PCCP顶管在禹门口东扩工程中的应用

昝志斌

(山西省禹门口水利工程管理局 山西侯马 043000)

1 引言

禹门口提水东扩工程主管采用PCCP输水,线路全长48.8km有多处穿越铁路和公路,管线与铁路和公路交叉处地层多为中等～强烈湿陷性黄土,为Ⅱ～Ⅳ级自重湿陷土层。为了减小工程施工对铁路和公路交通的干扰,设计采用了顶管法施工方案。PCCP顶管是近年来研制的一种新型顶管技术,在非湿陷性土层地区或湿陷等级 (Ⅰ～Ⅱ级非自重湿陷)低的地区有应用实例,但在湿陷等级高的地区尚无应用。在湿陷性土层,尤其是湿陷等级高的地层采用PCCP顶管,防止管道接头渗漏很关键。

本文针对禹门口东扩工程输水管线基础地质特性,研究了在Ⅱ～Ⅳ级自重湿陷土层采用PCCP顶管的可行性,介绍了PCCP顶管的设计情况和应用情况。

2 工程概况

禹门口提水东扩工程位于山西省中南部,是向临汾、运城六县市 (新绛、稷山、襄汾、侯马、曲沃、翼城)工、农业以及农村生活供水的保障性给水工程。工程沿线共布置调蓄水库2座,提水泵站4座,主管线全长48.8km,支管线总长20km,输水干渠总长11.1km,支渠总长34.3km。工程分两期实施,其中:一期工程为向新绛、侯马、曲沃、翼城四县市工业及农村生活和侯马北庄、新绛三泉、曲沃浍河灌区、翼城利民灌区农业供水。二期工程为向稷山汾南灌区、襄汾原井灌区农业供水。

输水线路经过的主要地貌单元为山前洪积倾斜平原区、汾河河谷、漫滩及阶地,本段汾河主要发育一级阶地和三级阶地。主要发育的地层有新生界第四系中更新统 (Qpl2)、上更新统 (Qpal3)、全新统(Qpal4)以及人工堆积 (Q s)。场地低液限粘土多为中等～强烈湿陷性土,存在湿陷性问题。一旦接头漏水会造成管基沉降,严重会造成路基的沉降破坏。因此,基础湿陷性问题是本工程设计的一大难点,如处理不当,将会直接影响工程的安全运行。

该工程的管线工程有14处穿越公路和4处穿越铁路。其中穿越铁路顶管由于行业的特殊性,委托铁路部门进行专项设计和施工;其余穿越公路顶管由本工程设计单位完成设计。

3 本工程管道穿越公路方案比较

根据本工程管线穿越公路处的地形和地质条件,经分析比较,可能的顶管穿越方案有两个:一是利用箱涵 (或管涵)顶进,输水管道在箱涵 (或管涵)中套穿;一是直接顶进PCCP输水管道。

3.1 利用箱涵或管涵顶进方案

该方案是在现场制作钢筋混凝土箱涵或预制管涵,然后将箱涵 (或管涵)逐节顶进,形成可套穿管道的矩形或圆形涵洞。其优点涵内穿管可按常规工艺进行,铺设工艺简单,质量容易控制,而且顶进的箱涵 (或管涵)可作为输水管道的保护屏障;缺点是工程量大、施工周期长。需要进一步说明的是,在研究本工程顶进方案时,有关人员还对顶进箱涵和涵管做了成本和工期的比较,以顶进内径为2m的箱涵和管涵为例:采用箱涵顶进方案成本约为2万元/m,采用涵管顶进方案成本约为1.5万元/m。同时涵管顶进方案还可以缩短工期1/3甚至1/2。可见在一定内径范围内,采用管涵顶进要优于箱涵顶进。

3.2 直接顶进PCCP管道方案

该方案是直接将PCCP管道作为顶管顶进,顶进工艺与顶进管涵基本相同。该方案具有管涵顶进的优点,且工程量小、成本低、施工周期短;缺点是在顶进过程中的工艺和质量控制难度大,接头漏水会造成基础湿陷性土层沉降,影响输水安全和公路路基安全,而且处理难度大。

上述两个方案的优缺点比较明显。利用箱涵或管涵顶进最大的缺点是施工周期长、成本高,而PCCP顶管相比之下成本要低、施工周期要短。至于PCCP顶管接头渗漏问题的处理,可通过加强防身措施来实现。因此,在本工程实施过程中,有关人员以节省投资、加快施工进度和技术创新为目的,对PCCP顶管方案进行了重点研究。

