王為民

(山西省運(yùn)城水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,山西 運(yùn)城 043100)

1 前 言

長(zhǎng)距離輸水管線工程大多都要穿越公路、鐵路、地面建筑物、地下構(gòu)筑物等，為避免或降低對(duì)已有建筑物的擾動(dòng)，一般采用頂管施工方法。頂管是借助頂推裝置，將管道在地下進(jìn)行逐節(jié)頂進(jìn)安裝的非開挖技術(shù)。

濕陷性黃土是一種特殊性質(zhì)的土，土質(zhì)較均勻、結(jié)構(gòu)疏松、孔隙發(fā)育，在未受水浸濕時(shí)，強(qiáng)度較高，壓縮性較小。浸水后，在上覆土層自重應(yīng)力作用下，或者在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力共同作用下，土的結(jié)構(gòu)迅速破壞，強(qiáng)度迅速降低，產(chǎn)生較大附加下沉。

PCCP頂管是將普通PCCP管芯外層的水泥砂漿保護(hù)層更換為非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以滿足頂管施工要求，是一種新型的復(fù)合管型。

在濕陷性黃土地層中進(jìn)行管道輸水建設(shè)，關(guān)鍵是做好管道接頭防滲處理，防止地層受水浸濕引起附加沉降而對(duì)工程造成危害。因此，在濕陷性黃土地區(qū)的輸水工程一般采用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土頂管內(nèi)穿壓力管道方案。頂管內(nèi)穿壓力管道方案是直接采購(gòu)圓形鋼筋混凝土頂管，逐節(jié)頂進(jìn)形成圓形涵洞，然后在圓涵內(nèi)部穿越壓力管道。外部頂管承受外部及車輛荷載，內(nèi)穿管道承受內(nèi)水壓力，這種組合式結(jié)構(gòu)便于管道檢修及事故處理，且輸水管道失事后不會(huì)對(duì)鐵路、公路等建筑物造成破壞性影響，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工序繁多、內(nèi)穿管道難度大、工期長(zhǎng)、投資較大。禹門口提水東擴(kuò)工程創(chuàng)造性地將PCCP頂管直接用于壓力管道輸水，并在山西省內(nèi)首次成功使用，降低了施工難度，縮短了工期，節(jié)省了投資。

2 頂進(jìn)土層分析

2.1 頂進(jìn)土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS 246—2008)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)，頂管可在淤泥質(zhì)黏土、黏土、粉土及砂土中頂進(jìn)。禹門口提水東擴(kuò)工程輸水線路經(jīng)過的主要地貌為山前沖洪積傾斜平原區(qū)、汾河河谷、漫灘及階地，管線經(jīng)過地段地下水埋深大于15m。地層為Ⅱ～Ⅳ級(jí)濕陷性低液限粉土和低液限黏土，土體結(jié)構(gòu)較松散，土質(zhì)均勻，含少量鈣質(zhì)結(jié)核。土層中礫石含量小于30%或粒徑大于200mm的礫石含量小于5%，滲透系數(shù)不小于10-2cm/s，低液限粉土承載力80～100kPa，低液限黏土承載力100～120kPa，可滿足頂管土體承載力不小于30kPa的要求，適合于手掘式頂管施工。

2.2 管頂覆蓋層厚度

根據(jù)《規(guī)程》，管頂覆蓋層厚度在不穩(wěn)定土層中宜大于管道外徑的1.5倍，并大于1.5m。在滿足規(guī)程及公路部門要求的前提下，通過挖掘面穩(wěn)定計(jì)算復(fù)核后確定[1]。

a. 挖掘面的自穩(wěn)深度計(jì)算。

(1)

式中ho——自穩(wěn)高度，m；c——土的黏聚力，kPa；γ——土的容重，kN/m3；φ——土的內(nèi)摩擦角，°。

當(dāng)工具管的外徑小于h0時(shí)，挖掘面就可以保持穩(wěn)定。

b. 最小覆土深度。

(2)

式中Bs——挖掘長(zhǎng)度，m；Bc——工具管外徑，m。

實(shí)際覆土深度大于計(jì)算值h時(shí)，覆土深度是安全的。

c. 卸荷拱作用。

卸荷拱的跨度：

(3)

卸荷拱的高度：

(4)

式中α——卸荷拱跨度，m；fkp——土層的堅(jiān)固系數(shù)，fkp=tanφ。

當(dāng)覆土深度不小于兩倍卸荷拱高度，則為安全的。

d. 挖掘面滑移穩(wěn)定。

覆土深度：

(5)

3 頂進(jìn)能力分析

3.1 施工所需頂力

施工所需頂力的確定主要根據(jù)地質(zhì)條件、施工方式、頂進(jìn)距離、管材等多方面因素進(jìn)行綜合確定，設(shè)計(jì)計(jì)算一般采用《規(guī)程》中的公式估算[2]。

Fo= πD1Lfk+NF

(6)

式中Fo——總頂力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；D1——管道外徑，m；L——管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度，m；fk——管道外壁與土的平均摩阻力，N/m2；NF——頂管機(jī)的迎面頂力，kN。

迎面頂力主要取決于施工方式，該工程采用人工挖掘式，其迎面頂力Nf可按下式計(jì)算：

Nf=π(Dg-t)tR

(7)

式中Dg——頂管機(jī)外徑，m；t——刃口厚度，m；R——擠壓阻力，kN/m2，可取300～500kN/m2。

3.2 管道允許頂力

鋼筋混凝土管道頂管傳力面允許最大頂力按下式計(jì)算：

(8)

