地埋大口徑玻璃鋼夾砂管道在穿越淤泥、魚塘、過路
及轉(zhuǎn)彎加固處的施工設(shè)計方法
格瑞德集團(tuán)公司 楊華英
摘要：文中介紹了2004年完成通水的廣州市南洲水廠輸水工程在穿越淤泥、魚塘、過路
等特殊地質(zhì)的處理施工方法，防止不均勻沉降等方面的設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)。
一、工程概況
廣州市南洲水廠輸水工程輸水量為110萬m3/日，工程直徑DN2200mm、工作壓力0.6-0.8MPa，剛度7500N/m2,單線總長約22Km，玻璃鋼管沿線分布在順德及番禺境內(nèi)。
本工程順德境內(nèi)的玻璃鋼管單線總長2422.949m(雙管)，共分4段，樁號分別為I 0+000.000~I 0+310.270、 II 0+000.000~ II 0+314.110、 III0+000.000 ~ III 0+867.259，IV 0+000.000~ IV 0+931.310 (見平面布置圖及縱剖面圖)。
管線地處珠江三角洲平原，南起順德市西海取水泵站，經(jīng)潭洲水道、碧桂路、陳村水道、市橋水道等，跨珠江后直達(dá)南洲水廠。玻璃鋼管順德段(雙管并列)沿線多為果林場、花圃、魚塘等，番禺段雙管分開沿公路兩側(cè)鋪設(shè)，地面高程一般標(biāo)高在0.5- -3m之間， 個別地段標(biāo)高在5m以上,相對較平坦。
地質(zhì)鉆孔勘探資料顯示(鉆孔與管線有所偏差，最遠(yuǎn)處相差100余m)，場地地層由人工填土層、耕植層、沖積層、殘積層、基巖組成。其中人工填土層分布于場地表層，平均厚度約2~3.6m，由沖填土、雜填土及素填土組成，其承載力標(biāo)準(zhǔn)值一般f≤100KPa;耕植層厚度0.2m，同樣-般f≤100KPa;沖積層又可分淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉砂、粉砂、粘土等亞層。其中淤泥、淤泥質(zhì)土地勘資料建議f=40~45KPa;粉砂建議f=120~ 130KPa;粘土建議f=150~ 160KPa。殘積層巖性主要為粉質(zhì)粘土,建議f=180~ 200KPa;基巖為白堊系泥巖和粉砂巖,按其風(fēng)化程度可分為全風(fēng)化帶、強風(fēng)化帶、中風(fēng)化帶，其總體強度相.對較高,建議f$>350KPa。
玻璃鋼管沿線地下水位較高，順德段距地面0.5 ~ 2m，場地地震基本烈度為VII度。
二、管道典型斷面設(shè)計
根據(jù)本工程的地物、地貌、地形、地質(zhì)等條件，玻璃鋼管的布置以減少開挖、減少回填、減少彎點為原則，從而達(dá)到減輕地層荷載力、減少工程量，以利于快速施工、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的目的。
本工程順德段沿線除林果場、花圃、魚塘外，個別地段還有支線公路和靠近房屋的不利因素。
1、過果林場、花圃的一般地段
控制管頂最小覆土厚度1~ 1.2m，即最小開挖深度4~4.2m (地勘資料顯示8m以內(nèi)地層無明顯變化，深挖不能改善地基承載條件)。