4 本工程应用PCCP顶管的可行性分析

4.1 目前国内直接顶进输水管的使用情况

国内顶管直接作为输水管道是在PCCP使用发展过程中,根据PCCP结构特点和顶管特点由PCCP管厂所开发的一种新型顶管,其基本特点是带钢筒和承插口的预应力混凝土结构,分别作为管体防渗、接头防渗、管体承受水压力和外荷载措施。同时作为管道受力结构一般有两种,一种是根据荷载情况设计采用两层或三层钢筋网钢筒混凝土管体;一种是采用与PCCP完全相同的预应力混凝土结构,但保护层由砂浆层变为有一层钢筋网的现浇混凝土保护层。因此,该顶管具有传统顶管的全部功能并具有PCCP承受水压力和接头防渗的优点。也使该种顶管直接替代传统顶管和内部穿管成为可能。

适应国内发展管道引水工程快速发展的形式需要,山东电力管道工程公司、无锡华毅管道有限公司、新疆国统管道股份有限公司分别于2006年、2007年、2009年研制生产了该种管道,并分别在陕西黑河水库引水二期工程、河南云台山引水工程、南通自来水公司管线工程、苏州供水工程、东莞引水工程、杭州市七格污水处理厂二期进厂总管工程等多项工程中应用[1、2、3]。其中陕西黑河水库引水二期工程采用了直径2.4m的顶管2.2km,已运行近十年未出现异常情况;河南云台山引水工程采用了直径2.2m的顶管1km,已运行五年未出现异常情况。该两项工程均为在北方地下水位较深的黄土区域所建工程,地质情况和管径均对禹门口提水东扩工程具有很好的借鉴价值。

4.2 已应用的直接顶进输水管道结构

4.2.1 非预应力钢筒混凝土顶管

这种钢筒混凝土顶管为带钢制承插口的钢筒,内外焊接钢筋笼后浇筑混凝土形成管体,管道接口采用承插式柔性接口,双橡胶圈密封。这种结构山东电力管道工程公司有应用实例[1]。其结构设计如下。

(1)钢筒钢筒采用厚冷扎钢板制成,两端由钢制承口环和插口环形成顶管的接口,接口采用双胶圈的接口形式,便于管道安装和接口密封性的检验。整个钢筒隔断了输送水外渗的通道,形成了一个抗渗带。

(2)钢筋骨架网 钢筒内侧焊接单层钢筋网,使钢筒内侧混凝土更好地与钢筒内壁结合。钢筒外侧焊接双层钢筋笼,钢筋规格根据管道使用工况设计确定。这样钢筒内外钢筋笼与钢筒形成一个整体,共同承担管道所承受的内水压和外部荷载及施工荷载。

(3)管体部分钢筒内外浇注混凝土形成管体,钢筒和钢筋骨架笼埋置于混凝土中,达到混凝土对钢材的良好防腐效果。

4.2.2 预应力钢筒混凝土顶管

另一种是采用了与PCCP完全相同的预应力混凝土结构,但保护层由砂浆层变为带有钢筋网的二次模浇混凝土,也就是经特殊加工的PCCP结构,这种结构无锡华毅管道有限公司有应用实例。

4.2.3 两种顶管的比较

两种管道的主要区别是在承受内压内壁裂缝情况不同。采用经特别加工的PCCP结构,充分利用了预应力钢筒混凝土的优点,抗内压能力强,在设计压力下内壁不会出现裂缝。而普通钢筋混凝土结构与预应力混凝土相比之下,在设计压力下内壁易出现纵向小裂缝,裂缝深至钢筋会对钢筋造成锈蚀,该裂缝可能会对管道耐久性产生影响。从这点讲,预应力混凝土结构的顶管又优于钢筋混凝土结构的顶管。

4.3 本工程应用PCCP顶管的可行性分析

4.3.1 地质条件分析

本工程所设计各处顶管地层均为Q2和Q3黄土,土质均匀,地下水埋深在15m以下,非常有利于顶管作业,可顶进性好,利于提高开挖精度,且可以直接采用人工挖土作业。可见,从地质条件来看,本工程具备直接顶进PCCP管道的良好条件。

