南水北調通州支線工程PCCP管道鋪設施工方案設計

王海霞

(北京市水利規劃設計研究院，北京 100048)

1 概述

通州支線工程是北京市南水北調配套項目之一，是向通州城市副中心提供水源的重要輸水工程。工程從北京市供水環線東干渠工程通州分水口取水，鋪設管道將南水北調水送至臺湖鎮鋪頭村東的新建通州水廠。設計輸水規模為4.86m3/s，管線全長9.25km，采用2根DN1800mm預應力鋼筒混凝土管(PCCP)。管道鋪設采用明挖與頂管相結合的施工方案，其中明挖鋪設段總長5.49km，管道中心間距4.1m，覆土厚度3～4m，頂管段總長3.76km，主要為直頂PCCP管，當下穿河渠時直頂鋼管，當下穿京哈高速公路時直頂DN2800混凝土管內套鋼管。直頂段管道中心間距4.1m，直頂混凝土套管段管道中心間距6.8m。

2 工程地質及水文地質條件

通州支線工程位于平原區，鋪管地層為第四系上更新統通縣組上段(Q3t)，以河湖相沉積為主，表層為人工填土，其下主要為粘性土、粉土、砂和圓礫。場區地下水為上層滯水和潛水，上層滯水主要賦存于上部的②1粉土和②2粉細砂層中，水位變化相對較大；潛水主要賦存于埋深12.70～4.80m以下、22.50～12.20m以上的④粉細砂層。

管線基本沿蕭太后河南北兩岸鋪設，蕭太后河常年有水，河道內存在一層厚度1.0～8.0m的粉土和粘性土層，從上游向下游逐漸變厚，此土層透水性較差，地表水與地下水之間的水力聯系較弱。在設計管線穿河道段，粉土和粘性土層較薄，河水與地下水之間的水力聯系相對較強。

3 管道鋪設施工方案設計

通州支線工程管線全長9.25km，采用2根DN1800的PCCP管道輸水。為減少拆遷占地，經技術經濟比選，推薦明挖與機械頂管相結合的施工方案，在具備開挖條件的地方優先采用明挖的方法施工，局部穿越主要道路、河流及建筑物密集區采用頂管方式施工。明挖鋪設段總長5.49km，頂管段總長3.76km。

3.1 明挖段施工設計

明挖鋪設段管槽一側是蕭太后河，另一側分布民房、企事業生產用房、市政道路等，開挖土層主要為填土、粉土、粉質粘土、粉細砂等。管槽設計底寬8.2m，開挖深度5～7m，邊坡依地質條件及挖深取1∶1～1∶1.5。明挖鋪管設計開挖斷面如圖1所示。

管槽開挖設計采用挖掘機分段、分層放坡開挖，槽底預留20cm保護層人工開挖。開挖土方由自卸汽車運至沿線設置的堆土區堆存以備回填。局部管段存在上層滯水，遇粉細砂等地層時易產生流砂現象導致塌坡，因此對開挖較深、上層滯水水位較高和透水性較強的粉細砂層區段，視現場開挖情況采用井點降水的方式。對上層滯水水位較低和透水性較差的粘性土，采用明溝結合集水坑降水的方式，將溝槽或基坑積水抽排到蕭太后河，確保開挖邊坡的穩定和管道安裝干槽作業。

圖1 管線敷設標準斷面圖(明挖)

輸水管采用DN1800mm PCCP管道，雙排布置，管道中心距4.1m，單節管長6m，單節自重約14.7t。安裝時，用運管車運輸管道至溝槽，溝槽內使用簡易龍門架運輸及就位，人工倒鏈輔助對接安裝。管道安裝好后，進行接頭打壓試驗，每個管道接頭打壓試驗分為三次進行，即第一個接頭完成后進行第一次打壓試驗，打壓合格后進行下一節管道安裝施工，第二個接頭完成后再對第一個接頭進行第二次打壓試驗，試驗合格后方可繼續安裝。第三次打壓試驗在管道回填到管頂50cm后進行，確保管道施工后的密水性能。

