預(yù)應(yīng)力管樁在長距離輸水管道中的應(yīng)用

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簡介： 采用壓力水沖法，下沉預(yù)應(yīng)力管樁作為支墩，施工工藝簡單，工期短，投資省。工程質(zhì)量可靠。適合于砂質(zhì)土壤。
關(guān)鍵字：預(yù)應(yīng)力 管樁 輸水管 應(yīng)用

　　一、前言

　　在沖積平原的水網(wǎng)地區(qū)，長距離敷設(shè)輸水管道時，經(jīng)常要穿越許多的河流和溝塘，一般跨度不太大，河口寬度在30~40米上下。而要穿越的溝（池）塘往往是一些農(nóng)家的養(yǎng)魚（蟹、蝦）池，當(dāng)管道平行于溝（池）塘敷設(shè)時，則穿越跨度可達(dá)100米以上。穿越河流時，通常設(shè)計都是將管道兩端做成蝦米彎管，中間焊一段直管，然后一跨跨越這些河面較小的河道。由于這些過河管道地處沖積平原地區(qū)，沖積層土壤摩擦力較小，為抵抗彎起管道的水平推力，必須設(shè)置大體積的鋼筋混凝土鎮(zhèn)墩。而在跨越溝（池）塘?xí)r，則要設(shè)置多跨的支墩或澆筑混凝土灌注樁，亦或打入混凝土預(yù)制樁。

　　在地處長江下游的通州、如東兩市縣引江供水工程輸水管線長達(dá)66KM,要穿越許多的河流和溝塘，在DN900鋼管過河時，原設(shè)計單位就采用的這一方案，設(shè)計的鋼筋混凝土鎮(zhèn)墩體積達(dá)55M³左右，不僅混凝土用量大，而且施工工藝復(fù)雜，由于鎮(zhèn)墩地處河邊，必須首先圍堰 、井點降水、 方可支模、綁扎鋼筋，現(xiàn)場澆灌混凝土，等到混凝土硬化后方可拆模，然后才能拆除圍堰，施工過程中稍有疏忽，工程質(zhì)量就難以保證。

　　在穿越溝塘?xí)r，特別是農(nóng)家的養(yǎng)魚池塘，如果做混凝土支墩就要將池塘中水抽干后再行支模、綁扎鋼筋、現(xiàn)澆混凝土，一直要等拆模后魚池才可恢復(fù)養(yǎng)魚。如澆灌混凝土灌注樁，就要搭設(shè)腳手架方可施工，施工機械笨重，還需要較大的施工場地，平原地區(qū)大多是沿道路敷設(shè)管道，道路邊是很少有空地的，很難安排泥漿池和施工場地的位置。在施工中質(zhì)量控制更為重要，特別是灌注樁的清孔要求嚴(yán)格，只要稍有疏忽，灌注樁就會下沉，將來必然造成鋼管輸水管線滲漏，如果沉降量過大，將會在焊接處折斷，后果嚴(yán)重。施工中除了存在與過河管道鎮(zhèn)墩施工同樣的技術(shù)問題，而且還多了許多的群眾工作要做，要補貼群眾養(yǎng)魚的損失，只要一時群眾工作沒有做好（沒有滿足養(yǎng)魚戶的經(jīng)濟(jì)要求），則施工只能停止。不但影響工期，而且還要增加工程投資。如果采用預(yù)制混凝土樁要比現(xiàn)澆灌注樁方便一些，但也存在樁身笨重，樁的長度大等問題。為此在這次通州、如東兩市縣長距離輸水管道工程中，我們進(jìn)行了認(rèn)真的分析研究，認(rèn)為采用先張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁更為合理：一、鋼筋混凝土管樁是中空的，鋼筋是預(yù)張拉的，具有重量輕、強度高的特性；二、管樁是在工廠生產(chǎn)，質(zhì)量可靠；三、可以采用高壓水沖成孔下樁，施工工藝簡單，四，這種管樁兩端均有鋼箍，對焊方便，樁長可以短一些，以減輕起吊的重量，方便施工。五、施工機械簡單，只要一輛汽車吊和一臺離心水泵即可，機械設(shè)備移動方便，無需搭設(shè)腳手架，施工工期可以加快。六、農(nóng)家養(yǎng)魚池?zé)o需抽水，不但減少了群眾糾紛，而且還減少了對農(nóng)家的賠償費用?，F(xiàn)將有關(guān)內(nèi)容介紹于后，供同仁參考。

