滑移穿套玻璃鋼管法在東水西調(diào)改造工程中的應(yīng)用

楊 玲，王 雷，王 亮，周志華

(1.北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100048；2.北京水務(wù)投資中心，北京 100048)

東水西調(diào)工程是1990年為解決京西工業(yè)區(qū)供水危機(jī)而修建的一項(xiàng)重要應(yīng)急供水工程。該工程把密云水庫(kù)來(lái)水從頤和園團(tuán)城湖自東向西利用三級(jí)泵站和20km管道引至京西地區(qū)，解決當(dāng)時(shí)四廠(chǎng)(首都鋼鐵公司、高井電廠(chǎng)、石景山電廠(chǎng)和門(mén)頭溝城子水廠(chǎng))的生產(chǎn)生活用水。隨著官?gòu)d水庫(kù)水質(zhì)變差，1994年為保證門(mén)頭溝城子地區(qū)的飲水安全，東水西調(diào)歷經(jīng)改造后成為城子水廠(chǎng)的專(zhuān)用供水管線(xiàn)，一直運(yùn)行至今[1]。2014年南水北調(diào)中線(xiàn)供水進(jìn)京，東水西調(diào)納入南水北調(diào)總體規(guī)劃，賦予了新的供水功能，提出了新的供水要求。根據(jù)區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境發(fā)展的需要，保證安全高效地使用南水，最大限度地發(fā)揮現(xiàn)有工程的作用，對(duì)東水西調(diào)存在隱患的部分供水設(shè)施進(jìn)行了新的改造，為石景山區(qū)、門(mén)頭溝區(qū)提供水質(zhì)優(yōu)良、安全健康的南水北調(diào)中線(xiàn)或密云水庫(kù)水，實(shí)現(xiàn)雙水源供水，提高供水保證率[2]。

東水西調(diào)工程穿越海淀、石景山、門(mén)頭溝區(qū)，管道上部地面建筑物密集，無(wú)法采用明挖施工法對(duì)年久失修的管道進(jìn)行更換；同時(shí)，受投資、現(xiàn)狀管道管材、管徑以及改造后管道輸水能力、糙率、施工工期、拆遷工作等因素影響，最終選定采用滑移穿套法改造現(xiàn)狀存在安全隱患的管道，本文介紹了滑移穿套玻璃鋼管在東水西調(diào)改造工程中的應(yīng)用，以及在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)注意的問(wèn)題，為以后中心城區(qū)的老舊管道改造提供一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 滑移穿套玻璃鋼管法在東水西調(diào)工程中的確定

滑移穿套法是一種非開(kāi)挖復(fù)原管線(xiàn)技術(shù)，通過(guò)把糙率較小、直徑相對(duì)較小的新管牽引推入已惡化的現(xiàn)狀管道，并在現(xiàn)狀管道和新管之間填塞填縫材料防止內(nèi)管發(fā)生較大的振動(dòng)位移，以達(dá)到恢復(fù)原有管道輸水能力的目的。

滑移穿套玻璃鋼管法在恢復(fù)輸水能力、縮短施工工期、節(jié)約工程投資、簡(jiǎn)化施工工藝等方面具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)穿套會(huì)縮小輸水管徑，但不影響輸水規(guī)模和輸水能力

采用套管必定會(huì)縮小輸水管道管徑，為不減少輸水過(guò)流流量，必須選用比原糙率更小的管材。東水西調(diào)現(xiàn)狀鋼筋混凝土管糙率為0.014，可以達(dá)到套管糙率要求的管材有：鋼管、涂塑復(fù)合鋼管和玻璃鋼管。其中，鋼管糙率0.012，涂塑復(fù)合鋼管和玻璃鋼管糙率0.009。

根據(jù)東水西調(diào)需要改造段管道的控制輸水工況，經(jīng)計(jì)算，不同管材的穿套管徑要求見(jiàn)表1。

表1 不同管材的穿套管徑比選

由表1可見(jiàn)，從符合穿套條件并滿(mǎn)足水力性能要求角度看，復(fù)合鋼管和玻璃鋼鋼管都能滿(mǎn)足要求，而DN1000鋼筋混凝土管穿套DN950鋼管時(shí)略顯困難。

(2)現(xiàn)狀管道供水運(yùn)行中，應(yīng)盡力減少改造停水期

由于東水西調(diào)工程是城子水廠(chǎng)的專(zhuān)用供水工程，沒(méi)有其他長(zhǎng)期性可替代水源，而城子水廠(chǎng)承擔(dān)著門(mén)頭溝門(mén)城、廣寧、麻峪地區(qū)20萬(wàn)人的飲水問(wèn)題[3]，因此東水西調(diào)管線(xiàn)工程的改造須選擇改造工期短、停水工期短、停水影響小的施工工藝。施工工期主要體現(xiàn)在接口安裝工期和頂進(jìn)工期兩個(gè)方面。

