大管徑供熱管道盾構(gòu)穿越大型河流設(shè)計(jì)要點(diǎn)

李玉興, 馬志驍, 許國春

(中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 第一設(shè)計(jì)研究院, 天津 300381)

1 概述

2017—2021年,北方地區(qū)新建供熱管網(wǎng)8.4×104km。2021年年末,全國城市集中供熱面積106.03×108m2,同比增長7.30%。隨著我國供熱技術(shù)的不斷發(fā)展,特別是長輸供熱工程的興起,大管徑供熱管道越來越多應(yīng)用到供熱工程中。在供熱管道的設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)有穿跨越大型河流的需求,由于大型河流寬度較大,對大管徑供熱管道的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。盾構(gòu)施工法作為暗挖穿越的一項(xiàng)重要施工方案,也越來越多應(yīng)用到大型供熱工程中。

本文結(jié)合工程實(shí)例,對DN 1 400 mm供熱管道穿越大型河流的施工方案進(jìn)行比選,對最佳施工方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析。本文高程采用1985國家高程基準(zhǔn)。

2 工程概況

山東某長輸供熱工程設(shè)計(jì)供、回水溫度為123、40 ℃,設(shè)計(jì)壓力為2.5 MPa。供熱管道規(guī)格為DN 1 400 mm,材質(zhì)為L290M。供熱管道中途需穿越祊河,穿越工程總平面圖見圖1。穿越段位于祊河三和水源工程攔河閘附近,攔河閘下游為水源工程消力池范圍以及方馬公路橋和魯南高鐵橋,上游為水源工程的蓄水河道。

圖1 穿越工程總平面圖

按照山東省DB37/T 3704—2019《涉水建設(shè)項(xiàng)目防洪與輸水影響評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱《涉水規(guī)范》)要求,管道不應(yīng)與水利工程岸線平行埋設(shè),應(yīng)盡量縮短穿跨越長度,宜與水流流向垂直。若因條件限制確實(shí)難以實(shí)現(xiàn)的,管道與水流流向夾角不宜小于60°。根據(jù)穿跨越段周邊的環(huán)境條件,攔河閘下游的河面最窄,因此最優(yōu)的穿跨越位置為攔河閘下游區(qū)域垂直穿跨越,穿跨越寬度約175 m,可采用圍堰開挖直埋敷設(shè)、架空跨越、暗挖穿越。與當(dāng)?shù)睾拥拦芾聿块T溝通后得知,該處為三和水源工程并且有河道景觀要求,不允許采用架空跨越,同時(shí)攔河閘下游為水源工程消力池范圍,不允許任何形式的穿越。因此,供熱管道只能從攔河閘上游采用暗挖形式穿越,且穿越位置與攔河閘須保證最小200 m的安全距離。在滿足上述要求的基礎(chǔ)上,選定一條最短的路由,穿越位置見圖1,穿越河面寬度約450 m。

3 施工方案比選

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),暗挖穿越大型河流通常可采用頂管、盾構(gòu)施工方案。

3.1 穿越長度

依據(jù)《涉水規(guī)范》規(guī)定,采用頂管施工方案時(shí),頂管工作井距離堤防坡腳或河道、渠道、水庫、湖泊岸線不宜小于30 m。根據(jù)現(xiàn)場情況,工作井設(shè)置在祊河堤防坡腳30 m以外,穿越長度最終確定為644.5 m。祊河?xùn)|岸設(shè)置始發(fā)井,始發(fā)井口高程為96.16 m。西岸設(shè)置接收井,接收井口高程為100.59 m。

3.2 穿越深度相關(guān)規(guī)定

《涉水規(guī)范》規(guī)定:管頂高程宜低于相應(yīng)設(shè)計(jì)洪(輸)水沖刷線以下1.5 m。

CJJ/T 34—2022《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第8.2.12條規(guī)定:供熱管道河底敷設(shè)時(shí),應(yīng)選擇遠(yuǎn)離灘險(xiǎn)、港口和錨地的穩(wěn)定河床,埋設(shè)深度不應(yīng)妨礙河道整治,并應(yīng)保證管道安全。穿越非航道河流時(shí),管道(管溝)的覆土深度應(yīng)在穩(wěn)定河床底1 m以下。

