劉燁華 楊玉鋒 楊進(jìn)新

(北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100048)

1 工程背景

南水北調(diào)中線一期工程(北京段)自2008年開(kāi)始輸水，至2019年底共輸水50億m3，其中2017—2018年度輸水達(dá)12.11億m3。南水北調(diào)已成為支撐首都可持續(xù)發(fā)展的重要水源。目前工程處于工程建設(shè)期的運(yùn)行管理階段，工程檢修、大修的標(biāo)準(zhǔn)和年際安排尚未明確提出。自2008年通水至今，2009年和2014年進(jìn)行了兩次年際檢修，2017年對(duì)右線局部區(qū)段進(jìn)行了停水排空檢修。

工程通水運(yùn)行多年，主體結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)明顯滲漏、爆管、破損，但全線未進(jìn)行停水檢修，經(jīng)水利部和北京市委、市政府批準(zhǔn)，于2019年11月開(kāi)始停水進(jìn)行全面檢查與設(shè)施設(shè)備維護(hù)，檢修范圍為惠南莊～大寧調(diào)壓池段輸水管道(PCCP)、崇青及西甘池隧洞、大寧調(diào)壓池、永定河倒虹吸、盧溝橋暗涵、西四環(huán)暗涵、團(tuán)城湖明渠7個(gè)單元工程共80km，檢查內(nèi)容為主體結(jié)構(gòu)、水機(jī)設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)、電氣及自動(dòng)化設(shè)備、附屬設(shè)施，主要存在問(wèn)題為大范圍疑似斷絲管節(jié)、局部管道裂縫及部分設(shè)備設(shè)施損壞、管內(nèi)附著物及藻類沉積，根據(jù)檢查結(jié)果及運(yùn)管單位要求進(jìn)行維護(hù)更新、加固及完善。

2 工程實(shí)施方案

工程停水檢修執(zhí)行以下技術(shù)路線：工程停水調(diào)度→工程排水→工程現(xiàn)狀檢查→確定處理方案→實(shí)施加固修復(fù)→工程充水→加大流量聯(lián)合試驗(yàn)、恢復(fù)供水。具體實(shí)施方案如下：

干線檢修期間的停水調(diào)度：通過(guò)京密引水渠和密云～懷柔～九廠的輸水管線，將密云水庫(kù)水源輸送給北京市，共需密云水庫(kù)水量5.6億m3。

工程排水流程為全線管涵尾水自流→管涵末端及分水口集中抽排→分段排水放空→局部低洼部位積水抽排，理論排水量約為195萬(wàn)m3，計(jì)劃工期1.5～2.0個(gè)月。

工程主體結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀檢查以人工普查為主，檢查工程主體結(jié)構(gòu)、管涵襯砌外觀，包括裂縫、滲水點(diǎn)、表面疏松層、剝離深度和剝蝕面積、伸縮縫情況、鋼筋銹蝕外露等缺陷，分左右線統(tǒng)計(jì)分布和數(shù)量情況，并同時(shí)檢查各類水機(jī)、電氣、金結(jié)設(shè)備，計(jì)劃工期15～30天。

加固修復(fù)：根據(jù)部位、埋深、壓力及開(kāi)挖條件進(jìn)行分類，對(duì)管涵采用外預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固、地面卸載或注漿、管道內(nèi)環(huán)氧涂層封閉裂縫及內(nèi)貼碳纖維布修復(fù)、管涵變形縫重新修復(fù)、變形縫手刮聚脲涂層封閉處理。人工清除管內(nèi)附著物和淤泥，維修更換各類水機(jī)、電氣、金結(jié)設(shè)備、設(shè)施，工期5個(gè)月。

最后是恢復(fù)供水階段，通過(guò)惠南莊泵站給PCCP充水，PCCP充水及分段打壓測(cè)試，進(jìn)行加大流量聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn)，然后恢復(fù)供水，工期15天。

