长大重力流输水隧洞与输水管道连接型式论述

于厚文，谷凤涛

（辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003）

长大重力流输水隧洞与输水管道连接型式论述

于厚文，谷凤涛

（辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003）

辽宁省重点输水工程具有输水距离长、地形地质条件复杂，全程重力流等特点，其中沟谷山区地段采用有压隧洞、无压隧洞和有压管道自流的输水型式，本文以其中典型段为例进行论述，该段包括有压隧洞、无压隧洞、DN5800连接钢管、管道变径连接岔管以及DN3600PCCP管道等，其间连接节点众多、连接型式多样、施工复杂，国内罕见。文章论述了输水隧洞、输水连接型式以及在施工中应注意的事项，对今后类似大型输调水工程具有借鉴价值。

输水工程；隧洞；管道；连接型式

1概述

目前在我国大型输水工程建设受地形条件限制时通常采取洞穿PCCP进行设计施工［1］。在南水北调中线北京段惠南段-大宁段工程中，管线穿越了西甘池隧洞和崇青隧洞，比较了钢筋混凝土衬砌、钢板衬砌和洞穿PCCP管结构3种方案，最终选择采用洞穿PCCP方案［2］。山西省万家寨引黄一期工程，在联接段整个输水线路上，间隔布置有7条输水隧洞，其中1#-6#隧洞为长7989.9m的圆形有压隧洞，采用洞穿PCCP管进行施工，这是我国首例如此长的PCCP洞穿管工程［3］。该技术普遍存在施工难度大、周期长、造价高，亦无法充分发挥PCCP管道施工方便快捷的优势［4］。针对大型输水工程中受地形条件限制的问题采用输水隧洞与输水管道相结合的输水型式，结合南水北调工程［5］、省内重点输水工程［6］及大伙房输水工程诸多经验［7，8］首次在大型输水工程中使用大型岔管承担钢管段与多管同槽PCCP管道连接的过渡作用，解决了PCCP管道在复杂地形条件中的局限性问题，充分发挥了PCCP管道与隧洞各自的优势。

辽宁省重点输水工程全线长约600km，具有地形地质条件复杂、隧洞长、管径大、工压高、全程重力流等特点。输水线路前半段为山区，均采用隧洞输水；后半段地形较为平缓，局部为沟谷山区，采用隧洞和PCCP管道和钢管输水。为了充分发挥隧洞和PCCP管道各自优势，在设计和施工中利用大口径钢管和隧洞连接，大口径钢管与PCCP管通过连接岔管连接。

根据既定线路的地形和地质条件，结合经济水头分配结果和全程压力线计算成果，输水型式确定如下：隧洞3-1、3-2、3-4、3-5、3-6、3-7均为有压隧洞，其进、出口均与等径钢管进行连接过渡，其中隧洞3-1进口处、隧洞3-3出口与隧洞3-4进口之间、隧洞3-6出口与隧洞3-7进口之间、隧洞3-7出口处与采用隧洞连接钢管再通过钢岔管与三管同槽PCCP管道进行连接，无压隧洞3-3进出口处采用布置连接井的方式进行连接。

2连接段的布置

如图1所示，隧洞及PCCP管道典型连接段以1#钢岔管为起点，5#钢岔管为终点，全长23698m，其中7条隧洞集中布置，处在沟谷山区地段，隧洞总长度11990m，分有压隧洞和无压隧洞，具体情况见表1；钢管段分为与有压隧洞直接连接的DN5800钢管9段，长2692m；以及连接钢岔管与PCCP管道的3根DN3600钢管管道5段，长147m；大型三岔型钢岔管5处。PCCP管道段3×DN3600PCCP管道长8914m。

