长距离大口径输水管道

2024-06-20

长距离大口径输水管道（精选四篇）

长距离大口径输水管道篇1

上海长江青草沙引水工程规模宏大, 有青草沙水库、长江越江隧道、五号沟泵站、严桥支线等9个子工程组成。青草沙水库的水靠重力流, 通过2根DN5840越江隧道流至浦东五号沟泵站, 五号沟泵站向3个区域输送原水, 输水总规模达708万m3/d。青草沙长江引水工程示意见图1。

五号沟泵站至现有严桥泵站全长27 km, 输水规模为440万m3/d, 中途不设泵站。全程管道采用2根Q235B镇静钢, 钢管内径为3 600 mm, 外径为3 668 mm, 钢管壁厚为34 mm。管内采用水泥砂浆衬里, 管外采用环氧作防腐层, 涂层的厚度≥400μm。管道埋设中心距为7.2 m, 管道平均埋深为-9 m (最浅为-7.5 m, 最深为-18.5 m) 。管道穿越轨道交通L2与L7、磁悬浮列车、合流污水管渠及众多大小河道。管顶覆土厚度视现场而定, 一般为1.5~2.0倍管径。工程全部采用地下顶管工艺, 每根推进管段为8 m。

正常供水时2条管道独立运行, 各输送220万m3/d。管道设计工作压力为0.80 MPa, 实际工作压力为0.65 MPa, 试验压力为1.30 MPa。为满足事故时70%的水量, 在管道沿线设置连通管2处, 供管道事故时或检修时切换用。一处距五号沟泵站约9.0 km, 另一处距五号沟泵站约18.0 km。连通阀门均设在工作井内。

管道设计流速为2.08 m/s;最低流速出现在事故工况双管段, 流速为1.84 m/s, 大于不淤流速;最大流速出现在事故工况单管段, 流速为3.75 m/s。

2 水锤发生原因及水锤压力计算

2.1 水锤发生原因

水泵正常运行中, 一般是先关闭阀门后停泵, 但当突然停电时, 水泵出口流速骤然下降, 此时水流中断, 前段水流在惯性作用下, 继续向前流去, 水流后端便形成1个充满逸出气体的空间, 水流分离, 甚至形成严重负压。当流向高处或者前方的水流, 将动能转为位能后, 水流快速回流, 迫使分离的水流弥合, 使管内压力猛升, 继而又下降, 反复冲击, 管内水压起伏剧烈变化。在摩擦阻力作用下压力逐渐变小, 最后趋于静水压力状态。这就是形成直接水锤的原因。水压变化曲线见图2 (图中PN为水泵出口压力) 。

在自来水管网中, 任何时间都有用户在用水, 加之管道是环形结构, 起到水锤防护作用。可是严桥支线无分支管道, 不仅长度长而且口径大。就单管而言, 管内充水A=27.5万m3, 相当于1个中型自来水厂日出水量。因此水泵的启动和事故停泵以及管道阀门的操作, 都会导致整个管道中水力参数发生剧烈变化而产生水锤。严重时则导致爆管事故, 破坏整个输水系统的正常运行。

2.2 水锤参数计算

1) 水锤传播速度计算见式 (1) [1]。

式中:α为水锤波速, m/s;K为水的弹性模量, kg/cm2;Dy为管道内径, mm;E为管壁材料的弹性模量, kg/cm2;T为管壁厚度, mm。

管壁材料的弹性模量表见表1。本工程中钢管管壁弹性模量E为2.1×106 kg/cm2, 管道内径Dy为3 600 mm, 管壁厚度T为34 mm, 水的弹性模量K=2.1×104 kg/cm2, 代入式 (1) 可得水锤传播速度α=1 000 m/s。

2) 水锤波周期计算见式 (2) 。

式中:t为水锤波周期, s;L为管道长度, m。

本工程中, 管长L为27 000 m, 水锤波速α为1 000 m/s, 则水锤波周期t=54 s。当关阀或开阀时间t>54 s时, 水锤的危害较小;当关阀或开阀时间t<54 s时, 水锤的危害较大, 因此在开、停水泵时, 出水阀门需缓慢启闭。