管頂覆土厚度主要取決地下水位(見表1)，其厚度應(yīng)保證空管不產(chǎn)生上浮破壞。據(jù)相關(guān)資料計算,地下水位距地面0.5m,覆土厚度1.2m,可以滿足要求，由于多數(shù)地段地下水位距地面在0.7m以上，覆土厚度1m即能達(dá)到要求。
參照相關(guān)規(guī)程及滿足施工需要，確定玻璃鋼管中心間距3500mm, 即兩管間凈距1219mm略大于管半徑1141mm。
根據(jù)征地及地質(zhì)條件，本工程一般只能布置為垂直開挖，其底部開挖凈寬7700mm，即兩管外側(cè)凈寬為960mm，略大于施工需要值800mm。基坑開挖過寬不僅增加工程量和投資，且對施工不利，會加大施工場地布置和支護(hù)及吊裝難度。
個別地段人工填土層、耕植土層相對較厚時，可考上部斜坡開挖，以減少鋼板樁支護(hù)壓力。
基坑回填:順德段管底基礎(chǔ)為淤泥或淤泥質(zhì)粉砂，前者具有高壓縮性，后者具有液化性。其承載力標(biāo)準(zhǔn)值fr=40~45KPa，根本不能作為管道持力層。當(dāng)開挖深4.2m時，估算基礎(chǔ)面受力約60KPa左右，因此置換管底持力層，加速淤泥固結(jié),提高其承載力是必要的。作法是:底部為200mm厚中粗砂過渡層(其細(xì)度模數(shù)應(yīng)大于2，密實度大于90%,下同)、400mm厚灌砂碎石層、200mm厚砂墊層 (管周邊防護(hù)層)。
福建省石獅市供水工程及其他工程實踐經(jīng)驗表明，用砂和碎石置換基礎(chǔ)
持力層后3--10天淤泥固結(jié)度基本可滿足要求。玻璃鋼管就位后中粗砂回填至管徑70%高度，上部為夯填土層至地面。
2、過溝(塘)地段
順德地段玻璃鋼管將跨過數(shù)處溝(塘)，由于無實測水深及水流狀態(tài)數(shù)據(jù)，本報告考慮兩種處理方式:
淺溝(塘)可采取圍堰抽水，斜邊坡開挖、埋管、回填。開挖邊坡取決于下部淤泥(淤泥粉砂)層的相關(guān)指標(biāo)，-般坡度會緩于1: 2.開挖底寬為5700mm，回填分別為(自下而上) : 200mm厚中 粗砂層、400mm灌砂碎石層、C20鋼筋混凝土底板厚150mm、中粗砂管底墊層200mm、中粗砂回填至管頂上100mm、上部 夯填砂包土、頂面保護(hù)層250mm厚M7.5漿砌塊石，保護(hù)層視溝(塘)功用確定是否需要。
另一種形式為垂直開挖、鋼板樁支護(hù)。回填層布置同上。開挖底寬為7700mm。考慮空管抗浮要求，管頂以上同填總厚不小于1500mm.此外也可采取將管拉固在鋼筋混凝土底板之上,以滿足抗浮要求,但管頂以.上覆土厚度仍需大于800mm.
3、 過路地段
過路地段埋管，比較深挖、淺挖兩種形式。當(dāng)汽車在上部通行，要基本消除其動荷載，約需開挖總深度8m左右，即管頂以上5m左右，如此深挖從施工難度及經(jīng)濟(jì)效益兩方面考慮均不適宜，因此還是按通常的開挖，回填形式較好。
本工程過路地段支護(hù)回填結(jié)構(gòu)形式為:兩側(cè)垂直開挖、鋼板樁支護(hù)，基坑回填依次為底部夯壓木樁(直徑φ 140 ~ 160mm，間距800mm梅花型布置，按每根樁壓力45KN控制)，中粗砂層200mm、400mm厚灌砂碎石層、C20鋼筋混凝土板厚150mm.管就位后中粗砂回填至管頂、編織袋裝砂回填(基坑兩側(cè)亦填一層裝砂編織袋)、夯填砂包土，然后恢復(fù)路面結(jié)構(gòu)。管頂回填總厚不小于1600mm.
