串合叠梁式后背墙在压力管道水压试验中的应用

黎伟锋，罗沪文

（惠州市水电建筑工程有限公司，广东 惠州 516001）

0 引言

大口径PCCP压力管道在进行水压试验时，在水的压力作用下会对管道的闷头产生巨大的水平推力，并全部传递到后背墙上；后背墙的整体性以及强度需保证在试压过程中的水平推力作用下不被破坏且不产生大滑移。如后背墙不坚固，管道将产生很大的纵向位移，损坏法兰，甚至产生环向开裂，极易引起安全事故。基于上述原因，后背墙在大口径压力管道下的水压试验研究层出不穷。孙钰[1]等，针对长距离、大口径PCCP管道水压试验靠背形式的简化，以大伙房输水工程DN2400PCCP管道为依托，提出了采用预制混凝土梁组装靠背的方案。

根据规范规定，大口径PCCP压力管道水压试验的试验管段不得用闸阀做堵板、一次水压试验管段长度不宜大于1.0 km[2]。对于长距离的输水管道，为解决大口径管道水压试验的后背支撑问题，通常都是视作大体量、整体的一次性现场浇筑钢筋混凝土后背墙或设置钢支撑结构，利用刚性墙或钢支撑后的被动土压力来平衡及抵抗水压试验时闷头所传递出来的水平推力。其技术可行，但施工复杂，试验完成后需拆除，不能重复利用、投资大、对工期影响大[3]。为了更加清楚地了解叠合梁后背墙在大口径管道的应用安全性能，本文结合惠东县稔平半岛供水工程对其进行研究。

1 串合叠梁式后背墙设计与制作

1.1 结构设计关键点

1）后背墙采取预制钢筋混凝土叠梁串合而成；各叠梁预留孔，孔内插入钢轨（轨型：38 kg/m），将各叠梁串合起来共同承担试验压力所产生的水平推力，防止外力集中作用在单个或少数叠梁上而导致抵抗力不足；

2）叠梁串合孔内插入钢轨后灌入中粗砂并振实，使各叠梁层间所受的剪力迅速、有效地传给钢轨承担，防止各叠梁受力不均导致主受力的叠梁产生位移、“冲切”破坏，以致于叠梁串合后背墙整体倾覆或解体；

3）叠梁预留串合孔上口尺寸稍大于下口尺寸，防止钢轨拔出时，孔内的砂形成楔紧效应而影响钢轨的顺利拔出；预留孔内衬8 mm厚钢板，防止叠梁预留串合孔周边混凝土局部受压超限而破坏；

4）叠梁分块设计时与大口径PCCP管道安装现场使用的吊车的起吊能力相匹配，现场装配。

1.2 施工制作关键点

1）钢筋混凝土叠梁施工严格按《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204执行。

2）控制叠梁预制误差、确保施工精度，防止装配时串合孔不在同一轴线上，以免安装时叠梁层间间隙过大或串合孔错位。混凝土叠梁底板、顶面的平整度误差不超过3 mm，串合孔的模具安装垂直，上、下叠梁预留串合孔的错位不超过3 mm；确保上下块叠梁平稳和各叠梁组装到位并共同受力。

3）串合孔每根梁设4个、均布，采用8 mm厚钢板制作，与钢筋安装时预埋并固定；串合孔上开口尺寸：159 mm×139 mm，下开口尺寸：155 mm×135 mm，高度随叠梁。

4）叠梁吊环采用HPB300圆钢φ30制作，严禁用二级或三级钢替代，使用冷加工钢筋制作；吊环埋入构件的深度不应小于35 d，且应与构件内钢筋焊接或者绑扎；为避免吊环影响叠梁组装不到位，吊环设置于顶时采取隐藏式。

2 案例分析

2.1 工程概述

惠东县稔平半岛供水工程，输水线路总长度约为62.300 km，其中管线总长度约为52.286 km。工程设计引水流量为5.2 m3/s。主要供水的对象为规划建设的半岛沿海工业区及旅游区，兼顾补充沿线稔山、铁涌、平海和港口四镇的综合用水，工程等别为Ⅱ等，工程规模为大型。主管材为PCCPDE2000×6000/P0.6/H4(H6)和PCCPDE1800×6000/P0.6/H4等，管道采用沟埋方式铺设，管顶覆土厚度不小于2.0 m。

2.2 串合叠梁式后背墙工作流程

惠东县稔平半岛供水工程串合叠梁式后背墙实施工作流程如下：

后背墙（叠梁式）预制→后背墙处基坑清理、平整→吊放第1、2块叠梁，调平、稳固→台背回填砂性土，人工分层夯实→吊放第3、4、5条靠背梁，调平、稳固→1～5号叠梁串成一体，串孔内的空隙灌填干中粗砂，敲击、振动钢轨，使砂振实→后背墙与闷头、支撑体系联结及加固→进行水压试验。

2.3 叠梁尺寸核算

惠东县稔平半岛供水工程大口径PCCP压力管道水压试验用的后背墙的尺寸一般按基坑的深度和宽度来设定，以DN2000管径为例，墙高约为5.5 m比较适宜；叠梁尺寸初定为：B×b×H=4700 mm×1200 mm×5500 mm，经核算符合安全要求后，分5块制作，设4组，其中上部2块按侧放布置，以增加后背墙挡土高度。

后背抗力按库伦土压力理论计算，后背墙的宽度B满足下式要求：

式中：R为管道盖堵水压力传递给后背墙的总推力P为管道试验压力，P=1.5×0.6=0.9 MPa；D为管道内径，即闷头盲板直径，D=2.0 m；F为后背墙与基底土的摩擦力，kN；摩擦系数取f=0.35～0.4Ep为后背墙被动土压力，Ep=1/2·γ·H∧2·tg∧2（45°+φ/2）；K 为安全系数，取[K]=1.5。

将各值代入式（1），求出K值，若满足K≥[K]=1.5，说明叠梁尺寸的选取是合适的。见图1、图2。

图1 串合叠梁式后背墙俯视图（单位：mm）

图2 串合叠梁式后背墙设计组合简图（单位：mm）

2.4 钢轨数量的确定及安全复核

后背墙的叠梁用钢轨串合，各叠梁层间所受的剪力迅速、有效地传给钢轨承担，防止各叠梁受力不均导致主受力的叠梁位移[3]。后背墙叠梁为5节，按最不利计算，其受影响最大的钢轨串为中下2节；同时钢轨串有4根，共同承担剪力。

按工字形截面梁，剪应力计算公式：

式中：A为铁轨截面积，A=4950 mm2。

钢轨材料为U74，抗拉强度Rm=780 N/mm2，屈服强度取σs=410 N/mm2。

求得：τmax=2826×1000/4950/4=142.7N/mm2≤σs，经计算复核，用4根钢轨串合是安全的。

3 结论与建议

在惠东县稔平半岛供水工程中，管道水压试验后背墙方案如采用现浇钢筋混凝土，后背墙长宽高尺寸设计为4.7 m×1.0 m×5.0 m，按最少50次试验、后背墙需要建造100座次计，预算造价达288万元；采用串合叠梁式后背墙设计及施工，制作2组共20个梁块，按50次工地转运及安装，施工成本约为38.8万元，节省约249万元，效益非常明显。

串合叠梁式后背墙可以成功应用于惠东县稔平半岛供水工程此类大口径、长距离的PCCP压力管道水压试验中，且便于制造，变即建即拆模式为装配式模式，能重复使用，实施简单，所需费用较低，避免了每次水压试验完成后需对后背墙进行拆除造成的浪费和污染，节能环保，安全可靠。