大口径PCCP与钢管结合的管道基础设计与施工

第24卷第3期 2007年9^月 特种结构 V01．24No．3 Sept．2007 大口径PCCP与钢管结合的管道基础设计与施工 马丽贤 王红玲 孙华林 (天津市华淼给排水研究设计院有限公司 100190) (Ti删inHu锄iaoRese眦h&Des咖IIlstitute0fW丑lter&WastewaterCo．m，100190) [摘要]预应力钢筒混凝土管(PCCP)自1986年引进国内，先后在一些大型给排水 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 中得到应用。目 前，从管道的设计到施工安装及验收等各方面，均实现了规范化、系列化。本文介绍的输水工程是在市 中心区铺设的，施工现场需解决：存在许多横穿道路、铁路及河流等难点问题，还需进行钢管与PCcP的 转换，因此针对工程的特点，对管道的基础设计、施工情况进行介绍。 [关键词]PCCP钢管管道基础设计施工 触塔IRACT：Jsi，zce尸协tn哪以Cbw．e据C矽i以Br尸红(PccP)c姗e幻吼i胍流1986，6e∞獬e旷加以眦m昭∞ s弘娩傩池幻，谬e∞Ⅲ册如Z咖，gDode口咖“础B，黜蠡比，。cepe咖，7，z仍。ceondi瑚把胁m巩￡com圯n施，}∞，如0叫池纱M龆d诜 sDme心m9，-c出i6er踟招rszq9p耖n以船扰肥阳善节e，柳，zeer西w．Acc0础ng叫i琥o，地pm以记以p，巧缸，矾曲p叩盯imrD出6c酷 so砌d蹶砒g麟￡溉撇删加胁乃舭PCcP妇如以d伽n琥ro啦舭d删咖，乃口瑚，p删垤琥r0啦舭删凰， 琥em甜ron出口，以t7诧r施梆．z囊peci02纱￡7沈p】勺缸拙i缈o，以i凇￡of玩io玷矿￡7论p咖如础t幻n仍-esu，聊讹矗以． 皿硼，oR粥：胁￡瑚蒯coM砒删础rp枷(PccP)蚍Zp枷脚e如珊施加p删咄胍咖抚一 s协11n6∞j PCCP(预应力钢筒混凝土管)作为一种新型 的管材，具有抗震及耐腐性能好，安装方便，大口 径时比其它管材价格低等优势，因此通常在一些 大型给排水工程中得到应用。钢管在国内的应用 历史较长，适用范围也比较广范，其优点是耐压 高、刚性强允许管线偏离。特别是在穿越障碍较 多、地形复杂地段的顶管施工中更是较为普遍的 被使用，这方面的工程施工经验已较成熟。 在笔者参与的天津市南水北调市内配套水源 管道工程中，选用的主管材为PCCP。由于管道在 市中心区铺设，在沿途经过的交叉道路较多、管线 折转角度较大和无法破路的管线采用了顶管施 工，顶管段管材选用了钢管。这样，在整个工程中 充分结合了两种管材的优势，互为补充。 l 工程概况 天津市南水北调市内配套水源管道工程，管 径DN2600，总长度为11km。该工程是连接天津 市西河泵站及宜兴埠泵站两个水源地，为迎接南 水北调来水而铺设的。其横穿市中心城区，与一 些主干道路有横交叉。经过技术比较，工程主要 管材选用嵌置式PCcP，穿越道路、铁路等难点部 位的管材选用钢管。 工程沿线地势平坦，部分管线可以随着规划 快速路的建设而同步铺设。规划快速路宽100m， 路断面中部为绿化带，DN2600管道则位于绿化带 的下部。由于管道口径大，相对于其它配套管线 埋深较大，在规划路的建设中，工期安排比较靠 前，因此本管道工程施工的质量和进度将直接影 响到道路及其他配套管线的建设。