運行中水力管道改造的施工難點與對策

沈麗華 王利鋒

（常熟市水利工程有限公司，江蘇蘇州 215557）

1 工程概況

為妥善解決電廠廠外水力（輸灰）管道對江海路及馬橋工業(yè)園地面交通的影響，江蘇常熟經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)決定實施電廠廠外水力（輸灰）管道江海路段及馬橋工業(yè)園段改造工程。工程位于常熟市江海路北側(cè)和馬橋工業(yè)園出口處，分別采用將原管道局部北移和原地下沉方案。

江海路段水力管道改造即北移工程范圍為原管道G114～G122號支墩之間，工長195.17m。本期改造工程共涉及9根灰管，包括：江蘇常熟發(fā)電有限公司現(xiàn)有3根Φ219×8（mm）管道、土建支墩預(yù)留1根同規(guī)格管道和華潤電力（常熟）有限公司現(xiàn)有3根 Φ219×8（mm）管道、土建支墩預(yù)留2根 Φ325×8（mm）管道。要求土建部分一次建成，共有固定支墩8只、滑動支墩18只、地溝20m、鋼桁架橋1座、過管巡檢橋1座，本工程還包括D300排水管234m以及相應(yīng)的雨水檢查井等。管道斷面示意圖見圖1。

馬橋工業(yè)園出口處水力管道改造工程采用原管道下沉方案，工長50 m。本期改造工程共涉及9根灰管，管道規(guī)格及平面布置同江海路。土建部分一次建成，包括涵洞工程（工長39.8m，內(nèi)截面長×寬為 6.2m×1.8m）及固定支墩4只、滑動支墩4只，涵洞位于原管道底部，管線在涵洞內(nèi)穿越，涵洞頂部用于道路交通。管道斷面示意圖見圖2。

2 施工難點

本工程施工面臨的主要難點有三個方面：一是現(xiàn)有管道為電廠煤灰運行管道，施工過程中除切換間隙外必須保證其正常運行；二是施工中土方開挖影響管道支墩穩(wěn)定，必須采取相應(yīng)支護措施；三是馬橋工業(yè)園區(qū)水力管道工程是在管道下進行涵洞施工，必須將管道下的支墩及土方清除才能滿足施工條件，故需進行管線臨時支護與可靠施工設(shè)計。因此，施工前必須將管道進行可靠固定，保證其穩(wěn)固與正常運行，以不影響電廠生產(chǎn)。

根據(jù)施工地質(zhì)及現(xiàn)場條件，通過對臨時支護設(shè)計方案的綜合比選，決定采用鋼桁架施工工藝。

3 鋼桁架設(shè)計與施工

3.1 鋼桁架結(jié)構(gòu)方案

圖1 江海路水力管道改造斷面示意圖

圖2 馬橋工業(yè)園區(qū)水力管道改造斷面示意圖

采用 Ф219×8（mm）縱向無縫鋼管立柱與橫向二道20#槽鋼焊接成門架結(jié)構(gòu)，用振動錘將鋼管立柱打入至設(shè)計標(biāo)高，以確保水力管道運行時鋼桁架的穩(wěn)定，鋼桁架斷面圖詳見圖3、圖4。江海路水力管道改造工程涉及無縫鋼管立柱數(shù)量為30根（15榀鋼桁架），每根鋼管立柱高度為8.5m；馬橋工業(yè)園區(qū)水力管道改造工程涉及無縫鋼管立柱數(shù)量為20根（10榀鋼桁架），每根鋼管立柱高度為8.1m。

3.2 鋼桁架穩(wěn)定性計算

考慮本工程的地質(zhì)條件，鋼桁架間距為8m，單根水力管道運行時的壓力為 10 kN（g=10 N/kg），簡支梁結(jié)構(gòu)，江海路和馬橋工業(yè)園區(qū)水力管道改造分別考慮鋼管入土深度為3.5m和3 m。入土層的土質(zhì)為粘土，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1，樁側(cè)極限平均摩阻力和樁尖阻力見表2。

鋼桁架的受力計算見圖5，管道受力根據(jù)圖3、圖4，1#節(jié)點與最近作用力的間距為1.3m。管道作用力間距同圖1、圖2中的間距。鋼桁架彎矩和剪力計算見圖6。

圖3 江海路水力管道鋼桁架結(jié)構(gòu)斷面示意圖

圖4 馬橋工業(yè)園區(qū)水力管道鋼桁架結(jié)構(gòu)斷面示意圖

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

表2 樁側(cè)極限平均摩阻力和樁尖阻力

（1）鋼桁架下支撐梁選型計算

根據(jù)圖6所示，鋼桁架的最大彎矩為82.5 kN·m，最大剪力為37.50 kN。采用熱軋普通型槽鋼，允許的最大彎應(yīng)力為235 kPa。

抗彎截面模量為351 cm3，根據(jù)熱軋普通型槽鋼材料表選用2根20#槽鋼，其抗彎截面模量為2×191.4=382.8 cm3＞351 cm3，滿足要求。

（2）鋼管樁承載力計算

根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》（JTJ254-98）中4.2.4之規(guī)定，單樁垂直極限承載力設(shè)計時按下式計算：

