大管径供热管道盾构穿越大型河流设计要点

李玉兴, 马志骁, 许国春

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司 第一设计研究院, 天津 300381)

1 概述

2017—2021年,北方地区新建供热管网8.4×104km。2021年年末,全国城市集中供热面积106.03×108m2,同比增长7.30%。随着我国供热技术的不断发展,特别是长输供热工程的兴起,大管径供热管道越来越多应用到供热工程中。在供热管道的设计中经常会有穿跨越大型河流的需求,由于大型河流宽度较大,对大管径供热管道的设计提出了更高的要求。盾构施工法作为暗挖穿越的一项重要施工方案,也越来越多应用到大型供热工程中。

本文结合工程实例,对DN 1 400 mm供热管道穿越大型河流的施工方案进行比选,对最佳施工方案的设计要点进行分析。本文高程采用1985国家高程基准。

2 工程概况

山东某长输供热工程设计供、回水温度为123、40 ℃,设计压力为2.5 MPa。供热管道规格为DN 1 400 mm,材质为L290M。供热管道中途需穿越祊河,穿越工程总平面图见图1。穿越段位于祊河三和水源工程拦河闸附近,拦河闸下游为水源工程消力池范围以及方马公路桥和鲁南高铁桥,上游为水源工程的蓄水河道。

图1 穿越工程总平面图

按照山东省DB37/T 3704—2019《涉水建设项目防洪与输水影响评价技术规范》(以下简称《涉水规范》)要求,管道不应与水利工程岸线平行埋设,应尽量缩短穿跨越长度,宜与水流流向垂直。若因条件限制确实难以实现的,管道与水流流向夹角不宜小于60°。根据穿跨越段周边的环境条件,拦河闸下游的河面最窄,因此最优的穿跨越位置为拦河闸下游区域垂直穿跨越,穿跨越宽度约175 m,可采用围堰开挖直埋敷设、架空跨越、暗挖穿越。与当地河道管理部门沟通后得知,该处为三和水源工程并且有河道景观要求,不允许采用架空跨越,同时拦河闸下游为水源工程消力池范围,不允许任何形式的穿越。因此,供热管道只能从拦河闸上游采用暗挖形式穿越,且穿越位置与拦河闸须保证最小200 m的安全距离。在满足上述要求的基础上,选定一条最短的路由,穿越位置见图1,穿越河面宽度约450 m。

3 施工方案比选

根据经验,暗挖穿越大型河流通常可采用顶管、盾构施工方案。

3.1 穿越长度

依据《涉水规范》规定,采用顶管施工方案时,顶管工作井距离堤防坡脚或河道、渠道、水库、湖泊岸线不宜小于30 m。根据现场情况,工作井设置在祊河堤防坡脚30 m以外,穿越长度最终确定为644.5 m。祊河东岸设置始发井,始发井口高程为96.16 m。西岸设置接收井,接收井口高程为100.59 m。

3.2 穿越深度相关规定

《涉水规范》规定:管顶高程宜低于相应设计洪(输)水冲刷线以下1.5 m。

CJJ/T 34—2022《城镇供热管网设计标准》第8.2.12条规定:供热管道河底敷设时,应选择远离滩险、港口和锚地的稳定河床,埋设深度不应妨碍河道整治,并应保证管道安全。穿越非航道河流时,管道(管沟)的覆土深度应在稳定河床底1 m以下。

T/CECS 246—2020《给水排水工程顶管技术规程》第5.4.2条规定:穿越江河水底时,管顶覆盖层最小厚度不宜小于外直径的1.5倍,且不宜小于2.5 m。

该工程的《防洪评价报告》中对该工程50 a一遇最大冲刷深度进行了推算:该工程现状河底高程为89.69 m,50 a一遇最大冲刷深度(现状河底至冲刷完成后冲刷线的垂直深度)为1.45 m,河底最低冲刷线高程为88.24 m。

综上,对于顶管、盾构施工方案,套管管顶(或隧道顶)覆土深度取以上相关要求的最大值,即套管管顶(隧道顶)在最低冲刷线下的埋深不小于套管(或隧道顶)外直径的1.5倍。

