裕翔街顶管布置与管材比选

2012-06-26武庆安

水科学与工程技术 2012年4期

关键词：顶管管材防腐

武庆安

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

1 工程概况

石家庄环城水系新开河道在楼底镇附近由西向东依次与并行的总退水渠和裕翔街相交，交角80°。裕翔街顶管是水系穿越总退水渠、裕翔街及既有管线的建筑物。交叉及顶管布置如图1。

图1 交叉情况及顶管布置示意图

1.1 相关工程

1.1.1 水系河道

为宽40m的新开挖河道，河底高程58.6m，岸顶高程63.8m。为满足景观要求，交叉点上、下游设计水位分别为61.54m和60.49m，水头差1.05m，设计流量6m3/s。

1.1.2 总退水渠

是石家庄的重要排水通道，渠道采用全断面混凝土衬砌，开口宽度32m，渠底高程58.4m，堤顶高程63.8m；设计排水流量175.35m3/s，对应水位62.98m。

1.1.3 裕翔街

是石家庄的交通主干道，路宽60m，路面高程63.8m。路下建有排污、供水、供热等9条市政管道，其中的排污方涵断面最大，埋置最深，为顶管设计的控制性因素之一。该排污方涵外轮廓断面尺寸为5m×4.1m（宽×高），顶、底板分别为0.37m和0.45m厚的钢筋混凝土结构，两侧墙为0.6m厚的砖砌结构（内侧水泥砂浆抹面），建基高程56.9m。

1.1.4 顶管

3条DN1600钢筒混凝土管（JCCP），管道中心距4.5m，管顶高程50.21～49.71m。

1.2 地质条件

工程区为粘砂多层地质结构（图1）。地层由上至下分别为：①壤土，层厚2.3～4.9m，底板高程57.99～59.56m；②砂壤土，层厚1～2.7m，底板高程57.21～59.19m；③中砂，层厚2.8～7.3m，底板高程50.89～54.56m；④粗砂，层厚2.6～3.5m，底板高程50.91～51.85m；⑤壤土，层厚5.8～8.2m，底板高程43.71～45.05m；⑥中砂，层厚2～4.7m，底板高程40.17～41.71m。根据钻探成果及调查资料，地下水埋深大于40m。

2 顶管布置

本工程共布置3条钢筒混凝土管（JCCP）顶进穿越总退水渠、裕翔街及排污方涵，顶管内径1.6m，壁厚0.16m，外径1.92m。顶管两端结合工作坑及接收坑布置进出水建筑物。

2.1 建筑物轴线

建筑物轴线走向与石环水系河道走向一致，水系河道宽度40m，交叉建筑物轴线调整余地不大，故而将建筑物轴线与河道轴线重合布置。

2.2 顶管间距

相互平行的顶管水平净距一般宜大于1倍的管道外径。本工程采用管道外径1.92m，结合石家庄地区类似顶管工程施工经验，初拟管道中心距4.5m，净距2.58m。

2.3 顶管高程

顶管施工中经常是先开挖后顶进，开挖后的土体出现临空面，而且一般情况下，开挖断面略大于管道外径，即使管道顶进后，管道外壁与土体之间也存在一定缝隙。这种临空面或缝隙的存在易造成土体松弛、坍落，影响被穿越建筑物基底土体的稳定，进而影响建筑物的安全。地下工程的长期实践证明，土体的这种松弛、坍落有一定限度。当土体坍落变形到一定程度时，将不再发展，并形成一定形状的坍落拱。为保证既有建筑物的安全，一般要求坍落拱顶覆土厚度不小于1.5倍的管道外径。

根据普氏理论，对于松散土，坍落拱高度计算公式：

由式（1）～（3）计算得坍落拱跨度和高度分别为3.71，2.21m。根据坍落拱计算及穿越建筑物设计参数确定管顶高程见表1。

表1 不同建筑物的管顶高程单位：m

由表1可知，排污方涵为顶管高程的控制性因素，工程确定排污方涵管顶高程51.81m，该高程亦可满足总退水渠及裕翔街的要求。

2.4 布置确定

由坍落拱计算可知，坍落拱跨度3.71m，本工程初拟的管道中心距4.5m满足要求。

由于坍落拱的管顶高程51.81m，顶管恰好从中粗砂层与壤土层分界部位穿越。在触变泥浆减阻的施工条件下，管壁与中粗砂的平均摩阻力介于11.0kN/m2～16.0kN/m2之间，与壤土的平均摩阻力介于3.0kN/m2～5.0kN/m2之间。由于上部中粗砂层摩阻力约为下部壤土层摩阻力的3倍，极易造成顶进偏差，施工难度较大，此外，纠偏工作也会影响施工进度。为降低总顶力、减小纠偏工作、加快施工进度、保证施工质量，尽可能消除顶进施工对排污方涵的影响，设计将管顶高程下调1.6m至50.21m，使管道全断面穿越壤土层。

