预应力钢筒混凝土顶管（JPCCP）在大口径压力供水工程中的应用和探讨.pdf

2 0 1 4 年 1 2 月第 1 2 期 城 市道桥 与防洪 成果应用1 8 7 预应力钢筒混凝土顶管( J p c c p) 在大口径压力供水 工程中的应用和探讨 樊雪莲 ， 唐文龙 ， 王建斌 ( 上 海万 朗管业 有 限公 司 ， 上 海市 2 0 0 0 6 0) 摘 要： 该文对预应力钢筒混凝土顶管( J P C C P ) 在大口径压力供水工程 中的应用作了探讨。 预应力钢筒混凝土顶管( J P C C P ) 是一 种综 合利 用钢 材 的抗 拉 、 抗渗 性能 和混凝 土抗 压性 能 ， 采 用预 应力 和非 预应力 工艺 生产 的复合 管材 ， 是 在预 应力 钢筒混 凝土 管 ( P C C P) 的基础上研 制 、 开发 的一种大 口径更新换 代产 品。经分 析研究 与比较 ， 认 为 ： 适合 于非开 挖大 口径压 力输水 和污水压力输 送工 程。 关键 词 ： 预应 力复合管 ； 抗渗 ； 抗 压 ； 安 全 中图分类号 ： T U 9 9 1 3 6 文献标 识码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 4) 1 2 0 1 8 7 0 3 1 概述 预应力 钢筒混凝 土顶管 ( J P C C P) 是上 海万 朗 管业有限公司联合上海市政设计院、上海同济大 学、上海市非开挖中心等六家单位共同研制开发 的一种新 型复合管 ，主要用于大 口径压力供排水 领域 。 其主要结构为：采用带钢制承插 口的钢筒经 水压检验后在筒体 内浇注一定厚度 的混凝土作为 管芯 ，在管芯外根据工况需要缠绕一定密度的预 应力钢丝后 ， 在预应 力钢筋外侧配 以钢筋笼 ， 再浇 注一定厚度的混凝土，从而形成 J P C C P顶管复合 管材， 最大口径可达 4 m， 具有较强的抗内压和外 荷载的能力 ， 确保地下输水管道运行安全。 1 1 主要性能特点 ( 1 ) 混凝土管 内有预压应力 ， 能承受较高 的内 压和外荷载。最高承压 3 0 MP a ， 最 大承受管顶覆 土 2 0 m。 ( 2 ) 外壁光滑 ， 适合较长距离的顶进 ， 糙率系 数 0 0 l 。 ( 3 ) 具有防腐性能和耐久性。 ( 4 ) 较强 的抗压和抗渗性能 ， 可确保地下管线 运行安全。 ( 5 ) 管道 间采用柔 性接 口， 顶进 时便 于纠偏 ， 为曲线顶管提供可行性 ， 最大偏转角度 0 5 。 ( 6 ) 接 口采用双 “ O ” 型橡胶圈密封 ， 顶进时 ， 管 道接 口安装采用承插式连接，安装时间可忽略不 计 ， 使顶进速度大大加快。 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 0 8 1 9 作 者简介 ： 樊雪莲 ( 1 9 7 1 一 ) ， 女 ， 上 海人 ， 助 理工程师 ， 总经理 ， 从事工程管材研发工作。 ( 7 ) 施 工快捷 、 方便 ， 现场施工周期短 ， 施 工工 艺成熟 ， 易推广 。 ( 8 ) 工程综合成本低 ， 可大大降低工程建设投 资费用。 1 2 主要技术指标 ( 1 ) 公称 内径： 1 4 0 0 4 0 0 0 mm； ( 2 ) 公称长度： 3 0 0 0 mm； ( 3 ) 公称压力：0 4 3 0 M P a ； ( 4 ) 内压抗 裂性 能： 在设计 指标值 P t = 1 7 MP a 抗裂检验内压下， 恒压 5 m i n ， 管体均未出现爆裂， 局部凸起 ， 渗漏 和开裂或其他剥落现象 。 ( 5 ) 管芯混凝土抗压强度 ： R 2 8 C 4 0 ； ( 6 ) 保护层水泥砂浆强度： M 2 8 - 4 5 M P a ； ( 7 ) 保护层水泥浆吸水率 ： 平均吸水率9 ， 单个吸水率 1 1 ； ( 8 ) 管体裂缝 ： 管外表面无裂缝 ， 内表面裂缝宽 度 O 0 5 mm。 