基于修路的环 境比较开阔，地势条件较好，并综合考虑经济因 素，选择使用PCCP管材，使其充分发挥安装便捷 ，的优势。 采用的PCCP管材内径：26吣m，外径：殁妣肿， 壁厚：175m，单根长度：50吣砌，单根重量：26．75t。 管道采用双胶圈接口，覆土深度2．响。 管道工程穿越市中心区，存在的交叉难点较 多。沿线共穿越30～60m道路6处、桥梁5处、高 速公路1处、铁路4处及河流2处等等。由于所 穿道路的交通流量较大，不能实施明开挖施工，只 能选择顶管施工，虽然PCCP也有用于顶管使用 的管节，但必须根据不同的外荷条件进行特别订 制，不仅周期较长，价格较高，并且安全性上也没 有成熟的经验，因此选用了钢管作为难点部位顶 管及过河沉管的管材。另外，在管道沿线有许多 转弯、三通等，如采用PCCP管材管件，加工周期 及运输费用较高，并且其刚、柔性接口本身需在管 道敷设方向改变处采取止推措施(重力式支墩、打 桩等)的施工难度较大。这样，工程中利用了钢管 的刚性接口优点，加长钢管与柔性接口的铺设方 向的长度，来抵抗其转弯点的推力，加快了施工进 一53— 万方数据 特种结构 20Cr7年第3期 度，降低了施工难度。此处也选用了钢管管材。 采用的钢管管材，管外径：2．648m，管内径： 2．60m，顶管壁厚：24舢，重量：1．29∥m，内防腐采 用水泥砂浆衬里，外防腐采用无溶剂聚氨酯涂料 (PU)，顶管处厚度不小于1咖，管道采用焊接工 艺，管顶覆土最深处达8．3m。 因此钢管与PCcP之间的转换较为频繁，显 然，两种管材的自身重量存在着很大的差异，管道 基础设计成为本工程的重要环节。 2 钢管与PCCP连接的管道基础设计 管道沿途地面设计高程约为2．70～3．40m， 通过分析地质勘探报告，管道基础主要落在粉质 粘土层上，该土层埋深为1．40～3．00m，层厚为 O．50。5．40m不等，工程力学性质较好，管底标高 为一2．25～一1．55m，管顶覆土约为2．Om。 PCcP的接头为半刚性接头，这使得此种管材 既有一定程度的刚性，又具有一定的柔性，所以对 地基适应性较好。本工程的土质情况较为均匀， 力学性质较好。PCcP的质量较大，口径为 DN2600的PCCP重量为5．35∥m，通水后的重量为 10．66∥m，管道外径为2．95m，管顶覆土在2．0m； 钢管质量相对较轻，DN2600钢管重量为1．29t／m， 通水后的重量为6．60t／m；管道外径为2．648m，管 顶覆土在2．0m～8．3m。两种管材的重量相差 4．06∥m。考虑到穿越地形复杂的难点处，要使 PCCP和钢管转换连接，钢管的重量远低于PCcP， 所以在此接口处易产生不均匀沉降。 。 转换连接工艺是PCcP管和钢管通过生产厂 家加工的转换节来连接。DN2600PCCP管道本身 连接接头处允许相对转角为0．53。，在一定程度上 回填 N‘ 二压实系数)一t压实量>O．90o∞。8： l!!!斗!塑；!笾l!唑J 图l PccP管的基础处理 可调节抵抗产生的不均匀沉降。从理论上讲，通 过外荷及自重产生的压力计算使得两种管材的沉 一54一 降差较大，要求改变调整管道基础协调本身的相 对转角，使两种管材的基底压力相平衡，控制降低 沉降差在管道自身的调节范围内。基础包角弧座 (即管子与原土接触的圆心角)，即PCCP基角设计 为1200，钢管基角设计为90。，基础设计均为300Ⅱ】In 碎石和100mm粗砂垫层作为管道基础，有间隙时应 用粗砂填实。碎石及粗砂基础要求夯实，并保持最 佳含水量。PCcP管道基础处理见图1。 