预应力钢筒混凝土管在大型输水工程中的难点处理

孙威（天津市华淼给排水研究设计院有限公司，天津300190）

预应力钢筒混凝土管在大型输水工程中的难点处理

孙威
（天津市华淼给排水研究设计院有限公司，天津300190）

近年来，预应力钢筒混凝土管（PCCP）的技术愈发成熟，经常在一些大型输水、调水工程中得到应用。论文中介绍的大口径输水管道是在城市的中心区域铺设的，需要解决穿越道路、铁路和河流等难点问题，还需要解决PCCP与钢管之间的转换问题，论文以该工程为例，对PCCP的设计、施工情况进行简要介绍。

PCCP；钢管；设计；施工

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.169

1 引言

预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe) PCCP，是由钢板、混凝土、预应力钢丝和水泥砂浆等几种材料构成的复合管材。通过多种材料的综合，充分发挥了混凝土良好的抗压性能、耐腐蚀性能以及钢材的密封性和抗拉性，具有耐腐蚀、高强度和高抗渗的特点。作为一种新型的钢性管材，预应力钢筒混凝土管的研制、生产和应用，至今已有70多年的历史，自20世纪80年代开始引进国内后，在生产、设计和施工等方面的技术日趋成熟，而预应力钢筒混凝土管凭借其自身良好的耐腐蚀性能和抗震性能，在施工过程中安装便捷，在运行期间维护方便、运行用度低，经济寿命长，防渗水能力强，造价低等优点，经常应用在一些大型输水、调水工程中。

2 工程简介

南水北调工程的中线水源分配给天津市的年均水量为10.2亿m3，天津市实收水量为8.6亿m3，引江水原水供水设计规模为225万m3/d。“天津市南水北调市内配套水源管道工程”就是为迎接南水北调工程来水而铺设的，是连接天津市西河原水枢纽泵站及宜兴埠泵站2个水源地的水源管道。管径2600mm，工程总长度约为11km，该水源管道的日输水能力为110万m3/d。由于该输水管道的距离较长，投资较大，因此必须确定一种造价经济，技术先进，性能可靠，施工方便，运行安全，耐腐蚀性强，不污染水质，使用寿命长的管材。在方案论述阶段，通过对焊接钢管，球墨铸铁管，缠绕式玻璃钢管和预应力钢筒混凝土管4种管材的基本性能、管材强度、耐久性、耐腐蚀性、施工便捷性的考量，以及各种管材综合经济指标的比较，最终选用嵌置式PCCP为工程的主要管材。考虑到敷设管线需要穿越市区的中心区域，并且需要横穿一些交通主干道路，因此顶管穿越难点部位时，管材改用了钢管。

本次管线的敷设在市区的中心区域进行，工程沿线的各类难点很多，共需穿越市政道路6处、铁路4处、高速公路1处、河流两处及桥梁5处。这些工程难点处都不具备明挖的条件，只能采用顶管或沉管的方式施工，PCCP虽然有配套使用的特殊管节，但是必须根据使用情况提前订制，不仅会提高工程造价，而且供货周期较长难以保证工程的进度，因此在设计中选择了钢管做为顶管和沉管的管材。

该工程采用的钢管的管道内径为2600mm，外径为2648mm，管道壁厚为24mm，重量为1.29t/m，管道采用焊接工艺，外防腐采用无溶剂聚氨酯涂料（PU），内防腐采用水泥砂浆衬里，顶管处厚度不小于1mm，管顶覆土的最深处达到8.30m。

由前述条件可知，管道穿越的各类交叉难点较多，PCCP与钢管之间在重量、性能等方面均存在着较大的差异，因此，不同管道的基础设计便成为本次工程中的亟须解决的难点之一。

3 PCCP的难点处理

经过现场实地踏勘，该工程沿线的地势较为平坦，工程沿线的地面设计高程约为2.70～3.40m，管道底标高为-2.25～-1.55m，管顶覆土约为1.80～2.0m。通过对地质勘探报告的分析，本工程的土质情况较为均匀，基础的持力层为粉质黏土层，该土层的厚度为0.50～5.40m不等，埋深约为1.40～3.00m，工程力学性质较好。

PCCP的自身重量较大，该工程采用的直径为DN2600的PCCP重量为5.35t/m，满水运行期间的重量为10.66t/m，管顶的覆土厚度在2.0m左右；而钢管的自身重量相对较轻，DN2600钢管的重量为1.29t/m，满水运行时的重量为6.60t/m，管顶覆土在2.0～8.3m。通过上述的比较可知，不考虑覆土的重量，两种管材自身的延米重量就相差高达4.06t/m，重量相差约38%，在地形较为复杂的地方，穿越难点时，由于PCCP的重量远大于钢管，要使PCCP和钢管进行安全连接、转换，必须处理好在此接口处所产生的不均匀沉降，如果不能很好地解决这一问题，南水北调的输水安全性就无法保证，会给运行期间留下巨大的安全隐患。