3.3 地质情况

地质勘察报告显示,穿越土层为中风化石灰岩,属较硬岩,岩体基本质量等级为IV～III级,灰岩存在岩溶裂隙,裂隙较小。始发井地质从上到下依次为素土、中粗砂、泥岩、中风化石灰岩,接收井地质从上到下依次为素土、粉质黏土、中风化石灰岩。

3.4 施工方案

① 方案1

双管顶管方案采用泥水加压平衡顶管法施工工艺,双管水平布置,间距3.2 m。顶管长度为644.5 m。套管管顶在最低冲刷线下的埋深为5.2 m,满足套管外直径1.5倍的要求并考虑约0.5 m的裕量。方案1横断面布置见图2。图2～4中数值相应的单位为mm。始发井为矩形结构,长14 m,宽12 m,采用钻爆法施工,深度21.2 m。接收井为矩形结构,长14 m,宽9 m,采用咬合桩施工,岩石段采用机械破碎和爆破法开挖出渣,深度16.7 m。

图2 方案1横断面布置

② 方案2

双隧道盾构方案采用泥水加压平衡盾构法施工工艺,双管水平布置,间距4.0 m。盾构隧道长度为644.5 m。隧道顶部在最低冲刷线下的埋深为5.8 m,满足隧道外直径1.5倍的要求并考虑约0.5 m的裕量。方案2横断面布置见图3。始发井为矩形结构,长16 m,宽12 m,采用钻爆法施工,深度22.1 m。接收井为矩形结构,长16 m,宽9 m,采用咬合桩施工,岩石段采用机械破碎和爆破法开挖出渣,深度17.7 m。

图3 方案2横断面布置

③ 方案3

单隧道盾构方案采用泥水加压平衡盾构法施工工艺,双管水平布置。盾构隧道水平长度为644.5 m。隧道顶部在最低冲刷线下的埋深为9.7 m,满足隧道外直径1.5倍的要求并考虑约0.5 m的裕量。方案3横断面布置见图4。始发井为矩形结构,长12 m,宽12 m,采用钻爆法施工,竖井深度28.6 m。接收井为矩形结构,长12 m,宽9 m,采用咬合桩施工,岩石段采用机械破碎和爆破法开挖出渣,竖井深度24.2 m。

图4 方案3横断面布置

3.5 施工方案比选

① 施工难度与工程量

方案1为顶管方案,长距离岩石顶进,非常容易出现卡管情况,导致顶进失败,风险极高。方案2为盾构方案,盾构技术成熟、安全可靠,能够适应长距离掘进及各种地质条件,风险小。方案3同样为盾构方案,但隧道断面大,土体开挖量及管片工程量大。

方案1竖井深度最小,施工难度最小。方案2竖井深度适中,施工难度适中。方案3竖井深度最大,施工难度最大。

方案1安装管道时,在供热管道下方设置托管滑车,采用回拖方案将供热管道拖进套管内,套管与供热管道之间的空腔采用喷砂填充,施工空间比较小。方案2与方案1的安装管道方案相同,施工空间适中,但喷砂量比方案1大。方案3满足隧道内焊接条件,管道安装工期短,有检修空间,但管道支座受力会传递到隧道主体,影响隧道安全,且混凝土工程量大。

② 工期

方案1总体工期为300 d,工期适中。方案2总体工期为330 d,工期最长。方案3总体工期为285 d,工期最短。

③ 投资

方案1总投资为5 925×104元,投资最少。方案2总投资为7 091×104元,投资适中。方案3总投资为8 293×104元,投资最高。

④ 比选结果

综合比较3种施工方案,方案1虽然投资最低,但长距离岩石顶进卡管的风险极高,易导致顶管失败。方案3虽然工期最短,满足了检修空间,但投资最高,施工方案也最复杂。综合考虑安全性、经济性,采用方案2。