另外，为了减少两种管材的沉降差，在转换件 旁的钢管端加设柔口，从而可以抵抗两种管材由 于自重的不同所引起的不均匀沉降，其允许管线 偏离中心线，倾斜角度可达2．5。。 3 基坑开挖和管道基础施工 完善的施工组织是工程设计顺利实施的重要 保障。因此，我们不仅在设计上下功夫，还严格跟 踪了整个施工过程，从基槽的开挖、降水到管道基 础的铺设以及回填，均能做到严格要求、严密监 控，保证了工程的顺利实施。 3。1基坑开挖 1．管沟基槽的开挖采用机械与人工相结合 进行的，以机械开挖为主，人工辅助整坡和清底。 机械开挖严格按照设计要求进行，开挖过程中用 经纬仪及水准仪监控管道中线位置和槽底高程， 避免超挖或欠挖。为防止扰动槽底原状土层，机 械开挖在槽底留20cm保护层由人工挖除并修正 清底。如局部超挖，则应用相同的碎石或粗砂土 回填，并夯实到天然密实度。 2．为便于管道的铺设和接口作业，基槽底宽度 按管道外侧每侧预留10吣姗的施工作业宽度。 3．基槽开挖过程中要做到及时排水，严格控 制地下水位。基槽开挖至设计标高后，应及时组 织验收，验收合格后立即进行下道工序施工。施 工时应掌握天气变化，严禁基槽泡水。本工程中 有一段管道正好沿河铺设，管道中心线与河流的 距离为50m～60m，地下水顶托严重，施工过程中 采用在管道两侧进行管井降水的方式，沿管道方 向每15m设置直径50cm的深井一个，井内下无砂 管滤水，并适时用泥浆泵抽水，以保证干槽施工的 条件。在管道未具备抗浮条件时，严禁沟槽内积 水，防止发生漂管现象。施工排水终止后，立即用 砂砾料或碎石填实降水井点所留的孔洞。 3．2管道基础施工及回填 1．管基包角弧座(即管子与原土接触的圆心 角)应按设计要求挖好，有间隙时应用粗砂垫实。 管道垫层要承受来自管道、水及覆盖层等的各种 万方数据 No。32007 马丽贤等：大口径PCcP与钢管结合的管道基础设计与拖工 外部荷载，同时也使得各种软硬不一致的基底反 力趋于均匀，垫层的承载能力对于管道的安全有 着重要的影响。垫层施工前必须对原状地基进行 取样或做钎探试验，必要时在请示设计后对基底 换填砂粒料，以保证基底的承载能力和均匀性。 基底情况经监理验收后方可进行垫层的施工。 垫层的石屑粒径在5～15Ⅱun之间，内部不应 含有大型土块和其它杂物。填筑石屑垫层采用冲 击夯细致分层振动夯实，控制每层厚度不超过 25cm，根据设计石屑垫层形状，超填出一定的高 度，待下管后利用管自身重量下压成设计断面。 2．PCCP管道管节承插口部位应局部挖成槽 坑，坑的深度和宽度应便于安装接口和接口灌浆， 灌浆完毕将槽坑用粗砂填实。 3．当管道沿线的基础土质发生变化，且差异 较大时，应会同设计部门按设计要求做好土质变 异地段的地基处理。 4．经验收合格的管道应及时进行沟槽回填， 回填时管线两侧应分层、同时回填，避免管道轴线 位移。管周800一范围内的回填土不得含有有 (上接第44页) 布。相异处：各关键点开裂时的水头不同，应力变 化趋势不同，陈述如下。 关键点1：在工作水头由10m。15m变化时， 主应力d．的值依次为1．13MPa、1．27MPa、 0．91MPa、1MPa、一0．01MPa、一0．01MPa。当工作 水头为12m时，该点出现开裂，开裂后，主应力d， 被释放而应力重新分布，故1．13MPa、1．荔MPa为 开裂前的口．的实际值，0．91MPa、1MPa、一 o．01MPa、一0．01MPa为开裂后应力重分布后的d， 数值，释放的应力重新分布到临近的单元中去。 