接口工期：鋼管和涂塑復(fù)合鋼管均需采用現(xiàn)場(chǎng)焊接方式，焊接工期長(zhǎng)。若需減少焊口數(shù)量，則需增加管節(jié)長(zhǎng)度，增大豎井結(jié)構(gòu)尺寸和頂管頂力。而玻璃鋼管采用承插接口，并設(shè)置膠圈，安裝方便快捷，能有效縮短施工工期，并能夠在穿套完成后從管道內(nèi)部對(duì)每個(gè)接口進(jìn)行試壓，不受作業(yè)空間限制的影響。

頂進(jìn)工期：鋼管和涂塑復(fù)合鋼管自身重量大，在頂進(jìn)過(guò)程中需要頂力較大，頂進(jìn)較慢；玻璃鋼管自身重量小，且承插口形式讓穿套過(guò)程中接觸面較小(只有承口局部與原管道接觸)，頂進(jìn)力較小，更容易實(shí)現(xiàn)穿套過(guò)程，大大加速了頂進(jìn)過(guò)程。東水西調(diào)改造工程實(shí)際施工中，DN1400玻璃鋼管每天至少安裝頂進(jìn)40m。

因此，從縮短停水施工工期角度來(lái)看，不管是接口工期還是穿套頂進(jìn)工期，玻璃鋼管都具有較大的優(yōu)勢(shì)。

(3)中心城區(qū)占地拆遷難度大，應(yīng)盡力減少豎井?dāng)?shù)量和尺寸

在現(xiàn)狀混凝土管中滑移穿套玻璃鋼管相對(duì)于鋼管頂進(jìn)更為容易，摩擦力更小，頂進(jìn)力要求更小，對(duì)頂進(jìn)設(shè)備要求也更低。同樣的頂進(jìn)力能使頂進(jìn)長(zhǎng)度大幅度增加，減少了施工豎井的設(shè)置，在中心城區(qū)很大程度上緩解了拆遷壓力。此外，由于玻璃鋼管接頭采用柔性橡膠圈密封，每個(gè)接頭還具有1°～3°的偏轉(zhuǎn)作用，對(duì)于現(xiàn)狀管道較小的轉(zhuǎn)彎(1°～3°)[4]可以通過(guò)接頭借轉(zhuǎn)糾偏后繼續(xù)頂進(jìn)，不需增設(shè)豎井。

東水西調(diào)改造工程中，DN1400玻璃鋼管最長(zhǎng)穿套頂進(jìn)距離達(dá)302m，且成功利用接頭借角少設(shè)置4座豎井，大大減少了豎井的占地拆遷工作量。

(4)穿套法有效利用現(xiàn)狀管道，節(jié)約工程投資

穿套技術(shù)有效利用原有混凝土管做支撐骨架，既可以減少地面拆遷工作量、減少工程開(kāi)挖量，又能高效利用原有混凝土管的結(jié)構(gòu)剛度，保護(hù)內(nèi)套管免受外部載荷，降低內(nèi)管的剛度要求，一舉兩得的方案能夠有效節(jié)約投資。

對(duì)于輸送相同流量，從表1中可以看出，選用玻璃鋼管可縮小約1～2個(gè)管徑等級(jí)，節(jié)省管材投資費(fèi)用；其次由于鋼管和復(fù)合鋼管質(zhì)量重，管道在運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)吊裝成本費(fèi)用也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于玻璃鋼管。總之，從管材成本、運(yùn)輸成本、現(xiàn)場(chǎng)安裝施工、頂進(jìn)設(shè)備成本角度看，玻璃鋼管會(huì)比鋼管節(jié)約很大投資。

根據(jù)以上四個(gè)方面，東水西調(diào)改造工程最終選擇采用滑移穿套玻璃鋼管法施工。

2 滑移穿套玻璃鋼管法在設(shè)計(jì)和施工中的重點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)

(1)軸向強(qiáng)度確定

承插口的玻璃鋼管在原混凝土管內(nèi)形成以承插口為支撐點(diǎn)的連續(xù)架空結(jié)構(gòu)形式，這種連續(xù)架空結(jié)構(gòu)對(duì)玻璃鋼管的軸向拉伸強(qiáng)度提出了更高的要求；同時(shí)，在穿套頂進(jìn)過(guò)程中需要克服摩擦力頂進(jìn)，對(duì)管道的軸向抗壓強(qiáng)度也提出了相對(duì)于普通埋地玻璃鋼管更高的要求。因此，如何合理確定合適的軸向強(qiáng)度是滑移穿套玻璃鋼管設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。

以電廠(chǎng)段現(xiàn)狀DN1600混凝土管穿套DN1000玻璃鋼管為例，管道設(shè)計(jì)工作壓力0.4MPa。若采用埋地方式敷設(shè)，玻璃鋼管的軸向拉伸強(qiáng)度僅需180kN/m，環(huán)向強(qiáng)度1260kN/m即可。在東水西調(diào)實(shí)際穿套施工中，選用了軸向拉伸強(qiáng)度為230kN/m，環(huán)向強(qiáng)度1890kN/m，成功完成穿套施工。

