大口径PCCP压力管道施工技术研究与应用

马 斌

（宁夏水利水电工程局有限公司，宁夏 银川 751400）

0 引言

随着我国各城镇的发展，越来越多的工业园区、污水处理厂、大型工厂等建设在城镇，为了满足城镇日益增加的用水需求量，国家不断推进远程输水工程的建设。长距离输水对压力管道的要求较为严格，普通的钢筋混凝土压力管道已经无法满足要求，这时预应力钢筒混凝土管道引起人们的注意。由于预应力钢筒混凝土管道接头密封性好且长久耐用，符合人们对长距离输水管道的功能性需求，因此PCCP成为我国许多大型输水工程应用最广的压力管道。该文将深入研究PCCP压力管道的施工技术，以期有助于PCCP行业的蓬勃发展。

1 工程概况

在某输水工程中，由于管线较长，且压力管道沿途地质地形条件特殊，需要根据地形、压力、成本以及施工条件等因素综合考虑大口径压力管道的选材。该文选取预应力钢筒混凝土管道（PCCP）。工程施工在室外完成，输水管道全长5km，主要为当地提供生活用水和工业用水。本次输水工程主要采用地下埋管以及单排布局的形式，所以在施工中要重点关注大口径PCCP压力管道的抗渗性能与防腐蚀性能。

2 大口径PCCP压力管道制管工艺

2.1 制作钢筒

大口径PCCP管道中主要抗渗部件就是钢筒[1]，钢筒的制作精度将直接影响整个PCCP管道的质量，所以在制作钢筒时需要严格要求钢筒成型工艺。当下流行的钢筒成型工艺有拼板焊接与螺旋钢筒卷焊机。从焊制工序以及成本等方面考虑，该文选择螺旋钢筒卷焊机来制作钢筒，螺旋钢筒卷焊机已经实现自动化，所以在钢筒制作时可以避免热轧薄钢板的浪费，为了制作出要求长度的钢筒，该文在焊接钢筒时在螺旋卷焊机的转筒上添加限位装置，改进螺旋卷焊机，如图1所示。

关于钢筒的选材，美国ANSI/AWWA C301标准中规定，钢板的厚度不能小于1.5mm，如果选用冷轧薄钢板，屈服强度不可以小于195MPa；如果选用热轧薄钢板，屈服强度不可以小于205MPa，从经济性方面考虑，本次选择热轧薄钢板。按下料-焊接滚筒-焊接承插口-规圆步骤进行焊制。焊接过程中，需要参考钢筒的直径和热轧薄钢板的宽度数据来获取钢筒的螺旋周长，以此保证钢筒制作的精度。钢筒制作完毕后，需要对每节钢筒分别进行水压试验，检验全部焊缝处是否出现漏水现象，有漏水的地方做好标记进行补焊，直到全部钢筒无漏水现象后才可以投入使用。

2.2 制作混凝土管芯

在PCCP压力管道的钢筒制作完毕后，在钢筒内部注入混凝土[2]，以此制作管芯。为了加强混凝土管芯的强度，该文通过立式振动成型工艺来制作混凝土管芯。在该过程中，需要选择合适的模具，模具需要具有高强度以及抗冲击的韧性，这样才可以避免混凝土管芯在制作过程中发生变形现象，并且可以较好传递激振力[4]。模具内外模圆角偏差需要符合相关设计标准，并且合缝处要具有良好的密封性以及平整性，钢筒承插口钢圈与模具中心线的误差不可以大于3mm，钢筒与模具对接后要保证钢筒内壁的光滑度。在工厂制作模具时，要严格控制尺寸，并且定期测量，出现误差的模具需要报废，这样才能保证混凝土管芯与钢筒之间的连接质量。选择好合适的模具之后，进行混凝土管芯的浇筑[3]工作，浇筑前需要检查好模具与钢筒是否出现异常，如果出现异常则需要及时调整，避免在管芯成型过程中损坏或移动钢筒[1]。将混凝土下料锥放置于钢筒与模具的顶部位置，在下料锥外面小心地套上混凝土料斗后开始下料，并且在浇筑混凝土的同时开启振动器，使混凝土更密实。在浇筑过程中，需要注意钢筒内外两侧的混凝土要保持均匀上升。浇筑结束后，再让振动器工作一段时间，确保混凝土管芯中无泛浆现象，然后将钢筒插口断面多余的混凝土抹平，等待混凝土管芯成型。在混凝土管芯定型后，卸掉模具，检查管芯是否出现裂缝、孔隙等，为了保证混凝土管芯的强度，需要及时修整表面缺陷。

2.3 制作管芯保护层

为了加强管道的抗压性与耐用性，需要在管芯外面制作一定的保护层。在管芯外面缠绕预应力钢丝[4]，钢丝整体规格需要满足大口径压力管道的保护条件，不能有锈蚀以及断裂情况，还应测试其氢脆敏感性，达到相关标准才可以使用。在混凝土管芯冷却后，开始缠丝工序，通过立式差速缠丝机自动缠丝，注意控制间距和预应力，且每节管芯上的钢丝接头最多只能有一个[2]。当第一层钢丝缠绕完成后，需要将水泥浆喷涂在管芯上，然后进行一定的养护，再缠绕第二层钢丝。钢丝全部缠绕完成，需要立即对钢丝进行保护工作，不可以让钢丝长期曝露在外界环境中。这里该文在钢丝外面加了一层砂浆[5]作保护，在钢丝的表面辊射一层砂浆保护层，此保护层厚度要在25mm以上，才可以有效保护预应力钢丝不被外界环境侵蚀。砂浆采用天然细沙，且含泥量不可以超过2%，在制作水泥砂浆时，注意控制水和细砂的比例，水不可以低于细砂的7%。通过辊射装置将砂浆辊射于钢丝表面。等待砂浆成型后，在管道的最外面涂抹一层防腐涂料，避免压力管道埋入土壤中受侵蚀，防腐涂料该文选取环氧煤沥青，严格遵守防腐层相关技术标准，涂膜厚度不低于0.6mm，涂抹均匀，无裂缝、褶皱等缺陷，采用电火花检漏仪检测是否有漏点，及时处理相关缺陷。整个管芯保护层的竖向剖面示意图如图2所示。

