1、第 3 期（总第 181 期）2011 年 8 月No.3（ Total No.181）Aug.20111006-8139（ 2011） 03-38-03管线穿越建筑物采用预应力钢筒混凝土顶管技术方案可行性分析张成军（山西省禹门口水利工程管理局 太原 030002）摘 要：预应力钢筒混凝土（ PCCP）顶管是在 PCCP 管道基础上研制的一种新型管材，是压力管线穿越建筑物的理想管材，可直接作为压力管道代替传统的大直径钢筋混凝土顶管内穿压力管道方案 。文中结合禹门口提水东扩工程建设实践，对 PCCP 顶管的可行性进行了分析研究，认为压力输水管线穿越建筑物采用 PCCP 顶管方案具有很强的针对性和
2、明显优势，包括成本低 、施工周期短 、技术合理等，通过增加 PCCP 顶管接头处理措施，还具有很好的安全性能，是一项值得研究推广的新技术 。关键词：测量；控制网布设； “折叠 ”线形锁中图分类号： TV554 文献标识码： B收稿日期 2011-04-27 修回日期 2011-05-03作者简介张成军，男， 1969 年生， 1991 年太原理工大学毕业， 2007 年获工学博士学位，教授级高级工程师，从事水工材料与结构研究 。0 引言禹门口提水东扩工程（一期）输水管线拟定有 15 处穿越公路顶管（包括县道 、省道 、国道 、高速路，其中一处为连续穿越公路和房屋）和 4 处穿越铁路顶管 。顶管
3、专业性强 、施工难度大 、周期长 、相对投资大，为优化设计，在考察国内类似工程（陕西黑河供水二期工程）并咨询有关单位和专家基础上，提出拟采用带钢筒和承插口的预应力混凝土管道顶管（简称PCCP 顶管）方案，并就该方案进行了专题研讨 。PCCP 顶管与传统顶管加穿管方案相比具有成本低 、进度快的优点，对解决管线穿越建筑物具有很强的针对性和优势 。鉴于该种顶管在国内应用才刚刚开始，现结合禹门口提水东扩工程顶管方案就其可行性进行分析 。1 管线穿越建筑物的传统方案1.1 顶进箱涵内穿压力管道方案和顶管内穿压力管道方案国内目前所完成的输水管线几乎都要多次穿越建筑物（铁路 、公路 、房建等），随着国民经济
4、的迅速发展，国家路网建设速度大大加快，给引调水工程设计和施工带来困难 。早期为节约投资或简化施工一般尽量采用破路方案，随着车流量加大和公路等级的提高，破路方案协调管理难度大大增加，成本增加，为此管线穿越建筑物开始广泛采用顶进箱涵内穿压力管道方案和顶管内穿压力管道方案 。顶进箱涵内穿压力管道方案和顶管内穿压力管道方案均为先形成涵洞然后从内部穿越压力输水管道，其结构示意图见图 1、图 2。图 1 图 2图 1 顶进箱涵内穿压力管道结构示意图图 2 顶管内穿压力管道结构示意图1.1.1 顶进箱涵内穿压力管道方案顶进箱涵内穿压力管道方案是在现场预制钢筋混凝土箱涵，然后将箱涵逐节顶进最终形成管道穿越的方
5、形涵洞，最后从内部穿越压力管道 。其优点是可根据工程需要设计成所需的形状和尺寸，如长方形 、正方形等，其缺点是成本高 、施工周期长 。一般适用于大型涵洞的顶进或大型管道的穿越 。1.1.2 顶管内穿压力管道方案顶管内穿压力管道方案是直接采购圆形钢筋混凝土顶管，然后将顶管逐节顶进最终形成管道穿越的圆形涵洞，最后在圆涵内部穿越压力管道 。与顶进箱涵内穿压力管道方案相比，其优点是管材成本低 、土方开挖量小 、管道采购和施工山西水利科技SHANXI HYDROTECHNICSDN1400PCCP 穿箱涵断面图路面高程 路面高程DN1200 玻璃管穿顶管断面图顶预制箱涵 顶管（铜筋混凝土管）玻璃钢管25
