淺談高寒地區淺水位管道快速施工方法

李文端

內蒙古地處高寒地區,冰凍期從11月～次年4月,長達 6個月,凍土層厚度最大可達3.19 m。多年平均氣溫-0.9℃(7月平均最高氣溫20.0℃,1月平均最低氣溫-40.5℃),歷史最低氣溫-42.1℃(1987年1月9日),地下水位埋藏淺,地下水資源豐富,勘察深度內地下水為孔隙潛水,主要受大氣降水的補給,地下水位埋深1.75 m～4.10 m,平均2.03 m,地層存在淤泥、流砂的狀況。這種特殊的環境地質條件給管道施工帶來很多的難題和阻礙。本文結合魯新礦井排水管道施工,討論高寒地區淺水位管道快速施工方法,進一步完善高寒地區凍土層外排水管路敷設快速施工技術[1]。

1 工程概況

本工程位于內蒙古魯新礦井—烏拉蓋河之間,設計總長度7 149.19 m。建設用途是將礦井水和生活污水經水處理后,利用聯合泵房排放至烏拉蓋河。本工程采用φ 710PE管作為排水管,設計排水量2 400 m3/h,最大工作壓力0.4 MPa。接口采用PE管熱熔焊接技術。由于本地區處于高寒氣候地帶,凍土層平均厚度約為3.19 m,考慮到管路抗凍等因素,設計管路采取直埋方式敷設,埋深為3.3 m。工程土方開挖至自然地坪下4 m。

2 施工存在的問題

1)外排水工程位于魯新礦井與烏拉蓋河之間,冬季最低氣溫達-42.1℃,屬高寒地區,土層中有永久凍土層,凍土層硬度很高,采用挖掘機開挖凍土層難度很大。2)地下水位高,地質勘查報告顯示外排水工程全線大部分在自然地坪下2 m即到水層。3)外排水管路長(設計長度7 149.19 m),焊接接頭多,共 598個接頭,挖方量大,累計挖土方212 905.6 m3。施工期間恰逢雨季,提高了管材運輸進場以及下管、埋管的施工難度。4)土層土質為粉質黏土、細砂和淤泥,挖土深度4 m,全線基本都存在管涌、流砂坍塌和清淤問題。5)工期短,任務重,合同工期要求為60 d。

3 高寒地區淺水位管道施工的建議方案

3.1 排水管道管材的合理選取

將外排水管道管材由鋼塑復合管改為 PE100φ 710×42.1管,管壁加厚(壁厚38 mm),意義重大,直接決定了外排水管路敷設工程的成敗,施工組織因此而更經濟、合理、快速[2,3]。這是因為與鋼塑復合管相比,PE管有以下優勢特性:1)連接可靠:聚乙烯管道系統之間采用電熱熔方式連接,接頭的強度高于管道本身強度;聚乙烯管道與其他管道采用法蘭連接,方便快捷。2)低溫抗沖性良好:聚乙烯的低溫脆化溫度極低,可在-60℃～60℃溫度范圍內安全使用,冬季施工時,因材料抗沖擊性好,不會發生管子脆裂。3)抗應力開裂性優良:PE管材具有低的缺口敏感性、高的剪切強度和優異的抗刮痕能力,耐環境應力開裂性能也非常突出。4)耐老化,使用壽命長:含有2%～2.5%均勻分布的炭黑的聚乙烯管道能夠在室外露天存放或使用50年,不會因遭受紫外線輻射而損壞。5)耐磨性好:PE管道與鋼管的耐磨性對比試驗表明,PE管道的耐磨性是鋼管的4倍,在泥漿輸送領域,同鋼管相比,PE管道具有更好的耐磨性,這意味著PE管道具有更長的使用壽命和更好的經濟性。6)可繞性好:PE管道的柔性使得它容易彎曲,工程上可通過改變管道走向的方式繞過障礙物,在許多場合,管道的柔性能夠減少管件用量并降低安裝費用。7)搬運方便:PE管道比混凝土管道、鍍鋅管和鋼管更輕,焊接工藝簡單,它容易搬運和安裝,施工方便,更低的人力和設備要求,意味著工程的安裝費用大大降低,工程綜合造價相應降低。8)施工環境要求低、適應性更廣泛:PE管道可以在溝槽外焊接,整體下管、埋管,不硬性要求溝槽內必須具備無水作業環境,比鋼塑復合管、預應力混凝土管有更廣泛的適應性。