根據(jù)上述技術(shù)路線各階段任務(wù)和工期安排并考慮檢修項(xiàng)目的特點(diǎn)，擬定停水檢修期8個(gè)月。

3 施工組織及工期優(yōu)化

3.1 工程排水及檢查

3.1.1 根據(jù)控制工期的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)布置排水分段

為滿足全線排空需要，排水組織結(jié)合歷次排水積累的經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上增加排水設(shè)備，先后啟用干線雙側(cè)管涵排水口，控制總體工期在1個(gè)月以內(nèi)，排水區(qū)間分段以能夠滿足進(jìn)人檢查要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。

工程檢修經(jīng)檢查及專項(xiàng)檢測(cè)和測(cè)試后，再確定管道修復(fù)或加固的具體方案，因此實(shí)施效果及工期存在較大不確定性，故根據(jù)控制工期的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和區(qū)段提前安排工作，結(jié)合實(shí)際可用排空點(diǎn)位及排水設(shè)施在有限資源前提下合理調(diào)配，通過(guò)模擬計(jì)算管道積水排空排水量及排空時(shí)間，確定PCCP工程干線2～3號(hào)排空閥井段及4～5號(hào)排空閥井段、7號(hào)排空閥井為重點(diǎn)強(qiáng)排區(qū)間，并從中根據(jù)工程修復(fù)和加固需要選取抽排控制節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖1)。

圖1 分段排水過(guò)程模擬分析

對(duì)控制性的重點(diǎn)區(qū)段排空井附近河道進(jìn)行事先協(xié)調(diào)，采取局部工程措施保證其排水，在分段排水放空階段集中力量加大抽排，提前半個(gè)月完成區(qū)段排水，優(yōu)先實(shí)現(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)的干場(chǎng)作業(yè)條件，給關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)后續(xù)施工提供了較充足的工期裕度。

3.1.2 密切排水與檢查銜接，統(tǒng)籌排水及檢查工期安排

加強(qiáng)排水與檢查的密切銜接，在能夠保證管涵內(nèi)人員安全的前提下，排水按不影響人身安全的0.5m水深為限，即攜帶安全監(jiān)測(cè)儀器第一時(shí)間進(jìn)洞檢查，外觀檢查分段多工作面進(jìn)行，隨排水隨檢查隨匯總，建立各專項(xiàng)檢修工作決策機(jī)制，第一手?jǐn)?shù)據(jù)及時(shí)上報(bào)不過(guò)夜，在各層級(jí)共享平臺(tái)匯集資料實(shí)時(shí)分析研判。全段排水與基本完成外觀檢查同步完成，實(shí)現(xiàn)外觀及結(jié)構(gòu)檢查不占據(jù)直線工期，專項(xiàng)檢測(cè)、測(cè)試及試驗(yàn)等盡量少占用直線工期。

在12月初全部排水工作結(jié)束時(shí)，結(jié)構(gòu)檢查記錄及統(tǒng)計(jì)已完成，襯砌結(jié)構(gòu)數(shù)字地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)和電磁法檢測(cè)斷絲數(shù)量已開(kāi)展，現(xiàn)場(chǎng)剝離砂漿斷絲驗(yàn)證已準(zhǔn)備就緒，基本達(dá)到了預(yù)期的設(shè)想，排水及檢查工期整體上實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化。

3.2 工程加固修復(fù)

3.2.1 內(nèi)加固段推行施工工序標(biāo)準(zhǔn)化和機(jī)械化，實(shí)現(xiàn)工期協(xié)調(diào)可控

對(duì)PCCP縱向裂縫和大范圍斷絲管節(jié)采取內(nèi)部粘碳纖維布方式加固處理，縱向裂縫管對(duì)裂縫進(jìn)行表面封閉，管內(nèi)環(huán)向粘貼一層碳纖維，最后表面涂刷環(huán)氧涂層封閉。大范圍斷絲管節(jié)采用1縱+6環(huán)共7層粘貼碳纖維，按PCCP管內(nèi)壁表面處理流程為第1層碳纖維布環(huán)向粘貼→第2層碳纖維布縱向粘貼→第n層碳纖維布環(huán)向粘貼→碳纖維表面涂環(huán)氧保護(hù)涂層、接口部位粘貼碳纖維手刮聚脲(見(jiàn)表1)。