4、過樓房側(cè)邊地段
靠近樓房側(cè)邊地段考慮到管溝開挖可能使房屋產(chǎn)生沉降，因此在靠房屋邊先打一定厚度水泥攪拌樁作支護(hù)，另一側(cè)用鋼板樁作支護(hù)。開挖時應(yīng)分層均勻開挖，層高不宜大于1m.管溝開挖底寬7700mm,基坑回填依次為200mm厚中粗砂層、400mm厚碎石灌砂層、200mm厚中粗砂管底墊層，玻璃鋼管安裝就位后回填中粗砂至管徑70%高度，上部為夯填土層。管頂回填總厚不小于1200mm。
5、玻璃鋼管轉(zhuǎn)彎加固處理
在管線水平轉(zhuǎn)角大于10°，垂直轉(zhuǎn)角大于7°處設(shè)混凝土鎮(zhèn)墩。小于此角度可利用玻璃鋼短管連接。考慮到順德段管線較平緩，垂直轉(zhuǎn)角均小于7° (過溝、 塘段除外)，故只設(shè)水平轉(zhuǎn)彎鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩尺寸:寬度為6.7m,高度為3.281m,雙管均勻布置(見圖)，長度為彎頭兩端各伸出500mm即為πR a/180+1000,其中R為轉(zhuǎn)彎半徑-般為6600mm,a為轉(zhuǎn)角。鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)處理:考慮到淤泥層地基承載力較低，在底部夯壓木樁，間距800mm梅花型布置。單樁承載力45KN,樁徑φ140~φ160mm，后鋪200mm厚中粗砂、400mm碎 石灌砂層、最后用100mm厚C10素砼墊層找平。為滿足鎮(zhèn)墩局部沉降要求，鎮(zhèn)墩進(jìn)出口用短管與玻璃鋼管連接( 基礎(chǔ)處理不一致處同此做法)。
6、排氣閥井和排水閥井
管道沿線地形起伏，考慮到今后運行、檢修需要，-般在管道隆起部位設(shè)有排氣閥，管道下凹部位設(shè)有排水(泥)閥。
排氣閥井為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其長為3100mm，寬為7500mm，頂部一般露出地面500mm,底板頂高程較管中心高程低1700mm,底板下基礎(chǔ)處理從基坑起依次為: 200mm中 粗砂層、400mm厚碎 石灌砂、100mm厚C10素砼墊層。考慮到地基承載力較低,在底板底部夯壓木樁，木樁:直徑中140~ 160mm，間距800mm, 梅花型布置，單樁極限承載力45KN.
排水(泥)閥井為鋼筋混凝土圓形結(jié)構(gòu)，排水(泥)管設(shè)在供水.管底部，直徑為φ400mm(內(nèi)徑) ，先穿過干井，然后至濕井。干井內(nèi)徑02800mm，壁厚250mm,濕井內(nèi)徑中1600mm,壁厚250mm.干、濕井頂板應(yīng)高出地面S00mm，底板下基礎(chǔ)處理同排氣閥井。為滿足排氣閥井和排水閥井局部沉降要求，排氣閥井和排水閥井進(jìn)出口用短管與玻璃鋼管連接。
三、玻璃鋼管施工中應(yīng)注意的事項
1、原材料的檢查檢測
玻璃鋼管的原材料應(yīng)有出廠合格證，監(jiān)理還應(yīng)定期和不定期抽檢。回填砂的細(xì)度模數(shù)需嚴(yán)格把關(guān)，不能小于2;碎石的含泥量不能超標(biāo)。
木樁的材質(zhì)必須良好，以保證壓樁不會劈裂折斷，直徑大小頭不能偏差過多，一般應(yīng)在20%以內(nèi)，管頂上部回填土不能用淤泥或淤泥質(zhì)粉砂。.