2.3 水锤压力计算

按设计流速v0=2.08 m/s进行满负荷运行, 当水泵失电停运时, 流速v=0, 水锤传播速度α=1 000 m/s, 则水击压力升高△H=212.2 m。

由此可见, 当水泵失电停运时, 管道内产生很高的水锤, 若不采取相关保护措施, 将给管道安全构成严重威胁。

3 严桥支线水锤防护措施

为防止断电或其他原因造成的水泵在开阀状态下开、停车引发的水锤, 在管道沿路采取多种水锤防护措施, 具体防护设置图见图3。

1) 在管道沿线51口工作井中的37口工作井内, 设置了1台空气阀。空气阀口径为DN300。当水锤发生时, 空气阀可作为平压补充措施, 以阻止管道真空和水流断流弥合而引发水锤过高的升压。

2) 在J22、J37、J46处设置单向调压塔, 作为水锤防护的主要措施。单向调压塔实质上是向管道内容易产生负压的主要峰点处单向注水。单向调压塔示意图见图4。

工作原理:平时调压塔内注满水, 蓄水量依据管道的长度和口径而定, 调压塔的水经过单向阀与管道连通。一旦管道发生水锤, 由于瞬时停泵引发的水锤一般由降压引起, 首先是管道内产生负压, 塔内大量水经过单向阀注入管道, 迅速填补断流空腔, 削减水锤压力的峰值。调压塔技术参数及安装位置见表2。

在五号沟泵站设置1个顶部高13.5 m、1 400 m3容积的公用单向调压塔, 以满足3个方向的供水安全。

3) 在五号沟泵站严桥支线的12台大型水泵出口均安装缓闭止回阀, 当遭遇外网停电而使水泵发生跳闸等事故时, 该阀门以独特的第一阶段快速、第二阶段缓冲关阀的功能, 可大大减轻普通止回阀瞬间关阀而引起的水锤强度。

4 水锤防护设想

基于管道既忌讳积气, 也忌讳真空, 介绍几种水锤防护的设想。

1) 在长距离大口径的输水工程中, 可在总管道上安装1台或串联几台水轮发电机组来调节流量。根据电工原理可知, 发电机输出的功率越大, 水轮机对水流的阻力越大。因此只要改变发电机的输出功率, 就可改变流量。管道运行正常时, 发电机空载运行, 水轮机对水流的阻力很小;当检测到水锤发生信号时, 立刻增大发电机输出功率, 加大水轮机叶轮对水流的阻力。这阻力类似加大泵组的转动惯量, 使得管道内流量变化率减小, 有助于消减水锤的强度。

在输水总管上用水轮发电机组调流可替代支管道上多台变频水泵调流, 所以无论从可靠性还是从节能或经济角度考虑, 用水轮发电机调节水量均优于变频器。以严桥支线为例, 五号沟泵站有12台特大型泵组, 与水泵配套的有12台DN1600的进口液控止回阀, 8套AB公司变频器, 4套以色列软启动。如果用2台 (双根管道) DN3600水轮机组替代上述产品, 大大节省一次性投资和设备能耗。

2) 穿越河流较多的输水管道, 在每个穿越河流处的管道较低部位安装单向进水阀, 而在管道的顶部安装单向排水阀。当水锤出现正水压时, 自动打开管道顶部单向排水阀泄压, 泄压水流入河道;当水锤出现负水压时, 自动打开管道较低部位进水阀, 吸取河道的水。这种方式比单向调压塔注入管道的水要多得多, 更有利降低水锤的强度, 而且简单、方便。阀门的启闭可采用自身水力控制, 也可采用PLC自动控制系统。当然这种方法只适合原水输水管道。

5 结语

在长距离大口径输水工程中, 传统、单一的水锤防护很难奏效, 必须在泵房和输水管道中采取多种水锤防护, 充分发挥各种水锤防护的互补功能, 以提高管道水锤防护能力。调度时应采取逐步增加或减少水量的手段, 将水锤的影响控制在允许范围内, 保证管道安全运行。

摘要：上海青草沙原水工程严桥支线是输水系统中的1条主要支线。介绍严桥支线管道设计参数、水锤产生的原因和水锤压力计算及水锤防护措施。通过对水锤发生机制的分析, 提出几种水锤防护的改进设想, 可供今后的大型输水工程参考。

关键词：上海青草沙严桥支线,长距离大口径输水管道,水锤防护,水轮发电机组

参考文献

长距离大口径输水管道篇2

【关键词】输水管道;水力计算;安全措施

On the long-distance water pipeline design should pay attention to the problem

Wang Zhen-ye

（Turfan regions Water Resources and Hydropower Survey and Design InstituteTurpanXinjiang838000）

【Abstract】The combination of the author the use of protective and security measures in the design of long-distance water pipelines， proposed a variety of hydraulic calculation methods of analysis and comparison of actual running， providing reference for the design of long-distance water pipelines.