4.3.2 成本分析

采用PCCP直接顶进与传统顶涵加套管工艺相比,可省去穿管工序、穿管安装费和顶进箱涵或管涵材料。由于顶管内径减小,仅此一项即可节省管材费用40%-50%,同时土体开挖量也可减少50%～60%。从节省投资角度来看,直接顶进PCCP管道是合理的。

4.3.3 防止管道接头渗漏的措施

本工程应用PCCP顶管面临的最大问题是防渗漏问题。与国内以应用的工程实例相比较,本工程顶管处为中等～强烈湿陷性土,管道基础条件差。对于未经处理的具有湿陷性管道基础,一旦出现渗漏,基础出现沉降,不仅影响管道运行安全,而且会影响所穿越公路的交通安全。因此,防止管道接头渗漏也是PCCP顶管的技术难点。

根据以往经验,采用良好的安装工艺和质量保证措施,PCCP管道接头防渗是绝对可靠的,并能最大程度适应不均匀沉降。如河南云台山引水工程采用了直径2.2m的顶管1000m,已运行五年未出现异常情况。陕西黑河水库引水二期工程采用了直径2.4m的顶管2200m,当时安装完成后进行接头打压检验只有5节管道不能正常打压稳定,约占接头数量千分之五;通过采取石棉水泥方案进行接头抹缝处理后投入运行,目前已运行近十年未出现异常情况。本工程如能严格控制并减少承插口的制作精度,严格控制顶管施工工艺和安装质量,并增加管内接缝加强防渗处理措施,顶管接头漏水问题基本可以完全杜绝。

借鉴已经应用的工程经验,防止管道接头渗漏可采用以下措施。

(1)加强接头防渗处理。可对顶管内部接缝进行防渗处理,可结合南水北调PCCP漏水管道处理措施对全部内部接缝进行加强防渗处理。

(2)加强接头制作及安装质量控制。制作时尽量减小管接头椭圆度、顶进前先进行接头水压试验,确认管接头密封良好后再顶进,后期接头漏水可能性很小。

(3)加强开挖和测量控制,提高顶管轴线和高程精度,最大限度保证承插接口处于正常工作状态。

(4)加强通水前接头打压控制。把握接头工作条件并对打压不合格管道进行进一步处理和缺陷备案。

工程实践证明,只要采取措施得当,接头的渗漏问题是可以解决的,从而使PCCP顶管在本工程的应用成为可能。

5 PCCP顶管在本工程中的应用情况

经过有关人员的多方论证和技术咨询,本工程采用了PCCP顶管方案。采用的PCCP顶管管节长3m,内径直径1.6～2.0m,其结构如下。

(1)预应力部分 采用与预应力钢筒混凝土管相同的结构,具有防渗、耐久性好、可承受顶推力的特点。

(2)保护层用20cm厚的钢筋网模浇混凝土代替砂浆保护层,增强了PCCP管的受顶推力的条件。

(3)接头防渗结构采用了双胶圈止水、管内接缝底层聚氯密封膏层、外层水泥砂浆层、表面聚尿防渗层结构,相当于对接头防渗漏增加了多重保险.该防渗结构设计可保证在胶圈止水失效后作为备用防渗结构,提高了管道接头抗渗漏能力。

目前,该方案得到了实施,并达到了预想的初步目标:施工速度快,缩短了近1/3的工期;投资节省近40%左右。PCCP顶管接头采取的包括胶圈止水、管内接缝底层聚氯密封膏层、外层水泥砂浆层、表面聚尿防渗层等防渗漏措施,在顶进的PCCP管打压试验中也未发现异常,证明效果还是很好的。

6 结束语

综合上述分析论证和应用情况来看,在Ⅱ～Ⅳ级自重湿陷土层内采用PCCP顶管是可行的。PCCP顶管在禹门口东扩工程中的应用,在山西省尚属首例,其经验可在今后的类似工程中推广应用。

1 宁靖华,张士静,李容高.顶进施工用钢筒混凝土管的研制和应用.特种结构,2005年第3期

2 金文航,莫连华,潘治凡,骆卫忠.钢筒混凝土管在顶管法施工中的应用中国市政工程.2005年第2期

3 李耀良,赵敏杰,张璐璐,王建华.砂性土中钢筒混凝土管顶管施工技术[J].建筑施工,2007年第11期