表1 管道不同補(bǔ)強(qiáng)類型的碳纖維布內(nèi)加固方式

因檢查分析后需內(nèi)加固的管道數(shù)量有較大的增加，根據(jù)管道內(nèi)加固分析計(jì)算，部分管節(jié)需粘貼7層碳纖維布，數(shù)量大且呈集中分布，90%以上處于19～21號(hào)排氣閥井段，管內(nèi)作業(yè)全部在地下有限空間進(jìn)行，施工作業(yè)安全和勞動(dòng)防護(hù)要求高，同時(shí)作為南水北調(diào)干線工程，施工質(zhì)量需嚴(yán)格控制。

針對(duì)上述情況，考慮到7層纖維布粘貼層數(shù)的特殊性，結(jié)合前期試驗(yàn)形成的1縱+3環(huán)施工工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，形成了一套可實(shí)施的施工工序和相應(yīng)要求，作業(yè)前全程人員培訓(xùn)和認(rèn)證，嚴(yán)控基面打磨、粘貼及封閉等工序的施工要求，確保施工質(zhì)量達(dá)到統(tǒng)一工藝標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)新優(yōu)化各工序施工方式，改良形成標(biāo)準(zhǔn)化適用弧面的打磨吸塵一體施工工序，連續(xù)內(nèi)加固段下部搭設(shè)臨時(shí)棧橋提高工效，特定條件下應(yīng)用全環(huán)同步間隔施工法。施工過(guò)程中經(jīng)多方比選及試驗(yàn)，確定增柔增韌的改進(jìn)型環(huán)氧涂層，1.5mm厚環(huán)氧涂層一次成型，并優(yōu)化4mm手刮聚脲涂刷6遍成型的等強(qiáng)時(shí)間，通過(guò)增加層間胎基布提高層間附著力，保證各項(xiàng)作業(yè)程序符合要求的同時(shí)優(yōu)化工序銜接，全程記錄施工信息形成實(shí)時(shí)臺(tái)賬，做到施工質(zhì)量和責(zé)任可實(shí)時(shí)追溯。管道內(nèi)加固優(yōu)化項(xiàng)目及效果見(jiàn)表2。

表2 管道內(nèi)加固優(yōu)化項(xiàng)目做法及效果

3.2.2 管外預(yù)應(yīng)力加固集中各專業(yè)力量改進(jìn)技術(shù)方案，持續(xù)優(yōu)化確保安全

管外預(yù)應(yīng)力加固方式主要用于周口河和19號(hào)閥井附近管道加固，其中周口河處為雙線共20節(jié)連續(xù)加固管道段，除6節(jié)為驗(yàn)證斷絲數(shù)需剝離防腐層后進(jìn)行加固，施工工序按圖2所示跳倉(cāng)法進(jìn)行，其他管節(jié)在管外直接環(huán)穿鋼絞線加固。

圖2 管外剝離保護(hù)層后環(huán)穿鋼絞線加固工藝流程

在吸收前期試驗(yàn)形成的常規(guī)管外預(yù)應(yīng)力加固施工工藝的基礎(chǔ)上，充分研究高地下水位條件下的PCCP管節(jié)連續(xù)加固的復(fù)雜性和可實(shí)施性，期間還需預(yù)留取樣驗(yàn)證及斷絲檢測(cè)的周期，同時(shí)新冠肺炎疫情的爆發(fā)進(jìn)一步壓縮了可用于外加固施工的時(shí)間，針對(duì)上述面臨的困難和風(fēng)險(xiǎn)，采取了多種技術(shù)手段盡可能地保障工期和工程質(zhì)量。