　　二、管樁設(shè)計

　　現(xiàn)以DN900鋼管為例，按照跨河進(jìn)行管樁設(shè)計。計算簡圖如下：

　　1、由于地處第四紀(jì)沖積平原地區(qū)，地層大多數(shù)為砂性土或砂粘土，因此，管樁設(shè)計時應(yīng)按摩擦樁計算，其設(shè)計公式如下：

　　單樁容許承載力[P]=1/安全系數(shù)K[樁側(cè)極限摩阻力P_SU+樁底極限阻力P_PU]

　　 由于管樁中間是中空的，管外為一園環(huán)，其端部的承載力在本設(shè)計中予以忽略不計，以提高管樁的安全性。因此在本工程設(shè)計計算時，按下列公式計算：

　　 [P]=1/2U∑α_iL_iτ_i (1)

　　式中：[P]—單樁軸向受壓容許承載力；

　　 U—樁的周長；

　　 α_i—為下沉?xí)r樁對各土層樁側(cè)摩阻力的影響系數(shù)；

　　 L_i—樁在承臺底面或最大沖刷線以下的第I層土層中的長度；

　　 τ_i—與相對應(yīng)的各土層與樁側(cè)的極限摩阻力。

　?。?）、過河鋼管跨度及長度的確定：

　　30~40米寬度的河流一般屬于等外級航道，通航船只都較小，通航寬度只需10~15米，過河鋼管下底標(biāo)高應(yīng)稍高于同一條河道上橋梁底的標(biāo)高。因此，假定河面寬度為40米，其過河方案見圖一。確定的過河鋼管的中間跨度為15米，大于過河橋梁的跨度，以防船只的碰撞。為保證其穩(wěn)定性，從管樁中心向兩側(cè)各挑出2米，然后按30°角向下延伸至岸邊，其支架上水平管道與埋地管道之間斜長為12.12米（即兩水平管道之間的高差為7米）。則計算鋼管長度為：

　　L=15+2*2+7/COS30°=43.25m。

　　(2)、管樁荷載計算：

　?、?直段鋼管重量：DN900鋼管壁厚一般為12mm，每米質(zhì)量為264.5Kg/m,則19米鋼管總重

　　Q_鋼=264.5*（15+2*2）=5025 Kg，現(xiàn)取為5T。

　　管內(nèi)水重為：

　　Q_水=0.9*0.9*0.785*(15+2*2)=12048 Kg，現(xiàn)取為12T。

　　②、管道斜長部分的一半荷載計算在管樁在承載力內(nèi)，這部分重量為：

　　Q_鋼=246.5 Kg /m*(40-19)/2/COS30°=3205.7 Kg，

　　現(xiàn)取為3.2T；

　　Q_水=0.9*0.9*0.785*(40-19)/2/COS30°=7708 Kg，

　　現(xiàn)取為7.7T。

　?、邸⒐軜蹲灾兀含F(xiàn)選用Φ500預(yù)應(yīng)力管樁，根據(jù)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品樣本，管樁的理論重量為：

　　q=327 Kg/m，初步擬定樁長為17米，入土深度為10米。由此計算出管樁自重：

　　Q_樁=327*17=5559 Kg，現(xiàn)取為6T。

　?、?、穩(wěn)定鋼管，在管樁頂部設(shè)置管座，管座自重取為Q_座=1T。

　?、?單樁總的承載力應(yīng)為上述各項之和：

　　∑Q=(Q_鋼+ Q_水+ Q_鋼+ Q_水)/ 2+ Q_樁+Q_座=20.95T(213.8KN)

　　根據(jù)土質(zhì)τ_i取30Kpa；α_i取1.0。按照（1）式計算，262.5KN＞213.8KN。

　　 即17米長的管樁入土10米，滿足設(shè)計要求。

　　在實際使用中，也可簡單地按經(jīng)驗估算，砂土層的摩阻可按15KN/m²計算。則10米入土深度的Φ500管樁的外摩阻力約為0.5π*15*10=235.5KN。同樣滿足要求。

　　當(dāng)然不同的土質(zhì)，必須按不同的摩阻力計算。

　　三、適用范圍及施工方法

　　在沖積平原地區(qū)，地層大多數(shù)為第四紀(jì)沖積層，土壤多為砂性土或砂粘土，這種土質(zhì)最適宜采用水沖成孔下樁。

　　施工前，首先檢查管樁的產(chǎn)品合格證，和相應(yīng)的質(zhì)量保證資料，然后檢查管樁外觀(管內(nèi)、管外均須檢查)質(zhì)量是否存在質(zhì)量缺陷,有無鋼筋外露或蜂窩麻面，管樁端面鋼箍是否垂直于管樁軸線，如存在上述質(zhì)量缺陷的管樁不得使用。