【Key words】Water pipelines;Hydraulic calculation;Safety measures

随着水利部全面解决农村饮水安全问题目标的提出以及各地区国民经济的发展，城市建设规模不断扩大，工业建设速度迅速加快，人民生活水平也随之相应提高，城市工业和生活用水量急剧增加，城市用水的紧张状况日益严重。故不少城市、工矿企业及农村饮水不得不到数十公里甚至数百公里以外寻找能满足水量、水质要求的新水源，因而长距离输水工程也逐渐增多。在长距离输水管道设计时存在诸多要解决的问题，下面就此阐述几点看法。

1. 管材的选择

常用的管材有钢管、球墨铸铁管、预应力混凝土管、玻璃钢管、超高分子量聚乙烯管、预应力钢筒混凝土管（PC-CP）等。应结合项目区地质情况及受水区要求的保证程度、资金等全方位综合考虑，进行管材优选。

2. 水力计算

管径的选择可以通过Q=AV来初选管径，然后根据水力计算优化管径。在水力计算时，一般是按照均匀流计算，普遍采用的公式有：

（1）Darcy公式：hf= λlv22gd

（2）Chezy公式：V= CRJ

（3）Hazen-Williams公式：

hf=10.67Q1.852l C1.852hd4.87

式中：hf——沿程水头损失（m）;

λ——沿程阻力系数;l——管道长度;

d——管道计算内径（m）;

g——重力加速度（m/s2）;

C——谢才系数（m1/2/s）;

J——水力坡降;

R——水力半径;

Q——管道流量（m3/s）;

V——流速（m/s）;

Ch——海曾·威廉系数。

上述三式中（1）、（2）式不仅适用于管道流，同时也适用于明渠的水力计算。（3）式的计算参数较少，是一个广泛应用于管网计算的传统公式。上述三式与管道内壁粗糙程度相关的系数军事影响计算结果的重要参数。

笔者根据近几年长距离输水管道的设计计算，（1）、（3）是应用较多，通过与实际过流能力及水损实测情况比较，（1）式在采用Colebrook-White公式计算出的λ值与商用圆管的阻力吻合最好。

3. 连通管的设置与阀门的选择

根据规范要求，长距离输水管道宜选用两条管线，以满足检修需要，当其中一条检修时供水量应不少于设计供水量70%，若两条管线并行，应考虑设置2处以上的连通管，在每根连通管处的主管上下侧设置2个闸阀，连通管处设置一个闸阀，共5个闸阀，以达到分段检修目的。同时两条管线应考虑一定的安全距离以防止冲刷破坏，同时也利于检修。

连通管和连通管阀门仅在输水干管发生事故或检修时短时间使用，在不影响使用的情况下，尽量选择管径小一些的。当两条输水干管的管径相同时，连通管和连通管阀门宜选择比输水干管小一号的管径，当两条输水干管的管径不相同时，连通管及连，通管阀门应采用较小输水干管的管径。

4. 排气阀的设置

管道初次输水时，管道内存有空气，管道运行时，实际上是水汽两相流。因此在长距离输水管道设计时，必须重视排气阀的设置，其数量应根据沿线地形、地质情况，合理确定管道的纵向布置，一般人为的每隔一定距离布置成一个高点，在驼峰处布设排气阀，防止管道发生气蚀和振动以影响管道输水及安全。根据《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》规范要求，压力输水管道上的隆起点及每隔1Km左右应设一进气排气阀，对于长距离输水管道，尽可能采用复合式排气阀，以利于管道在压力较高时实现微量排气。

