杜 江

(四川省工業(yè)設(shè)備安裝公司, 四川成都 610014)

大口徑埋地鋼管變形原因分析及處理方法

杜 江

(四川省工業(yè)設(shè)備安裝公司, 四川成都 610014)

對(duì)綿陽某科研試驗(yàn)新區(qū)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)管道工程發(fā)生變形的大口徑(DN≥1000 mm)埋地鋼管進(jìn)行了變形測(cè)量及管體周圍回填土壓實(shí)度取樣試驗(yàn)等工作，分析了該工程鋼管變形的主要原因，并經(jīng)專家論證提出了變形量超標(biāo)管道的處理方法。

埋地鋼管; 柔性管道; 變形; 處理

1 工程概況

綿陽某科研試驗(yàn)新區(qū)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要由自然循環(huán)水管道和軟化循環(huán)水管道兩部分組成，均為埋地敷設(shè)，基礎(chǔ)為自然地基+200 mm砂墊層。管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作壓力為0.8 MPa，其管道規(guī)格：D1020×10～D2640×18 ，累計(jì)長(zhǎng)約8000 m。管材均采用Q235B螺旋鋼管，管內(nèi)防腐采用T541，管外防腐采用環(huán)氧煤瀝清漆加強(qiáng)級(jí)(四油兩布)，管頂覆土深度普遍在0.7～2 m，局部位置達(dá)5 m左右，且絕大部分管道埋設(shè)于廠區(qū)道路下方，長(zhǎng)期承受上層土壤的靜壓和過往重型

車輛的動(dòng)壓等，設(shè)計(jì)使用年限為50年。

2 埋地鋼管變形情況

在埋地大口徑鋼管施工完畢2年，且經(jīng)過多次系統(tǒng)供水試運(yùn)行后，對(duì)大口徑的埋地鋼管進(jìn)行變形檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)各測(cè)點(diǎn)均有豎向變形，絕大部分測(cè)量的豎向變形量在規(guī)范所允許4%的范圍內(nèi)，但個(gè)別部位管道橫截面有明顯的橢圓化趨勢(shì)，且管道的變形量超過了《給水排水管工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50332-2002)規(guī)定的4%，具體測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析見表1。

表1 大口徑埋地管道變形測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

通過分析變形檢測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)管道變形量超標(biāo)的區(qū)域主要集中在廠區(qū)臨時(shí)道路處和其他參建單位于管道上方臨時(shí)設(shè)置設(shè)備制作及吊裝場(chǎng)處。

3 鋼管變形區(qū)域回填土壓實(shí)度檢測(cè)

為了解變形管道區(qū)域周圍回填土密實(shí)度的現(xiàn)狀，采用人工開挖探坑取樣的方式分別在變形率在6%以上、變形率在5%～6%之間、變形率在4%以內(nèi)共三個(gè)區(qū)域位置采用灌砂法進(jìn)行抽檢取樣。每處抽檢點(diǎn)的取樣位置：管道兩側(cè)，從管頂上500 mm起，向下每300 mm一層，直到管底下150 mm。經(jīng)統(tǒng)計(jì)專業(yè)檢測(cè)中心出具的檢測(cè)報(bào)告可以看其抽檢回填土密實(shí)度在80%～90%之間，未達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

4 管道變形原因分析及處理方案

4.1 鋼管變形原因分析

4.1.1 鋼管工作原理

大口徑埋地鋼管作為一種自身剛度比較小的柔性管道，當(dāng)受到豎向載荷時(shí)，除了靠鋼管結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度和剛度來平衡外，最主要的是依靠管道兩側(cè)土體所產(chǎn)生的彈性抵抗力所平衡。所以鋼管周圍的土體產(chǎn)生的彈性抵抗力對(duì)約束和抑制管道的變形起到非常大的作用，而當(dāng)管道周圍回填土密實(shí)度較大時(shí)，管側(cè)回填土對(duì)管道產(chǎn)生變形的約束力即彈性抵抗力越大。因此管道的變形與管側(cè)回填土的密實(shí)度緊密相關(guān)。

4.1.2 鋼管周圍土質(zhì)

由于埋地鋼管周圍回填土中存在部分微膨脹土，而膨脹土是由親水性礦物組成，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種特性的黏性土。當(dāng)膨脹土受到雨水和地下水位的影響時(shí)，其膨脹和收縮并往復(fù)變形都會(huì)引起鋼管周圍土體回填密實(shí)度的變化。

4.1.3 鋼管變形原因

通過以上分析可以看出，造成本工程管道豎向變形超標(biāo)的主要原因是埋地管道遭受了其上方較大的載荷作用及管道周圍回填土受到雨水及地下水位的影響，導(dǎo)致管道周圍回填土壓實(shí)度未達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范要求等。

