南水北調(diào)通州支線工程PCCP管道鋪設(shè)施工方案設(shè)計(jì)

王海霞

(北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100048)

1 概述

通州支線工程是北京市南水北調(diào)配套項(xiàng)目之一，是向通州城市副中心提供水源的重要輸水工程。工程從北京市供水環(huán)線東干渠工程通州分水口取水，鋪設(shè)管道將南水北調(diào)水送至臺湖鎮(zhèn)鋪頭村東的新建通州水廠。設(shè)計(jì)輸水規(guī)模為4.86m3/s，管線全長9.25km，采用2根DN1800mm預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)。管道鋪設(shè)采用明挖與頂管相結(jié)合的施工方案，其中明挖鋪設(shè)段總長5.49km，管道中心間距4.1m，覆土厚度3～4m，頂管段總長3.76km，主要為直頂PCCP管，當(dāng)下穿河渠時(shí)直頂鋼管，當(dāng)下穿京哈高速公路時(shí)直頂DN2800混凝土管內(nèi)套鋼管。直頂段管道中心間距4.1m，直頂混凝土套管段管道中心間距6.8m。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

通州支線工程位于平原區(qū)，鋪管地層為第四系上更新統(tǒng)通縣組上段(Q3t)，以河湖相沉積為主，表層為人工填土，其下主要為粘性土、粉土、砂和圓礫。場區(qū)地下水為上層滯水和潛水，上層滯水主要賦存于上部的②1粉土和②2粉細(xì)砂層中，水位變化相對較大；潛水主要賦存于埋深12.70～4.80m以下、22.50～12.20m以上的④粉細(xì)砂層。

管線基本沿蕭太后河南北兩岸鋪設(shè)，蕭太后河常年有水，河道內(nèi)存在一層厚度1.0～8.0m的粉土和粘性土層，從上游向下游逐漸變厚，此土層透水性較差，地表水與地下水之間的水力聯(lián)系較弱。在設(shè)計(jì)管線穿河道段，粉土和粘性土層較薄，河水與地下水之間的水力聯(lián)系相對較強(qiáng)。

3 管道鋪設(shè)施工方案設(shè)計(jì)

通州支線工程管線全長9.25km，采用2根DN1800的PCCP管道輸水。為減少拆遷占地，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，推薦明挖與機(jī)械頂管相結(jié)合的施工方案，在具備開挖條件的地方優(yōu)先采用明挖的方法施工，局部穿越主要道路、河流及建筑物密集區(qū)采用頂管方式施工。明挖鋪設(shè)段總長5.49km，頂管段總長3.76km。

3.1 明挖段施工設(shè)計(jì)

明挖鋪設(shè)段管槽一側(cè)是蕭太后河，另一側(cè)分布民房、企事業(yè)生產(chǎn)用房、市政道路等，開挖土層主要為填土、粉土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂等。管槽設(shè)計(jì)底寬8.2m，開挖深度5～7m，邊坡依地質(zhì)條件及挖深取1∶1～1∶1.5。明挖鋪管設(shè)計(jì)開挖斷面如圖1所示。

管槽開挖設(shè)計(jì)采用挖掘機(jī)分段、分層放坡開挖，槽底預(yù)留20cm保護(hù)層人工開挖。開挖土方由自卸汽車運(yùn)至沿線設(shè)置的堆土區(qū)堆存以備回填。局部管段存在上層滯水，遇粉細(xì)砂等地層時(shí)易產(chǎn)生流砂現(xiàn)象導(dǎo)致塌坡，因此對開挖較深、上層滯水水位較高和透水性較強(qiáng)的粉細(xì)砂層區(qū)段，視現(xiàn)場開挖情況采用井點(diǎn)降水的方式。對上層滯水水位較低和透水性較差的粘性土，采用明溝結(jié)合集水坑降水的方式，將溝槽或基坑積水抽排到蕭太后河，確保開挖邊坡的穩(wěn)定和管道安裝干槽作業(yè)。

圖1 管線敷設(shè)標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(明挖)

輸水管采用DN1800mm PCCP管道，雙排布置，管道中心距4.1m，單節(jié)管長6m，單節(jié)自重約14.7t。安裝時(shí)，用運(yùn)管車運(yùn)輸管道至溝槽，溝槽內(nèi)使用簡易龍門架運(yùn)輸及就位，人工倒鏈輔助對接安裝。管道安裝好后，進(jìn)行接頭打壓試驗(yàn)，每個(gè)管道接頭打壓試驗(yàn)分為三次進(jìn)行，即第一個(gè)接頭完成后進(jìn)行第一次打壓試驗(yàn)，打壓合格后進(jìn)行下一節(jié)管道安裝施工，第二個(gè)接頭完成后再對第一個(gè)接頭進(jìn)行第二次打壓試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后方可繼續(xù)安裝。第三次打壓試驗(yàn)在管道回填到管頂50cm后進(jìn)行，確保管道施工后的密水性能。