图1连接段布置示意图

表1隧洞基本情况汇总

2.1钢管连接段的布置

该工程1×DN5800钢管连接段主要分为9个部分，详细情况见表2。隧洞进出口与1×DN5800钢管连接处留有20m锁口钢衬段，开挖洞洞径为8.5m。

表2钢管连接段基本情况汇总

该工程钢管均为直埋安装，在相应管线段沟管开挖、基础垫层及混凝土基础等施工完毕后，及时进行钢管安装，安装时注意要点如下。

（1）根据测量基准点、基准线和水准点，进行钢管安装的控制测量放点，在钢管安装部位测放出钢管安装中心线和各管段测量控制基准高程点，计算出每节钢管控制点位置坐标，将每节钢管的两腰点和顶（底）点作为控制点放设（视安装现场可适当弯动），控制点采用测量用的预埋钢板或水泥钢钉标记，在核实的位置放设高程控制点。

（2）钢管安装分为2种情况施工：一种为轴向坡度较大、管线安装长度较短的安装段，每节钢管可采用履带吊直接吊装就位、拼装焊接；另一种情况为管线坡度较小，安装长度较长的安装段，在垫层混凝土浇筑完成强度达到要求后，在管线一端将2节钢管连接成一个安装单元，沿管线铺设简易轨道，利用台车轨道经卷扬机牵引将钢管安装单元进行水平运输至安装位置、用千斤顶手拉葫芦就位拼装。所有管节的加固材料焊接应在加劲环上搭接施焊，采用双面焊接，焊缝长度不小于200mm。

（3）该工程钢管壁厚为20mm，材质为传统材料Q345c，焊接工艺方面无特殊要求，所以钢管安装环缝坡口形式全部采用内壁坡口。焊接作业时首先在环缝内壁坡口填充50%～60%，然后反面进行碳弧气刨清根、焊接，最后将内壁环缝剩余部分焊接完毕。

（4）钢管安装及焊接、防腐检测全部完成后包覆聚乙烯闭孔泡沫板，板间对接缝隙小于1mm，包覆弹性垫层完成后，检查达到表面平整，与管壁贴合紧密，无褶皱空鼓现象后，进行管道外包混凝土浇筑工作，并在养护完成后及时回填。

2.2钢管连接段与3×DN3600PCCP管衔接的确定

该工程共涉及5处1×DN5800钢管与同槽3×DN3600PCCP管道的过渡连接。根据地形地质情况，结合全程压力线计算结果，确定使用5个大型三岔型钢岔管承担该其连接过渡工作。5个大型钢岔管主管、支管、短管、弯管、直管部分相同，仅U梁和腰梁规格不同。根据其U梁及腰梁规格不同，分为3种规格，即岔管1（桩号：C30+139.446）单重222.72t；岔管5（桩号：C53+878.165）与岔管3（桩号：C48+264.046）同一规格，单重196.71t；岔管2（桩号：C44+708.490）与岔管4（桩号：C52+213.624）同一规格，单重181.42t。岔管整体如图2所示。

图2岔管整体示意图

由于三岔型钢岔管整体外形尺寸大、总重量大，全部5个岔管均须分为多个制造运输单元运输至工地现场进行现场组装，焊接。安装时按上图①②③④⑤⑥⑦⑧依次安装。岔管组装时采用卧装方式组装，组装时按下列组装顺序组装。

（1）预埋加固锚板、组装支撑板；投放岔管水平投影中心控制线及高程控制线。

（2）吊装定位管节（主管），以投放的控制线为基准，调整主管中心线及高程位置，使始装节中心轴线与投放的控制线重合且高程及管口里程符合要求，加固牢靠后，方可进行下一步安装工序。

