张禄东
1 北京市南水北调干线管理处[我百度到的是
北京市南水北调大宁管理处]， 北京 100095；
摘 要：虽然预应力钢筒混凝土管（PCCP）在中国生产、研究起步较晚，但近年来，国内大型输水工程，如山西万家寨引黄一期工程使用了43kmPCCP管，管径3米，引黄二期工程使用了117.4km的PCCP管，辽宁大伙房水库输水工程采用151km2.4~2.8直径的PCCP管，使得此项技术越发成熟，本文主要介绍了管径4.0米PCCP外加固技术的管道土方开挖、锚具组装、预应力钢绞线缠绕、预应力张拉等工艺在施工的应用。
关键词：大型输水工程、4.0米管径、外加固、钢绞线、工艺、应用
0引言
预 应力钢筒混凝土管（PCCP）大多应用于国家基础建设的重大工程[1-3]，与人们日常生活生产息息相关，PCCP与其他传统管材相比具有很多独特的优点：具有先进安全的设计方法；承载能力强；通水能力强；基本不漏水；不易腐蚀；可以便捷快速的安装；对地基有良好的适应性；抗震性强；但随着工程投入使用的间越来越长，管道会出现各种各样的问题，有些会严重影响其结构安全和稳定运行，一旦因为PCCP 管道安全问题而停水，势必引起社会舆论和公众关注，成为社会公众日益关注的技术和安全问题，甚至成为不利于社会安定的因素。
我国生产、使用 PCCP 起步较晚，山东电力管道工程公司于 1989 年从美国阿麦隆公司引进 PCCP 制管工艺技术和关键设备，建成了我国第一条 PCCP 生产线，拉开了我国生产 PCCP 的序幕。
20 多年来，经过 PCCP 生产企业、行业有关设计研究单位、施工单位和设备制造厂等共同努力，使 PCCP 从无到有逐步发展起来。尤其是“十一五”期间，随着国民经济快速发展和城市化进程的加快，为PCCP的发展创造了条件，呈快速发展势头，涌现了一批以 PCCP 生产和为主的混凝土输水管道企业，年设计生产能力突破 3000km，年生产量突破1500km，截止到 2018年累计生产10000km。
目前针对PCCP断丝管加固主要为管内加固及体外预应力加固，管内加固则需要停水并排空管内积水，报批环节繁琐周期长，对供水计划影响比较大，优点是不需开挖管节，施工简便速度快。预应力外加固需要管体周围大范围开挖，材料工艺复杂，加固周期长，优点为加固效果好，切实满足通水期间结构安全及稳定性的要求。本文主要阐述体外预应力加固在施工中的应用及探讨。
1 预应力钢筒混凝土管（PCCP）概述
预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，以下简称“PCCP”）是在带有钢筒的混凝土管芯外侧缠绕环向预应力钢丝，并在管体外侧辊射水泥砂浆保护层而制成的一种复合型管材。
PCCP管道主要由以下几部分构成：（1）高强度混凝土管芯：是管道的主要结构，管芯中包含的薄钢筒用做防水层，提供纵向拉伸强度并增加环向和轴向强度。（2）高强度钢丝：在预应力作用下以螺旋方式缠绕在管芯外侧，从而在管芯内部产生均匀的预压应力以抵抗由内压和外荷载在管芯内引起的拉应力。（3）水泥砂浆保护层：用以保护管芯缠丝免受外力损坏和外界的腐蚀。（4）环氧煤沥青绝缘层：用以保护管道免受腐蚀。
2 预应力钢筒混凝土管外加固技术
预应力外加固常被用在圆形结构的补强加固中，如筒仓、管道等，将其根据需求按一定的间距均匀螺旋缠绕于待加固的外表面，通过张拉、锚固，对管体施加预应力[2]。
管道外预应力钢绞线加固的工作原理是通过给钢绞线施加的预应力作为加固管道的结构约束力，替代原 PCCP 外缠钢丝的约束力，用特制张拉设备对钢绞线进行张拉力的控制，以特制锚具及钢绞线的缠绕方式实现其对管周均匀受力，加强管道运行的可靠度。