管溝回填分為基礎(chǔ)墊層區(qū)、緩沖覆蓋層和原土回填區(qū)。基礎(chǔ)墊層區(qū)回填料采用外購中粗砂，最大粒徑為50mm；緩沖覆蓋層回填料首選開挖料中篩取的細(xì)粒低塑性土料，最大粒徑為50mm，開挖土料不能滿足要求時(shí)外購中粗砂；原土回填區(qū)土料最大粒徑為150mm，回填材料中要求不得含有石粉、土塊、樹根等雜質(zhì)。基礎(chǔ)墊層區(qū)采用74kW推土機(jī)攤鋪，壓實(shí)機(jī)械分層碾壓，小型開槽設(shè)備開弧，配合人工修整，壓實(shí)度要求不小于95%；緩沖覆蓋層與原土回填同時(shí)進(jìn)行，原土回填區(qū)采用平碾壓實(shí)，緩沖覆蓋層使用小型設(shè)備壓實(shí)，壓實(shí)度要求不小于90%。

3.2 頂管段施工設(shè)計(jì)

通州支線工程頂管鋪設(shè)總長3.76km，一般采用直頂PCCP管方案，其主要優(yōu)點(diǎn)有：①施工簡單，頂管內(nèi)徑減小、省去穿管工序；②成本低，省去內(nèi)部穿管的全部管材費(fèi)和安裝費(fèi)用、減少頂管的管材費(fèi)用、減少土體開挖量50%以上；③進(jìn)度快，由于施工工藝簡化，施工難度大大減小，施工進(jìn)度大大加快。穿越蕭太后河、通惠排干和通惠灌渠等特殊管段，為防止?jié)B漏，采用直頂鋼管方案；穿京哈高速公路區(qū)段，依公路管理部門意見采用DN2800混凝土頂管內(nèi)套鋼管。以上三種頂管長度分別為3.03km、0.56km、0.17km；直頂PCCP和直頂鋼管管道中心間距4.1m，直頂DN2800混凝土套管管道中心間距6.8m。

通州支線頂管段地層巖性主要為粉土、粉質(zhì)粘土和粉細(xì)砂，覆土3～9m，沿線分布有上層滯水，且緊鄰蕭太后河。設(shè)計(jì)比選了北京市頂管施工較常用的泥水平衡和土壓平衡兩種頂管方式，該兩種頂進(jìn)方式在上述地質(zhì)條件下均能適用，均能有效的控制地面沉降，安全性都比較高，且造價(jià)也相差不大(泥水平衡稍高)。相對于土壓平衡式頂管機(jī)，泥水平衡式頂管機(jī)對土層和地下水的適應(yīng)范圍更廣，對長距離頂管適應(yīng)性更強(qiáng)，設(shè)備耐久性比土壓平衡式頂管機(jī)要好，但泥水平衡式頂管機(jī)僅適用于小口徑頂管，且泥水平衡式頂管機(jī)排出的泥漿處理費(fèi)用較大。根據(jù)CECS 246—2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》，頂管機(jī)選型見表1，經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，本工程選用泥水平衡式頂管。

根據(jù)水工建筑物布置、場地條件及類似工程經(jīng)驗(yàn)，將頂管段劃分為20個(gè)頂管區(qū)間，各頂管區(qū)間長度一般在100～200m范圍內(nèi)，但受場地條件限制，在直頂PCCP段下穿京津高速路橋區(qū)、石材廠及朝陽建材廠處，頂管區(qū)間長度分別達(dá)到了458m、328m和384m，設(shè)計(jì)通過增加主千斤頂?shù)捻斄?、減少管道周邊與地層的摩擦力、設(shè)置中繼間等措施，解決長距離頂管頂推力的問題。頂管區(qū)間大于100m時(shí)，考慮安裝中繼間以協(xié)助主頂工作站的頂進(jìn)作業(yè)。

表1 頂管機(jī)選型參考表

注：★★—首先機(jī)型；★—可選機(jī)型；空格—不宜選用

本工程頂管下穿京津高速橋區(qū)、京哈高速等多條重要道路及石材廠、朝陽建材廠等建筑物，對施工引起的變形控制要求高，要求施工期間加強(qiáng)地面沉降監(jiān)測，當(dāng)沉降值過大時(shí)，適當(dāng)增大土倉壓力、減小排土量和推進(jìn)速度，并增加頂進(jìn)注漿壓力和泥漿注入量；當(dāng)?shù)孛嬗新∑饡r(shí)，適當(dāng)減小土倉壓力，增加排土量和推進(jìn)速度，并減小頂進(jìn)注漿壓力和泥漿注入量。對重要建(構(gòu))筑物在地面進(jìn)行深層注漿加固等方案進(jìn)行了保護(hù)。

4 結(jié)語

通州支線頂管工程施工進(jìn)展順利，2016年7月雙線貫通，同年8月5日開始向通州水廠小流量供水。穿京哈穿越京津高速公路PCCP頂管段采用泥水平衡頂管，工期102d，平均頂進(jìn)速度9m/d，實(shí)際地面最大沉降14mm，墩柱最大沉降5mm，相鄰墩柱最大差異沉降2mm，均滿足設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。工程采用加設(shè)中繼間的頂管施工技術(shù)，創(chuàng)造了直頂PCCP管道458m的頂進(jìn)長度記錄，可為類似工程的施工設(shè)計(jì)提供借鑒。