6、023002800PCCP300300164016001200HH38 第 3 期（总第 181 期）2011 年 8 月No.3（ Total No.181）Aug.2011工期短，其缺点是当管径超过 3 m 时，受超高 、超宽 、超重影响将难以运输 。一般适用于直径不大于 3 m 的顶管 。1.2 顶进箱涵内穿压力管道方案和顶管内穿压力管道方案的对比两种方案在禹门口提水东扩工程中之对比见表 1。表 1 禹门口提水东扩工程顶进箱涵方案和顶管内穿压力管道方案对比表根据表 1 所列方案，以穿越 2 m 直径管道为例对其成本加以比较 。不考虑内部穿管成本，采用箱涵顶进方案成本约为 3 万元 /m，
7、采用顶管顶进方案成本约为 2 万元 /m，同时顶管顶进方案还可以缩短工期 1/3 甚至 1/2。因此，就传统方案而言，管线穿越建筑物采用顶管内穿压力管道方案明显优于箱涵内穿压力管道方案，禹门口提水东扩工程管线穿越建筑物设计当首选顶管内穿压力管道方案，具有显著的经济性和合理性 。2 带钢筒和承插口的预应力或钢筋混凝土顶管方案鉴于传统传统顶管内穿压力管道方案顶管内径较大，顶管完成后还需从内部穿越输水压力管道，施工难度加大，工程成本大 。为优化设计方案，在工程实践中开始提出了顶管直接作为压力管道方案，即采用与压力管道相同直径的顶管直接顶进后作为压力管道，然后与上下游管线连接，该方案可大大节约成本 、
8、缩短工期 。2.1 顶管直接作为压力管道的种类顶管直接作为压力管道在国内是在 PCCP 使用发展过程中，根据 PCCP 结构特点和顶管特点由 PCCP 管厂所开发的一种新型顶管，其基本特点是带钢筒和承插口的预应力混凝土结构，分别作为管体防渗 、接头防渗 、管体承受水压力和外荷载措施 。管道结构一般有两种，一种是根据荷载情况设计采用两层或三层钢筋网混凝土管体，称为带钢筒和承插口的钢筋混凝土顶管；一种是采用与 PCCP 完全相同的预应力混凝土结构，但保护层由砂浆层变为有一层钢筋网的现浇混凝土保护层，称为 PCCP 顶管，或称 JPCCP。因此，该两种顶管均具有传统顶管的全部功能并具有 PCCP 承
9、受水压力和接头防渗的优点 。也使该种顶管直接替代传统顶管内部穿管成为可能 。但两种顶管还是具有明显区别，主要体现在一种为钢筋混凝土结构，一种为预应力混凝土结构 。PCCP 顶管与带钢筒和承插口的钢筋混凝土顶管相比，其壁厚减薄，钢筋用量减少，技术更加合理，更加经济 。从工作性能讲， PCCP 顶管由于在其管壁混凝土中施加了预应力，并进行抗裂设计复核，使其在承受内水压时不会产生开裂，管道耐久性能提高 。而带钢筒和承插口的钢筋混凝土顶管由于所配置钢筋只能起到限裂作用，而无法杜绝内壁裂缝的产生，而裂缝将会造成钢筒锈蚀 。因此，就该两种可直接作为压力管道的顶管而言，PCCP 顶管更具优势 。因此，禹门口
10、提水东扩工程建设提出了顶管直接作为压力管道方案，并进一步提出了采用 PCCP 顶管方案 。2.2 顶管直接作为压力管道国内使用情况适应国内发展管道引水工程快速发展的形势需要，山东电力管道工程公司 、新疆国统管道股分有限公司分别于 2000年 、2009 年研制生产了带钢筒和承插口的钢筋混凝土顶管，并分别在陕西黑河水库引水二期工程 、河南云台山引水工程 、东莞引水工程等项工程中进行了应用，管径为 1.82.8m。其中陕西黑河水库引水二期工程采用了直径 2.4 m 的顶管 2 200 m，主要是穿越村庄，已运行近十年未出现异常情况；河南云台山引水工程采用了直径 2.2 m 的顶管 1 000 m，
11、已运行五年未出现异常情况 。该两项工程均为在北方地下水位较深的黄土区域所建工程，地质情况和管径均对禹门口提水东扩工程具有很好的借鉴价值 。2008 年无锡华毅管道有限公司在国内首次研制生产了带钢筒和承插口的预应力混凝土顶管，并在南通自来水公司管线工程进行了应用，顶管长度 330 m，管道直径 2.2 m。目前该工程已运行两年，未出现异常 。尽管管道应用长度不大，但对进一步研究使用具有重要意义 。2.3 管道结构图 3 带钢筒和承插口的钢筋混凝土顶管接头图 4 预应力钢筒混凝土顶管接头山东电力管道工程公司 、新疆国统管道股分有限公司设计采用了两层或三层钢筋网混凝土管体结构，见图 3。无锡华毅管道