管道预应力外加固针对本工程而言，适用于PCCP管道的断丝约为大于20%范围内断丝管节，以及对完好管道的保护和增强PCCP管道高负荷运行能力。
3 预应力外加固材料设备及其参数
3.1钢绞线
钢绞线采用直径为15.2mm，抗拉强度为1860MPa的环氧喷涂双层护套钢绞线，外包双层 PE 套管，套管间充填密封油脂，长度根据需加固管道外径确定。 钢绞线作缠绕管道加固用，其尺寸、外形、重量及允许偏差符合要求，不应有折断、横裂和相互交叉的钢丝[3]，不能有腐朽弯折现象，在运输中防止钢绞线磨损，避免受雨淋、受潮或腐蚀性介质的侵蚀，存贮期间架空堆放。
3.2 锚具组件
锚具材料为 Cr40，锚具组件根据工程、管道直径等参数特制，锚具垫片弯曲度与加固管道外表面弧度相一致，其质量符合GB/T14370-2015《预应力筋用锚具、夹具和连接器》标准。使用前对进场的锚具进行硬度抽检,性能指标须符合GB/T14370-2000的规定。锚具组件由工作锚板、密封管、密封盖、垫板、垫块及工作夹片等组成。
3.3张拉设备
采用YD25-100型千斤顶进行张拉，另采用单孔锚或专用预紧器进行单根钢绞线预紧，电动油泵、油压表、千斤顶必须配套使用，使用前进行标定（千斤顶校正期为一个月且张拉次数不超过200次作业）[4]，以标定的力值曲线作为张拉时的控制依据。
4 外加固施工工序
4.1土方开挖
根据测量仪器将管道位置定位后，首先对开挖位置进行测量放线，将工作坑的开挖底脚及上口开挖线放出[5]。
坡按1: 0.75放坡，并随开挖深度在4m位置设置施工平台，平台宽1m，防止滑坡，已开挖土方临近堆存以便回填使用，堆土不得占压管道。
基坑基础支护完成后，将管顶区域采用小型挖掘机进行挖除，管顶预留0.5cm范围由人工进行清理，避免施工机械对管道造成破坏。
管体两侧土方同时开挖，挖至管基120°高程。管道每节长度为5m，每次开挖长度1m，为避免管道变形，每次开挖深度满足环穿要求即可。
管周开挖完成后，采用分段对管底进行开挖。
采用左右对称开挖，开挖过程中避免工具直接接触管体，以免对其造成损伤、破坏。首先开挖管道底中间1m范围，然后穿过无粘结预应力钢绞线并施加少许预应力使钢绞线紧密缠绕在PCCP管道上，最后为确保管基稳定，在开挖裸露PCCP管底部掏挖100mm，120°管基台座位置浇筑成宽度200mm的C30自密实混凝土以保护加固管道，由此分段逐步进行。分段回填时，相邻段的接茬应采用台阶形，且不得漏夯压实[1]。
工程施工区域存在地下水，且水位较高，为保证安全，在基坑肥槽内施做降水井，采用Ф300mm混凝土无砂管作为降水井井管，井底比作业面低6m，降水井沿管道两侧均匀布置，每侧3口，在第一步土方开挖完成之后进行降水井施工，水平距PCCP管道3 m。
4.2锚具组件安装及固定
在管顶位置放线并安装组件，首先在正中画一纵线，宜按每侧外展 20°即往左右各移1m 后分别划平行线，得到两条锚固区分布轴线。管腰放线先放长组线，后在长组线间分钢绞线短线标志――按每组 4条短线，长组线上下错开。从两端向中间画线，要求“管道两侧的标识” 对称，把非整数间距造成的多组读数累积误差，均匀分布到各组上。根据锚具组件的型式，在 PCCP 管相应的位置安装锚具组件，每套锚具组件环穿 2 根钢绞线，每根钢绞线环绕需加固 PCCP 管道两圈，通过加固管节的设计参数和运行压力计算确定钢绞线间距，控制约为40mm。