式中Fdc——混凝土管道允許頂力設(shè)計(jì)值，N；φ1——混凝土材料受壓強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.9；φ2——偏心受壓強(qiáng)度提高系數(shù)，取1.05；φ3——材料脆性系數(shù)，取0.85；φ5——混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整系數(shù)，取0.79；fc——混凝土受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；Ap——管道的最小有效傳力面積，mm2；γQd——頂力分項(xiàng)系數(shù)，取1.3。

3.3 PCCP頂管結(jié)構(gòu)特性分析

a. 滿足頂管頂力要求。PCCP頂管先按普通PCCP的要求制作帶鋼筒的混凝土管芯，纏繞預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲，再在其外部制作非預(yù)應(yīng)力鋼筋骨架，澆筑外圈混凝土，使內(nèi)部預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土和外部非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土共同承擔(dān)軸向頂力。頂管結(jié)構(gòu)如右圖所示[3]。外側(cè)混凝土厚度根據(jù)頂力計(jì)算確定。

PCCP頂管結(jié)構(gòu)圖1—預(yù)應(yīng)力鋼絲；2—外圈鋼筋(鋼纖維)混凝土；3—鋼絲錨固件；4—注漿通道；5—木墊板；6—加強(qiáng)鋼環(huán)；7—橡膠密封圈(第一道止水)；8—鋼筒；9—混凝土管芯；10—插口鋼環(huán)；11—注漿孔；12—管堵；13—試壓孔；14—聚硫密封膠(第二道止水)；15—聚脲防水涂層(第三道止水)；16—承口鋼環(huán)。

外圈鋼筋混凝土外側(cè)壁的承口端和插口端固定有加強(qiáng)鋼環(huán)，增強(qiáng)了管端的局部承壓力。

頂進(jìn)施工時(shí)在管道端部加設(shè)木墊板，起到緩沖和均布頂推力的作用。

b. 減小摩阻力。外圈鋼筋混凝土的插口端面設(shè)置半圓形注漿通道，插口鋼環(huán)上設(shè)置注漿孔，并在內(nèi)壁焊接注漿管，注漿管與注漿通道相連，頂進(jìn)過程中可以注入觸變泥漿以減小頂進(jìn)過程中的摩阻力。

4 PCCP頂管防滲結(jié)構(gòu)分析

a. 管材。PCCP頂管內(nèi)圈采用經(jīng)過水壓試驗(yàn)的鋼筒抗?jié)B，可以承受很高的工作壓力，外圈鋼筋混凝土保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼絲不受外界腐蝕，從而保證PCCP頂管的抗?jié)B性和耐久性。

b. 接頭止水。禹門口提水東擴(kuò)工程PCCP頂管接頭止水分三道：第一道與普通PCCP相同，采用雙膠圈止水。PCCP接頭采用O形膠圈密封，承插口鋼圈是經(jīng)過超過材料屈服極限的脹圓機(jī)加工成型的，尺寸精準(zhǔn)。承口呈鐘形，具有安裝自定位的作用；插口是帶有雙凹槽的特制型鋼，密封橡膠圈按照與膠槽等斷面設(shè)計(jì)，填充在凹槽內(nèi)，安裝好以后的橡膠圈受雙向擠壓，形成很好的密封力。

第二道在管內(nèi)接縫底部采用聚硫密封膠勾縫，厚度25mm；第三道在管道內(nèi)壁接縫處涂刷聚脲防水涂層，寬度300mm，厚度2mm。聚硫密封膠和聚脲涂層與混凝土及鋼材的黏接力較強(qiáng)，耐久性較好，可起到很好的止水效果。

PCCP接頭具有一定的柔性，其接頭能夠轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，抵抗不均勻沉降的能力較強(qiáng)，可以很好地適應(yīng)地基變化。聚硫密封膠和聚脲涂層均為柔性材料，可適應(yīng)地形微小變化。同時(shí)柔性接口方便糾偏，為曲線頂管提供可行性。

構(gòu)成PCCP的所有鋼材都被密實(shí)的混凝土所包裹，頂進(jìn)作業(yè)完成后用通過注漿孔注入觸變泥漿，使得承插口鋼圈不會(huì)發(fā)生腐蝕。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

PCCP頂管與傳統(tǒng)鋼筋混凝土內(nèi)穿壓力管道相比，頂管內(nèi)徑減小，管材費(fèi)用減小40%～50%；省去穿管工序(管材費(fèi)用和施工費(fèi)用)和管道間空腔回填混凝土工序，土體開挖量減少50%～60%，施工難度大大降低。

禹門口提水東擴(kuò)工程(一期)輸水管線將12處頂管內(nèi)穿PCCP壓力管道改為PCCP頂管，總長(zhǎng)度約552m，單處頂管最大長(zhǎng)度為90m(管徑1.8m),工期縮短約4個(gè)月，節(jié)約工程投資約800萬元。

6 結(jié) 語

禹門口提水東擴(kuò)一期工程管線與鐵路和公路交叉處地層多為Ⅱ～Ⅳ級(jí)自重濕陷性黃土層，地下水埋深較深,將PCCP頂管直接用于壓力管道輸水，簡(jiǎn)化了施工工序，加快了施工進(jìn)度，降低了工程成本，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前工程已順利通水，處于良好的運(yùn)行狀態(tài)中。PCCP頂管在禹門口提水東擴(kuò)工程中的成功應(yīng)用，對(duì)PCCP頂管在山西大水網(wǎng)和國(guó)內(nèi)同類工程建設(shè)中進(jìn)一步應(yīng)用提供了重要的參考價(jià)值。

[1] 史欽華.手掘式頂管挖掘面穩(wěn)定的探討技術(shù)與應(yīng)用[J].浙江建筑,2015(2):19-22.

[2] 上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院.CECS 246—2008給水排水頂管工程技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2008.

[3] 張成軍.管線穿越建筑物采用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土頂管技術(shù)方案可行性分析[J].山西水利科技,2011(3):38-40.