基于软联结支护体系的PCCP管道快速施工技术

何 涛，杨金松，唐 亮，汪君晖，韩耀炜，李卷利

(中建三局绿色产业投资有限公司,湖北 武汉 430056)

0 引言

随着经济社会不断发展,水利工程日益显现其基础性、战略性支撑作用[1-2]。近年来我国重大水利工程建设蓬勃发展,PCCP管道在近三十年的使用实践、调查比选和经验摸索过程中,其经济实用、可靠耐久、综合性能优异得到普遍认可,已成为水资源调配工程包括南水北调工程、山西省万家寨引黄工程等在内的多项国家重点工程选用的管材[3-6]。PCCP管道尺寸大、重量沉,在施工作业面有限、地质情况不良、地表障碍复杂、机械设备操作受制约、征地拆迁难以协调等不良工况安装过程中存在管道施工效率低、管道施工成本高、管道施工影响大等问题[7-10],因此如何优化管道安装施工工艺直接关系到整个工程建设的质量、安全、工期和造价目标。

1 项目概况

安宁市车木河水库引水管线建设工程(三期)输水管线起始于车木河水库,终止于大屯水厂,管线总长度约41.85 km,输水规模8.8万m3/d,管径DN1 400,管材主要选用预应力钢筒混凝土管(PCCP管),单节管长5 m或6 m,单根管质量达10 t～14 t,属于长距离大口径PCCP管道安装工程。本工程水文、地质情况较复杂,地下水丰富,地下水位埋藏浅,场地地基土承载力弱,需处理后作为管基基础持力层。

2 施工工艺分析

在施工作业面有限、地质情况不良等工况下,传统大口径PCCP管道施工工艺存在施工效率低、管道施工成本高、管道施工影响大等问题[11-13],针对不良工况下大口径PCCP管道传统施工工艺存在的以上弊端,结合工程实际提出“基于软联结支护体系的不良工况下大口径PCCP管道快速施工工法”,新型快速施工工法工艺流程图见图1。

传统施工工法与新型快速施工工法主要施工工艺分析对比见表1。

表1 主要施工工艺分析对比表

传统施工工法与新型快速施工工法主要特点对比见表2。

表2 主要特点分析对比表

3 新工法关键工序施工工艺

3.1 软联结支护体系安装

3.1.1 钢板桩沉桩

软联结支护体系为采用花篮螺栓使钢板桩与围檩支撑之间形成软联结的支护体系,具体结构如图2所示,其具有较高的施工便利性和较高的安全性能,围檩与支撑材料用量少,能多次循环周转使用,能极好适应线性工程特点[18-19]。钢板桩结构选型采用6 mⅣ型拉森钢板桩。DN1 400 PCCP管道沟槽平均挖深3.5 m,需施打9 m长Ⅳ型拉森钢板桩方可保证嵌固深度要求,为降低施工成本,减少钢板桩用量,采用原始地面削坡1 m、施打6 m长Ⅳ型拉森钢板桩的施工方法。围檩支撑安装主要施工步骤如下:

1)原始地面削坡1 m。沉桩之前按1∶1坡比降低原始地面标高1 m。

2)钢板桩沉桩。因施工部位临近地物较多,振动锤选择12RF高频免共振振动锤以减少对周边敏感构筑物的影响。

3.1.2 围檩支撑安装

1)钢围檩加工。

a.围檩采用H400×400×13×21 mm型钢腰梁,长度8 m,H型钢需预留固定孔,孔径150 mm,间距3 000 mm,倾角值设定为10°,距离型钢翼板外侧距离50 mm,施钻过程中固定孔定位偏差不宜大于10 mm,倾斜度不应大于5%,对孔位、孔距、偏角进行复查准确后开钻,钻孔过程中要达到“准、平、稳”的要求,确保机钻孔不发生移位和摆动。