12、有限公司设计采用与 PCCP 完全相同的预应力混凝土纵向筋木垫板环向筋305 钢环钢筒 插口环橡胶圈 试压孔 承口环231322002318145 25220251510压力管道直径/m管线穿越建筑物次数累计穿越长度 /m箱涵内穿方案箱涵尺寸BH1/m顶管内穿方案顶管尺寸 /m2 4 240 3.53.0 31.8 8 315 3.32.8 2.81.4 2 110 2.82.2 2.4张成军：管线穿越建筑物采用预应力钢筒混凝土顶管技术方案可行性分析预应力钢丝 锚固块木垫板305 钢环 钢筋钢筒 插口环橡胶圈试压乳 承口环2313 252200151452318801402539 第 3 期（
13、总第 181 期）2011 年 8 月No.3（ Total No.181）Aug.2011结构，但保护层由砂浆层变为二次模浇混凝土（有一层钢筋网的现浇混凝土保护层），见图 4。两种管道的主要区别是在承受内压内壁裂缝情况不同，采用预应力结构可以保证管道在设计压力下内壁不会出现裂缝；而钢筋混凝土结构在设计压力下内壁会出现纵向小裂缝，裂缝深至钢筋处会对钢筋造成锈蚀，该裂缝可能会对管道耐久性产生影响 。因此，总体分析预应力混凝土结构的顶管又优于钢筋混凝土结构的顶管 。针对顶管设计和施工方案，经调研 、考察并咨询类似工程建设经验和专家意见，禹门口提水东扩工程拟采用 PCCP（带钢筒和承插口的预应力混凝
14、土管道）顶管，并由顶管直接作为压力管道使用，并提出了关于接头处理专项设计方案，以确保管道接头不会渗水 。3 采用 PCCP 顶管可行性分析3.1 优点（ 1）施工简单 。采用带钢筒和承插口的混凝土顶管与传统顶管加套管工艺相比，顶管内径减小 、省去穿管工序（管材费用和施工费用），土体开挖量减少 5060。施工难度大大减小 。（ 2）基础受力条件改善 。PCCP 顶管直接作为压力管道，管道加水重比所开挖的土体重量减小 4060。减小了基础荷载，不会增加基础承载力，比传统顶管受力情况改善 。（ 3）成本低 。直接采用顶管作为压力管道可大大减小成本 。a.省去内部穿管的全部管材费和安装费用 。b.减少
15、顶管的管材费用 。顶管内径减小，管材费用减小4050。如 2 m 顶管比 3 m 顶管的管材费用减小约 50。c.减少土体开挖量 50 以上 。（ 4）进度加快 。由于施工工艺简化，施工难度大大减小，顶管施工进度大大加快 。3.2 风险（ 1）接头漏水问题 。接头漏水后影响较大，处理难度大 。（ 2）长期运行管道产生不均匀沉降问题 。管线经过长期运行，如果由于外界因素产生管线不均匀沉降，当沉降幅度达到一定程度可能会造成管道接头漏水，接头漏水又会加剧不均匀沉降，从而会造成路基的沉降破坏 。4 本项目采用 PCCP 顶管分析4.1 本项目采用 PCCP 顶管的基础条件（ 1）有利条件 。顶管施工工
16、艺已非常成熟，直接顶管已有几项工程成功应用，最早应用已达十年以上 。本项目所设计各处顶管地质均为 Q2和 Q3黄土，土质均匀，地下水埋深在15 m 以下，非常有利于顶管作业，可顶进性好，利于提高开挖精度，且可以直接采用人工挖土作业 。因避免采用顶管成套设备，成本还会有明显降低 。（ 2）不利条件 。输水线路经过的主要地貌单元为山前冲洪积倾斜平原区 、汾河河谷 、漫滩及阶地，本段汾河主要发育一级阶地和三级阶地 。主要发育的地层有新生界第四系中更新统（ Q2p l） 、上更新统（ Q3pal） 、全新统（ Q4pal）以及人工堆积（ Qs） 。场地低液限黏土多为中等全强烈湿陷性土，存在湿陷性问题
