PCCP管道安装施工工艺探究

□高建斌（中国水利水电第十一工程局有限公司）

PCCP的中文全称为预应力钢筒混凝土管（Prestressd Concrete Cylinder Pipe，简称PCCP），为双密封柔性联结构，由钢筒、高强预应力钢丝、高强混凝土、高强砂浆和橡胶密封圈等原辅材料由工厂制作而成，管道两端采用钢制承、插口圈，接头采用橡胶密封圈进行连接，适用于高工压和厚覆土等工程环境，具有抗渗性、耐久性，使用寿命长，抗震能力强，施工维护方便等优点。

PCCP管在我国研制和开发应用已有20多年的历史，被广泛应用于长距离输水干线、压力倒虹吸、城市供水工程及压力排污干管等。本公司先后承建了山西省万家寨引黄工程联接段PCCP输水工程建筑安装Ⅱ标、辽宁大伙房（二期）输水工程、南水北调中线京石段应急供水工程及山西张峰水库输水总干Ⅻ标PCCP管道安装工程等项目的PCCP管道安装等任务，其中，南水北调中线京石段应急供水工程（北京段）PCCP管道安装工程是国内首次采用超大内径管型作为输水管线，从施工准备、施工工艺、施工质量控制等方面，对施工单位都是一次大的考验。本文以南水北调中线（北京段）PCCP管道安装工程第一标段为例，就PCCP管道安装施工工艺进行总结。

南水北调中线北京段惠南庄～大宁段PCCP管道工程，采用两排内径4000 mmPCCP，PCCP输水干线全长56.359 km，其中单根外径达4852 mm，标准管长度为5000 mm，单节管最重约77.8 t，PCCP安装包括：施工准备、到货验收、卸车入槽、管道安装、柔性接口、接口打压、接口内（外）侧抹（灌）水泥砂浆、管内清扫、闭合点施工、阴阳极保护施工、管沟回填等。

1.PCCP管道施工工艺流程

PCCP管道安装程序包括：施工准备→管道及管件到货检查接收→管件卸车入槽→管道初装就位→接地钢片焊接及检测→管道承插口打润滑油→橡胶圈检查及安装→管道对接校正→一次接头打压→管件固定→后续管道安装→二接头次打压（安装3节后）→外部接缝灌浆→管沟回填→三次打压→内部接缝灌浆→阴阳极保护施工→管道回填→内缝接头封堵→静水压试验→工程验收。

2.PCCP管道安装施工工艺

2.1 施工准备

2.1.1 技术准备

对管道安装设计图进行会审，会审内容包括：以沿线IP点为该区段的控制点，计算确定并校核该区段管道位置、高程和型号及覆土厚度等。当发现施工图纸不清楚时,应及时澄清。

2.1.2 施工现场准备

管道基础沿线有砂砾石基础、黄土质壤土和岩石基础。对于砂砾石和岩石基础，需开挖至设计地面线后，经测量验收合格，即可进行垫层I区回填；对于黄土质壤土基础，须进行钎探检测，当基础承载力不满足设计要求时，必须进行换基处理，基础置换料采用砂砾石料，最大粒径≤150mm，压实相对密度≥0.75。对于土石过渡段的基础处理时，基础强高度级向低等级延伸长度两侧各5～10 m，处理段长度为该段管节长度的整数倍，基础换填采用垫层料，防止管道产生不均匀沉降，造成管道承插口损坏。土质含水量较大，开挖至槽底时出现淤泥现象，地基承载力无法满足设计及规范要求，采取抛石挤淤的方法进行处理，并在块石上部铺设50 cm厚砂砾料至设计槽底高程，施工过程中在管沟布置沉降观测点，并在管沟两侧布设排水沟，排至集水坑后抽排至沟槽外侧，在部分地下水位特别丰富的地段，在沟槽两侧布设管井，再进行地基处理。

垫层I区回填：垫层I区是指支承管道上覆荷载结构的基础,其回填要严格按照以下要求执行:垫层材料的最大粒径为50 mm，不均匀系数Cu(Cu=d60/d10)＞5；回填垫层前,应对垫层材料做湿度检查,以确保夯实后达到所需要的压实度。在管道垫层施工过程中，特别是东北地区和早晚温差较大的地区，施工垫层应预留一定的沉降高度，避免中午天气变热后，产生沉降，影响管道安装质量。垫层I区(管下腋角)回填采用自卸汽车直接将回填料运至沟槽底部，然后采用推土机或液压反铲将料均匀摊铺，必要时采用人工对边角及局部区域进行摊平，每层回填虚铺厚度<300 mm；采用自行式振动碾碾压，边角采用手扶式振动碾碾压。碾压的遍数依碾压试验确定的参数执行。垫层材料压实相对密度≥0.75，相应的干密度≥2.05 g/cm3。