T/CECS 246—2020《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》第5.4.2條規(guī)定:穿越江河水底時(shí),管頂覆蓋層最小厚度不宜小于外直徑的1.5倍,且不宜小于2.5 m。

該工程的《防洪評(píng)價(jià)報(bào)告》中對該工程50 a一遇最大沖刷深度進(jìn)行了推算:該工程現(xiàn)狀河底高程為89.69 m,50 a一遇最大沖刷深度(現(xiàn)狀河底至沖刷完成后沖刷線的垂直深度)為1.45 m,河底最低沖刷線高程為88.24 m。

綜上,對于頂管、盾構(gòu)施工方案,套管管頂(或隧道頂)覆土深度取以上相關(guān)要求的最大值,即套管管頂(隧道頂)在最低沖刷線下的埋深不小于套管(或隧道頂)外直徑的1.5倍。

3.3 地質(zhì)情況

地質(zhì)勘察報(bào)告顯示,穿越土層為中風(fēng)化石灰?guī)r,屬較硬巖,巖體基本質(zhì)量等級(jí)為IV～I(xiàn)II級(jí),灰?guī)r存在巖溶裂隙,裂隙較小。始發(fā)井地質(zhì)從上到下依次為素土、中粗砂、泥巖、中風(fēng)化石灰?guī)r,接收井地質(zhì)從上到下依次為素土、粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化石灰?guī)r。

3.4 施工方案

① 方案1

雙管頂管方案采用泥水加壓平衡頂管法施工工藝,雙管水平布置,間距3.2 m。頂管長度為644.5 m。套管管頂在最低沖刷線下的埋深為5.2 m,滿足套管外直徑1.5倍的要求并考慮約0.5 m的裕量。方案1橫斷面布置見圖2。圖2～4中數(shù)值相應(yīng)的單位為mm。始發(fā)井為矩形結(jié)構(gòu),長14 m,寬12 m,采用鉆爆法施工,深度21.2 m。接收井為矩形結(jié)構(gòu),長14 m,寬9 m,采用咬合樁施工,巖石段采用機(jī)械破碎和爆破法開挖出渣,深度16.7 m。

圖2 方案1橫斷面布置

② 方案2

雙隧道盾構(gòu)方案采用泥水加壓平衡盾構(gòu)法施工工藝,雙管水平布置,間距4.0 m。盾構(gòu)隧道長度為644.5 m。隧道頂部在最低沖刷線下的埋深為5.8 m,滿足隧道外直徑1.5倍的要求并考慮約0.5 m的裕量。方案2橫斷面布置見圖3。始發(fā)井為矩形結(jié)構(gòu),長16 m,寬12 m,采用鉆爆法施工,深度22.1 m。接收井為矩形結(jié)構(gòu),長16 m,寬9 m,采用咬合樁施工,巖石段采用機(jī)械破碎和爆破法開挖出渣,深度17.7 m。

圖3 方案2橫斷面布置

③ 方案3

單隧道盾構(gòu)方案采用泥水加壓平衡盾構(gòu)法施工工藝,雙管水平布置。盾構(gòu)隧道水平長度為644.5 m。隧道頂部在最低沖刷線下的埋深為9.7 m,滿足隧道外直徑1.5倍的要求并考慮約0.5 m的裕量。方案3橫斷面布置見圖4。始發(fā)井為矩形結(jié)構(gòu),長12 m,寬12 m,采用鉆爆法施工,豎井深度28.6 m。接收井為矩形結(jié)構(gòu),長12 m,寬9 m,采用咬合樁施工,巖石段采用機(jī)械破碎和爆破法開挖出渣,豎井深度24.2 m。