1 3 J P C C P管允许最大顶力 1 3 1 计 算方法 C E C S 2 4 6 2 0 0 8 ， 给水排水工程顶管技术规 程 ， 公式如下： ：0 5 A 式 中 ： 允许顶力设计值 ，N ； ， 混凝 土材料受压强度折减系数 ， 取 0 9 ； 偏心受压强度提高系数 ， 取 1 0 5 ； 3 材料脆性系数， 取 0 8 5 ； 混凝土强度标准调整系数 ， 取 0 7 9 ； 顶力分项系数， 取 1 3 ； D 管承压面外直径 ， D w =管外 径 一 ( 2 1 5 m m) ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 8 成果应用 城 市道桥与 防洪 2 0 1 4 年 1 2 月第 1 2 期 D 管承压面 内直径 ，D n =承 口导坡直径 + 2 X( 1 0 mm + 1 5 m m) ； 混凝土轴 1、5 抗压设计强度，M P a ， C 5 0 级 混凝土 ， = 2 3 1 M P a 。 1 3 2 最大允许顶力计算表一( 见表 1 ) 表 1 最 大允许顶 力计算表- ( C 5 5级混 凝土 。f c= 2 5 3 MP a) 内径 壁厚 外径 接口寸混凝土强度 f c 允许顶 D o mm h m m D w mm D j mm 等级 MP a MP a 力 k N 2 4 0 0 2 4 0 2 8 8 0 2 51 8 5 5 2 5 3 1 1 8 7 0 2 6 0 0 2 7 0 3 1 4 0 2 71 3 5 5 2 5 3 1 5 8 0 0 i 应力钢 丝 t K 厂 ， E 。 - 钢筒 一t l1 ll 00 I 0 川 j 一 ? 。 | 厂 J I H 木 垫 扳 ， l嘬 胶 圈 孔 承 图 2接 口断面 图 注 ： 图中 Dy为钢 筒外径 ， 由设 计确定 。 3 J P C CP管与卷板钢管( 顶管 ) 综合性价 比较表( 见表 3 ) 3 0 0 0 31 0 3 6 2 0 3 1 4 3 5 5 25 3 2 0 9 0 o 3 8 o o 3 6 o 4 5 2 o 3 9 6 3 5 5 2 5 3 3 l 5 0 o 4 J P CCP管道应用工程部分实例 4 0 0 0 3 8 0 4 7 6 0 4 1 6 3 5 5 2 5 _ 3 3 5 9 0 0 1 3 3 最大允许顶力计算表二( 见表 2) 表 2 最大 允许顶力计 算表- ( C 6 0级混凝 土 。 f c= 2 7 5 MP a) 2 J P C C P管制作工艺 ( 1 ) 制作薄壁钢筒体 ( 厚度 由 口径压力等级确 定) ， 钢筒体进行水密性试验 ， 保证抗渗性能可靠。 ( 2 ) 制作钢筒的混凝土管芯 。 ( 3 ) 在管芯外缠绕预应力高强度钢丝 ( 高强钢 丝密度 由压力等级确定 ) 。 ( 4 ) 在管 口焊接高强度钢制双 “ 0 型承插式接 口， 采用双橡胶圈( 即两根“ 0” 型橡胶圈 ) 密封。 ( 5 ) 在缠绕 预应力高强 钢丝 的混凝 土管芯外 喷涂水泥砂浆保护层。 ( 6 ) 为顶管工程所需 ， 将原毛糙 的砂浆外保护 层改进为外壁光滑 的钢筋混凝土保护层 。 ( 7 ) 将制作好 的管逐节进行水压密封性检验。 附图( 见图 1 、 图 2 ) 。 L 0 1 一 _ _ j 卜一 一 图 1 管子外 形图 注： 必要时应在管体上设置注浆孔， 注浆孔的位置、 尺寸和数量由 设 计确定。 ( 1) 2 0 0 0年 山 西 万 象 赛 黄 河 饮 水 工 程 DN30 0 0 X4 0 k m 。 ( 2 ) 2 0 0 5年 南 水 北调 工 程 北 京段 D N 4 0 0 0 X 1 0 0 k m 。 ( 3 ) 2 0 0 5年 东 北 大伙 房 饮 水工 程 D N 2 4 0 0 3 2 0 0 2 6 5 k m。 ( 4 ) 2 0 0 7 年广州西江引水工程 D N 3 6 0 0 4 5 k m。 ( 5 ) 2 0 0 1年辽西北 引水工程 D N 3 2 0 03 8 0 0 9 6 0 k m( 该工程 目前正在施工 中) 。 ( 6 ) 2 0 0 7年南 通市 自来 水公 司狼 山水厂 输水 工程 ( 顶管 ) D N 2 2 0 0 X 3 4 0 m。 ( 7 ) 2 0 1 0年山西门口引黄工程 ( 顶管) D N1 4 0 0 2 4 0 0 61 0 1T I 。 ( 8 ) 2 0 1 1年无 锡市 自来水 总公 司安全供 水高 建通道工程( 顶管 ) D N 1 8 0 o2 4 0 09 7 9 2 m。 5 结语 根据 以上 J P C C P管与卷板钢管在顶管工程 的 综合性价比较，可以认为 J P C C P管作为新型管材 具有 较大优势 ： 一是 安全可靠 ， 使 用寿命长 ； 二是 J P C C P管比同口径钢管价格低 3 0 3 5 ， 即使运 输 、 吊装价格 比钢管高一些 ， 总体仍有较大的价格 优势 ； 三是施工周期短 ， 社会效益较好 ， J P C C P顶管 施工技术 已经成熟 ，配件的配套养护维护技术完 备 ， 已在一些 国家级的大型、 特大型工程 中广泛应 用 。 上海作为一个国际性大都市，在各方面都有 着技术领先 的优势。对此 ， 推荐在大 口径输水管道 ( 顶管 ) 工程 中采用预应力钢筒混凝土管( J P C C P) 。 为确保上海黄浦江上游水源地 原水连通工程推广 新材料、 新技术的应用 ， 降低工程造价且确保工程 安全 ，拟对 J P C C P管在上海软土地基 的工程应用 中， 开展相关试验及研究工作 ， 为工程决策提供技 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4 年 1 2 月第 1 2 期 城 市道桥 与防洪 成果应用1 8 9 材质采用 一定厚度钢 板卷 圆后 焊接或螺 旋成型 的管材 。 J P C C P是充分利用钢材的抗拉 性能、 抗渗性能强和混凝 土抗 压性 能强 的特点 ， 采用 预应力 工艺生产 的一种复合 管材 。 钢管制作主要是焊接， 只要严格控制其焊缝质量 ， 其抗渗性能是安在制造过程中对管体内的钢筒体逐节经过试压检验 ， 管体的 全可靠的 ， 抗 内压 和抗外荷载能力主要靠钢板 自身的能力 ， 其中 抗渗性能绝对可靠，管接口采用特种型钢制造的柔性接 口 主 抗内压能力是可靠的， 关键是抗外荷载， 在一定程度的外荷载下 ( 双胶圈密封) 并可在施工时 逐节对接口 进行试压检验， 既 ： 钢管环向会产生一定量的变形， 这种变形虽然不会影响输水能 直观又安全可靠， J P C C P 可根据工程实际要求设计预应力 。 力 ， 但会直接影响钢管内壁水泥砂浆保护层的安全性 ， 影响钢管钢丝对管体施加的预应力值 ，从而确保管体具有优秀的抗 的防腐层 的保护效果。 内压和外荷载的能力， 确保管子在使用中的安全可靠。 钢管的内外防腐十分重要，一般情况下钢管的外防腐采用环氧煤 沥青和玻璃纤维布 ， 但在顶管施工过程中， 外防腐层很有可能在 耐久吊装或顶进中遭到破坏 ； 内防腐采用水泥砂浆或涂料 ， 若钢管在 性 施工或运行中产生环向变形， 砂浆保护层会开裂、 脱壳 ， 更严重的 会剥落 ， 从而使钢管失去保护 ， 加速钢管锈蚀， 又需要阴极保护措 施 ， 则保护年限有 限， 一般钢管的使用寿命在 2 0 3 0 a 。 