17、。一旦接头漏水会造成管基沉降，严重时会造成路基的沉降破坏 。4.2 可以考虑采取的加强或质量保证措施禹门口提水东扩工程输水线路主要地层多为中等至严重湿陷性土，存在湿陷性问题 。一旦接头漏水会造成管基沉降，甚至会造成路基的破坏 。对此，应采取严格的控制措施：（ 1）严格接头制作及安装质量控制 。a、制作方面严格控制并减小管接头制作椭圆度和端面倾斜度； b、施工方面加强顶管安装前的接口椭圆度和局部椭圆度检查，顶进前严格进行接头水压试验 。（ 2）严格开挖和测量控制 。减小超挖，提高顶管轴线和高程精度，最大程度保证承插接口处于正常工作状态 。（ 3）严格顶管安装后的接头打压检验，对打压不合格接头进行
18、专门防渗处理 。处理方法：对接缝清洗和干燥 、底层采用聚氯密封胶打底 、外侧水泥砂浆勾缝 、内表面涂刷聚脲防渗层 。（ 4）加强顶管段的运行检查和监测，可结合管线整体设计，考虑适当调整或增设检查井 。（ 5）增加对顶管外壁与土体间缝隙的水泥稠浆低压灌浆措施，既可充填缝隙，又可加固周围土体 。起到减少路面沉降，改善管道受力条件 。5 结语PCCP 顶管是在 PCCP 使用发展过程中，根据 PCCP 结构特点和顶管特点由 PCCP 管厂所开发的一种新型顶管 。禹门口提水东扩工程所在地区土质均匀，地下水埋深大，方便顶管施工作业，利于质量控制 。经综合分析，本项目穿越公路采用 PCCP 顶管是合理可行
19、的 。（ 1） PCCP 顶管与传统顶管加穿管方案相比具有成本低 、进度快的优点 。（ 2） PCCP 顶管施工应加强质量控制，采用精细化施工措施 。包括严格接头制作及安装质量控制；严格开挖和测量控制；严格顶管安装后的接头打压检验，对打压不合格接头进行专门防渗处理 。（ 3）由于成本较低， PCCP 顶管在管线穿越公路 、铁路 、房屋等建筑物工程中具有广泛推广应用价值 。（ 4）由于缺乏设计标准，禹门口提水东扩工程在设计采用 PCCP 顶管时，采取了保守设计措施，外壁钢筋混凝土层仅作为保护层使用，存在浪费问题，建议对 PCCP 顶管结构设计及施工方法进一步研究 。 （下转第 45 页）山西水利
20、科技SHANXI HYDROTECHNICS40 第 3 期（总第 181 期）2011 年 8 月No.3（ Total No.181）Aug.2011图 3 右坝肩混凝土挡墙图4 趾板基础提高问题工程在 2010 年 9 月 1 日成功实施二期导流后，右岸面板坝趾板混凝土浇筑成了关键 。基础土方开挖 1 956 m3，砂砾石开挖 58 000 m3，岩石开挖 20 900 m3，保护层开挖 6 100 m3，趾板混凝土 860 m3，钢筋制安 78 t。工程量较大，基础开挖宽度12 m，长度 160 m，施工难度较大；并且由于灵丘气温一般在10 月下旬就降至零度以下，趾板基础开挖及混凝土浇
21、筑施工期仅 50 天，工期紧张 。为按期完成任务，经过设计 、施工 、监理 、业主各方商讨，确定趾板基础提高的可能 。首先从施工措施上考虑，岩石开挖采用炮锤，尽量减少开挖对基础的影响；第二，施工地质人员常驻现场，每开挖一层，取样做现场岩块点荷载试验，分析判断岩体的完整性和岩石强度指标；设计采取加宽趾板宽度，由 4 m 调整为 5 m，对存在部分断层及破碎带采取拉槽回填混凝土的措施，拉槽深度为断层宽度的1.5 倍 。通过以上措施使趾板基础提高了 3.5 m。经过固结灌浆试验，灌浆后的岩石透水率在 37 Lu，能够达到基础完整性的要求 。通过以上措施，趾板基础在 9 月 21 日经过验收，趾板混凝
22、土在 10 月 23 日顺利完成 。5 混凝土冬季施工保温处理本工程年度目标是大坝主体封顶，重力坝和泄洪闸混凝土总量 5.8 万 m3，尤其泄洪闸闸墩 、下游扶壁式挡墙及与面板坝接触翼墙，体型复杂，工程量大 。截止 10 月底，仍有泄洪闸混凝土 1 200 m3，大坝混凝土 6 000 m3未浇注 。混凝土温度控制采取以下措施： 1）提高拌和水的温度，对水管采取电线圈加热； 2）延长拌和时间，拌和时间加长原先的 1/3； 3）添加防冻剂； 4）对薄壁混凝土采用模板外包裹 2 层棉被，不拆模板，重力坝大体积混凝土一方面模板外裹，另一方面仓面顶大棚覆盖，内设 10 个电暖气，上游迎水面生火炉，保证