b.钢围檩的材料性能、规格、参数必须满足要求,加工焊缝外形光滑、均匀,不得有漏焊、焊穿、裂纹等缺陷,各配件尺寸符合要求,型材线形,复试合格。

2)对撑加工。

a.对撑采用Φ325×8 mm圆钢,长度2 m。圆钢加工时两端各留200 mm×200 mm钢板作为与钢围檩连接的缀板,缀板上预留50 mm×50 mm吊装孔洞。

b.钢支撑的材料性能、规格、参数必须满足要求,加工焊缝外形光滑、均匀,不得有漏焊、焊穿、裂纹等缺陷,各配件尺寸符合要求,复试合格。

3)钢围檩安装。

腰梁施工前测量人员根据图纸测放腰梁控制线,使用打桩机液压锤夹紧型钢紧贴钢板桩内侧放置腰梁,安装要确保水平成线、支垫密实、受力均匀、观感美观。使用国标M14×250 mm镀锌伸缩花兰螺栓和2 t弓型卸扣,将H型钢腰梁与钢板桩顶端连接,间距1 500 mm,梅花形布置,连接时按顺序紧固,螺栓连接必须保证紧固。

4)支撑安装。

对撑采用Φ325×8 mm圆钢支撑梁,间距7 000 mm(净空),确保6 m长DN1 400 PCCP管顺利下管。用吊车配合吊装钢支撑梁,支撑通过预留孔洞两点起吊,在吊装过程中必须保持支撑平稳、无碰撞、无变形,保证钢支撑两端与钢围檩正交,钢管支撑吊装到位后,用人工辅助将支撑调整到设计位置后再将支撑临时固定,对因钢板桩施工误差造成支撑的端头不能与钢围檩面紧密接触处,必须在围檩面与支撑端头之间加设钢板垫块,以保证支撑轴向受力均匀。所有支撑连接处均应垫紧贴密,钢围檩与围护桩体间必须密实。

3.2 集成化内拉装置管道对接

DN1 400管径PCCP管道对接通常采用内拉法或外拉法,本工程采用“快支快挖快装快填”方式施工,即管道安装好后随即回填施工,外拉法不适用。本工法采用集成化内拉装置内拉法,减少现场散体组装时间,通过收链组件的设置,可实现连接链条与钢横梁和内撑杆连接更加有序,后续的回收过程更加便捷快速,既能提高管道对接的效率,也能避免因为连接链条较长而导致缠绕难分离的问题,使用方便快捷。

3.2.1 集成化内拉装置构造

1)连接组件构造:连接组件设有钢横梁及内撑杆,钢横梁架设于管道外侧,内撑杆设于管道内且两端钢插片卡于两节管道的对接管缝处,钢插片与管道的接触端均设有橡胶垫。

2)钢横梁及内撑杆构造:钢横梁及内撑杆为两段式结构,两段之间通过导向杆连接,导向杆外围设有两个对称的双向液压杆,其中,与钢横梁和内撑杆连接的上基座设有两个,上基座与钢横梁和内撑杆的两段结构均滑动连接。

3)支撑组件构造:顶端与两个上基座连接且呈V形的支撑杆,支撑杆底端与下基座转动连接,两个支撑杆之间通过弧形弹性伸缩杆连接。

4)收链组件构造:收链组件设有两组,位于钢横梁和内撑杆之间,壳体内腔有两个卷链盘,卷链盘上均缠绕有连接链条,一根连接链条与内撑杆连接,另一根通过液压缸与钢横梁连接,两个卷链盘分别通过独立的驱动单元控制转动。

5)移动组件构造:移动组件设有两个单元,用于辅助钢横梁、内撑杆及收链组件移动,第一移动单元为钢横梁和内撑杆移动组件,分别与钢横梁和内撑杆连接,第二移动单元为收链组件移动单元,与壳体连接。