管线测量放线：沟槽经验收合格后，须对管沟I区进行回填，使现场具备下管条件，放样出管道安装具体桩号、高程等,依据管道弧形采取开弧施工，并采用专用工具和人工,根据测量线进行开弧工作。

2.2 PCCP管道进场检查、接收

到达现场的PCCP管及配件必须附有出厂证明书，凡标志技术条件不明、技术指标不符合标准规定或设计要求的管子不予接收。对于新进厂的管道外观进行检查，并作好检查记录。

检查内容包括：管径、长度、制管日期、工压等级和允许覆土厚度及合格标记，与出厂证明书逐项核对是否一致。管道表面有无裂缝、空鼓、气泡、剥落、浮渣、露筋、碰损，端面倾斜度、承插口椭圆度、承插口金属面防腐、管身外防腐是否符合要求。

管道表面质量出现以下情况时不得接收和使用：管道内表面出现直径或深度>5 mm空洞或凹坑以及蜂窝麻面等缺陷；管道插口端部管线混凝土出现缺料、掉角、空洞的缺陷；管道外保护层出现空鼓、裂缝、分层及剥落现象；管道内表面出现长度超过150 mm、与管道纵轴平行线夹角15°以内的可见裂缝，距管道插口端300 mm范围之内除外；管道内表面出现的环向裂缝或螺旋裂缝宽度>0.5 mm及距管道插口端300 mm以内出现的环向裂缝宽度>1.5 mm时；管口的椭圆度超出6 mm时；管道端面倾斜度超出13 mm时。

2.3 管道卸入沟槽

管件吊装采用双点兜身吊或用其它专用起吊设备起吊，施工中不允许采用穿心起吊，吊具使用橡胶或麻布包裹，避免起吊索具的坚硬部位碰损管件及保护层。管道装卸或向沟内吊运时，在装卸和现场运输过程中始终保持轻装、轻放的原则。管件吊装时，管中不得有人，管件下不得有人逗留。在起吊的过程中，起吊机械能力应始终留有一定的富余度，严禁超负荷或在不稳定的工作状况下进行起吊装卸。依据管道中心线将管道按照管型粗略排列到位。

2.4 管件初步就位

沟槽内采用12 m跨、两台50 t的龙门吊进行管道拼装作业。龙门吊沟槽内作业示意图见图1。

图1 安装龙门吊沟槽内作业示意图

在管道初步就位前，根据管道承插口的椭圆度调整管道的位置，以使管道承口和插口对接效果最佳。用龙门吊将吊起的管件运送到安装位置处，缓慢平稳移动，距已装管的承口或插口10～20 cm时，用木衬块把两管相隔，以防承插口碰损。

2.5 钢片焊接及测试

为保证PCCP管件间的电连续性，在管件两端增加跨接连接钢片，跨接连接钢片的规格需符合设计要求。

跨接钢片焊接位置为管道接头顶部。钢片与承口、插口或电缆连接线等连接处在使用前应进行除锈。钢片除锈后，应在4 h内焊接完毕。

PCCP两端的跨接钢片焊接完成后，应立即进行电连续性测试，测试方法按照设计要求执行。

2.6 管道承插口清洁、润滑

在管道安装前应保持承插口和管道内部清洁，对于管道承插口上的异物或毛刺等均应清除，必要时采用铲刀和砂布进行剔除和打磨；在橡胶密封圈均匀安装到承插口凹槽后，用润滑剂均匀涂刷接触面。

2.7 橡胶密封圈检查、安装

PCCP安装采用的橡胶密封圈材质符合相关技术条款要求。在安装前先进行胶圈外观质量检查,橡胶圈为圆形实心胶圈,表面不应有气孔、裂缝、重皮、平面扭曲、肉眼可见的杂质及有碍使用和影响密封效果的缺陷。