通过计算得知，两种管材在考虑外部荷载及自重产生的压力时所产生的沉降差较大，除了利用管材自身的上述特点进行调节外，还必须调整管道的基础设计，使2种管材下的地基反力相对平衡，将二者之间的沉降差控制在管道自身的调节范围之内。两种管道基础的设计均采用300mm厚的碎石和100mm厚的中、粗砂垫层作为基础，但是二者的管基包角弧座（即管道与原土接触的圆心角）的设计取值不同，PCCP的管基包角弧座设计取值采用120°，钢管的管基包角弧座设计取值为90°，通过管道基础中管基包角弧座的调整，尽量调整管道基础的地基反力，从而调整管道的沉降量，减少彼此之间的沉降差[1]。为了便于管道的铺设施工，在管道外侧每侧预留1.0m作为施工阶段的作业面。PCCP的基础处理详见图1。

图1 PCCP基础处理断面图

通过钢管端柔口的设置，可以进一步减少沉降差对管道的影响，提高工程的安全性。

4 PCCP的施工

在尽心设计的同时，整个施工过程，从施工放线到基槽开挖、从管道敷设到覆土回填，每一个步骤都要严格要求、仔细监督，保证工程的顺利实施。

4.1 施工放线

基槽开挖前用全站仪在原地面放出管道的中轴线，然后根据基础断面图确定基槽开挖的宽度尺寸，画出地面的开挖边线。在施工过程中，要注意保护测量控制点，如发现控制点被破坏，应及时通知测量人员补测，以确保测量的精确度。

4.2 基槽开挖

1）基槽的开挖采用机械为主、人工为辅的方式进行，以机械开挖为主，人工辅助清底。机械开挖时严格遵循“分层开挖、严禁超挖”的原则，以确保槽底的土壤不被扰动和破坏，为防止扰动槽底的原状土层，开挖到槽底设计高程以上20cm处应停止，剩余的20cm保护层由人工挖除并修正清底，避免超挖或欠挖[2]。

2）基槽开挖过程中需要及时排水，施工过程中应严格控制地下水位的高度。未能及时回填的管道，特别是靠近河流处的管道，必须采取持续、有效的降水措施，避免发生浮管现象。

3）基槽成型后应进行验槽，合格后用水准仪进行高程复测，用经纬仪确定管道中心线，以确保管道施工的准确度。

4.3 管道施工

砂石垫层需要承受管道自重、运行期间的水重及覆土重等外部荷载，因此，垫层的承载能力对于管道的运行安全起着至关重要的作用[3]。

1）垫层施工前必须做钎探试验，以检验土质的均匀性，确保基底的承载能力达到设计要求。砂石垫层敷设时用机械运至基槽内，然后人工将其整平，压实系数应满足设计要求。

2）垫层的石屑粒径应控制在5～15mm之间，不应含有大型土块等杂物。石屑垫层应分层填垫、逐步夯实，每层填垫厚度不超过25cm，采用冲击夯振动夯实，根据设计图纸中的垫层形状，超填出一定的高度，然后利用管道的自身重量下压形成设计断面。

3）为保护外露的承插口钢构件不受腐蚀，应在管道接头处的外侧进行灌浆保护。管道在承插口处应设置承口坑，坑的宽度和深度不应大于所需尺寸，灌浆完毕后应采用与垫层相同的材料将承口坑填实，以确保接头下部的垫层密实。

4.4 基槽回填

管道在验收合格后应及时回填覆土，避免将已安装完毕的管道长期暴露在外。回填之前，应对回填材料进行最优含水率检查，确保压实后能达到设计要求。回填时应采用轻型机械从基槽两壁同时向管线方向回填，管道两侧应同时、分层回填，管道两侧回填土的最大高差不应超过20cm，不应单侧回填或用推土机从一侧推埋，避免管道出现轴线位移或接口变形[4]。

5 结语

经过各方的共同努力，在设计、施工过程中克服了种种困难，该工程终于顺利完工，并已于2014年年底顺利通水运行，经过一年多以来的运行实践证明，该管道的运行效果良好。

【1】G月50332—2002给水排水工程管道结构设计规范[S].

【2】G月50268—2008给水排水管道工程施工及验收规范[S].

【3】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 (9):15-17.

【4】刘同进，郑东.超大直径PCCP管道安装施工技术探讨[J].水利水电施工，2007(A02):47-48.

Difficulties in Large Water Conveyance Project of Prestressed Steel Cylinder Concrete Pipe

SUN Wei
(Tianjin Hua Miao Research&Design Institute of Water and Waste WaterCo.Ltd.,Tianjin300190,China)

In recent years, prestressed steel cylinder concrete pipe (PCCP) technology becoming mature, often been used in some large waterconveyance and water transfer project.The large diameter water transmission pipeline is laid down in the central area of the city, not only need tosolve the crossing road, railway ,river and the other difficult problems, but also need to solve the conversion problem between PCCP and the steelpipe.This paper taking the project as an example,briefly introduces the design and construction of the PCCP.

PCCP；steelpipe；design；construction

TU990.3

B

1007-9467（2016）12-0165-03

2016-10-20

孙威（1973～），男，天津人，高级工程师，从事水利工程及市政工程的结构设计研究。