3.2.2 集成化内拉装置操作

1)将集成化内拉装置置于管道内,钢横梁架设于管道外侧,撑杆架设于管道内侧。

2)调节双向液压杆驱使钢横梁和内撑杆的长度调节,使得钢横梁和内撑杆均能够与管道有效接触。

3)通过激光器发射的激光穿过贯穿孔是否落在钢横梁上对应的位置,若不在对应的位置,则可通过调节杆对钢横梁的位置进行调整,直至钢横梁与内撑杆处于同一高度。

4)转动两个卷链盘收缩,合拢管道,直至接口间隙范围为15 mm～35 mm,接头的最小间隙不小于10 mm。驱动单元可采用电机,为了节省成本,驱动单元也可采用手摇把,通过人工转动卷链盘收卷,此时需要增加对应的锁定结构,可采用插杆固定,壳体上则对应开设有若干的插孔。

5)调节双向液压杆收缩钢横梁和内撑杆长度至管道内,下一根管道在悬吊状态下时通过移动组件移动内拉装置至下一管节处,重复上述1)—4)步骤完成管道对接。集成化内拉装置结构示意图见图3。

3.3 管道接口外密封

3.3.1 水泥砂浆制浆要求

接口外密封通常采用水泥砂浆,管道回填需等水泥砂浆初凝后进行,常规配比选型的水泥砂浆需要较长的时间来凝固和硬化,一般初凝时间4 h,拖延后续工序进行,因此需对水泥砂浆配合比选型中增加早强剂能够加快水泥砂浆水化速度,根据技术要求和试验室配比,经优化后水泥砂浆配比能缩短初凝时间约1 h。水泥砂浆采用1∶2.5早强流态水泥砂浆,水泥砂浆应有良好的流动性,以使其灌入后能够均匀、密实、无空隙,水泥砂浆强度不低于20 MPa[20]。水泥砂浆配合比选项见表3。

表3 水泥砂浆配合比选项(每立方米用量)

3.3.2 接口外密封水泥砂浆施工

1)外缝清理:在外部接口缝隙表面淋水,以确保缝隙表面完全湿润。

2)灌浆带制作:用强度适中的尼龙布编制,宽度不小于400 mm。

3)灌浆带缠绕固定:灌浆带缠绕管道接口,顶部预留灌浆口净宽不小于250 mm。使用两条不小于8 mm的粗钢丝绳通过顶部的紧绳器拉紧。

4)灌浆操作:从灌浆带一端灌入,从另一端升上来为准(保证外接口底部充满砂浆),在接口间隙内放置一根钢丝,来回牵动,保障灌注砂浆的密实性。顶部敞口用干性水泥砂浆抹平即可。

5)养护:管道外缝砂浆灌注好以后及时养护,由于缝内砂浆体积较小,容易裂缝,必须采用草帘或棉被覆盖,洒水养护,养护时间与管道土方回填速度和包带周转速度有关。

6)灌浆带拆除:在确定已灌缝的管道进行土方回填之前拆除包带,停止养护。

4 运用效果

本工法通过应用软联结支护体系、集成化内拉装置、优化水泥砂浆配合比选型等技术,施工过程中各工序紧密衔接,快速高效完成管节施工,缩减大口径PCCP管道在不良工况下沟槽支护、管道对接、管道外接口灌浆等关键工序时间,实现“快支快挖快装快填”方式施工,最大限度节约工期,降低对交通和周边居民的不利影响。

本工法在车木河水库引水管线(三期)工程的应用效益突出:一是有效缩短施工周期,工期提前24 d,整体工期减少约20%;二是采用花篮螺栓和卸扣使钢板桩与围檩柔性拉结,钢板桩周转率提高10%,同时减少2名焊工劳动力投入;三是有效减小施工对周边建筑物、构筑物的影响,减少混凝土泄洪沟破除约1.4 km,减少管线迁改1.2 km,缩减房屋征拆面积约300 m2,征地拆迁费大幅压缩;四是施工全程未收到任何居民投诉信息,施工安全、质量受到业主高度肯定。

5 结语

“基于软联结支护体系的不良工况下大口径PCCP管道快速施工工法”是结合工程实际对不良工况下PCCP管道施工工艺进行的优化,针对传统施工工艺诸多弊端,针对性地提出多项解决方案,提高和改善了PCCP管道在不良工况条件下施工技术水平,可为类似工程提供参考与借鉴,具有实际应用推广价值。