采用无接头实心胶圈或所采用的胶圈每根最多允许有1个接头,但接头的性能不得低于母材的性能标准,现场将抽取1%的数量进行接头强度试验。

安装前,清洗管道的承插口环工作面,并涂刷食品级植物类润滑油。橡胶圈在套入插口环凹槽之前,将橡胶圈涂满润滑剂,或在装有润滑剂的专用容器内浸过；套入插口环凹槽后,使用一根钢棒插入橡胶圈下绕整个接头转一圈,将胶圈在插口的各部位上粗细调匀,使其均匀地箍在插口环凹槽内,且无扭曲、翻转现象,在每根安装好的胶圈外表面涂刷一层食品级植物类润滑油。

当必须在低于0℃气温下进行管道安装时,应当改变或调整橡胶材料配方,使其适合于在低温条件下作业；或采取能够防止橡胶圈变硬的措施(如在热水中浸泡使其升温)。

2.8 管件对接、校正

管道安装应将承口端面朝向水流方向。对接时，应使插口端与承口端保持平行，并使四周间隙大致相等。管道对接前，采用以下方法将管道调整到合适位置:

第一，确定管道中心线：用一根长度3 m左右、校正平直的角铁置于要调整的管道内，标示出角铁中心线位置，将≥50 cm长水平尺放在角铁上，角铁中心位置处挂一垂球，将角铁用水平尺调整水平后，垂球垂线稳定后所指示线即为管道中心线。

第二,调整管道中心：用经纬仪上十字丝和垂线之间相对位置，可确定管道中心线是否偏差。利用龙门吊上的行走小车，左右慢慢移动，来调整管道，使管道中心线（垂线位置）和经纬仪十字线位置重合，此时管道中心校正完毕。

第三,调整管道标高：用水准仪观测，通过龙门吊起降，即可将管道调整到设计高程。

在管道调节中，注意检查管道承口和插口之间的间隙，尽量保持周围间隙均匀；将管道调整到合适的位置后，即可进行管道对接。管道对接采用内拉法进行：即在已安装完成后的管道缝隙的中部，架设受力梁，在待装管道外部端口中心位置架设受力横梁；最好在上下左右用钢丝绳和手拉葫芦将两梁连接，或采用连接杆件和液压千斤顶及连接件将管道连接；通过手拉葫芦或液压千斤顶，将待装管道拉至安装位置。逐渐将两节管道顶压对接在一起，相邻两节管道的安装间隙应控制在设计要求的范围内。在顶压过程中，若发现橡胶圈滚动不匀，可用手锤及专用工具敲打，变形较大时，应及时停止并退出管道，并检查胶圈损坏情况，需要时调换胶圈，重新进行安装。内拉法安装对接见图2。

图2 内拉法安装对接示意图

对接完成后，校核调整管道标高、中心线，满足要求。对于直线段,安装间隙应控制在15～30 mm范围内,当管道基础不均一时,最大允许内部间隙为25 mm。

第四，管道接头设计有转角时,接头的最小间隙≥10 mm，在管道安装施工过程中，遇到不可拆移的建筑物或通讯设施等，在偏移较小的情况下，不需增加钢制弯头，利用PCCP管道进行借转，但每根管道的借转角度≤0.3°，借转角度过大，会造成橡胶圈被挤裂或管道承插口变形。

每节管道安装完毕后,采用钢制测隙规检查密封橡胶圈是否处在插口环的凹槽圈合适位置处，如果胶圈位置不合适，应拆除重新安装。经检验合格后,才能将吊具移开。每班安装工作开始前,应对此前已安装好的前一节管道进行复测,如发现位移,应重新复位,合格后再继续安装。

2.9 接头打压

2.9.1 第一次接头打压检验

管道安装完成后,随即进行接头打压,以检验接头的密封性。接头打压将使用经过率定的专用加压泵,从接头下部的进水孔压水,上部排气孔排气；排气结束后（水被打出）拧紧螺栓；逐步加压至规定的0.6 MPa,保持5 min压力不下降,即为合格。打压时，一定要逐步加压，并注意中间稍作停歇。

2.9.2 第二次接头打压检验

每安装3节PCCP后，对先前安装的第一节管道接缝进行第二次接头打压，检验方法同第一次。

2.9.3 第三次接头打压检验

第三次接头打压检验应在外部接头灌浆和管顶回填完成后进行。试验压力为1.2倍工作压力,保持5 min压力不下降,即为合格。

2.10 接头灌浆处理

2.10.1 外部接头灌浆

外部接头灌浆按下列方法进行:

在外部接口缝隙表面淋水冲洗,以确保缝隙表面洁净并保持湿润。在接头的外侧裹一层宽度为250 mm强度适中的尼龙编织布袋,作为灌浆接头的外模。

尼龙编织布袋两侧各用两条钢带（0.6 mm×16 mm）将其固定在PCCP表面，在最顶部留灌浆口，并确保灌浆通道净宽≥150 mm。

拌制水灰比为0.65、1:3的水泥砂浆,水泥砂浆应有较好的流动性。将砂浆徐徐灌入缝隙内，并保持其均匀、密实、无空隙。待砂浆灌满接头后,灌浆口上部用干硬砂浆填满抹光。接头处灌浆高度≥30 mm。

对缝隙顶部跨接钢片位置，应在接线完成后灌浆，并用干硬砂浆填满抹光。

2.10.2 管道内部接缝封堵

在第三次打压完成后，经验收合格，即可进行管道内部接缝封堵。清扫管道内接缝,确保接缝内没有异物和灰尘。洒水湿润，采用1:2水泥砂浆塞填缝隙,捣实抹平。

管道安装回填完成后，在进行第三次打压过程中，难免存在个别管道打压不通水或达不到设计压力值的。在内缝施工过程中，先清理管缝，在管缝内侧用胶枪打玻璃胶，然后在管缝里面涂抹2 cm左右的聚硫密封胶，再在上部拌制水灰比为0.65、1:3的水泥砂浆抹缝，确保管缝处不漏水，天气过冷的情况下，水泥砂浆采用温水拌制，并在其中加入适当的防冻剂，保证砂浆质量。

2.10.3 外部接缝砂浆保护层的防腐

待灌浆护带内的砂浆达到设计强度后，拆除灌浆护带，现场喷涂防腐层涂料（环氧煤沥青），至少喷涂两道，总干膜厚度不少于1000μm，以保证外包缝砂浆保护层不受腐蚀。

3.重点难点工艺及质量控制

3.1 管配件安装

钢配件弯头的安装方法基本与PCCP安装方法相同。

施工过程中，PCCP与配件连接将遵守下列规定:

阀门、排气阀或钢管等为法兰接口时,配件与其连接端采用相应的法兰接口,其法兰螺栓孔位置及直径与连接端的法兰一致。其中垫片或垫圈位置保持正确,拧紧时按对称位置相间进行，以防止拧紧过程中产生的轴向拉力导致两端管道拉裂或接口拉脱。

接不同材质的管材采用承插式接口时,配件与其连接端必须采用相应的承插式接口,其承口的内径或插口的外径及密封圈的规格等符合连接端承口或插口的要求。

对于弯头配件，安装过程中一定要特别注意，在标准管安装到弯头附近时，一定注意及时调整标准管的高程、桩号位置和中心线位置，尽量将和弯头配件相接的标准管的接口位置处的高程、桩号和中心线位置调整到误差为零，以保证弯头配件的顺利安装。对于分节提供的弯头配件处的与之相连的标准管位置桩号，应按照+20 mm控制，其它指标尽量调整到零误差，所预留的+20 mm，是为配件焊接时预留的收缩量。

3.2 现场合拢（闭合点施工）

由于管道安装采用分段施工,所以会形成现场合拢。在现场安装施工中,合理安排安装区段和起始点,尽可能减少现场合拢的数量。安装过程中严格控制合拢处上、下游管道安装高程、长度、中心位移偏差,并根据实际偏差情况及时进行调整,以便形成直管对接合拢。现场合拢将优先选择在设有检查孔或设备安装孔的配件附近,以方便合拢作业时设备和人员进出，禁止在管线转折处合拢；现场合拢焊接时闭合温度不得高于22℃。

本工程现场合拢形式可采用套筒式合拢、从动环合拢、对接双面焊合拢。一般闭合点施工程序是：修筑运管坡道→闭合点两端PCCP管道安装完成→配件分节→安装配件承口→安装配件插口→安装（组对）中间节、闭合节（凑合节）→环缝焊接→焊缝内衬砌（焊缝两侧各30cm宽）→验收合格→混凝土施工。

需要注意的是，配件一般都是在业主确定的时间内生产的，这就需要现场将整件配件进行分节（根据实际尺寸分为5～6节），才能进行闭合施工。闭合点的配件无法按现场实际尺寸制作，造成一些配件需根据现场尺寸，割成5～6段进行组对与焊接、闭合，焊缝数多。

