長大重力流輸水隧洞與輸水管道連接型式論述

于厚文，谷鳳濤

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003）

長大重力流輸水隧洞與輸水管道連接型式論述

于厚文，谷鳳濤

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003）

遼寧省重點輸水工程具有輸水距離長、地形地質(zhì)條件復雜，全程重力流等特點，其中溝谷山區(qū)地段采用有壓隧洞、無壓隧洞和有壓管道自流的輸水型式，本文以其中典型段為例進行論述，該段包括有壓隧洞、無壓隧洞、DN5800連接鋼管、管道變徑連接岔管以及DN3600PCCP管道等，其間連接節(jié)點眾多、連接型式多樣、施工復雜，國內(nèi)罕見。文章論述了輸水隧洞、輸水連接型式以及在施工中應注意的事項，對今后類似大型輸調(diào)水工程具有借鑒價值。

輸水工程；隧洞；管道；連接型式

1概述

目前在我國大型輸水工程建設受地形條件限制時通常采取洞穿PCCP進行設計施工［1］。在南水北調(diào)中線北京段惠南段-大寧段工程中，管線穿越了西甘池隧洞和崇青隧洞，比較了鋼筋混凝土襯砌、鋼板襯砌和洞穿PCCP管結(jié)構(gòu)3種方案，最終選擇采用洞穿PCCP方案［2］。山西省萬家寨引黃一期工程，在聯(lián)接段整個輸水線路上，間隔布置有7條輸水隧洞，其中1#-6#隧洞為長7989.9m的圓形有壓隧洞，采用洞穿PCCP管進行施工，這是我國首例如此長的PCCP洞穿管工程［3］。該技術普遍存在施工難度大、周期長、造價高，亦無法充分發(fā)揮PCCP管道施工方便快捷的優(yōu)勢［4］。針對大型輸水工程中受地形條件限制的問題采用輸水隧洞與輸水管道相結(jié)合的輸水型式，結(jié)合南水北調(diào)工程［5］、省內(nèi)重點輸水工程［6］及大伙房輸水工程諸多經(jīng)驗［7，8］首次在大型輸水工程中使用大型岔管承擔鋼管段與多管同槽PCCP管道連接的過渡作用，解決了PCCP管道在復雜地形條件中的局限性問題，充分發(fā)揮了PCCP管道與隧洞各自的優(yōu)勢。

遼寧省重點輸水工程全線長約600km，具有地形地質(zhì)條件復雜、隧洞長、管徑大、工壓高、全程重力流等特點。輸水線路前半段為山區(qū)，均采用隧洞輸水；后半段地形較為平緩，局部為溝谷山區(qū)，采用隧洞和PCCP管道和鋼管輸水。為了充分發(fā)揮隧洞和PCCP管道各自優(yōu)勢，在設計和施工中利用大口徑鋼管和隧洞連接，大口徑鋼管與PCCP管通過連接岔管連接。

根據(jù)既定線路的地形和地質(zhì)條件，結(jié)合經(jīng)濟水頭分配結(jié)果和全程壓力線計算成果，輸水型式確定如下：隧洞3-1、3-2、3-4、3-5、3-6、3-7均為有壓隧洞，其進、出口均與等徑鋼管進行連接過渡，其中隧洞3-1進口處、隧洞3-3出口與隧洞3-4進口之間、隧洞3-6出口與隧洞3-7進口之間、隧洞3-7出口處與采用隧洞連接鋼管再通過鋼岔管與三管同槽PCCP管道進行連接，無壓隧洞3-3進出口處采用布置連接井的方式進行連接。

2連接段的布置

如圖1所示，隧洞及PCCP管道典型連接段以1#鋼岔管為起點，5#鋼岔管為終點，全長23698m，其中7條隧洞集中布置，處在溝谷山區(qū)地段，隧洞總長度11990m，分有壓隧洞和無壓隧洞，具體情況見表1；鋼管段分為與有壓隧洞直接連接的DN5800鋼管9段，長2692m；以及連接鋼岔管與PCCP管道的3根DN3600鋼管管道5段，長147m；大型三岔型鋼岔管5處。PCCP管道段3×DN3600PCCP管道長8914m。

