大型PCCP事故管道更換工藝性試驗研究

(北京韓建水利水電工程有限公司，北京 102423)

南水北調中線北京段的PCCP管線，在規劃和設計思路上，結合工程特點和關鍵技術問題，進行了周密規劃和精心設計，工程實際運行至今已有十多年，未發生滲漏水、爆管等事故。但由于整個管線與河道、公路、鐵路、地鐵以及其他管線工程有交叉和穿越，一旦發生水毀、爆管以及第三方破壞等事故，需要及時換管處理。本研究選用DN2600 PCCP管道進行模擬試驗，以安全、快速、經濟為目標，通過試驗研究PCCP換管技術所涉及的開挖、拆管、裝管、回填等施工工藝，為下一步實體工程中PCCP事故管道更換實施提供技術依據。

1 工程概況

南水北調中線惠南莊—大寧段PCCP管道設計、制造、安裝分別參照美國AWWA/ANSI C301、AWWA/ANSI C304和AWWA M9標準，每節標準管道長5m、內徑4m、重約54～77t。PCCP管道工程上接惠南莊泵站，下接大寧調壓池，是南水北調中線北京段總干渠線路最長的大型輸水工程，占北京段總干渠全長的70%，總長約56.479km。其中54.1km為明挖溝槽鋪設PCCP，2.3km采用隧洞內安裝PCCP。管道工作壓力分別為0.4MPa、0.6MPa和0.8MPa，覆土厚度在2.8～10m之間。兩排4m直徑PCCP管外徑之間凈距約為1.4m，溝槽底寬13.7m。

2 大型PCCP事故管道更換

2.1 施工流程

大型PCCP事故管道更換的施工流程為：土方開挖→管底施工槽開挖及繩鋸安裝→管節切割及中間管節吊除→兩側管口脫離拆除→轉換接頭安裝→滑動接頭替換安裝→接頭打壓試驗→土方回填，如圖1所示。

圖1 管道及替換管道整體組合剖面示意圖

2.2 施工工藝

2.2.1 土方開挖

a.將管道位置進行精確定位以后，根據開挖位置進行測量放線，放出開挖底腳、管道中線及上口開挖線。

b.根據實地情況，管頂覆土在2m，總埋深約5.4m，考慮管道覆土以及土體側壓力等因素，為避免管道受到擾動，土方開挖按以下步驟進行：首先將管頂2m覆土采用小型挖掘機挖除1.5m厚度；人工配合機械清除管頂剩余0.5m覆土；PCCP管道兩側及管間土方同步挖除，挖至管底；在確定好的管道切割位置及管口部位人工挖工作槽，以備繩鋸鏈條安裝；在承插口處開挖切管繩鋸槽和工作坑，用液壓千斤頂支撐穩住鄰管的承插口，工作坑地基需加固；土方開挖按邊坡1∶1放坡，防止滑坡；已開挖土方臨近堆存以便回填使用，堆土不得占壓管道。

2.2.2 管節拆除

2.2.2.1 管節切割

使用1臺繩鋸在距離管中兩側各40cm位置進行環形切開，使此管節斷開分成3個部分，中間部分寬80cm，兩端寬2.1m。剩余每節管段重約22t，然后將中間完全斷開的80cm寬管道吊除。為提升管道環切速度，選用GZ-900型自動調節繩鋸進行管道環切施工，該繩鋸通過自動后移來調節繩鋸切割繩的松緊度，保證切割繩始終處于緊繃狀態，避免了人工調節的間隔時間，經實測單一鋸口切斷速度較快，僅8h，在實際搶險中計劃使用兩臺繩鋸同時施工，基本能夠滿足應急搶險需求，如圖2所示。

2.2.2.2 兩側接口脫離拆除

首先將管道內接口及外接口的填縫砂漿(聚硫密封膏)等填充物清理干凈，將接縫完全裸露出來，管道切割后的剩余段采用100t汽車吊始終吊浮，以減小水平摩擦力，通過千斤頂連續起頂和泄壓起到活動管口的作用，期間頂起高度不得超過1cm，避免起頂高度過大將承插口破壞，使用精密水準儀隨即監測相鄰管道的高程變化，千斤頂連續作用的同時在管周內外接縫內楔入木楔子，逐步將管口脫離管節，并且同時在承插口接縫處塞入橡膠皮墊保護管節承插口，如圖3所示。當接口松動后，使用管道內拉設備將需拆除的接口拉離完好管道的承插口，然后吊除，如圖4～圖5所示。最后，對管口進行橢圓度測量，并對局部位置進行打磨處理。

圖2 繩鋸切割PCCP管道

圖3 管節拆離示意圖

圖4 內拉法管道拆除施工

圖5 兩側內拉擋板

2.2.2.3 管節吊除工作面

充分考慮場地和管節重量以及吊車吊距，結合吊車性能參數，將100t吊車站置于管道東側，此處吊車起吊中心點距離管節吊點24m，可以起吊22t管節，滿足施工需求。

2.2.3 替換管安裝

替換管采用Q235B的鋼管，主管內襯水泥砂漿后的內徑為2600mm，主管中部開DN800人孔以便接頭打壓及檢修。主管管壁厚度30mm。支管管壁厚20mm，主管開孔周邊貼補強板，板厚12mm，板寬350mm，DN800支管不貼補強板。支管伸出500mm，安裝完畢后端頭用堵頭(厚30mm鋼板)封堵。替換管內防腐采用鋼絲網水泥砂漿，水泥砂漿厚度為40mm。