圖4 方案3橫斷面布置

3.5 施工方案比選

① 施工難度與工程量

方案1為頂管方案,長距離巖石頂進(jìn),非常容易出現(xiàn)卡管情況,導(dǎo)致頂進(jìn)失敗,風(fēng)險(xiǎn)極高。方案2為盾構(gòu)方案,盾構(gòu)技術(shù)成熟、安全可靠,能夠適應(yīng)長距離掘進(jìn)及各種地質(zhì)條件,風(fēng)險(xiǎn)小。方案3同樣為盾構(gòu)方案,但隧道斷面大,土體開挖量及管片工程量大。

方案1豎井深度最小,施工難度最小。方案2豎井深度適中,施工難度適中。方案3豎井深度最大,施工難度最大。

方案1安裝管道時(shí),在供熱管道下方設(shè)置托管滑車,采用回拖方案將供熱管道拖進(jìn)套管內(nèi),套管與供熱管道之間的空腔采用噴砂填充,施工空間比較小。方案2與方案1的安裝管道方案相同,施工空間適中,但噴砂量比方案1大。方案3滿足隧道內(nèi)焊接條件,管道安裝工期短,有檢修空間,但管道支座受力會(huì)傳遞到隧道主體,影響隧道安全,且混凝土工程量大。

② 工期

方案1總體工期為300 d,工期適中。方案2總體工期為330 d,工期最長。方案3總體工期為285 d,工期最短。

③ 投資

方案1總投資為5 925×104元,投資最少。方案2總投資為7 091×104元,投資適中。方案3總投資為8 293×104元,投資最高。

④ 比選結(jié)果

綜合比較3種施工方案,方案1雖然投資最低,但長距離巖石頂進(jìn)卡管的風(fēng)險(xiǎn)極高,易導(dǎo)致頂管失敗。方案3雖然工期最短,滿足了檢修空間,但投資最高,施工方案也最復(fù)雜。綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性,采用方案2。

4 方案2設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 整體設(shè)計(jì)

方案2縱斷面布置見圖5。豎井內(nèi)管道將兩岸直埋供熱管道與隧道內(nèi)供熱管道相連接,在豎井內(nèi)供熱管道豎直安裝,采用架空敷設(shè)。

圖5 方案2縱斷面布置

為避免供熱管道對隧道產(chǎn)生較大局部荷載,增大隧道設(shè)計(jì)難度,隧道內(nèi)不設(shè)置支吊架,采用噴砂填充方案。隧道上部留出400 mm高的通氣層,防止發(fā)生事故時(shí)高壓熱水或蒸汽對隧道主體造成破壞。

隧道內(nèi)供熱管道采用單根9 m長度規(guī)格的預(yù)制直埋保溫管,管道在始發(fā)井內(nèi)完成焊接、無損檢測、保溫補(bǔ)口后,將保溫管放置在托管滑車的弧形板上(不與保溫管的工作管焊接),采用托管滑車將保溫管拖進(jìn)隧道中,托管滑車以9 m間隔均勻布置。隧道與供熱管道之間的空腔采用噴砂填充,密實(shí)度不小于90%。

4.2 彎頭應(yīng)力計(jì)算

方案2可采用自然補(bǔ)償、補(bǔ)償器補(bǔ)償2種方式。彎頭應(yīng)力采用俄羅斯有限元管道應(yīng)力計(jì)算軟件(START)進(jìn)行計(jì)算。應(yīng)力計(jì)算對象為供水管,安裝溫度為10 ℃。彎頭外直徑為1 420 mm,壁厚為20 mm,材質(zhì)為L290M,彎頭曲率半徑為2 100 mm。水平管段均受摩檫力。計(jì)算工況:管系溫度為123 ℃,內(nèi)壓為2.5 MPa。一次許用應(yīng)力為138 MPa。熱脹應(yīng)力范圍限值(本文稱為二次許用應(yīng)力)按CJJ/T 34—2022《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄B的相關(guān)計(jì)算式計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 自然補(bǔ)償方式彎頭最大應(yīng)力、二次許用應(yīng)力