式中：

Qd—單樁垂直極限承載力設(shè)計值，kN；

γd—單樁垂直承載力分項系數(shù)，取1.45；

圖5 鋼桁架的受力計算示意圖

圖6 鋼桁架彎矩和剪力計算示意圖

U—樁身截面周長，m；

qfi—單樁第i層土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

li—樁身穿過第i層土的長度，m；

qR—單樁極限樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

A—樁身截面面積，m2。

江海路水力管道改造工程（設(shè)計入土深度3.5m）：

Qd=×（3.14×0.219×60×3.5+1600×3.14×0.112）=×（144.41+60.79）=141.52 kN

馬橋工業(yè)園區(qū)水力管道改造工程（設(shè)計入土深度3.0m）：

d1600×3.14×0.112）=×（123.78+60.79）=127.29 kN

3.3 鋼桁架施工

鋼桁架的施工包括：測量放樣、鋼管樁打入、組合梁施工、鋼管固定。鋼桁架的測量放樣原則上是在原有固定或滑動支墩兩側(cè)，與水力管道接頭間距不小于50 cm，如遇特殊情況，適當(dāng)調(diào)整，打樁前現(xiàn)場用石灰粉放樣。鋼管樁的打入采用履帶式振動錘進行，打入時注意其位置，一旦發(fā)現(xiàn)易位立即調(diào)整。鋼管樁施工完畢后，檢查其垂直度，若鋼管在沉樁過程中有傾斜，須在其兩側(cè)用20#槽鋼做斜向支撐，槽鋼與鋼管接觸面采用單面滿焊，焊縫高度為8mm。

鋼管樁打入施工完畢后進行上橫梁、下支撐梁、鋼筋連接筋和管道固定施工。上橫梁是在鋼管頂部切成倒“π”型槽，將2根20#槽鋼背靠背焊接（如圖3、圖4所示1-1斷面），中間用 100 mm×100 mm×10 mm鋼板間距為1 m上下錯焊后放置在倒“π”型槽內(nèi)。下支撐梁是先在鋼管兩側(cè)焊接10mm×10 mm×8 mm的鋼板作為支墊，便于20#槽鋼安裝。槽鋼安裝時注意要與原管道底部齊平，若有間隙則用薄鋼板填塞，且不得碰撞管道。槽鋼和鋼管接觸面兩側(cè)用10 mm×20 mm×8 mm的鋼板焊接（如圖3、圖4所示節(jié)點大樣圖），為使原有管道穩(wěn)固，在下支撐梁與原灰管位置設(shè)置卡箍，卡箍用Ф16mm、單根長度為800mm的圓鋼制作成“U”型焊接在槽鋼上，接觸面須滿焊，焊縫高度為8 mm。上橫梁與下支撐梁間采用3根Ф20mm圓鋼相連，長為1.8m。圓鋼與上橫梁的連接，采用300mm×10mm×10mm鋼板焊接在兩槽鋼間隙，下端留出10 cm與圓鋼焊接。圓鋼下端焊接在下支撐梁槽鋼背面，圓鋼與槽鋼接觸面須滿焊，焊縫高度為8mm。

4 管道制作與安裝

待土建工程施工完畢，混凝土強度達到設(shè)計要求后進行管道安裝項目施工。本工程共涉及9根灰管，包括江蘇常熟發(fā)電有限公司現(xiàn)有2根Φ219×8（mm）管道，土建支墩預(yù)留 1根同規(guī)格管道，華潤電力（常熟）有限公司現(xiàn)有 3根 Φ219×8（mm）管道，土建支墩預(yù)留 2根 Φ325×8（mm）管道?；夜懿捎脽o縫鋼管，規(guī)格為Φ219×8（mm），并采用GJH-64/DN200型卡箍式柔性管接頭，管接頭所帶管端節(jié)在15℃時安裝間隙總長為2×70mm，管接頭距支座的距離不大于1.0m。

管道施工包括：管道制作、管道安裝和管道試壓三個部分。管道的制作在工廠中進行，管道制作完畢后運至現(xiàn)場進行安裝。

4.1 管道制作

管道的制作主要包括管接頭的焊接及廠內(nèi)管道防腐兩個部分。以馬橋工業(yè)園區(qū)水力管道改造工程為例，圖7為其安裝斷面示意圖。

管接頭制作時，首先按設(shè)計長度用自動切割機分段切割，切割后的長度應(yīng)考慮每條焊縫的焊接間隙和焊后尺寸收縮等因素，以滿足管道制作尺寸要求。為確保管接頭的焊接質(zhì)量，焊接前先對管口采用機械車床進行坡口切削作業(yè)，單邊坡口角度為30°，鈍邊保證在1～1.5 mm左右，再對坡口作適當(dāng)磨平修正。管接頭焊接施工時，將切削好的管道接口與管接件先裝配定位，定位時管道坡口與管接件的間隙在2.5～3mm左右。當(dāng)裝配定位符合要求后進行點焊定位，然后開始接頭焊接。焊接時，離焊縫邊緣大于10mm的寬度范圍內(nèi)應(yīng)清除鐵銹、熔渣、氧化皮、油污、水漬、涂料等影響焊接質(zhì)量的雜物。