（3）组装拉杆，先吊装底部拉杆，调整安装好后再吊装顶部拉杆。调整拉杆位置时，除控制投影尺寸外，还必须使顶部拉杆轴线与主管正轴重合、底部拉杆轴线与主管负轴重合。

（4）组装左、右腰梁须应注意腰梁重量大，安装调整、检查合格后，须支撑加固牢靠。

（5）组装左、右支管时，调整支管姿态与组装形态接近，然后缓缓吊入安装位置，定位焊后检查各管口中心、高程、里程满足规范要求。

（6）组装左、右U梁，注意按拉杆上的控制线、梁上的管壁中心进行组装，调整好左、右U梁位置，定位焊后，检查合格，支撑加固牢靠。

（7）组装中支管，先将一边的管壁中心线调整至与U梁上的管壁中心线重合，点焊后再调整另一边管壁中心线位置，检查各管口中心、高程、里程满足规范要求。

（8）岔管主体部分焊接完成后，进行消应处理及残余应力检测。合格后进行短管、直管、弯管部分组装，焊接。

组装时应特别注意，U梁、腰梁与φ600mm立柱（拉杆）的连接处的焊接坡口方向需组装正确。组装时须在φ600mm立柱的两端头投划好与主管、支管、U梁、腰梁的组装控制线，组装时按控制线进行组装。由于岔管主管管壁、支管管壁与U梁、腰梁形成不规则的渐变角度连接，因此制造时的坡口开制会存在一定的误差，焊接前须用碳弧气刨修整焊道坡口。始装节管口中心的极限偏差≤5mm，始装节的里程极限偏差为±5mm，始装节两端口垂直度为±3mm；其他部位管节的管口中心极限偏差≤25mm。管口平面度≤6mm；管口圆度≤5D/1000，每端管口至少测量2对直径。

岔管整体安装完成后，在进行消应处理前后采用盲孔法对消除应力前后应力进行检测，应力消除不得小于50%，消应后的最大应力不得大于材料屈服极限强度的50%，应力平均值降低率应大于30%，在满足上述技术标准要求后，采用现场焊接的方式，通过岔管将3管同槽DN3600PCCP管道与DN5800钢管进行连接。

2.3连接段中稳压构筑物的布设

为保证该处线路平稳安全运行，在1#钢岔管与5#钢岔管之间设置稳压构筑物4处，其中连接井2处、稳压溢流竖井1处、溢流支洞1处。

（1）连接井布置。连接井布置在有压管线与无压隧洞连接处（隧洞3-3进、出口）。连接方式分为进口处无压隧洞与单条DN5800钢管管道连接、出口处无压隧洞与3条DN3600PCCP管道连接。

（2）溢流支洞布置。由于隧洞3-3进出口均不具备泄流条件，因此隧洞3-3进出口连接井均不设溢流口，在隧洞C39+255.53m处设置溢流支洞。溢流支洞与主洞的交角为70.91°，洞底高程高于设计水位0.6m为214.60m，支洞为圆形有压洞，衬砌洞径3.0m，洞长1.0km，设计溢流量为41m3/s，出口设有防冲工程设施，并设置刚栏栅，防止动物及人群进入。

（3）稳压溢流设施布置。距隧洞3-7进口0.35km处布置溢流竖井，设计液面高程209.57m，溢流竖井井口高程为210.00m，最高溢流液面高程为211.07m，设计溢流量为41m3/s。溢流池结构尺寸为31.0m×25.0m（宽×高），池底高程为208.50m，溢出水流经过溢流堰进入集水井，井底高程202.80m，并通过1×DN3600PCCP管接入水库库区。管道出口处设有防冲工程设施，混凝土消力池长10.00m，池深1.0m，浆砌石护坦长10m。并设置刚栏栅，防止动物及人群进入。

3结语

该工程通过5处大型三岔型钢岔管使9处1×DN5800钢管、3×PCCP管道及7条隧洞连接型式成为可能，克服了该工程输水距离长、地质条件复杂的难点，为输水管线平稳安全运行提供了有效的技术支撑和保障；其中大型三岔型钢岔管采取现场焊接安装技术，很多内容填补了大型输水工程领域的空白，为国内类似工程提供了成功的范例与宝贵的实践经验。随着我国大型跨流域调水工程的发展，多管同槽管道与隧洞连接型式的应用将得到广泛的推广。

［1］薛文政，张康龙，李闽峰.南水北调北京段工程隧洞大口径PCCP安装技术［J］.北京水务，2008（S2）：56-59.

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TV672

B

1008-1305（2016）03-0088-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.034

2016-04-02

于厚文（1968年—），男，高级工程师。