由于整个PCCP管道是在带有钢筒的混凝土管芯上添加了多个保护层，是一种新型的复合型压力管道，所以适用于长距离的输水工程中，具有持久耐用等优点。

3 大口径PCCP压力管道安装

大口径PCCP压力管道安装前需要做好管道安装定位工作，由于PCCP管道安装过程中使用的是承接口，因此，PCCP管是不能截断的，因此，在安装期间需要渐进的推进，所以，需要做好管道的定位工作，一般情况下，管道起点位置在管槽的转折位置，确定管道安装的起点位置后，可以进行标注，为下一环节的安装提供参考。管道在吊装环节中，要对吊索的材质和质量进行严格的筛选，尽量选择材质较软的，这样可以避免在吊装环节中损坏PCCP管道的防腐层，吊装需要科学的选择承重力较大的附带吊，吊装整个环节要保证PCCP管的安全性，注意轻拿轻放，避免发生损坏。在吊装完成后需要对PCCP管进行质量验收，对管道的数量和出厂型号以及外观等进行严格的检查，是否符合管道安装的质量标准。管道安装完成后需要做好管沟回填工作，尽量避免管道长期暴露在空气中，导致发生不同程度的损坏问题[5]。管沟回填工作要严格按照施工要求开展，保证每个阶段管沟回填的平整性和均匀性，合理的选用压实处理方式，确保实现良好的回填料压实处理效果。

该文工程中由于管线管线较长、且压力管道沿途地质地形条件特殊，因此，安装过程中全部PCCP压力管道制作完毕后需要进行吊装工。由于PCCP压力管道的质量较普通混凝土管道要重，所以安装时容易出现地基沉降等现象，所以为了保障管道安装工程的顺利进行，需要对地基进行加固处理，强度与稳定性满足施工条件后进行管道的安装。地基沉降一般分为压缩与沉陷两种情况，管道对土壤的压缩值如公式（1）所示。

管道的沉陷值计算如公式（2）所示。

那么地基沉降量如公式（3）所示。

式中：r表示PCCP压力管道的半径；w表示土壤的容许承载力宽度；z表示土壤的承载力；x表示PCCP压力管道的沉陷系数值；S表示土壤的压缩系数值。通过土壤的压缩值与沉陷值获取地基的沉陷量数据，根据此数据加固地基，使地基的强度满足管道施工要求。然后进行大口径PCCP压力管道的安装工程，在安装之前检查好压力管道的完整性，承插口断面不能出现掉角及缺棱等现象，保护层不能出现裂纹及剥落等现象，胶圈不能出现破损、龟裂等现象，管道全方位的检查无误后，使用吊车将每个压力管道缓慢地装入管沟中，利用纤维布与水泥砂浆把每节管道进行连接保护，完毕后将土壤回填，以此完成大口径PCCP压力管道施工[3]。

4 大口径PCCP压力管道施工技术应用

4.1 技术应用准备

为了确保PCCP管道安装的连续性，首先，需要在施工现场根据配管图对管道的规格和型号等进行准确的分类，并且在安装地点或者施工道路旁安放特定数量的管道，保证管道安放的安全性。管道在路边存放的过程中需要利用沙袋垫空，这样有利于保障管道的安全，也为管道的吊起提供便利。还需要注意在干燥的气候条件下需要对管道实施洒水养护。结合PCCP安装的具体流程，设计还施工现场的安装流程和环节。大口径PCCP管道可能会受到水的压力以及土壤回填压力等多种原因的影响而发生变形损坏，所以本次施工中利用分布式光纤传感器来监测PCCP结构性能，以此判断本次施工的质量。传感器需要在PCCP压力管道吊装工程中同步布设。由于工程现场的实际环境较为复杂，为避免土壤回填时破坏传感器，需要使用钢绞线保护传感器，在管道的轴线方向布设传感器，布设方案如图3所示。

该文在每节PCCP压力管道上分别布设3个分布式应变传感器以及2个分布式温度传感器，以此监测管道的环向与轴向结构状态。

4.2 应用结果

通过分布式光纤传感器，采集部分PCCP管道的温度与弯曲应变数据，然后根据温度与弯曲应变获得管道在位的弯曲应力，管顶的弯曲应力数据如图4所示。

由图4可知，管顶的应力变化范围为-125MPa～125MPa，且最大弯曲应力为125MPa，根据我国管道工程设计规范中所提的强度校核公式可知，管道当量应力允许的最大值为200MPa，而本次监测获得的管道弯曲应力值远远小于该数据，说明大口径PCCP压力管道结构状态处于安全范围内，进而表示本次施工质量较好。

5 结语

大口径PCCP压力管道施工技术主要涉及管道的制作与安装过程，该文选用科学合理且经济性的工艺，完成PCCP压力管道的施工，并且通过传感器监测验证了本次施工的质量，取得了较好的应用效果。该文仅对PCCP管道施工技术进行了初步的研究，下一步将深入探讨如何完善管道的制作工艺，加强PCCP压力管道的耐用性研究，为我国PCCP管道发展提供参考，进而保障我国输水工程的顺利开展。