5. 水锤防护

水锤是压力管道系统防护的重要内容，在长距离输水管道中，流速变化是经常出现的，管道中流速变化时，致使管道中水的压力的升高或降低，在压力低于水的汽化压力时，水柱就被拉断，出现断流空腔，在空腔处的水流弥合时将产生强烈的撞击，管道中的水升压，形成水锤。水锤有启动水锤、关闭水锤、停泵水锤。一般启动水锤不大，只是真空情况下，管中空气不能排出而被压缩时才会加剧水位压力的变化;关闭水锤在正常操作时不会引起过大的水锤压力;但由于突然停电或事故停泵所产生的水锤往往较大，水锤压力值可达到工作压力的1.5～3倍。一

般采取技术工程措施加以防护，在水泵出口处设置水锤消除器、缓闭止回阀、安全阀、超压泄压阀等形式以防止水锤危害。

对于重要工程建议采用水锤数值模拟计算，这样一方面能保证工程的安全，另一方面能做到对工程的优化，比如说排气阀、超压泄

水阀的设置问题等也能更趋于合理。

6. 结语

在长距离输水管道设计中，管道投资占输水工程的绝大比重，管材、管径及工作压力的选择必须根据工程规模、重要性、地形地质等进行经济比较综合分析确定，许多技术及安全措施还有待更深入的研究与提高。

参考文献

[1]李炜等。《水力计算手册》（第二版），中国水利水电出版社，2006.

[2]《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》CECS193：2005，中国计划出版社.

【摘要】结合笔者对长距离输水管道在设计中防护技术与安全措施的运用，提出各种水力计算的分析方法与实际运行的比较，为长距离输水管道的设计提供借鉴和参考。

【关键词】输水管道;水力计算;安全措施

On the long-distance water pipeline design should pay attention to the problem

Wang Zhen-ye

（Turfan regions Water Resources and Hydropower Survey and Design InstituteTurpanXinjiang838000）

【Key words】Water pipelines;Hydraulic calculation;Safety measures

1. 管材的选择

2. 水力计算

管径的选择可以通过Q=AV来初选管径，然后根据水力计算优化管径。在水力计算时，一般是按照均匀流计算，普遍采用的公式有：

（1）Darcy公式：hf= λlv22gd

（2）Chezy公式：V= CRJ

（3）Hazen-Williams公式：

hf=10.67Q1.852l C1.852hd4.87

式中：hf——沿程水头损失（m）;

λ——沿程阻力系数;l——管道长度;

d——管道计算内径（m）;

g——重力加速度（m/s2）;

C——谢才系数（m1/2/s）;

J——水力坡降;

R——水力半径;

Q——管道流量（m3/s）;

V——流速（m/s）;

Ch——海曾·威廉系数。

3. 连通管的设置与阀门的选择

4. 排气阀的设置

5. 水锤防护

般采取技术工程措施加以防护，在水泵出口处设置水锤消除器、缓闭止回阀、安全阀、超压泄压阀等形式以防止水锤危害。

对于重要工程建议采用水锤数值模拟计算，这样一方面能保证工程的安全，另一方面能做到对工程的优化，比如说排气阀、超压泄

水阀的设置问题等也能更趋于合理。

6. 结语

参考文献

[1]李炜等。《水力计算手册》（第二版），中国水利水电出版社，2006.

[2]《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》CECS193：2005，中国计划出版社.

【关键词】输水管道;水力计算;安全措施

On the long-distance water pipeline design should pay attention to the problem

Wang Zhen-ye

（Turfan regions Water Resources and Hydropower Survey and Design InstituteTurpanXinjiang838000）

【Key words】Water pipelines;Hydraulic calculation;Safety measures

1. 管材的选择

2. 水力计算

管径的选择可以通过Q=AV来初选管径，然后根据水力计算优化管径。在水力计算时，一般是按照均匀流计算，普遍采用的公式有：

（1）Darcy公式：hf= λlv22gd

（2）Chezy公式：V= CRJ

（3）Hazen-Williams公式：

hf=10.67Q1.852l C1.852hd4.87

式中：hf——沿程水头损失（m）;

λ——沿程阻力系数;l——管道长度;

d——管道计算内径（m）;

g——重力加速度（m/s2）;

C——谢才系数（m1/2/s）;

J——水力坡降;

R——水力半径;

Q——管道流量（m3/s）;

V——流速（m/s）;

Ch——海曾·威廉系数。

3. 连通管的设置与阀门的选择

4. 排气阀的设置

5. 水锤防护

般采取技术工程措施加以防护，在水泵出口处设置水锤消除器、缓闭止回阀、安全阀、超压泄压阀等形式以防止水锤危害。

对于重要工程建议采用水锤数值模拟计算，这样一方面能保证工程的安全，另一方面能做到对工程的优化，比如说排气阀、超压泄

水阀的设置问题等也能更趋于合理。

6. 结语

参考文献

[1]李炜等。《水力计算手册》（第二版），中国水利水电出版社，2006.