管芯划线并布置水准线后，按计划的设点位置进行锚板固定，同一侧锚具布置在同一直线上，两侧锚具轴向中心间距按设计要求布置，环向中心间距加大为 2m，锚具均通过胶结方式与管芯紧密贴合，采用建筑结构 GX-NG 粘钢胶按要求配比搅拌后进行刮涂，人工紧固 10min 后，外部包裹保护套，自然风干 48h 后完全固定。
锚具安装结束后认真检查锚具安装的准确性。应主要检查夹片是否少装或漏装，是否安装齐平并已打紧，钢绞线位置有无交叉、错位等。
4.3预应力钢绞线缠绕
PCCP管道环管钢绞线的穿束需两端同时对称交错进行，保证同一根始终保持在受力均匀的状态，避免因受力不均使PCCP管道受到损伤。
将下料好的环氧无粘结钢绞线牵引到PCCP 管道底部，从底部穿绕两圈，两端头安装密封管，通过夹片固定在锚具上，工作长度宜预留 0.9m。
穿束完成后，人工调整间距和顺直度，配合拉紧用 PVC 管穿套后夹片定位。按10%的设计张拉力控制值进行张拉，预紧钢绞线，预紧前调节均匀钢绞线的间距。
4.4预应力张拉
每根PCCP管道长度为5m，对应锚具31套，每束含无粘结钢绞线4道，全管布置无粘结钢绞线124道，各锚具中心距为300mm，每道钢绞线中心距为40mm，张拉采用千斤顶单锚具双向张拉（每次张拉专用千斤顶2台，张拉粘结钢绞线4道），张拉采用油表压力读数控制张拉预应力，锚锁紧固止回钢绞线方法进行张拉（图1）。
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图1 管节锚固断面图
在完成钢绞线预紧后，由2台油泵控制4台千斤顶，2台油泵实现同步张拉，从管道一端向另一端间隔张拉，一端两台千斤顶单数顺序循环，另一端两台千斤顶双数顺序循环。
张拉采用控制应力，应逐级张拉，各束依次顺序按百分之25%（9.375MPa）上升并保压1分钟，待整根管节均张拉至设计值的25%后，再循环进行至50%（18.75MPa）、75%（28.125MPa），最终张拉到设计值100%（37.5MPa）。张拉达到设计力值后进行保压3-5分钟后方能泄压回油。
钢绞线应同步进行张拉，每增加一次张拉力前须暂停 3-5min。张拉力值到位卸压后，检查锚固无异常方可拆除千斤顶装置，移至下一束循环进行。
在分级张拉过程中，要使油泵上升速度稳定同步，钢束受力均匀，摩阻损失较小，张拉速度不宜过快，严禁猛打油压，操作人员送油均匀，使油压值稳步缓慢两端同步上升，分级调整两端张拉的延伸量，逐步达到接近或相同，张拉完成后，剪切钢绞线张拉端预留长度，剪切后剩余端头长出锚头约5cm，剪切时不得触碰张拉受力钢绞线。 4.5锚具防护
钢绞线张拉完成后，进行受力测试分析后对锚具进行防护，采用硅胶管将钢绞线裸露环氧喷涂部分进行穿套，首先剪断多余的钢绞线将锚具封装、固定，在锚头内灌注非硫化不干性防腐密封浆，密封浆要充灌密实，不得留有空隙。最后再制作模具作为外模板，下部普通砂浆填缝，按要求把环氧树脂和砂浆混合搅拌后，灌注环氧砂浆入模具后作为防护罩，按需进行补灌。
4.6管道土方回填
管道基底至管中心高程处的回填区域：管基粗粒回填料的最大粒径在40～50mm之间，粒径大于2mm的的颗粒含量百分比在20～50%之间，该区粗粒回填料压实相对密度不小于0.75，细粒低塑性回填料压实度不小于95%，回填前清除沟槽内的杂物，并排除积水，不得在有积水的情况下进行回填。管道三角区采用原土回填周围不易回填的地段用蹦夯进行压实，其余地段用小型平碾进行碾压。两侧回填要均匀进行，保证同一回填高度，防止管道移位。