4.2 鋼管變形處理方法

針對(duì)上述變形量超標(biāo)現(xiàn)象，確定變形量不超過5%的管道，在回填土符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求的情況下，不影響管道使用。對(duì)變形量超過5%以上的管段需進(jìn)行處理。

根據(jù)局部變形超出規(guī)范及變形部位和檢測(cè)數(shù)據(jù)情況的不同，確定了如下處理方法。

(1)可開挖施工的區(qū)域，進(jìn)行局部開挖、矯正、回填處理；

(2)可開挖卸載區(qū)域，采取管道內(nèi)支撐，外部注漿加固土體方式，待土體穩(wěn)定后拆除臨時(shí)支撐；

(3)道路下區(qū)域，采取管周土體注漿加固和管道內(nèi)支撐措施。

5 變形量超標(biāo)管道具體處理方案

首先對(duì)管道進(jìn)行UT探傷和應(yīng)力檢測(cè)，判斷變形量超標(biāo)的管道是否處于安全狀態(tài)，然后進(jìn)行變形處理。

5.1開挖、矯正處理

(1)總述：對(duì)變形量超標(biāo)較大的管道(變形率在6%以上)，采取局部開挖、管內(nèi)頂撐矯正，然后再回填處理。

(2)開挖：先放設(shè)開挖線，然后采用小型機(jī)械和人工開挖剝露，開挖深度從地表面到管道水平中徑部位。

(3)檢測(cè)：開挖后應(yīng)即時(shí)測(cè)量，以判明去除管道上部土體載荷后，其變形量是否回彈。

(4)管內(nèi)頂圓矯正：在管道內(nèi)變形部位安裝弧形墊板和加設(shè)千斤頂，校正其豎向變形至3%以下。沿管道長(zhǎng)度方向，每間隔1.0～1.5 m設(shè)置一套頂圓裝置，一次設(shè)置3～4套，逐步次遞進(jìn)行，并反復(fù)多遍。

(6)管內(nèi)臨時(shí)支撐：管道校圓到規(guī)定的值后，沿管長(zhǎng)度方向，按間距2～3 m設(shè)置。該支撐在回填完成拆除。

(7)縫隙填砂：在千斤頂頂圓管道的同時(shí)，向管子外側(cè)壁縫隙中灌入粗砂。

(8)回填：在管內(nèi)作好臨時(shí)支撐情況下分層回填。分層厚度20～30 cm，采用小型打夯機(jī)夯實(shí)，并按規(guī)范規(guī)定每層抽測(cè)密實(shí)度。

(9)回填后檢測(cè)：回填完成后，拆除管內(nèi)臨時(shí)支撐，然后再進(jìn)行一次變形檢測(cè)。

5.2 局部開挖卸載、管內(nèi)支撐再作土體加固處理

(1)局部卸載開挖：對(duì)變形量超標(biāo)較大的管道(變形率在5%以上)，采用小型機(jī)械和人工開挖方法，去除管道頂部以上土體。開挖深度從地表面到管道頂部偏下約20 cm處。即卸除待處理管道管頂以上的土體載荷。

(2)在卸去管頂土體后，優(yōu)先采用管內(nèi)頂圓矯正。若千斤頂加力后，管道變形部位受頂能減小其豎向變形，也就是能頂?shù)脛?dòng)，則按管內(nèi)頂圓矯正方法，將管道豎向變形恢復(fù)到4%以下。如果頂不動(dòng)，則可將管間的土體開挖到管道中徑位置處，然后再試頂。如仍不能有效恢復(fù)，則采取管內(nèi)加臨時(shí)支撐，然后作土體加固。

(3)管內(nèi)臨時(shí)支撐：管內(nèi)臨時(shí)支撐間距按2～3 m，采用φ108×4的普通碳鋼管作支撐構(gòu)件。支撐構(gòu)件與管道內(nèi)壁間原則上不作焊接，而采用楔鐵件楔緊，以盡量減少因焊接操作對(duì)內(nèi)外防腐層的損傷。

(5)管周土體注漿加固：加裝好管內(nèi)臨時(shí)支撐后，將前述開挖的管溝回填到與管頂齊平的部位。然后打設(shè)注漿管，對(duì)管周土體加固。并分層回填管頂上部開挖的管溝?；靥顚用軐?shí)度按規(guī)范要求取樣檢測(cè)。

(6)拆除臨時(shí)支撐：待注漿的土體穩(wěn)定后，再拆除臨時(shí)支撐管。

5.3 管道周圍土體注漿加固處理

位于正式道路下方或者變形量超過5%，且位置又較集中的區(qū)域采用管道周圍土體注漿加固處理。通過注漿改善和提高管周土體致密程度和承載能力，穩(wěn)定管道現(xiàn)有變形，提高管土共同作用能力，防止管道變形繼續(xù)增大。

5.3.1 管道注漿剖面示意

管道注漿剖面示意見圖1。

圖1 管周土體注漿剖面

5.3.2 管周土體注漿加固處理施工方法

工藝流程:鉆孔定位→鉆機(jī)就位及校平→固定→引孔、埋管→沖洗→灌漿封孔→養(yǎng)護(hù)與檢測(cè)