长距离输水管线管道试压方法的探讨篇3

关键词：输水管线,水压试验,试压方法,优点

在供水系统中,输水管线通常是指从水库、河流等水源将原水输送至水厂的管线或者从水厂将水输送至城市管网或用水点的供水干线。输水管除具有口径大、管线长的特点以外,一般情况下沿线没有或极少有其他支线输出(用水点),故通常由相同口径、相同材质、相同接口形式的管道组成。输水管线在整个供水系统中占有极其重要的位置,一旦出现事故,往往会造成大面积停水,影响正常居民生活和工业生产,严重时会给某些企业(比如电厂)造成无法弥补的损失。本文主要从水压试验这一个侧面探讨如何控制输水管线的施工安装质量。

1 议题的提出

众所周知,水压试验是管道工程的最后一道工序,也是检验其质量如何的一道关键程序。水压试验是通过观察规定时间内(15min)试验压力降低的情况来判定工程是否合格,同样的一个泄漏点,出现在越长的管段中(水压试验的试验管段长度),其泄压越不明显,也就越不易被发现。为了在水压试验中方便地发现漏水隐患,在GB 50268-2008给水排水管道工程施工及验收规范(以下简称《规范》)中规定,管道试压长度不宜超过1km。长距离的输水管线在实际施工中,为了满足《规范》关于试压长度的规定,往往被分成若干段1km左右的多段管线,每段分别施工完成后做水压试验,合格后再连接贯通。通过多年的实践,本人发现这样的施工做法有以下不足:1)管线被分割成若干段,连通后的连接段往往采用特殊接口(不同于这个管线的接口形式,比如用管箍将球墨铸铁管连起来),是整个施工中的薄弱环节,而恰恰正是这个施工的薄弱环节没有经过水压试验,存在隐患,在实践中也已证明,这个隐患点经常出现漏水现象;2)由于水压试验的需要,每段管线之间需要留下相当长度的原状土不得开挖,留作试压时的靠背土使用,以承受水压的推力,并且每段试压均需要两套靠背(包括千斤顶、钢靠背和靠背土)和灌水、撤水过程,明显存在重复操作和经济浪费。鉴于以上的分析,引出这样一个议题:在大口径长距离的输水管线施工中,有没有这样的施工工艺:既能满足《规范》的试压长度规定,又能经济合理、操作简便、降低隐患。

2 试压方法的探讨

现在的供水管材多采用球墨铸铁管、PCCP管、钢管等,因为除钢管外,一般都是胶圈柔性接口,而钢材本身柔韧性较高,故以上管材均能适应一定程度的地基变形。本文以实际遇到的球墨铸铁管为例,简单说明探讨新型式水压试验方法的必要性。在实际工程遇到过这样的情况,本应该管线分段的位置,却不具备试压的条件,比如原状土土质很差,不能承受水压试验的压力,受管位的限制(左右均有其他设施),也无法重新制作靠背土,这时该如何做管道的水压试验能不能有一种方法采取某些措施既能将管道连起来,又不超过《规范》的长度要求。经过与工程技术人员的反复探讨,我们决定采用以下方式,分段处的形式见图1。

