞兩點(diǎn)起吊,在吊裝過程中必須保持支撐平穩(wěn)、無碰撞、無變形,保證鋼支撐兩端與鋼圍檁正交,鋼管支撐吊裝到位后,用人工輔助將支撐調(diào)整到設(shè)計位置后再將支撐臨時固定,對因鋼板樁施工誤差造成支撐的端頭不能與鋼圍檁面緊密接觸處,必須在圍檁面與支撐端頭之間加設(shè)鋼板墊塊,以保證支撐軸向受力均勻。所有支撐連接處均應(yīng)墊緊貼密,鋼圍檁與圍護(hù)樁體間必須密實(shí)。

3.2 集成化內(nèi)拉裝置管道對接

DN1 400管徑PCCP管道對接通常采用內(nèi)拉法或外拉法,本工程采用“快支快挖快裝快填”方式施工,即管道安裝好后隨即回填施工,外拉法不適用。本工法采用集成化內(nèi)拉裝置內(nèi)拉法,減少現(xiàn)場散體組裝時間,通過收鏈組件的設(shè)置,可實(shí)現(xiàn)連接鏈條與鋼橫梁和內(nèi)撐桿連接更加有序,后續(xù)的回收過程更加便捷快速,既能提高管道對接的效率,也能避免因為連接鏈條較長而導(dǎo)致纏繞難分離的問題,使用方便快捷。

3.2.1 集成化內(nèi)拉裝置構(gòu)造

1)連接組件構(gòu)造:連接組件設(shè)有鋼橫梁及內(nèi)撐桿,鋼橫梁架設(shè)于管道外側(cè),內(nèi)撐桿設(shè)于管道內(nèi)且兩端鋼插片卡于兩節(jié)管道的對接管縫處,鋼插片與管道的接觸端均設(shè)有橡膠墊。

2)鋼橫梁及內(nèi)撐桿構(gòu)造:鋼橫梁及內(nèi)撐桿為兩段式結(jié)構(gòu),兩段之間通過導(dǎo)向桿連接,導(dǎo)向桿外圍設(shè)有兩個對稱的雙向液壓桿,其中,與鋼橫梁和內(nèi)撐桿連接的上基座設(shè)有兩個,上基座與鋼橫梁和內(nèi)撐桿的兩段結(jié)構(gòu)均滑動連接。

3)支撐組件構(gòu)造:頂端與兩個上基座連接且呈V形的支撐桿,支撐桿底端與下基座轉(zhuǎn)動連接,兩個支撐桿之間通過弧形彈性伸縮桿連接。

4)收鏈組件構(gòu)造:收鏈組件設(shè)有兩組,位于鋼橫梁和內(nèi)撐桿之間,殼體內(nèi)腔有兩個卷鏈盤,卷鏈盤上均纏繞有連接鏈條,一根連接鏈條與內(nèi)撐桿連接,另一根通過液壓缸與鋼橫梁連接,兩個卷鏈盤分別通過獨(dú)立的驅(qū)動單元控制轉(zhuǎn)動。

5)移動組件構(gòu)造:移動組件設(shè)有兩個單元,用于輔助鋼橫梁、內(nèi)撐桿及收鏈組件移動,第一移動單元為鋼橫梁和內(nèi)撐桿移動組件,分別與鋼橫梁和內(nèi)撐桿連接,第二移動單元為收鏈組件移動單元,與殼體連接。

3.2.2 集成化內(nèi)拉裝置操作

1)將集成化內(nèi)拉裝置置于管道內(nèi),鋼橫梁架設(shè)于管道外側(cè),撐桿架設(shè)于管道內(nèi)側(cè)。

2)調(diào)節(jié)雙向液壓桿驅(qū)使鋼橫梁和內(nèi)撐桿的長度調(diào)節(jié),使得鋼橫梁和內(nèi)撐桿均能夠與管道有效接觸。

3)通過激光器發(fā)射的激光穿過貫穿孔是否落在鋼橫梁上對應(yīng)的位置,若不在對應(yīng)的位置,則可通過調(diào)節(jié)桿對鋼橫梁的位置進(jìn)行調(diào)整,直至鋼橫梁與內(nèi)撐桿處于同一高度。

4)轉(zhuǎn)動兩個卷鏈盤收縮,合攏管道,直至接口間隙范圍為15 mm～35 mm,接頭的最小間隙不小于10 mm。驅(qū)動單元可采用電機(jī),為了節(jié)省成本,驅(qū)動單元也可采用手搖把,通過人工轉(zhuǎn)動卷鏈盤收卷,此時需要增加對應(yīng)的鎖定結(jié)構(gòu),可采用插桿固定,殼體上則對應(yīng)開設(shè)有若干的插孔。