圖1連接段布置示意圖

表1隧洞基本情況匯總

2.1鋼管連接段的布置

該工程1×DN5800鋼管連接段主要分為9個部分，詳細情況見表2。隧洞進出口與1×DN5800鋼管連接處留有20m鎖口鋼襯段，開挖洞洞徑為8.5m。

表2鋼管連接段基本情況匯總

該工程鋼管均為直埋安裝，在相應管線段溝管開挖、基礎墊層及混凝土基礎等施工完畢后，及時進行鋼管安裝，安裝時注意要點如下。

（1）根據(jù)測量基準點、基準線和水準點，進行鋼管安裝的控制測量放點，在鋼管安裝部位測放出鋼管安裝中心線和各管段測量控制基準高程點，計算出每節(jié)鋼管控制點位置坐標，將每節(jié)鋼管的兩腰點和頂（底）點作為控制點放設（視安裝現(xiàn)場可適當彎動），控制點采用測量用的預埋鋼板或水泥鋼釘標記，在核實的位置放設高程控制點。

（2）鋼管安裝分為2種情況施工：一種為軸向坡度較大、管線安裝長度較短的安裝段，每節(jié)鋼管可采用履帶吊直接吊裝就位、拼裝焊接；另一種情況為管線坡度較小，安裝長度較長的安裝段，在墊層混凝土澆筑完成強度達到要求后，在管線一端將2節(jié)鋼管連接成一個安裝單元，沿管線鋪設簡易軌道，利用臺車軌道經(jīng)卷揚機牽引將鋼管安裝單元進行水平運輸至安裝位置、用千斤頂手拉葫蘆就位拼裝。所有管節(jié)的加固材料焊接應在加勁環(huán)上搭接施焊，采用雙面焊接，焊縫長度不小于200mm。

（3）該工程鋼管壁厚為20mm，材質(zhì)為傳統(tǒng)材料Q345c，焊接工藝方面無特殊要求，所以鋼管安裝環(huán)縫坡口形式全部采用內(nèi)壁坡口。焊接作業(yè)時首先在環(huán)縫內(nèi)壁坡口填充50%～60%，然后反面進行碳弧氣刨清根、焊接，最后將內(nèi)壁環(huán)縫剩余部分焊接完畢。

（4）鋼管安裝及焊接、防腐檢測全部完成后包覆聚乙烯閉孔泡沫板，板間對接縫隙小于1mm，包覆彈性墊層完成后，檢查達到表面平整，與管壁貼合緊密，無褶皺空鼓現(xiàn)象后，進行管道外包混凝土澆筑工作，并在養(yǎng)護完成后及時回填。

2.2鋼管連接段與3×DN3600PCCP管銜接的確定

該工程共涉及5處1×DN5800鋼管與同槽3×DN3600PCCP管道的過渡連接。根據(jù)地形地質(zhì)情況，結(jié)合全程壓力線計算結(jié)果，確定使用5個大型三岔型鋼岔管承擔該其連接過渡工作。5個大型鋼岔管主管、支管、短管、彎管、直管部分相同，僅U梁和腰梁規(guī)格不同。根據(jù)其U梁及腰梁規(guī)格不同，分為3種規(guī)格，即岔管1（樁號：C30+139.446）單重222.72t；岔管5（樁號：C53+878.165）與岔管3（樁號：C48+264.046）同一規(guī)格，單重196.71t；岔管2（樁號：C44+708.490）與岔管4（樁號：C52+213.624）同一規(guī)格，單重181.42t。岔管整體如圖2所示。

圖2岔管整體示意圖

由于三岔型鋼岔管整體外形尺寸大、總重量大，全部5個岔管均須分為多個制造運輸單元運輸至工地現(xiàn)場進行現(xiàn)場組裝，焊接。安裝時按上圖①②③④⑤⑥⑦⑧依次安裝。岔管組裝時采用臥裝方式組裝，組裝時按下列組裝順序組裝。

（1）預埋加固錨板、組裝支撐板；投放岔管水平投影中心控制線及高程控制線。

（2）吊裝定位管節(jié)（主管），以投放的控制線為基準，調(diào)整主管中心線及高程位置，使始裝節(jié)中心軸線與投放的控制線重合且高程及管口里程符合要求，加固牢靠后，方可進行下一步安裝工序。

（3）組裝拉桿，先吊裝底部拉桿，調(diào)整安裝好后再吊裝頂部拉桿。調(diào)整拉桿位置時，除控制投影尺寸外，還必須使頂部拉桿軸線與主管正軸重合、底部拉桿軸線與主管負軸重合。

（4）組裝左、右腰梁須應注意腰梁重量大，安裝調(diào)整、檢查合格后，須支撐加固牢靠。

（5）組裝左、右支管時，調(diào)整支管姿態(tài)與組裝形態(tài)接近，然后緩緩吊入安裝位置，定位焊后檢查各管口中心、高程、里程滿足規(guī)范要求。