23、了仓面内部温度保持在 58 。坡面灌浆孔轴线混凝土挡墙开挖线基岩线挡墙底部灌浆孔轴线12000 65001070.0001052.00020001064.0001050.0001050.000-1041.0003313000（上接第 40 页）Feasibility Analysis of Jacking PCCP Technical Program for Pipeline Passing Through BuildingsZHANG Cheng-junAbstract: The PCCP（ prestressed concrete cylinder pipe） -Jacking is a
24、kind of new pipe developed by PCCP technology， and it is a ideal pipe that can be used directly as pressure pipe instead of the scheme of traditional big diameter reinforced concrete pipe with inside pressure pipe for pipeline passing through buildings.Based on the feasibility analysis of PCCP-Jacki
25、ng in the Yumenkou Yellow River Diversion Project practicing， itcan be drawn in this paper that PCCP-Jacking has obvious advantages including low cost， short time limit， reasonable technology and so on. It also has very good safety performance through increasing joint processing measures of PCCP-Jac
26、king. So， it is one new technology that is worth to be studied and promoted.Key words: PCCP-Jacking feasibility analysis pressure pipeline passing through buildingOn Several Problems in Construction Process of Tanghe Hydroelectric Station ProjectZHANG Yu-minAbstract: The paper expounds several probl
27、ems in construction process of Tanghe Hydroelectric Station project， including determining construction diversion planning， using concrete retaining wall to treat dam abutment，raising dam toe slab on base， and discusses the heat preservation problem of concrete in winter construction.Key words: Tanghe Hydroelectric Station; construction diversion; treatment of dam abutment; toe slabon base; winter construction张玉民：唐河水电站施工中几个问题探讨45