首先考慮開(kāi)挖基坑與干線排水同步進(jìn)行，減少基坑開(kāi)挖占用直線工期，并充分預(yù)留降水作業(yè)工期，降低砂礫石層施工降水難度。管道剝離保護(hù)層和鋼絲、環(huán)穿鋼絞線等加固工序作業(yè)時(shí)，在嚴(yán)格按5個(gè)單元區(qū)劃分施工的前提下，統(tǒng)籌考慮加固管段的整體穩(wěn)定和各管節(jié)的自身穩(wěn)定，相鄰管道同期施工單元區(qū)數(shù)錯(cuò)鋒波動(dòng)排布，同時(shí)單節(jié)管道施工優(yōu)化為兩序施工，即一序進(jìn)行兩個(gè)或三個(gè)單元區(qū)施工，二序進(jìn)行剩余單元區(qū)施工，并采取管底鋼木支撐和保留完好管基土等措施保持管道穩(wěn)定。鋼絞線張拉時(shí)布置全周腳手架形成雙側(cè)通長(zhǎng)型施工平臺(tái)，預(yù)緊結(jié)束即進(jìn)行下一工序施工，全部鋼絞線固定完成后，跳倉(cāng)分區(qū)統(tǒng)一逐級(jí)循環(huán)張拉到控制應(yīng)力值，減少工序輪換操作的繁復(fù)性。

管外壁固定鋼絞線的錨具需進(jìn)行防護(hù)，數(shù)量多達(dá)600個(gè)，采用特制的標(biāo)準(zhǔn)化外保護(hù)罩包裹外露錨頭，再安裝標(biāo)準(zhǔn)化的模具用于保護(hù)層砂漿澆筑，模具可重復(fù)使用降低成本，同時(shí)提高工效。管基回填支立特制異形模板，兩側(cè)同時(shí)架設(shè)并側(cè)向支撐，上部預(yù)留澆筑口灌注自密實(shí)混凝土以保護(hù)加固管道穩(wěn)定。管周鋼絞線外部掛鋼筋網(wǎng)后，機(jī)械噴涂環(huán)氧聚合物砂漿，人工配合刮涂管道頂部，保證鋼絞線的完全防護(hù)與密封。最后管周填土在全部加固工序完成后統(tǒng)一進(jìn)行，嚴(yán)格按分區(qū)要求進(jìn)行回填壓實(shí)。管道外加固優(yōu)化項(xiàng)目及效果見(jiàn)表3。

表3 管道外加固優(yōu)化項(xiàng)目做法及效果

4 結(jié) 語(yǔ)

a.通過(guò)前期對(duì)干線停水檢修項(xiàng)目進(jìn)行周密籌劃與組織，并根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程各期進(jìn)展情況及現(xiàn)場(chǎng)條件持續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)與施工方案，南水北調(diào)中線干線北京段工程圓滿通過(guò)加大流量聯(lián)合調(diào)度試驗(yàn)，于2020年6月1日恢復(fù)通水，歷時(shí)7個(gè)月完成檢修工作，工期比預(yù)定時(shí)間縮短一個(gè)月，這期間技術(shù)協(xié)作與攻關(guān)充分發(fā)揮了科技資源優(yōu)勢(shì)。工程檢修期間，北京市民的用水以密云水庫(kù)水為主，提前通水意味著密云水庫(kù)的供水壓力得到極大的緩解。保質(zhì)優(yōu)質(zhì)完成南水北調(diào)干線北京段工程檢修后，每天進(jìn)京南水由340萬(wàn)m3增加到400余萬(wàn)m3，進(jìn)一步提高了首都綜合供水保障率，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。

b.對(duì)于長(zhǎng)距離大型輸水工程，每個(gè)檢修期停水后，維修加固的管節(jié)數(shù)量多、工期要求緊，同時(shí)管道內(nèi)徑大因而作業(yè)難度大，由于受到管道加固節(jié)數(shù)、粘貼層數(shù)及環(huán)數(shù)的累積疊加影響，同一道工序需反復(fù)施工成百上千次，施工操作難度和施工風(fēng)險(xiǎn)程度成幾何倍數(shù)加大，一旦某一環(huán)節(jié)有疏忽產(chǎn)生紕漏，對(duì)于輸水管線來(lái)說(shuō)都意味著埋下了安全隱患。因此，還需進(jìn)一步對(duì)環(huán)向纖維布一次成環(huán)工藝和內(nèi)碳纖維布各工序一體化的施工裝置進(jìn)行研究，以減少勞動(dòng)工作量，提高工效，保證施工質(zhì)量和施工安全。