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]),止推结构必须安全可靠。对D1 200及以上的大直径压力管道,接入止推方案设计和工艺是该类工程施工的重难点^[2,3]。国外对于该类结构物的设计文献及施工指导手册多数为基本工艺设计^[4,5],国内目前在长距离普通压力输水管线的止推块设计施工方面,对复杂条件下的接入改线止推方案的研究相对较少^[6,7]。

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^[1]。其中大部分待迁改的管线位于拟建主路和匝道区域,属于项目的计划关键路线,工期十分紧张。本文研究的首个工程是一条位于拟建主路范围内D 1 200现有管线,必须改线后方能施工路基。且该管道连接国家储备水库与首都国际机场,允许的停水中断时间短,用户敏感性高,因此快速、安全地完成此改线接入工作十分重要。卡塔尔目前正在筹备2022世界杯,大量国际承包商在当地同时基建施工,导致各类材料包括商品混凝土供应也十分紧张。图1为现有管道及拟建线的空间关系。

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。

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。

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。

弯头推力按截面受压合力计算:$F=2\times \frac{\text{π}D{}^2}{4}{\rm P}\times \cos \frac{\alpha }{2}=960$kN。

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:σ_max=134.03 MPa,小于容许应力210 MPa;ω_c=3.9 mm,满足位移小于1 cm要求。

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。

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。