載重汽車運輸各部件到現場，采用100t汽車吊將限位鋼圈套裝入替換管，裝入密封膠圈，并套裝承口組件。

替換管上、下游PCCP管道承口端位置插入轉換接頭，再與替換管外套的滑動接頭連接。插口端直接與替換管外套的滑動接頭連接。鋼結構替換管分為一個帶人孔的三通結構和滑動接頭連接部分?；瑒咏宇^又包括限位鋼圈、密封膠圈及承口組件等，如圖6所示。

2.2.3.1 轉換接頭安裝

轉換接頭用于PCCP承口轉換，轉換接頭兩端均為鋼制插口，一側安裝至PCCP承口內，另一側預留，與主管外套的滑動接頭(承口)連接。轉換接頭兩端均套雙層膠圈(與原PCCP插口相同)。根據拆除管道相鄰PCCP承插口橢圓度數據，相應進行調整，以滿足安裝需求，如圖7所示。

圖6 帶滑動接頭替換管及轉換接頭

圖7 轉換接頭安裝示意圖

2.2.3.2 滑動接頭安裝

滑動接頭用于連接轉換接頭和原PCCP插口，由承口鋼圈、螺栓、螺栓固定環組成，外套于替換管主管道，兩端各布置一套。待完成與插口連接后進行固定，承口鋼圈與螺栓固定環中間布置一根止水膠圈，如圖8所示。

圖8 滑動接頭安裝示意圖

2.2.3.3 管道替換安裝

鋼結構替換管重約30t。用100t汽車吊將替換管與PCCP管道進行組裝，采用內拉法將替換管與PCCP管道對接就位，推出滑動接頭承口組件與PCCP管道插口對接，再將膠圈挪至緊挨承口處，最后將限位鋼圈與承口組件通過螺栓旋緊連接為一體，如圖9～圖11所示。

圖9 管道替換安裝示意圖

圖10 管道替換安裝

圖11 滑動接頭大樣

2.2.3.4 接頭打壓試驗

人工將壓力表接打壓孔。直接加壓至1.0MPa。恒壓5min，壓力保持穩定，未有掉壓現象為試驗成功。

2.2.3.5 外接縫灌漿

將打壓合格的管道段外接縫及時進行灌漿及防腐。

2.2.4 試驗管線整體打壓試驗

水壓試驗水源取自蓄水桶，注水口為預留直徑800mm的進人孔，注水采用60m3/h水泵進行抽注水工作，當水蓄至高300mm進人孔底部時，將進人孔用有一個打壓孔及一個排氣孔的盲法蘭板進行密封，以便進行打壓工作。水壓試驗采用380型自動打壓設備。注水時密切注意管道內排氣，盡量保證排除全部空氣，保證穩壓時壓強數值穩定。

水壓試驗打壓范圍為0～0.876MPa，每升0.1MPa穩壓10min，升壓過程較為順利，水壓達到0.9MPa，接口部位有少量滴水，達到水壓試驗合格標準。

2.2.5 土方回填

2.2.5.1 管道基底至管中心高程處的回填

回填前清除溝槽內的雜物，并排除積水，不得在有積水的情況下進行回填?；靥畈牧闲枳鰸穸葯z查，以確保夯實后達到所需要的壓實度。按要求分層同步回填，管基區回填材料的最小壓實度為95%，壓實相對密度不小于0.75，相應的干密度不小于2.05g/cm3。

回填采用人工配合蹦夯進行，回填鋪土厚度控制在25cm。管道三角區及周圍不易回填的地段用蹦夯進行壓實，其余地段用小型平碾進行碾壓。兩側回填要均勻進行，保證同一回填高度，防止管道移位。

2.2.5.2 管中心高程至管頂以上500mm范圍回填

回填材料不應含有樹根、樹枝、草等有機物質，也不準有施工廢渣。可采用原土回填，回填材料的最大粒徑為150mm。

回填的管基區材料應均勻散布在管溝內，沿管道兩側同時均勻回填，每層回填虛鋪厚度應小于300mm，不擾動管位，管道兩側的回填高程差不應超過一層填筑厚度?；靥畈牧系淖钚簩嵍葹?0%，壓實相對密度不小于0.7，相應的干密度不小于2.0g/cm3。用小型平碾和蹦夯壓實。

2.2.5.3 管頂以上500mm的回填

此范圍內的土方回填材料的最小壓實度為90%，壓實相對密度不小于0.7，相應的干密度不小于2.0g/cm3。用小型平碾和蹦夯壓實。

2.2.5.4 管頂以上500mm至回填地面高程范圍內的回填

回填的材料均勻散布在管溝內，每層回填虛鋪厚度根據壓實機具的現場碾壓試驗確定。回填材料的最小壓實度為85%，壓實相對密度不小于0.65，相應的干密度不小于1.8g/cm3。

2.2.6 原地貌恢復

回填完成以后按照原貌進行恢復。

3 結 語

a.本文對大型PCCP管替換工藝的試驗研究，雖屬國內首次，但通過現場試驗驗證，采取切割、內拉、滑動接頭替換等施工手段，將大型PCCP管替換為鋼制管的施工工藝是合理的與可行的。

b.本工藝相對其他替換工藝，如混凝土包封、穿管替換、內部碳纖維處理等，具有快速、高效、不留后患等特點。

c.研究成果不僅能夠解決南水北調大型PCCP管檢修中的事故管道替換難題，也將補充、完善國內PCCP管道更換技術的不足，可為今后類似工程提供參考依據。