4 方案2设计要点

4.1 整体设计

方案2纵断面布置见图5。竖井内管道将两岸直埋供热管道与隧道内供热管道相连接,在竖井内供热管道竖直安装,采用架空敷设。

图5 方案2纵断面布置

为避免供热管道对隧道产生较大局部荷载,增大隧道设计难度,隧道内不设置支吊架,采用喷砂填充方案。隧道上部留出400 mm高的通气层,防止发生事故时高压热水或蒸汽对隧道主体造成破坏。

隧道内供热管道采用单根9 m长度规格的预制直埋保温管,管道在始发井内完成焊接、无损检测、保温补口后,将保温管放置在托管滑车的弧形板上(不与保温管的工作管焊接),采用托管滑车将保温管拖进隧道中,托管滑车以9 m间隔均匀布置。隧道与供热管道之间的空腔采用喷砂填充,密实度不小于90%。

4.2 弯头应力计算

方案2可采用自然补偿、补偿器补偿2种方式。弯头应力采用俄罗斯有限元管道应力计算软件(START)进行计算。应力计算对象为供水管,安装温度为10 ℃。弯头外直径为1 420 mm,壁厚为20 mm,材质为L290M,弯头曲率半径为2 100 mm。水平管段均受摩檫力。计算工况:管系温度为123 ℃,内压为2.5 MPa。一次许用应力为138 MPa。热胀应力范围限值(本文称为二次许用应力)按CJJ/T 34—2022《城镇供热管网设计标准》附录B的相关计算式计算,计算结果见表1。

表1 自然补偿方式弯头最大应力、二次许用应力

① 自然补偿方式

自然补偿方式管系简化模型见图6。为保证竖井内管道稳定,在竖直管道上侧设置导向滑动支架,竖直管段未设支架。支架均设置侧导向板保证管道的热位移均沿x轴方向。对于隧道内供热管道,受力模型简化为空间限位的架空敷设,摩擦系数按0.4计算。管系两端为自由端。自然补偿方式管系计算模型见图7。由于实际管系计算模型中的限位架非常多,因此文中的计算模型仅为示意图。

图6 自然补偿方式管系简化模型

图7 自然补偿方式管系计算模型(软件截图)

自然补偿方式弯头最大应力见表1。由表1可知,管系中各位置弯头最大一次应力小于一次许用应力,各位置弯头最大二次应力均大于二次许用应力。因此,自然补偿方式不可行。

② 补偿器补偿方式

在自然补偿方式的基础上,补偿器补偿方式在竖直管段中间位置增设复式拉杆型波纹管补偿器。为防止供热管道热位移偏向一侧竖井,导致补偿器损坏,在始发井、接收井下侧弯头处均设置轴向限位导向滑动支架。补偿器补偿方式管系简化模型见图8。补偿器补偿方式管系计算模型见图9。补偿器采用软件中内置的复式拉杆型波纹管补偿器模块。

图8 补偿器补偿方式管系简化模型

图9 补偿器补偿方式管系计算模型(软件截图)

补偿器补偿方式弯头最大应力见表2。由表2可知,管系中各位置弯头最大一次应力、最大二次应力均小于相应许用应力。因此,补偿器补偿方式可行。

表2 补偿器补偿方式弯头最大应力

4.3 其他设计

为便于穿越管段的检修以及事故应急处置,在穿越管段两侧分别设置关断阀。

为了竖井周边人员及巡检人员的安全,始发井、接收井上部封闭,每个竖井各设置2部楼梯,其中一部楼梯上部建设1间工作间,可在工作间内通过楼梯进入竖井。工作间内设置通风机,通风管道深入至竖井底部,满足检修时竖井内的通风需求。竖井内设置潜水泵,定期排出井内积水。竖井内设置照明系统以及气体检测等生命保障系统,保障检修人员的生命安全。

5 结语

近年来,随着众多以盾构方案穿越大型河流的管道工程的成功建设,盾构法施工已成为管道穿越大型河流的一项重要手段。在进行施工方案比选时,应根据当地的地质情况,对施工方案进行技术经济性比较,选择一种安全、经济、可行的施工方案。