南水北调北京段停水检修施工组织及工期优化

刘烨华 杨玉锋 杨进新

(北京市水利规划设计研究院，北京 100048)

1 工程背景

南水北调中线一期工程(北京段)自2008年开始输水，至2019年底共输水50亿m3，其中2017—2018年度输水达12.11亿m3。南水北调已成为支撑首都可持续发展的重要水源。目前工程处于工程建设期的运行管理阶段，工程检修、大修的标准和年际安排尚未明确提出。自2008年通水至今，2009年和2014年进行了两次年际检修，2017年对右线局部区段进行了停水排空检修。

工程通水运行多年，主体结构未发现明显渗漏、爆管、破损，但全线未进行停水检修，经水利部和北京市委、市政府批准，于2019年11月开始停水进行全面检查与设施设备维护，检修范围为惠南庄～大宁调压池段输水管道(PCCP)、崇青及西甘池隧洞、大宁调压池、永定河倒虹吸、卢沟桥暗涵、西四环暗涵、团城湖明渠7个单元工程共80km，检查内容为主体结构、水机设备、金属结构、电气及自动化设备、附属设施，主要存在问题为大范围疑似断丝管节、局部管道裂缝及部分设备设施损坏、管内附着物及藻类沉积，根据检查结果及运管单位要求进行维护更新、加固及完善。

2 工程实施方案

工程停水检修执行以下技术路线：工程停水调度→工程排水→工程现状检查→确定处理方案→实施加固修复→工程充水→加大流量联合试验、恢复供水。具体实施方案如下：

干线检修期间的停水调度：通过京密引水渠和密云～怀柔～九厂的输水管线，将密云水库水源输送给北京市，共需密云水库水量5.6亿m3。

工程排水流程为全线管涵尾水自流→管涵末端及分水口集中抽排→分段排水放空→局部低洼部位积水抽排，理论排水量约为195万m3，计划工期1.5～2.0个月。

工程主体结构现状检查以人工普查为主，检查工程主体结构、管涵衬砌外观，包括裂缝、渗水点、表面疏松层、剥离深度和剥蚀面积、伸缩缝情况、钢筋锈蚀外露等缺陷，分左右线统计分布和数量情况，并同时检查各类水机、电气、金结设备，计划工期15～30天。

加固修复：根据部位、埋深、压力及开挖条件进行分类，对管涵采用外预应力钢绞线加固、地面卸载或注浆、管道内环氧涂层封闭裂缝及内贴碳纤维布修复、管涵变形缝重新修复、变形缝手刮聚脲涂层封闭处理。人工清除管内附着物和淤泥，维修更换各类水机、电气、金结设备、设施，工期5个月。

最后是恢复供水阶段，通过惠南庄泵站给PCCP充水，PCCP充水及分段打压测试，进行加大流量联合调试试验，然后恢复供水，工期15天。

根据上述技术路线各阶段任务和工期安排并考虑检修项目的特点，拟定停水检修期8个月。

3 施工组织及工期优化

3.1 工程排水及检查

3.1.1 根据控制工期的关键节点布置排水分段

为满足全线排空需要，排水组织结合历次排水积累的经验，在现有设备基础上增加排水设备，先后启用干线双侧管涵排水口，控制总体工期在1个月以内，排水区间分段以能够满足进人检查要求进行优化设置。

工程检修经检查及专项检测和测试后，再确定管道修复或加固的具体方案，因此实施效果及工期存在较大不确定性，故根据控制工期的关键节点和区段提前安排工作，结合实际可用排空点位及排水设施在有限资源前提下合理调配，通过模拟计算管道积水排空排水量及排空时间，确定PCCP工程干线2～3号排空阀井段及4～5号排空阀井段、7号排空阀井为重点强排区间，并从中根据工程修复和加固需要选取抽排控制节点(见图1)。

图1 分段排水过程模拟分析

对控制性的重点区段排空井附近河道进行事先协调，采取局部工程措施保证其排水，在分段排水放空阶段集中力量加大抽排，提前半个月完成区段排水，优先实现控制节点的干场作业条件，给关键节点后续施工提供了较充足的工期裕度。

3.1.2 密切排水与检查衔接，统筹排水及检查工期安排

加强排水与检查的密切衔接，在能够保证管涵内人员安全的前提下，排水按不影响人身安全的0.5m水深为限，即携带安全监测仪器第一时间进洞检查，外观检查分段多工作面进行，随排水随检查随汇总，建立各专项检修工作决策机制，第一手数据及时上报不过夜，在各层级共享平台汇集资料实时分析研判。全段排水与基本完成外观检查同步完成，实现外观及结构检查不占据直线工期，专项检测、测试及试验等尽量少占用直线工期。

在12月初全部排水工作结束时，结构检查记录及统计已完成，衬砌结构数字地质雷达检测和电磁法检测断丝数量已开展，现场剥离砂浆断丝验证已准备就绪，基本达到了预期的设想，排水及检查工期整体上实现了优化。

3.2 工程加固修复

3.2.1 内加固段推行施工工序标准化和机械化，实现工期协调可控

对PCCP纵向裂缝和大范围断丝管节采取内部粘碳纤维布方式加固处理，纵向裂缝管对裂缝进行表面封闭，管内环向粘贴一层碳纤维，最后表面涂刷环氧涂层封闭。大范围断丝管节采用1纵+6环共7层粘贴碳纤维，按PCCP管内壁表面处理流程为第1层碳纤维布环向粘贴→第2层碳纤维布纵向粘贴→第n层碳纤维布环向粘贴→碳纤维表面涂环氧保护涂层、接口部位粘贴碳纤维手刮聚脲(见表1)。

