基于軟聯結支護體系的PCCP管道快速施工技術

何 濤，楊金松，唐 亮，汪君暉，韓耀煒，李卷利

(中建三局綠色產業投資有限公司,湖北 武漢 430056)

0 引言

隨著經濟社會不斷發展,水利工程日益顯現其基礎性、戰略性支撐作用[1-2]。近年來我國重大水利工程建設蓬勃發展,PCCP管道在近三十年的使用實踐、調查比選和經驗摸索過程中,其經濟實用、可靠耐久、綜合性能優異得到普遍認可,已成為水資源調配工程包括南水北調工程、山西省萬家寨引黃工程等在內的多項國家重點工程選用的管材[3-6]。PCCP管道尺寸大、重量沉,在施工作業面有限、地質情況不良、地表障礙復雜、機械設備操作受制約、征地拆遷難以協調等不良工況安裝過程中存在管道施工效率低、管道施工成本高、管道施工影響大等問題[7-10],因此如何優化管道安裝施工工藝直接關系到整個工程建設的質量、安全、工期和造價目標。

1 項目概況

安寧市車木河水庫引水管線建設工程(三期)輸水管線起始于車木河水庫,終止于大屯水廠,管線總長度約41.85 km,輸水規模8.8萬m3/d,管徑DN1 400,管材主要選用預應力鋼筒混凝土管(PCCP管),單節管長5 m或6 m,單根管質量達10 t～14 t,屬于長距離大口徑PCCP管道安裝工程。本工程水文、地質情況較復雜,地下水豐富,地下水位埋藏淺,場地地基土承載力弱,需處理后作為管基基礎持力層。

2 施工工藝分析

在施工作業面有限、地質情況不良等工況下,傳統大口徑PCCP管道施工工藝存在施工效率低、管道施工成本高、管道施工影響大等問題[11-13],針對不良工況下大口徑PCCP管道傳統施工工藝存在的以上弊端,結合工程實際提出“基于軟聯結支護體系的不良工況下大口徑PCCP管道快速施工工法”,新型快速施工工法工藝流程圖見圖1。

傳統施工工法與新型快速施工工法主要施工工藝分析對比見表1。

表1 主要施工工藝分析對比表

傳統施工工法與新型快速施工工法主要特點對比見表2。

表2 主要特點分析對比表

3 新工法關鍵工序施工工藝

3.1 軟聯結支護體系安裝

3.1.1 鋼板樁沉樁

軟聯結支護體系為采用花籃螺栓使鋼板樁與圍檁支撐之間形成軟聯結的支護體系,具體結構如圖2所示,其具有較高的施工便利性和較高的安全性能,圍檁與支撐材料用量少,能多次循環周轉使用,能極好適應線性工程特點[18-19]。鋼板樁結構選型采用6 mⅣ型拉森鋼板樁。DN1 400 PCCP管道溝槽平均挖深3.5 m,需施打9 m長Ⅳ型拉森鋼板樁方可保證嵌固深度要求,為降低施工成本,減少鋼板樁用量,采用原始地面削坡1 m、施打6 m長Ⅳ型拉森鋼板樁的施工方法。圍檁支撐安裝主要施工步驟如下:

1)原始地面削坡1 m。沉樁之前按1∶1坡比降低原始地面標高1 m。

2)鋼板樁沉樁。因施工部位臨近地物較多,振動錘選擇12RF高頻免共振振動錘以減少對周邊敏感構筑物的影響。

3.1.2 圍檁支撐安裝

1)鋼圍檁加工。

a.圍檁采用H400×400×13×21 mm型鋼腰梁,長度8 m,H型鋼需預留固定孔,孔徑150 mm,間距3 000 mm,傾角值設定為10°,距離型鋼翼板外側距離50 mm,施鉆過程中固定孔定位偏差不宜大于10 mm,傾斜度不應大于5%,對孔位、孔距、偏角進行復查準確后開鉆,鉆孔過程中要達到“準、平、穩”的要求,確保機鉆孔不發生移位和擺動。

b.鋼圍檁的材料性能、規格、參數必須滿足要求,加工焊縫外形光滑、均勻,不得有漏焊、焊穿、裂紋等缺陷,各配件尺寸符合要求,型材線形,復試合格。

2)對撐加工。

a.對撐采用Φ325×8 mm圓鋼,長度2 m。圓鋼加工時兩端各留200 mm×200 mm鋼板作為與鋼圍檁連接的綴板,綴板上預留50 mm×50 mm吊裝孔洞。