3.2 有效、有序的組織管理

由于外排水管道施工工期緊(60 d),線路長(7 149 m),無可供借鑒的施工經驗,需邊干邊摸索經驗,隨時解決出現的問題。而且牽涉社會關系處理,需兩家單位配合施工,組織協調管理工作至關重要。事實表明,有效、有序的組織管理為施工順利開展提供了切實保障。

3.3 合理安排施工工序

經過挖掘機試挖發現土層在自然地坪下約2 m存在凍土層,硬度很高,經研究決定土方分兩層開挖,第一層挖至凍土層后自然晾曬降低硬度。既使挖掘機能充分工作,不怠工,不閑置,凍土解凍后又使施工難度降低,從而提高工效,節省機械臺班,加快施工進度并降低工程造價(減少機械閑置費)。

3.4 適當加大挖土斷面

由于土層土質為細砂和淤泥,挖土深度4 m,地下水高(埋深2 m),全線基本都存在流砂坍塌和清淤問題,采取適當加大挖土斷面的方式解決流砂坍塌和清淤。原設計采取的方案是全線井點降水和邊坡支護,工期長,而且造價很高。采取適當加大挖土斷面的方式解決流砂坍塌和清淤,水泵明溝排水解決地下水問題。雖增加了部分挖土成本,但是節省了全線井點降水和邊坡支護的大量費用,總體還是大大降低了造價,并加快了工程施工速度。

3.5 PE管的合理安裝

施工時根據PE管可彎曲(最小曲率半徑70 m)、重量輕的特點,在草地上集中焊接,然后再集中下管,避免了在溝內焊接作業所要求的溝內必須無水的條件,大大降低了降水難度,減少了降水臺班,節省了費用。在下管時只要控制管頂標高滿足在凍土深度以下就可以埋管,如此一來溝內的水就不必完全抽干,采取兩臺挖掘機交互清淤、摁管、埋管就能滿足設計要求,從而既加快了工程進度,又降低了工程造價。利用PE管彎曲性能好的特點,在轉點(1,2,3,4)處可以直接熱熔焊接,節省了加設法蘭盤的材料費和安裝費用,降低了造價(見圖1)。

4 經濟社會效益分析

通過對該工程的設計及施工方案的論證和優化,大大節省了該工程各項投資費用,從而降低了工程造價。該工程原設計管材為DN700鋼塑復合管,根據當地市場價格調研,鋼塑管價格相對較低,比同等直徑PE管價格低約300元/m。但是,采用鋼塑復合管施工方案從其他方面相應增加了工程建設費用。通過方案優化創新,采用PE管快速施工方案比采用鋼塑復合管施工方案施工共節省資金397.90萬元,取得了顯著的技術經濟效益。同時,高寒地區凍土層外排水管路敷設快速施工技術的實施,魯新礦井外排水管路工程施工共歷時2個月,比原設計方案縮短工期2個月,節省了大量資金,降低了工程造價,并且確保了施工質量和安全,快速、高質、安全、經濟的完成了建設任務。

5 結語

通過對魯新礦井外排水管路快速施工技術的研究,形成了一套更加系統、完整的高寒地區凍土層、地下水位埋藏淺條件下長距離、大口徑PE管快速施工技術,將為高寒地區煤炭及其他相關行業的類似工程提供很好的借鑒,對煤炭行業的技術更新起到非常重要的作用,推廣應用前景廣闊。

[1]于居洲.高原高寒多年凍土區的橋梁施工技術[J].冰川凍土,2006,28(2):596-600.

[2]劉靜云.埋地PE管施工技術的探討[J].山西建筑,2009,35(3):172-173.

[3]張麗云.常用幾種塑料管材的特性分析[J].包鋼科技,2008,34(1):94-95.