管中心高程至管顶以上500mm范围回填：回填材料不应含有树根、树枝、草等有机物质，也不准有施工废渣。可采用原土回填，回填材料的最大粒径为150mm。回填的管基区材料应均匀散布在管沟内，沿管道两侧同时均匀回填，每层回填虚铺厚度应小于300mm，不扰动管位，管道两侧的回填高程差不应超过一层填筑厚度。回填材料的最小压实度为90%，压实相对密度不小于0.7，相应的干密度不小于2.0g/cm3。压实机械选用小型平碾和蹦夯压实。
管顶以上500mm到回填地面高程范围内的回填：回填的材料采用原土回填，回填材料最大粒径为500mm。该区回填材料压实相对密度不小于0.65，最小压实度为85%。
5外加固过程中的重难点控制
PCCP外加固开挖的基坑底宽13.5米，长约62米，深度超过8米，属于有一定规模、危险性较大的二级基坑，施工安全存在较大风险，在土方开挖中切实保证机械人员施工安全，做好安全文明三级教育、配备专职安全员全过程督导，在施工现场醒目及危险区域设置足够的警示标志，配套设置夜间警示照明灯，基坑顶部周围设置围护栏，人员上下配备专用爬梯，做好高空坠落、物体打击、临边防护、安全用电等措施，按要求布设基坑变形、位移、沉降监测点进行实时基坑监测，切实保证施工安全。
基坑开挖范围地质条件为较松散的卵砾杂填土地层，且地下水水位丰富，土体含水量较大，基坑边坡裸露时间较长，且经历一个冻融期，极易造成边坡失稳，在做好边坡临时支护的情况下，基坑边坡分别采取了喷锚支护加固以及打设拉森钢板桩支护措施，确保施工安全及土体稳定。
PCCP管道管顶及管周开挖完毕后，加固管道完全外露，单根管道重约70t，安全隐患较大，施工操作困难，为防止管道下沉，管道两端承插口受到破坏，最终选择上述管底分序分步开挖与支撑相结合方式。
钢绞线防腐切割时要确保切割机不得触碰已张拉受力钢绞线，张拉端切割前须确定已张拉受力钢绞线不再调整或不再减压，钢绞线张拉端一旦切割，钢绞线便永久带力固定于管道上，也不容许人为再次对其切割或作任何操作。
外加固的预应力张拉工作不仅是重点，也是难点，在张拉前检查油泵、千斤顶、压力表是否符合要求，油泵的油箱是否清洁无杂质，油泵阀门开关闭合良好，无阻赛漏油，千斤顶、压力表是否配套使用并按规定进行校正和标定。张拉时张拉作业人员不得站在预应力的两端，同时在张拉千斤顶后设置防护装置，千斤顶正后方严禁站人，操作千斤顶油泵的人员与测量千斤顶油缸伸长值人员，应站在千斤顶的侧面操作，尤其是操作千斤顶油泵的人员在油泵开动过程中，不得擅自离开岗位，如需离开则必须把油门全部松开或切断电源，张拉时如发现油表指针摆动异常或回跳幅度过大立刻停止张拉，检查正常时方可继续张拉，张拉力值达到设计要求后，待保压结束后压力泄到零并检查锚固无异常方可靠近千斤顶拆卸。
张拉结束后锚具防护时尤且要对切割剩余段钢绞线端部进行严密保护，防护浆要充灌密实，不得留有空隙。
6结论
6.1预应力钢筒混凝土管道外加固技术在本工程的应用效果显著，有着施工速度快、财物投入相对较少，无粘结钢绞线强度高以及具有良好抗腐蚀性的特点。
6.2预应力管道外加固技术施工工艺科学实用，工作效率较高，也是我国目前首例口径为4.0mPCCP管道管外加固的工法，填补了国内外外加固领域的空白，取得了良好的社会效益。
参考文献
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[2]张海鹏,赵丽君,窦铁生,程冰清.预应力钢筒混凝土管(PCCP)几种常用加固方法的对比研究[J].混凝土与水泥制品,2019(01):36-39.
[3]张谦.后张法预应力张拉及压浆施工控制要点浅谈[J].山西建筑,2011,37(11):103.
[4]预应力混凝土用钢绞线（GB/T 5224-2014）.
[5]预应力钢筒混凝土管道技术规范（SL702-2015）.