　　施工時首先要精確測量，確定樁位。然后用汽車吊垂直吊起管樁，并將消防用的水帶和水槍放入管樁中，盡量放到管樁下部，消防水帶另一端接在離心水泵上，離心水泵揚程一般在30~50米左右，流量約為30~45M³/h即可（一般選用3BL-6或是3BL-9水泵）。然后開啟水泵，向管樁內(nèi)供水，由于高壓水在管樁內(nèi)對管樁底部的土壤形成沖刷，將砂層從管樁外側(cè)沖起，水泵一邊向下沖水，汽車吊一邊向下放管樁，當(dāng)這一根管樁頂接近水面時，汽車吊暫停下放管樁，這時再一次測量管樁位置是否正確，是否垂直，如果這一切都能達(dá)到設(shè)計要求，這時可松開汽車吊繩，取出消防水帶。然后將另一根管樁吊起，并保持垂直，精確地與已沖好的管樁對接，對接時同樣應(yīng)保證第二根管樁端面與第一根管樁端面接觸良好、嚴(yán)密，且與第一根管樁在同一垂線位置，然后進(jìn)行焊接，焊接完畢后應(yīng)進(jìn)行防腐處理，待防腐層已經(jīng)干固后即可繼續(xù)沖樁，隨時測量管樁頂?shù)母叱?，?dāng)管樁頂快接近設(shè)計高程時還可繼續(xù)沖水，但要把消防水槍提高些，以減小沖力，達(dá)到設(shè)計高程以后即可停止沖水。然后認(rèn)真測量高程和垂直度，如果垂直度有偏差，必須馬上調(diào)整，如果高程低于設(shè)計高程，可以用汽車吊將管樁稍稍吊起，直到滿足設(shè)計要求，但此時必須汽車吊要穩(wěn)固數(shù)十分鐘，以便砂層沉降到管樁底，然后再一次測量高程，一般情況下管樁頂面可以略高于設(shè)計高程2~3cm，以防管道安裝通水后的沉降。

　　為保證管道安裝穩(wěn)固，在管樁頂面應(yīng)設(shè)計U型管座，管座底面應(yīng)預(yù)埋鋼板，以便于與管樁焊接，焊接后仍需進(jìn)行防腐處理。在安裝管道前，還應(yīng)在管座上墊上1~2層橡膠板，以防鋼管上的防腐保護(hù)層被碰壞，同時還起到調(diào)節(jié)沉降的作用。

　　為了方便起吊管樁長度一般取為5~7米。由于管樁本身重量不大，通常8T汽車吊即可滿足要求，但為了能起吊到較遠(yuǎn)的距離，可能要選用起重臂長一些的汽車吊。具體要求多大起重量的汽車吊，則由樁位與岸的距離而定。

　　這種方法，一般不適用于粘土地區(qū)，因為粘土地層不易沖刷成孔，而且成孔不易塌落，孔大了，與管樁不能形成摩擦力，孔小了，管樁下不去。

　　四、經(jīng)濟(jì)效果

　　我們在通如引江供水中采用水沖成孔管樁作為DN900鋼管的支墩。按照原設(shè)計方案，一個支墩需用鋼筋混凝土約55M³按每立方混凝土650元（含施工費用）計算，每個支墩的造價約為35750元。而現(xiàn)在采用Φ500預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁，按照材料費160元（送到施工現(xiàn)場價格）與施工費用（每米為40元）計算，每米造價約為200元，一般每個支墩管樁長度約為17米左右，其總造價為3400元，由此可見，每個支墩可節(jié)約投資約為32350元，在通州、如東引東供水工程中需使用83處支墩，由此計算，共節(jié)約資金近270萬元。應(yīng)該說使用管樁作為支墩構(gòu)筑物是經(jīng)濟(jì)合理的。不但節(jié)約了投資，而且贏得了工期。經(jīng)過二年的供水，最近，我們又進(jìn)行了復(fù)測，沒有發(fā)現(xiàn)管樁下沉現(xiàn)象，使用效果良好。

　　五、結(jié)論

　　在長距離輸水管道中應(yīng)用水沖成孔預(yù)應(yīng)力管樁作為支墩是一種簡單可行的施工方法，使用機械設(shè)備少，轉(zhuǎn)移方便，無需占用大量的施工場地，施工工期短，投資省，施工質(zhì)量容易控制，是砂壤土地區(qū)可以采用的一種良好施工工藝。