b.鋼支撐的材料性能、規格、參數必須滿足要求,加工焊縫外形光滑、均勻,不得有漏焊、焊穿、裂紋等缺陷,各配件尺寸符合要求,復試合格。

3)鋼圍檁安裝。

腰梁施工前測量人員根據圖紙測放腰梁控制線,使用打樁機液壓錘夾緊型鋼緊貼鋼板樁內側放置腰梁,安裝要確保水平成線、支墊密實、受力均勻、觀感美觀。使用國標M14×250 mm鍍鋅伸縮花蘭螺栓和2 t弓型卸扣,將H型鋼腰梁與鋼板樁頂端連接,間距1 500 mm,梅花形布置,連接時按順序緊固,螺栓連接必須保證緊固。

4)支撐安裝。

對撐采用Φ325×8 mm圓鋼支撐梁,間距7 000 mm(凈空),確保6 m長DN1 400 PCCP管順利下管。用吊車配合吊裝鋼支撐梁,支撐通過預留孔洞兩點起吊,在吊裝過程中必須保持支撐平穩、無碰撞、無變形,保證鋼支撐兩端與鋼圍檁正交,鋼管支撐吊裝到位后,用人工輔助將支撐調整到設計位置后再將支撐臨時固定,對因鋼板樁施工誤差造成支撐的端頭不能與鋼圍檁面緊密接觸處,必須在圍檁面與支撐端頭之間加設鋼板墊塊,以保證支撐軸向受力均勻。所有支撐連接處均應墊緊貼密,鋼圍檁與圍護樁體間必須密實。

3.2 集成化內拉裝置管道對接

DN1 400管徑PCCP管道對接通常采用內拉法或外拉法,本工程采用“快支快挖快裝快填”方式施工,即管道安裝好后隨即回填施工,外拉法不適用。本工法采用集成化內拉裝置內拉法,減少現場散體組裝時間,通過收鏈組件的設置,可實現連接鏈條與鋼橫梁和內撐桿連接更加有序,后續的回收過程更加便捷快速,既能提高管道對接的效率,也能避免因為連接鏈條較長而導致纏繞難分離的問題,使用方便快捷。

3.2.1 集成化內拉裝置構造

1)連接組件構造:連接組件設有鋼橫梁及內撐桿,鋼橫梁架設于管道外側,內撐桿設于管道內且兩端鋼插片卡于兩節管道的對接管縫處,鋼插片與管道的接觸端均設有橡膠墊。

2)鋼橫梁及內撐桿構造:鋼橫梁及內撐桿為兩段式結構,兩段之間通過導向桿連接,導向桿外圍設有兩個對稱的雙向液壓桿,其中,與鋼橫梁和內撐桿連接的上基座設有兩個,上基座與鋼橫梁和內撐桿的兩段結構均滑動連接。

3)支撐組件構造:頂端與兩個上基座連接且呈V形的支撐桿,支撐桿底端與下基座轉動連接,兩個支撐桿之間通過弧形彈性伸縮桿連接。

4)收鏈組件構造:收鏈組件設有兩組,位于鋼橫梁和內撐桿之間,殼體內腔有兩個卷鏈盤,卷鏈盤上均纏繞有連接鏈條,一根連接鏈條與內撐桿連接,另一根通過液壓缸與鋼橫梁連接,兩個卷鏈盤分別通過獨立的驅動單元控制轉動。

5)移動組件構造:移動組件設有兩個單元,用于輔助鋼橫梁、內撐桿及收鏈組件移動,第一移動單元為鋼橫梁和內撐桿移動組件,分別與鋼橫梁和內撐桿連接,第二移動單元為收鏈組件移動單元,與殼體連接。

