PCCP输水工程深槽段处理关键技术研究

陈新佳

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110001)

为解决我国水资源分布不均匀的问题，许多输水工程被大量兴建，例如，南水北调工程、引滦入唐、引黄入淀、引江济淮等，这些工程的建设在一定程度上缓解了区域水资源供需矛盾压力，对我国可持续发展战略的实施有着重要的推广意义[1- 2]。目前预应力钢筒混凝土管PCCP由于其具有高抗压性、高抗渗性、高密闭性等优点，被广泛应用于输水工程建设[3- 4]。

PCCP工程最早由法国开发使用，后来发展到美国、加拿大等欧洲国家。从20世纪80年代开始逐步在国内广泛应用[5- 6]。在使用过程中，应尽可能选择地质均匀、地形起伏度较小的区域设置，避免PCCP工程附近出现危险区域，造成不必要的施工问题，但实际施工设计时往往无法避免，导致在地形起伏度较大的区域会出现深槽段，因此对PCCP工程深槽段处理的关键技术研究成为了该工程必须解决的课题[7]。

目前针对PCCP工程关键施工技术的研究已取得了一定的进展。蒙世忏等[8]研究了长距离输水方案的设计对比，基于综合性能评分法对比了大管径PCCP和小管径球墨铸铁管的优缺点，采用有限元方法分析了PCCP管道的工作性质，提出了PCCP管道的优化施工方案，对该工程的应用提供了基础；马路[9]分析了PCCP输水工程的防腐性质，通过对水土腐蚀性指标的监测和评价，指出PCCP管道不需要进行防腐处理；忽惠卿[10]研究了南水北调输水PCCP工程在深槽段的处理技术，确定了主要的工程措施和边坡防护措施。

由于PCCP工程的实际特点，在地形起伏较大和地质不均匀的区域深槽段施工较困难。进行输水管道设计时的地形图较陈旧，无法真实反映施工实际情况，PCCP管道工程在设计时并未熟练应用数字高程模型DEM。该模型可清晰反映地形情况，为PCCP工程管线确定提供基础。因此，本文以GPS实际测点为主要手段，分析了在实际工程区域的地形，形成区域DEM，同时分析了在地质不均匀时深槽段的主要施工技术。

1 PCCP深槽段设计路径确定关键技术

在地形起伏较大地区，在设计过程中需选择地形起伏度较小的区域进行PCCP管道路线布置[11。在现场测量地形时，若大面积测量将耗费大量财力，一般采用GPS进行测量控制点的定位。本文以某PCCP实际工程为例，确定了研究区域GPS的测点分布位置，具体测点布置如图1所示。研究确定该区域地形起伏度是PCCP管道深槽段地形确定的关键。

根据GPS测点的高程数据，采用插值算法将测点高程数据转化为地形图，结果如图2所示。由图2中的等值线可进一步得到研究区域的TIN，结果如图3所示。最终得出的三维地形和DEM可清晰反映研究区域的实际地形情况，结果如图4—5所示。

图1 PCCP深槽段地形GPS测点分布

图2 PCCP深槽段地形等值线

图3 PCCP深槽段地形TIN

图4 PCCP深槽段地形三维地形

图5 PCCP深槽段地形DEM

PCCP管道深槽段路线，应尽量选择地形起伏较低的区域，因此需要在实测地形DEM的基础上进行地形起伏度的计算[12- 13]。在计算研究区域地形起伏度时，需确定分析窗口的面积，结果如图6—7所示。

图6 平均起伏度与分析窗口的关系

图7 最佳分析窗口面积确定

由图6—7中可以看出，不同分析窗口下的窗口面积与计算得到的平均起伏度之间存在较好的对数函数关系，且关系式的决定系数达到了0.875，由图7可以看出，最佳分析窗口面积取4.64km2时，可获得最佳计算效果。

基于此，计算了PCCP管道区域的地形起伏度，结果如图8所示。为方便路线选取，需对地形起伏度进行分级，结果如图9所示。在进行PCCP管道深槽段路线设计时，可尽量选用与地形起伏度同级的区域进行规划，提高PCCP工程质量，降低施工难度。

图8 地形起伏度计算

图9 地形起伏度分级

2 PCCP深槽段施工控制关键技术

由于深槽段开挖断面较陡，PCCP管道施工质量的主要影响因素为开挖断面的质量，本文主要分析了台阶法，研究了该方法在进行PCCP管道施工过程中的主要控制标准[14- 15]。通过分析台阶法进行深槽段开挖后的断面沉降变化规律，确定该方法进行施工的主要控制标准，沉降监测关系结果如图10所示。地层沉降是一个逐步积累的过程，在土层的固结作用下，地层产生快速沉降，相应的沉降速率最大，由台阶法产生的地表最大沉降为265mm。不同分层情况下的土层沉降存在一定的差异，随着土层深度的增加，沉降量逐渐增大，土层深度越深，沉降越大，同时开挖断面中心处的沉降高于开挖断面两侧。

图10 不同位置开挖断面沉降观测

参考相关设计、施工规范及类似历史工程经验，参照现场监测的地层变形在各开挖工序的部分分配关系，PCCP工程通过风化深槽段，各项监测的重要性不言而喻。特别是对于地层变形安全风险控制而言，准确、及时地获取地层变形监测数据是前提。当变形达到不同的管理级别时，采取相应的控制技术措施，以实现监测信息反馈与动态施工过程管理、控制的有机结合，实现地层变形、安全状态的预知与受控，确保工程的顺利实施。图11中列举了PCCP在施工开挖过程中的3条控制线，其中包括预警控制线、报警控制线和极限控制线，当开挖过程中监测到的土体沉降达到相关控制线标准时，需采取相应的措施进行补救。同时，当土体沉降量高于250mm时，表明该区域土层无法满足PCCP工程的施工，需提前做好地基处理措施。

图11 PCCP工程施工开挖控制

3 结语

本文通过分析PCCP工程在深槽段处理的关键技术，为该工程的顺利施工提供了一定的理论基础，从设计和施工2个方面出发，研究PCCP工程在深槽段的路径规划和施工控制标准，得到了以下结论。

(1)对PCCP工程路径设计规划，需掌握最新的深槽段地形信息，基于GPS对区域地形进行实测，然后对实测数据进行高程处理，得出等值线和DEM图，并基于此确定了工程区域的地形起伏度分级，指出对于PCCP工程路径应尽量在同一分级处进行规划设计。

(2)对于PCCP工程施工控制的关键技术，以台阶法为开挖方法，研究了在该方法下的土层沉降，进而找到了PCCP工程的施工控制标准。

(3)本文仅以台阶法作为开挖实例进行分析，在以后的研究中可分别基于中隔壁法、预留核心土法进行研究，分别确定不同方法的PCCP工程施工控制标准。