主要施工方法:

(1)引孔、埋管。采用SH-30型鉆機(jī)將φ60鉆桿直接打入處理土層，打入的孔位、孔深符合施工圖要求，滿足施工技術(shù)及相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。遇到回填的大塊砂巖塊石，采取就近移孔位或其它工藝穿越該塊石。

(2)沖洗。注漿鋼花管埋好后，用大流量清水及壓縮空氣對(duì)管內(nèi)殘留土進(jìn)行敞開式?jīng)_洗。沖洗至回水清澈后為止。沖洗壓力為注漿壓力的80%。

(3)注漿。灌漿材料：灌漿材料采用水泥砂漿灌注，采用2∶1、1∶1兩個(gè)水灰比級(jí)。以2∶1開灌，由稀變濃，逐級(jí)變換。水泥強(qiáng)度等級(jí)P.O 32.5普通硅酸鹽水泥，新鮮無受潮結(jié)塊。細(xì)度要求通過80 μm方孔篩，其篩余量不大于5%，水泥現(xiàn)場(chǎng)抽樣標(biāo)準(zhǔn)為每300 t抽樣試驗(yàn)一次。

灌漿壓力：灌漿壓力按試驗(yàn)確定的壓力值控制，灌漿壓力應(yīng)盡快達(dá)到設(shè)計(jì)值。當(dāng)按照設(shè)計(jì)要求的壓力達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，再升壓0.1～0.3 MPa，如耗漿量增大，而地表無異常情況，則說明設(shè)計(jì)壓力有待提高，反之則說明設(shè)計(jì)壓力合理。

灌漿方法：采用全孔一次性注漿，由一側(cè)向另一側(cè)逐步推進(jìn)的灌漿順序。灌漿連續(xù)進(jìn)行，因故中斷，盡早恢復(fù)。若時(shí)間間隔超過30 min，應(yīng)拔管清洗后重新打入恢復(fù)灌漿。灌漿過程中出現(xiàn)串漿、冒漿等特殊情況時(shí)，采用封堵串冒漿孔，低壓、濃漿、間歇等措施進(jìn)行處理，待灌漿孔結(jié)束，再對(duì)串漿孔進(jìn)行灌注至結(jié)束。

漿液水灰比和變漿標(biāo)準(zhǔn)：漿液水灰比按設(shè)計(jì)要求的水灰比制漿，漿液由稀到濃逐級(jí)變換，當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時(shí)，或當(dāng)注入率保持不變而灌漿壓力持續(xù)升高時(shí)，不得改變水灰比。當(dāng)某一比級(jí)漿液注入量已達(dá)300 L以上，或灌注時(shí)間已達(dá)30 min，而灌漿壓力和注入率均無顯著改變時(shí)，換濃一級(jí)水灰比漿液灌注。當(dāng)注入率大于30 L/min時(shí)，根據(jù)具體情況，可越級(jí)變濃。

灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)吸漿量達(dá)到1 L/min時(shí)，并持續(xù)10 min，灌漿即可結(jié)束。

封孔：灌漿結(jié)束后，對(duì)孔深和灌漿成果確認(rèn)后，及時(shí)封孔(花管不拔出)。采用全孔灌漿封孔法，水灰比為0.5∶1。

(4)檢測(cè)。在注漿結(jié)束28 d后，選用標(biāo)準(zhǔn)貫入、輕型動(dòng)力觸探或靜力觸探對(duì)加固土體檢測(cè)。注漿檢驗(yàn)點(diǎn)可為注漿孔數(shù)的2%～5%。當(dāng)檢驗(yàn)點(diǎn)合格率小于或等于85%，或雖大于85%但檢驗(yàn)點(diǎn)的平均值達(dá)不到強(qiáng)度或防滲的設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)對(duì)不合格的注漿區(qū)段實(shí)施重復(fù)注漿。注漿加固后的檢測(cè)，由具有資質(zhì)的第三方進(jìn)行檢測(cè)。

6 結(jié)束語

本工程經(jīng)過一段時(shí)間后再次對(duì)其處理部位變形量進(jìn)行復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)與剛處理完畢相比基本吻合，無變化。通過采用上述方法對(duì)變形量超標(biāo)的大口徑埋地鋼道進(jìn)行處理，不僅使鋼管的變形量達(dá)到了規(guī)范允許范圍之內(nèi)，而且也使管道的變形得到了有效的控制，保證了鋼管的長(zhǎng)期安全使用。同時(shí)上述方法也為類似大口徑埋地鋼管變形的處理也具有重要的參考意義。

[1] GB 50268-2008 給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[2] GB 50332-2002 給水排水管工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] JGJ 123-2012 既有建筑地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范[S].

TU712.4

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[定稿日期]2015-04-08