分段处用短管甲(球墨铸铁)、双盘短管(钢)、短管乙(球墨铸铁)组成,在双盘短管内部的中点处焊接钢板P,使得左右分隔为单独的区域a和b。双盘短管的两侧M点、N点分别引出压力表并连同,中间设阀门F。在管道试压阶段,阀门F打开,从a侧开始注水,通过M—F—N的路径,水从a侧流入b侧(设置合理的排气装置)。浸泡24h后,从a侧升压,由于通过M—F—N路径两侧连同,故a,b两侧同时升压;达到试验压力后,迅速关闭阀门F,将a,b两端彻底分隔开来,分别根据两侧的压力表判定水压试验是否合格。这时,我们再来分析一下钢板P的受力,看其强度是否能承受试验压力。从升压至刚关闭阀门F,a,b两侧水压相等,P的两侧压力平衡,P本身不受力;当a,b两侧压降不等时,两侧存在压力差,这时P就要承受压力了。但是,《规范》规定球墨铸铁管15min的压降不得大于0.03MPa,也就是说两侧的压力差不会大于0.03MPa,钢板P承受的压力很小,基本可以忽略不计。在实际过程中,若出现a,b两侧压差大于0.03MPa时,说明至少一侧压降已经超过《规范》规定的允许数值了,这时试压失败,采取必要措施,分析原因,处理后重新试压。

3 该施工工艺的优点分析

以上仅仅是该工艺的原理说明,在实际操作时,钢板P需要双面焊接,保证其有足够的强度,以承受未遇见外力的作用,而不至于破坏,保证a,b两段的独立性,并且还要在钢管处设置检修人孔,试压结束后,可以通过它进入管道内部,将钢板P去除,并进行内防腐处理。城市的输水管线长度往往达到几千米甚至十几千米,用这样的施工和水压试验方法,其具有的优点是明显的:1)无需专门制作中间连接部的靠背土,P钢板两侧水压基本平衡,互为靠背,经济合理,不仅节约施工费用,而且操作简单,大大缩短工期,打破了施工中分段的制约;2)这种连接段的连接形式,本身安全可靠,并且全部管线均进行了水压试验,改变了传统的连接方法消除了该部位的漏水隐患

参考文献

长距离大口径输水管道篇4

1 工程背景

1.1 项目背景

本工程为轨道交通3 号线110k V赵家条地铁变电站线路顶管工程, 内含4 个顶管段, 其中#8-#6、#8-#11、#12-#13 顶管段采用内径 Φ3 000mm的钢筋混凝土管, #12-#11 顶管段采用内径Φ1 600mm的钢筋混凝土管。#8-#6 顶管段长度约160m, 为曲线顶管, 曲线半径R=600m;#8-#11 顶管段长度约948m, 为多曲线顶管 (三个直线, 两个曲线) , 一个曲线半径R≈1 500m, 一个曲线半径R≈3 000m;#12-#11 顶管段为2 条同向平行顶管, 为直线顶管, 长度各125m;#13-#12 顶管段长度77m, 为直线顶管;各顶管段管顶覆土4.5~6.1m。

本文是以#8-#11 的948m曲线顶管段进行分析计算和验算[4]。

1.2 工程地质和水文地质条件

工程施工区域位于武汉市汉口黄浦大街, 属于汉江与长江交汇处冲积扇, 管道顶进地层为淤泥质黏土和粉质黏土地层为主, 较浅地层部分为建筑回填层, 但不影响工程的施工。施工区域地下水较为丰富, 对工作井内止水圈的设置和安装要求更高。

工程施工区域条件复杂, 对施工精度及沉降等要求较高。8#-11#顶管段, 轴线沿着黄浦大街自西向东走向, 顶进轴线位于人行辅导外侧, 其中轴线北侧存在高层建筑, 包括丝宝大厦、中国工商银行等, 轴线南侧人行辅道下有直埋高压天然气管道, 且轴线两侧均有立交桥基础桩基。如图1所示:

1.3 项目特点和难度

本工程的重点为管道的长距离曲线顶管施工。工程的技术重点、难点为管道的顶管法施工、管道偏差控制、长距顶管施工技术、曲线顶管测量控制和注浆减阻技术等。

(1) #8-#11 顶管段属于超长距离顶管, 容易出现管道轴线偏差大、工作井及后座墙顶力不足等问题, 通过勤测、勤纠控制管道轴线偏差问题, 同时通过设置中继站解决工作井及后座墙顶力不足问题。

(2) 管道轴线附近存在立交桥桥桩基础、高层建筑及基坑地下室, 设计轴线外侧与基础最近距离为4m, 通过轴线测量严格控制管道走向, 并以“APS智能引导系统”进行全程自动测控, 做到动态设计、信息化施工。