管溝回填分為基礎墊層區、緩沖覆蓋層和原土回填區。基礎墊層區回填料采用外購中粗砂，最大粒徑為50mm；緩沖覆蓋層回填料首選開挖料中篩取的細粒低塑性土料，最大粒徑為50mm，開挖土料不能滿足要求時外購中粗砂；原土回填區土料最大粒徑為150mm，回填材料中要求不得含有石粉、土塊、樹根等雜質。基礎墊層區采用74kW推土機攤鋪，壓實機械分層碾壓，小型開槽設備開弧，配合人工修整，壓實度要求不小于95%；緩沖覆蓋層與原土回填同時進行，原土回填區采用平碾壓實，緩沖覆蓋層使用小型設備壓實，壓實度要求不小于90%。

3.2 頂管段施工設計

通州支線工程頂管鋪設總長3.76km，一般采用直頂PCCP管方案，其主要優點有：①施工簡單，頂管內徑減小、省去穿管工序；②成本低，省去內部穿管的全部管材費和安裝費用、減少頂管的管材費用、減少土體開挖量50%以上；③進度快，由于施工工藝簡化，施工難度大大減小，施工進度大大加快。穿越蕭太后河、通惠排干和通惠灌渠等特殊管段，為防止滲漏，采用直頂鋼管方案；穿京哈高速公路區段，依公路管理部門意見采用DN2800混凝土頂管內套鋼管。以上三種頂管長度分別為3.03km、0.56km、0.17km；直頂PCCP和直頂鋼管管道中心間距4.1m，直頂DN2800混凝土套管管道中心間距6.8m。

通州支線頂管段地層巖性主要為粉土、粉質粘土和粉細砂，覆土3～9m，沿線分布有上層滯水，且緊鄰蕭太后河。設計比選了北京市頂管施工較常用的泥水平衡和土壓平衡兩種頂管方式，該兩種頂進方式在上述地質條件下均能適用，均能有效的控制地面沉降，安全性都比較高，且造價也相差不大(泥水平衡稍高)。相對于土壓平衡式頂管機，泥水平衡式頂管機對土層和地下水的適應范圍更廣，對長距離頂管適應性更強，設備耐久性比土壓平衡式頂管機要好，但泥水平衡式頂管機僅適用于小口徑頂管，且泥水平衡式頂管機排出的泥漿處理費用較大。根據CECS 246—2008《給水排水工程頂管技術規程》，頂管機選型見表1，經綜合技術經濟比較，本工程選用泥水平衡式頂管。

根據水工建筑物布置、場地條件及類似工程經驗，將頂管段劃分為20個頂管區間，各頂管區間長度一般在100～200m范圍內，但受場地條件限制，在直頂PCCP段下穿京津高速路橋區、石材廠及朝陽建材廠處，頂管區間長度分別達到了458m、328m和384m，設計通過增加主千斤頂的頂力、減少管道周邊與地層的摩擦力、設置中繼間等措施，解決長距離頂管頂推力的問題。頂管區間大于100m時，考慮安裝中繼間以協助主頂工作站的頂進作業。

表1 頂管機選型參考表

注：★★—首先機型；★—可選機型；空格—不宜選用

本工程頂管下穿京津高速橋區、京哈高速等多條重要道路及石材廠、朝陽建材廠等建筑物，對施工引起的變形控制要求高，要求施工期間加強地面沉降監測，當沉降值過大時，適當增大土倉壓力、減小排土量和推進速度，并增加頂進注漿壓力和泥漿注入量；當地面有隆起時，適當減小土倉壓力，增加排土量和推進速度，并減小頂進注漿壓力和泥漿注入量。對重要建(構)筑物在地面進行深層注漿加固等方案進行了保護。

4 結語

通州支線頂管工程施工進展順利，2016年7月雙線貫通，同年8月5日開始向通州水廠小流量供水。穿京哈穿越京津高速公路PCCP頂管段采用泥水平衡頂管，工期102d，平均頂進速度9m/d，實際地面最大沉降14mm，墩柱最大沉降5mm，相鄰墩柱最大差異沉降2mm，均滿足設計控制指標。工程采用加設中繼間的頂管施工技術，創造了直頂PCCP管道458m的頂進長度記錄，可為類似工程的施工設計提供借鑒。