(2)剛度確定

常規(guī)的埋地施工和土中頂管玻璃鋼管都需要采用高剛度，因?yàn)槁竦毓艿佬枰休d土壤載荷和其他外部荷載，而頂管施工更需要在頂進(jìn)中承受較大摩檫力和頂進(jìn)力。而滑移穿套玻璃鋼管是利用現(xiàn)狀混凝土管來(lái)承擔(dān)外部荷載，玻璃鋼管本身并不考慮承受外載荷，頂進(jìn)過(guò)程中與現(xiàn)狀管道的摩擦力也遠(yuǎn)小于在土中的摩檫力，因此可以采用剛度較小的管材，避免不必要的浪費(fèi)。根據(jù)CECE246∶2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》，玻璃鋼管頂管的剛度等級(jí)不應(yīng)小于15000Pa[5]。

在東水西調(diào)改造工程中，滑移穿套的不同管徑的玻璃鋼管的剛度均為5000Pa，遠(yuǎn)小于常規(guī)頂管對(duì)管材剛度的要求。

(3)是否采用夾砂管

玻璃鋼夾砂管相比純玻璃鋼管剛度更大，壁厚也相對(duì)更厚，但成本更低，適用于壓力小、外荷載較大、維護(hù)量小的大口徑管道。東水西調(diào)改造工程中，在玉泉山段和電廠(chǎng)段DN1600現(xiàn)狀混凝土管中穿套DN1400和DN1000玻璃鋼管時(shí)，考慮到穿套空間富余量較大，本著結(jié)構(gòu)安全并節(jié)約投資的原則，采用了夾砂管，而在石電支渠段DN1000現(xiàn)狀混凝土管中穿套DN880管道時(shí)，考慮到外荷載較小且穿套空間極為狹促，為了更快捷順利的滑移穿套，采用了重量相對(duì)較輕、但成本相對(duì)較高的純玻璃鋼管。

2.2 在施工中的重點(diǎn)

(1)接口連接

承插接口在滑移穿套過(guò)程中容易錯(cuò)位或者發(fā)生膠圈脫落，影響接口嚴(yán)密性。穿套施工中，應(yīng)進(jìn)修三次接口打壓。首先應(yīng)在穿套推進(jìn)前對(duì)每個(gè)接口試壓，其次在每段管道滑移穿套就位后，對(duì)每個(gè)接口進(jìn)行復(fù)檢，若發(fā)現(xiàn)有接口漏水，則應(yīng)從接口內(nèi)側(cè)做糊口處理，以保證接口不會(huì)出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。最后在每一個(gè)水壓試驗(yàn)段管道穿套完成后、水壓試驗(yàn)前，應(yīng)再次對(duì)每個(gè)接口進(jìn)行一次打壓復(fù)核檢查，確保水壓試驗(yàn)成功。

(2)灌漿填縫

滑移穿套完成后，應(yīng)進(jìn)行灌漿縫，防止玻璃鋼管在混凝土管內(nèi)發(fā)生漂管等較大位移，進(jìn)而影響管道本身及接口的穩(wěn)定。灌漿填縫是關(guān)系到整個(gè)滑移穿套工藝是否成功的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

根據(jù)東水西調(diào)改造工程的實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)外管空間間隙較小的可以采用水泥砂漿灌漿，水泥砂漿稠度70～100mm，灌漿壓力0.02MPa，如DN1000現(xiàn)狀混凝土管中穿套DN880管道；若內(nèi)外管空間間隙較大，則可以采用流動(dòng)性較強(qiáng)的自密實(shí)混凝土進(jìn)行灌漿。分段灌漿的管節(jié)長(zhǎng)度不宜較長(zhǎng)，以不超過(guò)15～20m為宜。同時(shí)在灌漿之前應(yīng)采取管箍措施保障在灌漿過(guò)程中管道不發(fā)生偏移和漂浮。

3 結(jié)論及建議

(1)東水西調(diào)改造工程中共在現(xiàn)狀混凝土管中滑移穿套玻璃鋼管3.54km，其中包括DN1600管道中穿套DN1400玻璃鋼管2273m，DN1600混凝土管道中穿套DN1000玻璃鋼管850m，DN1000混凝土管中穿套DN880玻璃鋼管420m。截至目前，已成功通水運(yùn)行一年多，未發(fā)現(xiàn)管道漏水等其他事故現(xiàn)象。工程實(shí)踐較為成功。

(2)滑移穿套玻璃鋼管法縮小輸水管徑但不影響輸水規(guī)模，施工方便快捷,節(jié)約施工工期，能有效減少拆遷工作量，同時(shí)有利于節(jié)約工程投資，對(duì)于在城市中心區(qū)的老舊給水、排水管道更換具有較大的推廣價(jià)值。

(3)玻璃鋼管制造機(jī)械化程度較低，生產(chǎn)過(guò)程中受人為因素影響較大，因此在使用中應(yīng)特別注意出廠(chǎng)管材的質(zhì)量控制和檢驗(yàn)。