预埋型钢止推法在卡塔尔东部高速公路供水管道迁改中的应用
0 前言
卡塔尔东部高速连接多哈国际机场与工业区,位于波斯湾西岸,属典型的中东热带沙漠气候,境内无天然淡水,生活用水全部依靠海水淡化工程提供,通过压力管网输送全国。该项目需要改扩建约32 km市政自来水管线,对于承插型压力管道的弯头部位,按照压力和管径大小,需配置足够重量的止推块。输水管道的新建、改线、扩线工作,具有管道流量大、影响用户多、停水施工窗口期短、开挖切割准备工作复杂、大型设备管理要求高等特点,必须保证一次成功。特别是对于直线改折线的工程,接入点止推块在管道通水加压后不能发生大的位移,承插式接头不发生扭曲和脱出(位移需小于1 cm
1 工程概况
卡塔尔东部高速项目的附属给水改线工程,均为承插式球墨铸铁管,D 400~1 400,设计运行压力600 kPa,试验压力900~1 200 kPa

图1 拟建管线弯头接入点及止推块平面与立面
Fig.1 Layout and crossing section drawing of pipe bend and thrust block at tie in point
拟建管线总长度4.6 km,其北侧的接入点为下倾22.5°的一个直角弯头,受到水压力作用弯头部分将产生很大的后推力。对于6 bar(1 bar=0.1 MPa)D1 200的直角弯头,水平推力将达到960 kN。弯头背后永久止推块设计方量120 m3,质量约243 t。成功实施断水需要满足安全、快速和经济性要求,预计断水接入时间限制24 h内。
2 接入点止推方案比选
卡塔尔当地常规施工方案是将240 t止推块,按照40 t/块预制为6块。待断水弯头及配管连接后,清理基坑,分块吊装至预定位置,碎石土填缝,后期绑扎外围钢筋网,支模浇筑成整体。此施工方案最大的弊端为多个块体拼接后,止推块背后与沟槽间隙的碎石填缝质量难控制,在管道开阀加压后,易发生部分块体滑动移位超限的情况,导致密封橡胶圈扭曲脱位,产生接头移位,导致管道漏水甚至爆管事故。而且沟槽抽水清理基底、安装速度慢耗时长,无法得到供水部门批复,吊装风险高,吊块磕碰铸铁管道极易造成破坏。改良现有工艺,找出一种安全、高效、快速的施工方法十分迫切。
考虑卡塔尔当地市场的材料设备供应状态,以及进度节点的紧迫性,提出预埋钢构后浇筑止推方法(见图2),通过将型钢支撑体系提前预埋在基座混凝土中,起到临时约束弯头,确保稳固并节约作业时间。结合另外2种当地常见工艺,进行了技术经济性比较,见表1。
综合考虑停水时间成本和材料设备成本,施工安全性等因素,推荐使用预埋钢构后浇筑方案。首先,通过测量校核,确保预埋型钢在断水前能避开切割点,安装弯头后能准确定位锁住管体。正常施工切管、连接、固定及钢架焊接,待所有接入工作完成后进行永久挡块整体浇筑。此方案既能够保证前期管道受力稳定,又能够保持后续镇墩浇筑的整体稳定性,同时因为提前施工临时止推结构,节省了断水时间及空间;工字钢重量轻,吊装设备简单,操作方便,不影响后续既有管线移除工作。
表1 大体积止推块的断水施工方案对比
Tab.1 Comparison of construction process for large volume thrust block
方案 |
可行性 |
安全性 | 经济性 | |
材料与设备 |
工艺要求 | |||
现浇早强混凝土 | 本地市场混凝土供应不稳定;水电部断水周期最长24 h,早强剂强度曲线无法满足 | 早强混凝土快速浇筑拌合,养护 | 浇筑后镇墩整体性好,包裹性好,无需吊装 | 停水时间长,至少需要72 h;早强混凝土价格高 |
预制块组装 |