① 自然補(bǔ)償方式

自然補(bǔ)償方式管系簡化模型見圖6。為保證豎井內(nèi)管道穩(wěn)定,在豎直管道上側(cè)設(shè)置導(dǎo)向滑動(dòng)支架,豎直管段未設(shè)支架。支架均設(shè)置側(cè)導(dǎo)向板保證管道的熱位移均沿x軸方向。對于隧道內(nèi)供熱管道,受力模型簡化為空間限位的架空敷設(shè),摩擦系數(shù)按0.4計(jì)算。管系兩端為自由端。自然補(bǔ)償方式管系計(jì)算模型見圖7。由于實(shí)際管系計(jì)算模型中的限位架非常多,因此文中的計(jì)算模型僅為示意圖。

圖6 自然補(bǔ)償方式管系簡化模型

圖7 自然補(bǔ)償方式管系計(jì)算模型(軟件截圖)

自然補(bǔ)償方式彎頭最大應(yīng)力見表1。由表1可知,管系中各位置彎頭最大一次應(yīng)力小于一次許用應(yīng)力,各位置彎頭最大二次應(yīng)力均大于二次許用應(yīng)力。因此,自然補(bǔ)償方式不可行。

② 補(bǔ)償器補(bǔ)償方式

在自然補(bǔ)償方式的基礎(chǔ)上,補(bǔ)償器補(bǔ)償方式在豎直管段中間位置增設(shè)復(fù)式拉桿型波紋管補(bǔ)償器。為防止供熱管道熱位移偏向一側(cè)豎井,導(dǎo)致補(bǔ)償器損壞,在始發(fā)井、接收井下側(cè)彎頭處均設(shè)置軸向限位導(dǎo)向滑動(dòng)支架。補(bǔ)償器補(bǔ)償方式管系簡化模型見圖8。補(bǔ)償器補(bǔ)償方式管系計(jì)算模型見圖9。補(bǔ)償器采用軟件中內(nèi)置的復(fù)式拉桿型波紋管補(bǔ)償器模塊。

圖8 補(bǔ)償器補(bǔ)償方式管系簡化模型

圖9 補(bǔ)償器補(bǔ)償方式管系計(jì)算模型(軟件截圖)

補(bǔ)償器補(bǔ)償方式彎頭最大應(yīng)力見表2。由表2可知,管系中各位置彎頭最大一次應(yīng)力、最大二次應(yīng)力均小于相應(yīng)許用應(yīng)力。因此,補(bǔ)償器補(bǔ)償方式可行。

表2 補(bǔ)償器補(bǔ)償方式彎頭最大應(yīng)力

4.3 其他設(shè)計(jì)

為便于穿越管段的檢修以及事故應(yīng)急處置,在穿越管段兩側(cè)分別設(shè)置關(guān)斷閥。

為了豎井周邊人員及巡檢人員的安全,始發(fā)井、接收井上部封閉,每個(gè)豎井各設(shè)置2部樓梯,其中一部樓梯上部建設(shè)1間工作間,可在工作間內(nèi)通過樓梯進(jìn)入豎井。工作間內(nèi)設(shè)置通風(fēng)機(jī),通風(fēng)管道深入至豎井底部,滿足檢修時(shí)豎井內(nèi)的通風(fēng)需求。豎井內(nèi)設(shè)置潛水泵,定期排出井內(nèi)積水。豎井內(nèi)設(shè)置照明系統(tǒng)以及氣體檢測等生命保障系統(tǒng),保障檢修人員的生命安全。

5 結(jié)語

近年來,隨著眾多以盾構(gòu)方案穿越大型河流的管道工程的成功建設(shè),盾構(gòu)法施工已成為管道穿越大型河流的一項(xiàng)重要手段。在進(jìn)行施工方案比選時(shí),應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況,對施工方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較,選擇一種安全、經(jīng)濟(jì)、可行的施工方案。