3.3 阴极保护施工

管线中采用牺牲阳极法对管道内钢件进行保护。对PCCP内钢件采用带状锌阳极进行保护，对管线上的钢制构件采用棒状镁阳极进行保护。每20节PCCP为一个保护单元，对每个保护单元内的每节PCCP进行电连续性连接，各保护单元之间不再进行电连续性跨接。

3.3.1 PCCP电连接

每节PCCP采用XLPE/PVC1×25 mm20.6/1kV铜芯电缆进行电连续性跨接。跨接电缆采用铝热焊方式焊接在相连的两节PCCP的跨接钢片上。

铝热焊施工方法：电缆剥皮露出50～60 mm长铜芯，电缆与钢片的焊接部分打磨除锈至出现金属光泽。模具就位后将电缆压入底孔部位；将金属铜片放入模具腔内，倒入焊剂并轻轻压实；放入点火器，盖好模具盖子；压住模具使电缆与钢片表面贴紧；用电池接通点火器焊接。焊接完成后，除去焊点周围的焊渣等杂物，再使用热溶胶对焊点做密封防腐处理，等热溶胶固化后，使用灌缝砂浆对跨连接点处进行覆盖保护。

3.3.2 带状锌阳极安装

采用带状锌阳极对PCCP标准管进行保护。带状锌阳极的安装与PCCP回填同步进行。先敷设管道底部的3条锌带和3个测试探头以及镁阳极，并将电缆引上固定；在管道回填到上部时安装上部的3条锌带和3个测试探头；最后将电缆全部连入接线盒。

具体安装方法为：在设计位置开挖阳极沟，其宽≥200 mm，深≥100 mm。阳极沟挖好后，将带状锌阳极铺置于沟中心，并在阳极周围填充特定组分和尺寸的化学填料，防止填料和泥土混合。加入足量的水对填充的化学填料进行浸泡，完成后覆盖一定厚度的土层对安装好的阳极进行保护。阳极电缆与带状锌阳极采用压接方式进行连接，并采用专用电缆连接套进行连接和防腐。

3.3.3 棒状镁阳极安装

采用棒状镁阳极对管线上的钢制配件进行保护。阳极垂直安装，周围填充特定组分的化学填料。并保证阳极底部的化学填料层厚度为300 mm，顶部厚度为200 mm。

阳极周围填充的化学填料应加入足量的水进行浸泡。安装完成后，应对阳极井浸泡24 h以上，以保证阳极电流的顺利发散。

3.4 管沟回填

管沟回填采用分段进行，分段长度100～200 m。回填自下而上进行，垫层I区(管下腋角)—管基II区—管身III区（缓冲覆盖层IV区）—管顶V区和复耕VI区。

对于垫层I区(管下腋角)、管基II区、管身III区、缓冲覆盖层IV区，先采用筛网对开挖料按照粒径要求筛分，然后采用自卸汽车、输送皮带、溜槽（板）等将料均匀地输送至管沟中。无法采用自卸汽车和溜槽（板）下料的部位，采用输送皮带机在22 m施工平台进行下料。

回填压实：将合格的回填料采用输送皮带、溜槽（板）或自卸汽车等均匀散布到管道两侧，采用人工或推土机、反铲等对回填料进行摊平，每层回填虚铺厚度≤300 mm。碾压采用自行式振动碾和手扶式振动碾进行施工，必要时采用振动平板夯和人工进行夯实，管道腋角区域无法采用夯实设备的，采用T形工具人工进行夯实。对缓冲覆盖层IV区管顶1/3外径范围内的回填土不进行碾压。对距离管道外壁0.6 m范围内使用手扶式振动碾或振动平板夯夯实，必要时，采用人工夯实。

4.结语

在前期施工中，管道厂家按照椭圆度<12.7 mm生产的管道，采用内拉法施工时，安装速度4～5根/d，每安装一根管损坏2条以上胶圈，接头压力还不稳，为此，对不同椭圆度的安装次数和安装情况进行统计分析，提出椭圆度按<6 mm进行控制。后期安装施工中，使用同样安装方法，安装8～10根/d，安装速度提高了一倍，管道接头打压一次合格率明显提高。

通过参加北京段PCCP工程的建设，对管径4.0 m的超大型管道的安装，积累了施工经验，研制了专用的50 t龙门吊和安装工具，加快安装速度，质量得到保证，为大型PCCP管道安装提供了借鉴经验。