无特殊材料要求;临近沟槽,吊距大,吊车需在200 t及以上 | 吊装精度要求高,安装后混凝土块缝隙充填需密实 | 起吊风险高,许可复杂,组装后接缝大,加压后位移不稳定,易漏水 | 起吊安装费时,断水预计需要18 h作业;当地大吨位设备租赁昂贵 |
预埋型钢基座 |
无特殊材料要求;无特殊设备要求,10 t随车吊即可 | 预埋件定位需达到2 cm精度,焊接马鞍型管体支座 | 计算镇墩推力后可以定量化钢构件安全系数,可控 | 停水时间短。在原钢筋混凝土基础上,增加了型钢骨架费,但减少设备费 |
3 接入点支撑型钢结构验算
按照现场沟槽开挖形式和沟槽基岩面边界,设计浇筑基座完全嵌入超挖沟槽内,高度1.8 m,混凝土方量40 m3。设计型钢支柱共3根,布置情况见图3。3根型钢支墩呈现正三角形,其一条中分线与管道成45°,既保证不影响停水时的切割连接,又使得型钢抗力的合力在主压力方向。最后通过型钢顶部焊接连系梁,形成整体支撑。简化分析模型见图3。
型钢选用HW400×400×13×21 mm Q235 H型钢,垂直腹板方向界面惯性矩I=66 900×10-8m4。焊接斜撑作为安装期间的额外安全保障,不计入受力验算。由于整个混凝土基座现浇嵌入围岩,背墙与岩体直接粘合,此处可不作抗滑移和抗倾覆验算,仅做受弯构件验算即可,见表2。
表2 止推结构计算基本参数
Tab.2 Basic parameters of the thrust structure calculation
直径 D/mm |
转角 α/° |
压力 P/kPa |
悬臂高度 H/m |
钢截面 Ix/m4 |
1 200 |
90 | 600 | 1.4 | 66 900×10-8 |
弯头推力按截面受压合力计算:
结合型钢参数表,按照集中荷载作用下悬臂梁计算公式,对工字钢进行抗弯强度校核,容易得到工字钢立柱最大弯曲应力和接触点最大挠度分别为:σmax=134.03 MPa,小于容许应力210 MPa;ωc=3.9 mm,满足位移小于1 cm要求。
4 设计施工流程
预埋型钢止推法在具体工点应用时,主要的设计施工流程如下:①设计止推钢架的底基础尺寸,确定基槽边界及型钢位置;②开挖临时止推结构的底座基坑,清理后浇筑垫层混凝土;③底座按照基本构造要求配筋绑扎钢筋笼,并定位安装工字钢;④浇筑底座混凝土,养护;⑤申请断水时间,正常切割管道,装配弯头及垫圈;⑥现场焊接钢门架横撑,斜撑,焊接管壁垫板及楔子,稳固弯头;⑦具备通水条件,开阀通水,监测工字钢结构变形情况,确保稳定性;⑧继续绑扎永久止推快钢筋、装模,按设计完成永久止推块浇筑施工。
关键施工步骤的现场照片如图5所示。实践检验表明该工艺安全可行,施工方便,操作简单可靠,空间要求小,经济合理。整个断水改线工程从切割安装至具备开阀通水时间小于8 h,工字钢结构未发生明显变形,完全满足工艺要求。
需要注意的是,球墨铸铁管虽然具有结构强度高的优点,但铸铁管相对于钢管延展性不足,容易造成局部破坏,因此钢结构施工时需要在型钢与管道接触点做好马鞍形垫层保护,分散接触点应力。
5 结论
本文基于卡塔尔东部高速项目附属的供水管网迁改工程,在工期和成本的压力下,提出一种大直径球墨铸铁压力管道弯头处快速接入止推的工艺,并多次在断水迁改工作中成功应用。通过浇筑基座时预埋型钢支架,极大地节约了断水连接的作业时间和降低安全风险,减少了停水对用户的影响。钢结构受力及施工安全性分析方法简明可控,利于承包商上报监理获得批复。相比传统的预制混凝土止推块拼装工艺或早强混凝土现浇工艺,在安全性、经济性和施工便利性上都具有很大优势,避免了风险高耗时长的拼装块的起重作业,成为该项目类似复杂条件下断水施工的推荐工法,得到业主和监理好评。
参考文献
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