圖7 馬橋工業(yè)園區(qū)水力管道安裝斷面示意圖

當(dāng)管道的接頭制作完成并檢驗合格后進行管道防腐。管道經(jīng)除銹后，涂刷IPN-8710防腐漆，底漆2道，面漆2道，干漆膜厚度＞0.15mm；直埋管道外壁則采用IPN-8710加強級防腐，即：底漆—面漆—玻璃布—面漆—面漆，干膜＞0.3mm。

管道除銹采用噴砂除銹工藝，以確保除銹質(zhì)量。管道防腐的2道底漆在工廠內(nèi)進行，2道面漆在管道安裝完成后進行。管道經(jīng)壓力試驗后，如果有滲漏需進行補焊等處理，對補焊處理的局部區(qū)域須重新按二底二面的方法進行防腐處理。

4.2 管道安裝

管道在工廠中加工完成，檢驗合格并經(jīng)過防腐處理后，由平板車或超長車運至安裝地點進行安裝。在運輸、裝卸和臨時堆放時，應(yīng)采取保護措施，防止加工完成的管接頭以及管道防腐受損。管道運至現(xiàn)場后用汽吊進行沿線布管，布管完成后開始管道安裝。

管道安裝前先在支墩上進行管道軸線放樣，然后預(yù)埋管道托架。管道托架在工廠中按設(shè)計要求制作完成，檢驗合格后進行防腐處理，然后運至現(xiàn)場安裝。安裝前清理支墩支架預(yù)留錨栓孔，并用清水清洗干凈，將托架安放在支墩上，錨栓放入孔內(nèi)，用經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀按設(shè)計圖紙規(guī)定的各支墩托架的軸線和高程進行測量和調(diào)整定位，再在錨栓孔內(nèi)澆筑細石混凝土，待混凝土達到一定強度后開始管道安裝。

本工程管接頭采用GJH-64/D200型卡箍式柔性管接頭（原為RHGJ-64/DN200型），管接頭在工廠中預(yù)先按設(shè)計長度焊接在 Ф219×8（mm）無縫鋼管上，安裝時按照支墩上的軸線位置及管道托架埋設(shè)的高程支承在托架上，并在托架上用抱箍固定。兩根管道的接頭一般在支墩一側(cè)，接頭距支墩一般不大于1.0 m。接頭安裝時采用簡易門式吊架來移動、校正和臨時固定管道。管道與管道的接口間距允許最大間隙為20 mm，當(dāng)環(huán)境溫度為15℃時，安裝間隙為10 mm；當(dāng)環(huán)境溫度每增減10℃時，安裝間隙也減增1.5mm。當(dāng)管口與管口按規(guī)范安裝就位后，在管口連接的卡箍處套上橡膠密封圈，然后卡上卡箍，用螺栓擰緊固定，至此安裝完成。

在轉(zhuǎn)角支墩處管道的轉(zhuǎn)角應(yīng)采用煨彎管聯(lián)接，安裝前與煨彎管的聯(lián)接管口需預(yù)先打好坡口，把轉(zhuǎn)角兩端的直管按軸線先行安裝在轉(zhuǎn)角固定支墩的管道托架上，然后會同專門加工煨彎管的廠家現(xiàn)場實測管道彎轉(zhuǎn)的角度，進行工廠加工，最后再在現(xiàn)場進行煨彎管與直管的焊接。

4.3 管道試壓

管道安裝完成后，對全線管道進行水壓試驗，試壓時應(yīng)對管道分別進行試壓。按照設(shè)計圖紙要求，本根管線運行壓力為5.2 MPa，試驗壓力為6.5 MPa，因此，試壓時按6.5 MPa進行檢驗。試驗時，在管道兩端安裝管端封頭板，一端安裝壓力表，用水泵往試壓管道內(nèi)注清水，當(dāng)管道內(nèi)注滿清水后，再通過活塞式壓力機繼續(xù)向管道內(nèi)注水，管道內(nèi)壓力隨之上升。試壓時，加壓應(yīng)漸次進行，隨著壓力的上升，同時檢查試驗管道的接頭及管體部位，當(dāng)壓力達到6.5 MPa并持續(xù)10 min后降壓至工作壓力（5.2 MPa），并穩(wěn)定 30min，如壓力穩(wěn)定，則該段管道壓力試驗合格。若出現(xiàn)減壓現(xiàn)象，則應(yīng)檢查試壓管道有無管接頭滲漏或管道有無砂眼滲漏等問題。如發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)作相應(yīng)處理后，再次試壓，直至合格后再進行下一管道的檢驗。

5 結(jié)語

本工程采用鋼桁架臨時固定管道的施工工藝，制作簡單、安全可靠，造價也不高，不僅成功地完成了項目土建和管道安裝施工，且保證了施工期間原管道的正常運行，為今后類似項目的施工積累了寶貴的經(jīng)驗。