5)調(diào)節(jié)雙向液壓桿收縮鋼橫梁和內(nèi)撐桿長度至管道內(nèi),下一根管道在懸吊狀態(tài)下時通過移動組件移動內(nèi)拉裝置至下一管節(jié)處,重復(fù)上述1)—4)步驟完成管道對接。集成化內(nèi)拉裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

3.3 管道接口外密封

3.3.1 水泥砂漿制漿要求

接口外密封通常采用水泥砂漿,管道回填需等水泥砂漿初凝后進(jìn)行,常規(guī)配比選型的水泥砂漿需要較長的時間來凝固和硬化,一般初凝時間4 h,拖延后續(xù)工序進(jìn)行,因此需對水泥砂漿配合比選型中增加早強(qiáng)劑能夠加快水泥砂漿水化速度,根據(jù)技術(shù)要求和試驗室配比,經(jīng)優(yōu)化后水泥砂漿配比能縮短初凝時間約1 h。水泥砂漿采用1∶2.5早強(qiáng)流態(tài)水泥砂漿,水泥砂漿應(yīng)有良好的流動性,以使其灌入后能夠均勻、密實(shí)、無空隙,水泥砂漿強(qiáng)度不低于20 MPa[20]。水泥砂漿配合比選項見表3。

表3 水泥砂漿配合比選項(每立方米用量)

3.3.2 接口外密封水泥砂漿施工

1)外縫清理:在外部接口縫隙表面淋水,以確保縫隙表面完全濕潤。

2)灌漿帶制作:用強(qiáng)度適中的尼龍布編制,寬度不小于400 mm。

3)灌漿帶纏繞固定:灌漿帶纏繞管道接口,頂部預(yù)留灌漿口凈寬不小于250 mm。使用兩條不小于8 mm的粗鋼絲繩通過頂部的緊繩器拉緊。

4)灌漿操作:從灌漿帶一端灌入,從另一端升上來為準(zhǔn)(保證外接口底部充滿砂漿),在接口間隙內(nèi)放置一根鋼絲,來回牽動,保障灌注砂漿的密實(shí)性。頂部敞口用干性水泥砂漿抹平即可。

5)養(yǎng)護(hù):管道外縫砂漿灌注好以后及時養(yǎng)護(hù),由于縫內(nèi)砂漿體積較小,容易裂縫,必須采用草簾或棉被覆蓋,灑水養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)時間與管道土方回填速度和包帶周轉(zhuǎn)速度有關(guān)。

6)灌漿帶拆除:在確定已灌縫的管道進(jìn)行土方回填之前拆除包帶,停止養(yǎng)護(hù)。

4 運(yùn)用效果

本工法通過應(yīng)用軟聯(lián)結(jié)支護(hù)體系、集成化內(nèi)拉裝置、優(yōu)化水泥砂漿配合比選型等技術(shù),施工過程中各工序緊密銜接,快速高效完成管節(jié)施工,縮減大口徑PCCP管道在不良工況下溝槽支護(hù)、管道對接、管道外接口灌漿等關(guān)鍵工序時間,實(shí)現(xiàn)“快支快挖快裝快填”方式施工,最大限度節(jié)約工期,降低對交通和周邊居民的不利影響。

本工法在車木河水庫引水管線(三期)工程的應(yīng)用效益突出:一是有效縮短施工周期,工期提前24 d,整體工期減少約20%;二是采用花籃螺栓和卸扣使鋼板樁與圍檁柔性拉結(jié),鋼板樁周轉(zhuǎn)率提高10%,同時減少2名焊工勞動力投入;三是有效減小施工對周邊建筑物、構(gòu)筑物的影響,減少混凝土泄洪溝破除約1.4 km,減少管線遷改1.2 km,縮減房屋征拆面積約300 m2,征地拆遷費(fèi)大幅壓縮;四是施工全程未收到任何居民投訴信息,施工安全、質(zhì)量受到業(yè)主高度肯定。

5 結(jié)語

“基于軟聯(lián)結(jié)支護(hù)體系的不良工況下大口徑PCCP管道快速施工工法”是結(jié)合工程實(shí)際對不良工況下PCCP管道施工工藝進(jìn)行的優(yōu)化,針對傳統(tǒng)施工工藝諸多弊端,針對性地提出多項解決方案,提高和改善了PCCP管道在不良工況條件下施工技術(shù)水平,可為類似工程提供參考與借鑒,具有實(shí)際應(yīng)用推廣價值。