3.2.2 集成化內拉裝置操作

1)將集成化內拉裝置置于管道內,鋼橫梁架設于管道外側,撐桿架設于管道內側。

2)調節雙向液壓桿驅使鋼橫梁和內撐桿的長度調節,使得鋼橫梁和內撐桿均能夠與管道有效接觸。

3)通過激光器發射的激光穿過貫穿孔是否落在鋼橫梁上對應的位置,若不在對應的位置,則可通過調節桿對鋼橫梁的位置進行調整,直至鋼橫梁與內撐桿處于同一高度。

4)轉動兩個卷鏈盤收縮,合攏管道,直至接口間隙范圍為15 mm～35 mm,接頭的最小間隙不小于10 mm。驅動單元可采用電機,為了節省成本,驅動單元也可采用手搖把,通過人工轉動卷鏈盤收卷,此時需要增加對應的鎖定結構,可采用插桿固定,殼體上則對應開設有若干的插孔。

5)調節雙向液壓桿收縮鋼橫梁和內撐桿長度至管道內,下一根管道在懸吊狀態下時通過移動組件移動內拉裝置至下一管節處,重復上述1)—4)步驟完成管道對接。集成化內拉裝置結構示意圖見圖3。

3.3 管道接口外密封

3.3.1 水泥砂漿制漿要求

接口外密封通常采用水泥砂漿,管道回填需等水泥砂漿初凝后進行,常規配比選型的水泥砂漿需要較長的時間來凝固和硬化,一般初凝時間4 h,拖延后續工序進行,因此需對水泥砂漿配合比選型中增加早強劑能夠加快水泥砂漿水化速度,根據技術要求和試驗室配比,經優化后水泥砂漿配比能縮短初凝時間約1 h。水泥砂漿采用1∶2.5早強流態水泥砂漿,水泥砂漿應有良好的流動性,以使其灌入后能夠均勻、密實、無空隙,水泥砂漿強度不低于20 MPa[20]。水泥砂漿配合比選項見表3。

表3 水泥砂漿配合比選項(每立方米用量)

3.3.2 接口外密封水泥砂漿施工

1)外縫清理:在外部接口縫隙表面淋水,以確保縫隙表面完全濕潤。

2)灌漿帶制作:用強度適中的尼龍布編制,寬度不小于400 mm。

3)灌漿帶纏繞固定:灌漿帶纏繞管道接口,頂部預留灌漿口凈寬不小于250 mm。使用兩條不小于8 mm的粗鋼絲繩通過頂部的緊繩器拉緊。

4)灌漿操作:從灌漿帶一端灌入,從另一端升上來為準(保證外接口底部充滿砂漿),在接口間隙內放置一根鋼絲,來回牽動,保障灌注砂漿的密實性。頂部敞口用干性水泥砂漿抹平即可。

5)養護:管道外縫砂漿灌注好以后及時養護,由于縫內砂漿體積較小,容易裂縫,必須采用草簾或棉被覆蓋,灑水養護,養護時間與管道土方回填速度和包帶周轉速度有關。

6)灌漿帶拆除:在確定已灌縫的管道進行土方回填之前拆除包帶,停止養護。

4 運用效果

本工法通過應用軟聯結支護體系、集成化內拉裝置、優化水泥砂漿配合比選型等技術,施工過程中各工序緊密銜接,快速高效完成管節施工,縮減大口徑PCCP管道在不良工況下溝槽支護、管道對接、管道外接口灌漿等關鍵工序時間,實現“快支快挖快裝快填”方式施工,最大限度節約工期,降低對交通和周邊居民的不利影響。

本工法在車木河水庫引水管線(三期)工程的應用效益突出:一是有效縮短施工周期,工期提前24 d,整體工期減少約20%;二是采用花籃螺栓和卸扣使鋼板樁與圍檁柔性拉結,鋼板樁周轉率提高10%,同時減少2名焊工勞動力投入;三是有效減小施工對周邊建筑物、構筑物的影響,減少混凝土泄洪溝破除約1.4 km,減少管線遷改1.2 km,縮減房屋征拆面積約300 m2,征地拆遷費大幅壓縮;四是施工全程未收到任何居民投訴信息,施工安全、質量受到業主高度肯定。

5 結語

“基于軟聯結支護體系的不良工況下大口徑PCCP管道快速施工工法”是結合工程實際對不良工況下PCCP管道施工工藝進行的優化,針對傳統施工工藝諸多弊端,針對性地提出多項解決方案,提高和改善了PCCP管道在不良工況條件下施工技術水平,可為類似工程提供參考與借鑒,具有實際應用推廣價值。