（6）組裝左、右U梁，注意按拉桿上的控制線、梁上的管壁中心進行組裝，調(diào)整好左、右U梁位置，定位焊后，檢查合格，支撐加固牢靠。

（7）組裝中支管，先將一邊的管壁中心線調(diào)整至與U梁上的管壁中心線重合，點焊后再調(diào)整另一邊管壁中心線位置，檢查各管口中心、高程、里程滿足規(guī)范要求。

（8）岔管主體部分焊接完成后，進行消應處理及殘余應力檢測。合格后進行短管、直管、彎管部分組裝，焊接。

組裝時應特別注意，U梁、腰梁與φ600mm立柱（拉桿）的連接處的焊接坡口方向需組裝正確。組裝時須在φ600mm立柱的兩端頭投劃好與主管、支管、U梁、腰梁的組裝控制線，組裝時按控制線進行組裝。由于岔管主管管壁、支管管壁與U梁、腰梁形成不規(guī)則的漸變角度連接，因此制造時的坡口開制會存在一定的誤差，焊接前須用碳弧氣刨修整焊道坡口。始裝節(jié)管口中心的極限偏差≤5mm，始裝節(jié)的里程極限偏差為±5mm，始裝節(jié)兩端口垂直度為±3mm；其他部位管節(jié)的管口中心極限偏差≤25mm。管口平面度≤6mm；管口圓度≤5D/1000，每端管口至少測量2對直徑。

岔管整體安裝完成后，在進行消應處理前后采用盲孔法對消除應力前后應力進行檢測，應力消除不得小于50%，消應后的最大應力不得大于材料屈服極限強度的50%，應力平均值降低率應大于30%，在滿足上述技術標準要求后，采用現(xiàn)場焊接的方式，通過岔管將3管同槽DN3600PCCP管道與DN5800鋼管進行連接。

2.3連接段中穩(wěn)壓構(gòu)筑物的布設

為保證該處線路平穩(wěn)安全運行，在1#鋼岔管與5#鋼岔管之間設置穩(wěn)壓構(gòu)筑物4處，其中連接井2處、穩(wěn)壓溢流豎井1處、溢流支洞1處。

（1）連接井布置。連接井布置在有壓管線與無壓隧洞連接處（隧洞3-3進、出口）。連接方式分為進口處無壓隧洞與單條DN5800鋼管管道連接、出口處無壓隧洞與3條DN3600PCCP管道連接。

（2）溢流支洞布置。由于隧洞3-3進出口均不具備泄流條件，因此隧洞3-3進出口連接井均不設溢流口，在隧洞C39+255.53m處設置溢流支洞。溢流支洞與主洞的交角為70.91°，洞底高程高于設計水位0.6m為214.60m，支洞為圓形有壓洞，襯砌洞徑3.0m，洞長1.0km，設計溢流量為41m3/s，出口設有防沖工程設施，并設置剛欄柵，防止動物及人群進入。

（3）穩(wěn)壓溢流設施布置。距隧洞3-7進口0.35km處布置溢流豎井，設計液面高程209.57m，溢流豎井井口高程為210.00m，最高溢流液面高程為211.07m，設計溢流量為41m3/s。溢流池結(jié)構(gòu)尺寸為31.0m×25.0m（寬×高），池底高程為208.50m，溢出水流經(jīng)過溢流堰進入集水井，井底高程202.80m，并通過1×DN3600PCCP管接入水庫庫區(qū)。管道出口處設有防沖工程設施，混凝土消力池長10.00m，池深1.0m，漿砌石護坦長10m。并設置剛欄柵，防止動物及人群進入。

3結(jié)語

該工程通過5處大型三岔型鋼岔管使9處1×DN5800鋼管、3×PCCP管道及7條隧洞連接型式成為可能，克服了該工程輸水距離長、地質(zhì)條件復雜的難點，為輸水管線平穩(wěn)安全運行提供了有效的技術支撐和保障；其中大型三岔型鋼岔管采取現(xiàn)場焊接安裝技術，很多內(nèi)容填補了大型輸水工程領域的空白，為國內(nèi)類似工程提供了成功的范例與寶貴的實踐經(jīng)驗。隨著我國大型跨流域調(diào)水工程的發(fā)展，多管同槽管道與隧洞連接型式的應用將得到廣泛的推廣。

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TV672

B

1008-1305（2016）03-0088-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.034

2016-04-02

于厚文（1968年—），男，高級工程師。