(3) 工程施工区域处于闹市区, 且周边存在的立交桥、高层建筑以及地下已有设施 (如直埋天然气管道) , 对工程施工期间的沉降测量及开支提出了巨大的挑战。

(4) 掘进过程中排出的大量泥浆的处理和运输也是工程施工过程中急需解决的难题。

工程施工作业区域场地条件如图2所示:

2 关键技术

2.1 地表沉降控制

考虑施工区域内存在高层建筑、立交桥主干道、已有地下天然气管道等因素, 需要对工程施工影响区域范围内做好地标沉降的监测。管道顶进轴线监测点布置如图3 所示:

对于处在轴线附件的建筑物及道桥, 按照距离轴线的距离, 设置沉降监测点, 对高层建筑及沉降敏感的位置, 监测点密度加大, 在掘进机经过此位置时, 勤监测, 及时观察对比沉降的速率, 通过对掘进机顶进的操作, 将沉降量控制在可控范围内。

2.2 管道曲线顶进关键技术

2.2.1 APS智能导向系统

智能导向测量系统按传统的连续导线测量的形式布设, 为了实现自动测量, 该系统需要由以下部分组成:

(1) 每个导线点上的自动全站仪、自动整平基座和自动全站仪配套的棱镜。

(2) 一台计算机, 由它控制各台全站仪进行测量和数据的收集处理。

(3) 有线通讯设备, 包括接线盒、电源、屏蔽线等。

在每一个导线点上安置一台全站仪, 管道内的全站仪需要安置在AD-12 自动整平基座上, 棱镜必须安置在全站仪的手柄上, 并且使棱镜中心和全站仪的旋转中心位于同一垂线上 (需要棱镜接合器) 。每台全站仪都需要通过屏蔽线连接到计算机上, 把数据发送到计算机上, 由计算机进行处理再传输给全站仪, 实现双向通讯, 如图4。智能导向系统由计算机、全站仪和其他辅助设备组成, 通过计算机控制全站仪来测量导线点的坐标, 逐站传递最后得到机头坐标, 求得机头偏差。

智能导向测量系统的原理就是导线测量的原理。如图5 所示, T1是已知的设站点, 在T1处架设第一台全站仪, Pl、Po点为已知的控制点, 因为在T1无法直接测量P0点机头坐标, 因此就需要在导线点T2、T3架设第二、第三台全站仪, 然后通过导线测量测出P1、P2两点的坐标 (因为机头一般埋在土里, 无法通视) , 再由两点的坐标归算出P0点的坐标, 最后和设计路线相比较, 就能得到机头的上下偏差和左右偏差, 整个过程都在计算机的控制下进行。

2.2.2 注浆减租

对于超长距离大口径曲线顶管, 进行有效的触变泥浆注浆减租措施, 能够大幅度降低管道的顶进力。

触变泥浆的配合比依据管道顶进地层类型及地下水位及酸碱性等因素综合确定, 常见配方为:1m3水+5%~7%膨润土+1‰~2‰CMC (高黏) +片碱 (视水的p H值而定, 通常为2‰~4‰) , 其技术参数要求如表-1。

注浆量会随着地层类型以及超挖量的不同而不同, 对于黏性土和粉土不应大于理论注浆量的1.5~3倍, 对于中粗砂层应大于理论注浆量的3倍以上。

注浆间距, 通常混凝土管取3~5管节, 每组注浆孔在同一截面上设2~4 个, 管底不宜设置注浆孔。在掘进机尾部应设置一组主注浆孔;在每个中继站处应设注浆孔。管节注浆孔的设置如图6所示:

2.2.3 中继站设置

依据GB50286-08 和CECS246-2008 中规定, 采用中继站如图-7, 应符合下列要求。

(1) 中继站千斤顶的数量应根据该段单元长度的计算顶力确定, 并应有安全贮备。

(2) 中继站的外壳在伸缩时, 滑动部分应具有止水性能。

(3) 中继站安装前应检查各部件, 确认正常后方可安装;安装完毕应通过试运转检验后方可使用。

(4) 中继站的启动和拆除应由前向后依次进行。

(5) 拆除中继站时, 应具有对接接头的措施;中继站外壳若不拆除时, 应在安装前进行防腐处理。

按照顶进距离、管道直径, 对中继站的尺寸及行程均提出了具体的要求, 其主要性能参数要求如表2:

2.2.4 废弃泥浆处理

泥水平衡顶管过程中, 通过控制进浆管进浆压力输送泥浆至泥水混合仓, 实现与切削土体及地下水的平衡, 并与之搅拌后通过排浆管道抽送至地标泥浆分离系统, 实现掘进机端部切削下来土体的排出。在此过程中将产生大量含有切削钻屑及渣土的废弃泥浆, 对于在繁华地段, 废弃泥浆处理及外运已经成为泥水平衡顶管工程急需解决的问题。

目前通常采用泥水分离系统将废弃中的钻屑及渣土通过机械振动脱水分离, 分离出较为干燥的钻渣可以通过货车外运, 分离后的泥浆通过泥浆沉淀并重新调配后重复使用, 通过泥水分离系统将大大降低工程中处理废弃泥浆的成本, 更加经济和环保。图8 是顶管工程现场泥水分离系统处理废弃泥浆并回收利用的原理以及现场分离系统适用情况。

3 工程计算

3.1 顶进力

总顶进力计算公式, 参考GB50268:08 和CECS246:2008 中顶进力计算公式, 按照公式 (1) 计算顶进力:

式中:F——总顶进力 (k N) ;

D0——管道外径 (m) 取3.6m;

L——管道设计顶进长度 (m) , 取948m;

f——管道外壁与土之间的平均摩阻力 (k N/m2) ,

采用触变泥浆减阻技术时, 其取值参考CECS246:2008中标表12.6.14, 取4k N/m2。

F0—— 顶管机的迎面阻力 (k N) , 按照计算得到1 192.26k N。

式中:Dg——顶管掘进机外径 (m) , 取3.62m

γ——管顶覆土的重度 (k N/m3) , 取19k N/m3;

H——管顶覆土层厚度 (m) , 取得6.1m。

带入数值计算得到F如下

在估算曲线顶管的顶进力时, 应在直线顶管顶进力计算的基础上, 根据曲率半径增加顶进力附加系数K值, K值可按表3选取。

参考8#-11#3 000mm顶管曲率半径为1 500m, 所以K取值1.1 最终得到8#-11#顶管段顶进力F=48 462.73k N, 约4 945.18t。

3.2 中继站计算和设置

中继站计算和设置依据公式 (2) 计算得到:

注:ρ——曲率半径 (m) 。

式中:n——中继站数量 (取整数) ;

fo——中继站设计允许顶进力 (k N) , 这里取值12 000k N

带入计算:

取整n=4, 考虑是多曲线长距离大口径顶管, 在工程施工过程中设置了4套中继站进行顶进分力。

依据公式4.1.1 可以得出单位长度管道顶进与土体间的摩阻力R等于:

带入计算得到R=45.216k N/m

由于施工中中继站的存在, 施工管段将被分成i+1段, 每段的长度为Li或Lmps。位于顶管机/盾构机后面的第一个中继站 (IJS1) 必须要克服施工中的迎面阻力F0和位于其前部的管道与地层之间的摩擦阻力R;而后面的中继站则只须克服各自与其前方中继站之间管道与地层间的摩擦阻力, 因此, 第一个中继站的顶推力大小必须满足公式 (3) :

式中:Fijs——中继站设计允许顶进力 (k N) , 取值:12 000k N;

Fpipe——管节允许承受最大顶进力 () 依据厂家提供参数及CECS137:2002标准, Fpipe>Fijs.

第一个中继站的间距 (L1) :

考虑到液压传动的效率, 中继站理论最大顶进力为12 000k N, 折减系数按照0.8 计算, 带入公式 (4) 得到

得到:L1=147.86m

依据中国非开挖技术协会行业标准颁布的《顶管施工技术及验收规范》, 将第一个中继站按照在掘进机后100m处, 即L1=100m。

L2=L3=L4= (12 000×0.8) /45.216≈212.31m

所以8#-11#顶管段中继站的设置如图9:

开始顶进前需要完成以下工作:

(1) 全部设备经过检查和试运转。

(2) 顶管机在导轨中心线、坡度和高程应该符合要求。

(3) 防止流动性土、砂或地下水由洞口进入工作井的技术措施。