3 管材比选

根据工程布置，管道常年承受0.12MPa的内水压力，为避免渗漏影响工程安全，设计按给水管道考虑。

根据国内工程实际，对应用较为广泛的钢筒混凝土管（JCCP）、钢管（SP）、玻璃纤维增强塑料加砂管（RPMP）等给水管材进行了比选。

3.1 管材性能

3.1.1 钢筒混凝土管（JCCP）

JCCP管由PCCP管道发展而来，是专门用于顶进施工的1种管材。管段长度一般在2.5～5m，采用钢承口接头连接。

JCCP管管壁内有1层薄钢筒，抗渗能力强；能承受较高的内水压力，可达1.0MPa；环向刚度大，能承受较高的外压；管段采用钢质承插口连接，制作精度高，承口钢套管呈环状，插口有凹槽，置于凹槽内的密封胶圈受双向挤压形成很好的密封性；管身防腐能力较强，而且安装后的钢承口外露部分用砂浆灌注封口，也具有良好的防腐性能，使用寿命可达50a以上。其缺点是重量大，外壁粗糙，施工所需顶力较大；水阻较大，糙率系数取0.013。

3.1.2 钢管（SP）

SP管在顶管施工中应用较普遍，顶管用SP管常用Q235B钢板卷制而成，管段长度一般不小于6m，现场对焊连接。

SP管易加工、强度高、不透水，且焊缝具有与母材相同的抗压能力及密封性，因而，对抗渗要求高、内水压力大的顶进施工管道多选用SP管。但SP管环刚度较低，受外压后容易变形；管段之间采用焊缝刚性连接，纵向刚度大，顶进施工中产生偏差时不易纠正；需做内外防腐处理，特别是焊缝的防腐处理必须现场人工施作，防腐质量不易控制；自重较大；使用寿命较短，一般在20a左右；水阻较大，采用水泥砂浆内衬防腐处理后，其糙率系数取0.013。

3.1.3 玻璃纤维增强塑料夹砂管（RPMP）

RPMP管是国内给排水行业正在推广使用的一种新型复合材料管道，顶管用管段长度不大于6m，采用双插口或承插口接头连接。

RPMP管承受内水压力高，是高压输水的理想管材；外壁光滑，顶力小，而且接头采用柔性连接，顶进施工易于纠偏；内壁光滑，水阻小，糙率系数均值约为0.01；自重轻，管径相同的情况下，单位长度重量只有SP管的1/5、JCCP管的1/10左右；抗老化及防腐能力强，使用寿命一般在50a以上。但RPMP管刚度低，受外荷作用变形大，特别是管段接头部位的变形容易产生渗漏。

3.1.4 性能比较

（1）3种管材均能满足本工程的设计要求。SP管需现场焊接后对焊缝进行防腐处理，施工工艺复杂、工期长、质量不易保证，此外使用寿命也相对较短，后期维护成本较高；

（2）RPMP管刚度较低，受外压作用变形大，管段接口易发生渗漏，而且国内施工经验相对较少；

（3）JCCP管兼具SP、RPMP管的优点，避免了其缺点，而且水阻系数相对较大的缺点在短距离输水管道中反映不明显。

综合比较从管材性能考虑，推荐采用JCCP管。

3.2 管材投资

3.2.1 管道直径

设计采用3条管线，其中2条管道供水，1条管道备用。

根据JCCP、SP、RPMP 3种管材计算管径分别为1.54，1.54，1.51m，管径相差无几，设计管材规格，均选用管径为1.6m。

3.2.2 投资比较

由于各种管材建筑物布置及施工措施相同，投资差异主要由管材的不同造成，因此，本工程只对管道投资进行估算。各种管材设计指标及相关报价如表2。其中JCCP管单价为订货价格，SP、RPMP管单价为厂家报价。

表2 管道设计参数及投资

由表2可知，JCCP管单价最低，不需防腐处理，施工费用居中，总造价最低；RPMP管虽然不需防腐处理，且施工费用最低，但由于制作工艺相对复杂，生产厂家报价最高，总造价与JCCP管粗比没有优势；SP管虽然厂家报价居中，但由于需要现场焊接及焊缝防腐工作量大，施工费用最高，且管道内外壁需做防腐处理，总造价最高。从投资角度考虑，优先推荐JCCP管。