关键点2：随着工作水头的增长，该点处盯， 变化平稳，基本呈线性增长，主应力d，的值依次 为1．09MPa、1．22MPa、1．4MPa、1．58MPa、1．84MPa、 一0．25MPa。当工作水头达15m时，出现．开裂， 一0．25MPa为应力重分布后的口，值。 关键点3：位于箱涵的第二层，随着工作水头 的增长，应力呈非线性增长，主应力玎，的值依次 为 O．67MPa、O．74MPa、0．97MPa、0．97MPa、 1．04MPa、O．76MPa。水头达15m时开裂，0．76MPa 为应力重分布后的d．值。 总结：通过以上分析可知，关键点l(位于顶 板内侧靠近侧壁处)的应力值在箱涵开裂前(工作 水头<12m)随着工作水头的增加呈线性增长，开 机物、冻土及150—砌以上的砖、石硬块。分层夯 实的厚度不得大于300mm。 5．个别地段开挖时基坑打钢板桩支护，回填 完毕拔出后留下的缝隙，须及时用中砂填实，填实 过程必须注水，以使砂料密实，较大的孔洞必须以 人工捣实。 4 结束语 大口径PCCP在国内的应用已相当普及，从 管道的制作、工程设计及施工安装等方面均实现 了规范化、系列化。钢管的应用历史就更加长久， 在工程实践中积累了相当丰富的经验。因此，可 以根据不同工程的外部环境条件，使用不同的管 材，充分实现各自的优势互补，从而对管道工程的 技术、经济、进度等方面实现优化。 参考文献 [1]国家 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ．给水排水工程管道结构设计规范GB50332．2002 [2]美国标准．ANSL／AwwA—C30l，ANSL／AWWA—C304 [3]国家标准．给水排水管道工程施工及验收规范GB50268—9r7 [4]郭永峰．预应力钢筒混凝土管在工程应用中的经验[J]．特种 结构，2003年03期 [5]周玫生．大口径预应力钢筒混凝土管施工技术[J]，施工技术， 2004年09期 裂后(工作水头≥12m)的应力值有所下降，随着 工作水头的增长呈非线性变化；关键点2(位于侧 壁外侧)随着工作水头的增长呈线性增长，当工作 水头达15m时出现开裂，应力值大幅下降；关键 点3(位于底板内侧靠近侧壁处)随着工作水头的 增长呈非线性增长，在水头达15m时出现开裂， 开裂后应力值减小，应力重新分布。 3 结论 本文选取了在ANsYS中专门用于钢筋混凝 土结构的Solid65单元建立了箱涵的有限元模型， 以访Uarr·&w锄ke五参数破坏准则为判断开裂的 理论依据，对钢筋混凝土箱涵管道进行了弹塑性 分析，为箱涵在结构自重、土压力以及随时间不断 增长的内水压力的共同作用下的结构响应、混凝 土裂缝开展及分布，提供了良好的数值预测结果， 从而为设计工作提供了大量有价值的信息。 参考文献 [1]董哲仁．钢衬钢筋混凝土压力管道设计与非线性分析[M]．北 京：中国水利水电出版社，1998 [2]凌广，吴同乐，贾永刚．钢筋混凝土有限元分析[J]．四川建筑， 2003，(5)：5l一52 [3]吕恒林，崔广心．钢筋混凝土单层井壁破裂的数值模拟研究 [J]．地下空间，2001，(5)：399—406 [4]蒋秀根，江见鲸．钢筋混凝土结构一般非线性有限元分析[J]． 北京农业工程大学学报，199l，(11)：106—110 [5]协会标准．给水排水工程埋地矩形管道结构设计规程．cEcs 145：2002 —55— 万方数据