表1 管道不同补强类型的碳纤维布内加固方式

因检查分析后需内加固的管道数量有较大的增加，根据管道内加固分析计算，部分管节需粘贴7层碳纤维布，数量大且呈集中分布，90%以上处于19～21号排气阀井段，管内作业全部在地下有限空间进行，施工作业安全和劳动防护要求高，同时作为南水北调干线工程，施工质量需严格控制。

针对上述情况，考虑到7层纤维布粘贴层数的特殊性，结合前期试验形成的1纵+3环施工工艺技术标准，形成了一套可实施的施工工序和相应要求，作业前全程人员培训和认证，严控基面打磨、粘贴及封闭等工序的施工要求，确保施工质量达到统一工艺标准。在此基础上，创新优化各工序施工方式，改良形成标准化适用弧面的打磨吸尘一体施工工序，连续内加固段下部搭设临时栈桥提高工效，特定条件下应用全环同步间隔施工法。施工过程中经多方比选及试验，确定增柔增韧的改进型环氧涂层，1.5mm厚环氧涂层一次成型，并优化4mm手刮聚脲涂刷6遍成型的等强时间，通过增加层间胎基布提高层间附着力，保证各项作业程序符合要求的同时优化工序衔接，全程记录施工信息形成实时台账，做到施工质量和责任可实时追溯。管道内加固优化项目及效果见表2。

表2 管道内加固优化项目做法及效果

3.2.2 管外预应力加固集中各专业力量改进技术方案，持续优化确保安全

管外预应力加固方式主要用于周口河和19号阀井附近管道加固，其中周口河处为双线共20节连续加固管道段，除6节为验证断丝数需剥离防腐层后进行加固，施工工序按图2所示跳仓法进行，其他管节在管外直接环穿钢绞线加固。

图2 管外剥离保护层后环穿钢绞线加固工艺流程

在吸收前期试验形成的常规管外预应力加固施工工艺的基础上，充分研究高地下水位条件下的PCCP管节连续加固的复杂性和可实施性，期间还需预留取样验证及断丝检测的周期，同时新冠肺炎疫情的爆发进一步压缩了可用于外加固施工的时间，针对上述面临的困难和风险，采取了多种技术手段尽可能地保障工期和工程质量。

首先考虑开挖基坑与干线排水同步进行，减少基坑开挖占用直线工期，并充分预留降水作业工期，降低砂砾石层施工降水难度。管道剥离保护层和钢丝、环穿钢绞线等加固工序作业时，在严格按5个单元区划分施工的前提下，统筹考虑加固管段的整体稳定和各管节的自身稳定，相邻管道同期施工单元区数错锋波动排布，同时单节管道施工优化为两序施工，即一序进行两个或三个单元区施工，二序进行剩余单元区施工，并采取管底钢木支撑和保留完好管基土等措施保持管道稳定。钢绞线张拉时布置全周脚手架形成双侧通长型施工平台，预紧结束即进行下一工序施工，全部钢绞线固定完成后，跳仓分区统一逐级循环张拉到控制应力值，减少工序轮换操作的繁复性。

管外壁固定钢绞线的锚具需进行防护，数量多达600个，采用特制的标准化外保护罩包裹外露锚头，再安装标准化的模具用于保护层砂浆浇筑，模具可重复使用降低成本，同时提高工效。管基回填支立特制异形模板，两侧同时架设并侧向支撑，上部预留浇筑口灌注自密实混凝土以保护加固管道稳定。管周钢绞线外部挂钢筋网后，机械喷涂环氧聚合物砂浆，人工配合刮涂管道顶部，保证钢绞线的完全防护与密封。最后管周填土在全部加固工序完成后统一进行，严格按分区要求进行回填压实。管道外加固优化项目及效果见表3。

表3 管道外加固优化项目做法及效果

4 结 语

a.通过前期对干线停水检修项目进行周密筹划与组织，并根据项目实施过程各期进展情况及现场条件持续优化和改进设计与施工方案，南水北调中线干线北京段工程圆满通过加大流量联合调度试验，于2020年6月1日恢复通水，历时7个月完成检修工作，工期比预定时间缩短一个月，这期间技术协作与攻关充分发挥了科技资源优势。工程检修期间，北京市民的用水以密云水库水为主，提前通水意味着密云水库的供水压力得到极大的缓解。保质优质完成南水北调干线北京段工程检修后，每天进京南水由340万m3增加到400余万m3，进一步提高了首都综合供水保障率，经济效益和社会效益十分显著。

b.对于长距离大型输水工程，每个检修期停水后，维修加固的管节数量多、工期要求紧，同时管道内径大因而作业难度大，由于受到管道加固节数、粘贴层数及环数的累积叠加影响，同一道工序需反复施工成百上千次，施工操作难度和施工风险程度成几何倍数加大，一旦某一环节有疏忽产生纰漏，对于输水管线来说都意味着埋下了安全隐患。因此，还需进一步对环向纤维布一次成环工艺和内碳纤维布各工序一体化的施工装置进行研究，以减少劳动工作量，提高工效，保证施工质量和施工安全。