2、施工協(xié)作配合
南洲水廠輸水工程具有工程規(guī)模大、工期緊、工程質(zhì)量要求高的特點，因此各施工工序的良好配合十分重要，其中尤其是土建施工與管道安裝的良好配合是保證工期和質(zhì)量的關(guān)健之一。土建施工單位往.往希望隨挖、隨填、隨安裝，而安裝單位則希望一次安裝段落盡量長一些;土建單位希望24小時隨叫隨裝，以免出現(xiàn)邊坡塌方或雨天降低墊層質(zhì)量等事故，而安裝單位則希望盡量在白天安裝。建議在開工前土建施工單位與管道安裝單位簽訂較細(xì)的施工配合協(xié)議。
3、施工場地布置及注意事項
由于本工程征地寬度僅17.5m,施工場地布置存在一定難度。棄土、管道及其配件、砂石料、木樁等的堆放與施工道路的布置存在矛盾，且物資的堆放與道路均不能離管溝太近(這也是設(shè)計中管溝不宜深挖和兩管間間距應(yīng)盡量小原因之一)。建議在棄土與道路分兩側(cè)布置的前題下，大量的砂石料或備用材料需臨時征地堆放，待裝管道應(yīng)隨運隨裝，必要時堆放在管溝或已回填管頂?shù)孛嫔稀８鞣N閥井、鎮(zhèn)墩處需擴(kuò)大臨時征地。施工道路應(yīng)盡量布置在征地線外邊側(cè)。合理的選用管道吊裝設(shè)備也十分重要，既要能單側(cè)吊裝雙管，又要盡量減輕管溝支護(hù)板樁所受的動荷載。
基礎(chǔ)是淤泥或淤泥質(zhì)粉砂的管溝,開挖后的支護(hù)將是施工的難點之一，需做好加支撐的準(zhǔn)備。鋼梁支撐或框架支撐都會影響管道吊裝。
一般可采取選擇合適位置先將管道吊入溝內(nèi)， 然后在溝內(nèi)水平搬移就位(這也需要土建施工與管道安裝密切配合)。
淤泥透水性差，挖坑排水一般效果不佳，但又是必要的，管溝開挖時需作好選點布坑。管溝開挖時應(yīng)預(yù)留20 ~ 30cm保護(hù)層采用人工開挖,避免機(jī)械開挖對淤泥的擾動,破壞淤泥結(jié)構(gòu),使其喪失承載力。人工開挖時,施工人員應(yīng)踩在木板.上,邊挖邊退。管溝開挖到設(shè)計高程應(yīng)及時鋪填過渡砂層，以防止淤泥表面析水，影響其承載力。
施工中應(yīng)密切監(jiān)測砂、碎石墊層及管周邊回填砂的質(zhì)量，相應(yīng)指標(biāo)不能放寬。
從管道就位即應(yīng)開始進(jìn)行管道的沉降及變形觀測，從而連續(xù)動態(tài)地掌握相關(guān)數(shù)據(jù)。
閥井和鎮(zhèn)墩下部的樁基不僅是為了提高承載力，更主要是解決基礎(chǔ)不均勻沉降和滿足抗震要求。基礎(chǔ)木樁的連接和偏斜在施工中容易被忽視，應(yīng)予以注意。
四、結(jié)論
1、順德段管基為淤泥和淤泥質(zhì)粉砂,地勘資料建議承載力f=40~4SKPa,因此需進(jìn)行強化處理。咨詢意見,在滿足施工、運行、維修的前提下，基坑以淺、窄為原則。建議基坑底寬7700mm,管頂覆土深度1200 ~1600mm.基礎(chǔ)處理以置換為主,個別交叉及建筑物下部增設(shè)木樁以滿足不均勻沉降和抗震要求。
2.采取管頂覆土厚度1.5m,兩管中心間距5m,工程量、投資及施工場地布置難度會有所增加,但也是可行的(具體設(shè)計詳見第二方案)。
五、建議
1.建議在全線玻璃鋼管鋪設(shè)前,選定100~120m管段作為先期實驗段,在實驗中完善施工工藝及流程,檢測管道沉降及管底淤泥層的固結(jié)(水性態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)。
2、玻璃鋼管的分段試壓是保證質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)之一，本工程淤泥地段試壓靠背墩的選點將有困難，建議提前予以考慮。
3、建議隨時監(jiān)測水質(zhì)變化情況，以防生化污染，降低管壁糙率，影響管道過流能力。
4、建議在地下水位較高的管段布設(shè)地下水位監(jiān)測井，以利于動態(tài)掌握其變化情況。
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