J P C C P在设计过程中已充分考虑了对所有钢材的保护 ， 即 所有钢材都包裹在混凝土中， 使钢材处于碱性环境中， 从 而保证钢材不生锈 ，长年使用管体 内的钢材性能不 因钢 材的腐蚀而变化 ，因此管材的耐久性会很长又不需要阴 极保护措施 ， 根据国内、 国际使用情况看 ， J P C C P的寿命 可达 5 0 8 0 a 钢管 内涂施工质量必须可靠 ， 一旦施工质量较差 或受外力 影响 ， 内涂 水质脱落， 在输水过程中它的内防腐材料很难保证长年使用下能有效保J P C C P在输水过程中与水接触面是混凝土 ，而混凝土对于 影响护钢板不锈蚀， 因此钢管的锈蚀和结垢很难避免， 而它的锈蚀对水输水方面应用非常广泛， 实践证明其对水质没有任何影响。 质 是有一定 影响 的。 鲁所 用 钢 材 是 J P c c P 管 的 2 0 2 5 倍 。 采 用 薄 壁 钢 管 与 预 应 力 结 构 ， 比 卷 板 钢 管 节 省 了 大 量 高 能 耗 钢 材 。 钢管是焊接接 口， 顶进一节焊接一节 ， 以 D N 4 0 0 0钢管为例 ， 焊接 一 个接 口约需 8 h 左右 ， 加上焊缝冷却、 探伤、 制作接 口内外防腐 施工的时间， 只能间歇性顶进施工 ， 每天顶进最多 3节 ， 6 6 m 节， 每天 方 面可顶 进 2 0 m左 右 。 钢管最大允许 顶力 D N 4 0 0 0采用 Q 2 3 5级钢为 2 8 8 0 0 k N，采用 Q 3 4 5级 钢 为 3 7 3 0 0 k N。 J P C C P成品到现场即可安装顶进， 其接口为承插式对接 ， 安 装一节 J P C C P正常情况下只需 2 0 3 0 m i n ， 可以连续顶进 施工 ， 因此每天( 2 4 h ) 可顶进 3 0节。 按 3玎 1 节计 ， 每天可 顶进 9 0 m， 大大 减少 了施 工成 本 。 J P C C P 最大允许顶力 D N 4 0 0 0 采用C 5 0 级混凝土为3 2 8 0 0 k N ， 采用 C 5 5级 混凝 土 为 3 5 9 0 0 k N。 纠偏 及 地 基 沉 降 钢管焊接接口是刚性接 口，逐节焊接后使整条管线形成一根刚性 管道。在顶进过程中不可避免地会出现纠偏的情况 ， 钢管的纠偏 是有一定难度的 ， 需在较长距离管段中进行纠偏 ， 并且在纠偏过 程中钢管的某一侧会产生很大的拉应力 ， 这种拉应力基本不会消 除 ， 若再出现地基沉降的情况 ， 同样会产生钢管底部巨大 的拉应 力 ， 这种拉应力过大， 会使钢管焊 口拉开 ， 因此这种拉应力对于钢 管 的运行 是一 种 隐患 。 J P C C P的接 口是 柔性接 口， 每个 接 口可具 备 0 2 。之 内的允 许转角( 在 0 2 。内的借转是安全的 ) ， 因此在顶进过程 中 纠偏是非常方便的， 为曲线顶进提供了有利条件。同时管 线在施工和运行过程中会 出现地基不均匀沉降，由于其 接 口为柔性， 具有 良好 的适应性 ， 不会对管道产生大的拉 应 力 而破坏 管材 。 综合由于现场焊接需花费较多的时间， 以 D N 4 0 0 0为例 ， 每个接头的焊因为顶进速度快， 以 D N 4 0 0 0为例， 每个接头的连接时间只 成本接时间至少需要 8 h ， 每天最多顶进 3节( 大约 2 0 m) ， 这样每天 需要 2 O 3 0 m i n ， 每天最少顶进 3 O 节( 大约 9 0 m) ， 这样每 分析顶进的距离较短 ， 单位顶进的成本会较高( 施工周期较长) 。 天顶进的距离较长 ， 单位顶进的费用较低( 施工周期短 ) 。 术支持。 参 考文献 【 1 】 G B 5 0 3 3 2 ， 给水排 水工程管 道结构设计 规范 s 】 2 上 海市政工 程设计 研究 总院 黄 浦江上 游连通 管工程 规划方 案 构建前期工作简介 z 2 0 1 3 3 】 G B 5 0 2 6 8 2 0 0 8 ， 给水排水管道施工及验收规范【 s 4 】 G B 5 0 0 1 3 2 0 0 6 ， 室外给水设计规范 s 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m