预应力管桩在长距离输水管道中的应用

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　　　　　　　　　　预应力管桩在长距离输水管道中的应用
　　　　　　　　　　　　　　　作者：陈坚等
　　摘　要：采用压力水冲法，下沉预应力管桩作为支墩，施工工艺简单，工期短，投资省。工程质量可靠。适合于砂质土壤。
　　关键词：预应力 管桩 输水管 应用
　　一、前言
　　在冲积平原的水网地区，长距离敷设输水管道时，经常要穿越许多的河流和沟塘，一般跨度不太大，河口宽度在30~40米上下。而要穿越的沟（池）塘往往是一些农家的养鱼（蟹、虾）池，当管道平行于沟（池）塘敷设时，则穿越跨度可达100米以上。穿越河流时，通常设计都是将管道两端做成虾米弯管，中间焊一段直管，然后一跨跨越这些河面较小的河道。由于这些过河管道地处冲积平原地区，冲积层土壤摩擦力较小，为抵抗弯起管道的水平推力，必须设置大体积的钢筋混凝土镇墩。而在跨越沟（池）塘时，则要设置多跨的支墩或浇筑混凝土灌注桩，亦或打入混凝土预制桩。
　　在地处长江下游的通州、如东两市县引江供水工程输水管线长达66KM,要穿越许多的河流和沟塘，在DN900钢管过河时，原设计单位就采用的这一方案，设计的钢筋混凝土镇墩体积达55M3左右，不仅混凝土用量大，而且施工工艺复杂，由于镇墩地处河边，必须首先围堰 、井点降水、 方可支模、绑扎钢筋，现场浇灌混凝土，等到混凝土硬化后方可拆模，然后才能拆除围堰，施工过程中稍有疏忽，工程质量就难以保证。
　　在穿越沟塘时，特别是农家的养鱼池塘，如果做混凝土支墩就要将池塘中水抽干后再行支模、绑扎钢筋、现浇混凝土，一直要等拆模后鱼池才可恢复养鱼。如浇灌混凝土灌注桩，就要搭设脚手架方可施工，施工机械笨重，还需要较大的施工场地，平原地区大多是沿道路敷设管道，道路边是很少有空地的，很难安排泥浆池和施工场地的位置。在施工中质量控制更为重要，特别是灌注桩的清孔要求严格，只要稍有疏忽，灌注桩就会下沉，将来必然造成钢管输水管线渗漏，如果沉降量过大，将会在焊接处折断，后果严重。施工中除了存在与过河管道镇墩施工同样的技术问题，而且还多了许多的群众工作要做，要补贴群众养鱼的损失，只要一时群众工作没有做好（没有满足养鱼户的经济要求），则施工只能停止。不但影响工期，而且还要增加工程投资。如果采用预制混凝土桩要比现浇灌注桩方便一些，但也存在桩身笨重，桩的长度大等问题。为此在这次通州、如东两市县长距离输水管道工程中，我们进行了认真的分析研究，认为采用先张法预应力钢筋混凝土管桩更为合理：一、钢筋混凝土管桩是中空的，钢筋是预张拉的，具有重量轻、强度高的特性；二、管桩是在工厂生产，质量可靠；三、可以采用高压水冲成孔下桩，施工工艺简单，四，这种管桩两端均有钢箍，对焊方便，桩长可以短一些，以减轻起吊的重量，方便施工。五、施工机械简单，只要一辆汽车吊和一台离心水泵即可，机械设备移动方便，无需搭设脚手架，施工工期可以加快。六、农家养鱼池无需抽水，不但减少了群众纠纷，而且还减少了对农家的赔偿费用。现将有关内容介绍于后，供同仁参考。
　　二、管桩设计
　　现以DN900钢管为例，按照跨河进行管桩设计。计算简图如下：

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　　1、由于地处第四纪冲积平原地区，地层大多数为砂性土或砂粘土，因此，管桩设计时应按摩擦桩计算，其设计公式如下：
　　单桩容许承载力[P]=1/安全系数K[桩侧极限摩阻力PSU+桩底极限阻力PPU]
　　 由于管桩中间是中空的，管外为一园环，其端部的承载力在本设计中予以忽略不计，以提高管桩的安全性。因此在本工程设计计算时，按下列公式计算：
　　 [P]=1/2U∑αiLiτi (1)
　　式中：[P]―单桩轴向受压容许承载力；
　　 U―桩的周长；
　　 αi―为下沉时桩对各土层桩侧摩阻力的影响系数；
　　 Li―桩在承台底面或最大冲刷线以下的第I层土层中的长度；
　　 τi―与相对应的各土层与桩侧的极限摩阻力。
　　（1）、过河钢管跨度及长度的确定：
　　30－40米宽度的河流一般属于等外级航道，通航船只都较小，通航宽度只需10~15米，过河钢管下底标高应稍高于同一条河道上桥梁底的标高。因此，假定河面宽度为40米，其过河方案见图一。确定的过河钢管的中间跨度为15米，大于过河桥梁的跨度，以防船只的碰撞。为保证其稳定性，从管桩中心向两侧各挑出2米，然后按30°角向下延伸至岸边，其支架上水平管道与埋地管道之间斜长为12.12米（即两水平管道之间的高差为7米）。则计算钢管长度为：
　　L=15+2*2+7/COS30°=43.25m。
　　(2)、管桩荷载计算：
　　① 直段钢管重量：DN900钢管壁厚一般为12mm，每米质量为264.5Kg/m，则19米钢管总重
　　Q钢=264.5*（15+2*2）=5025 Kg，现取为5T。
　　管内水重为：
　　Q水=0.9*0.9*0.785*(15+2*2)=12048 Kg，现取为12T。
　　②、管道斜长部分的一半荷载计算在管桩在承载力内，这部分重量为：
　　Q钢=246.5 Kg /m*(40-19)/2/COS30°=3205.7 Kg，
　　现取为3.2T；
　　Q水=0.9*0.9*0.785*(40-19)/2/COS30°=7708 Kg，
　　现取为7.7T。
　　③、管桩自重：现选用Φ500预应力管桩，根据生产厂家的产品样本，管桩的理论重量为：
　　q=327 Kg/m，初步拟定桩长为17米，入土深度为10米。由此计算出管桩自重：
　　Q桩=327*17=5559 Kg，现取为6T。
　　④ 、稳定钢管，在管桩顶部设置管座，管座自重取为Q座=1T。
　　⑤ 单桩总的承载力应为上述各项之和：
　　∑Q=(Q钢+ Q水+ Q钢+ Q水)/ 2+ Q桩+Q座=20.95T(213.8KN)
　　根据土质τi取30Kpa；αi取1.0。按照（1）式计算，262.5KN＞213.8KN。
　　即17米长的管桩入土10米，满足设计要求。
　　在实际使用中，也可简单地按经验估算，砂土层的摩阻可按15KN/m2计算。则10米入土深度的Φ500管桩的外摩阻力约为0.5π*15*10=235.5KN。同样满足要求。
　　当然不同的土质，必须按不同的摩阻力计算。
　　三、适用范围及施工方法
　　在冲积平原地区，地层大多数为第四纪冲积层，土壤多为砂性土或砂粘土，这种土质最适宜采用水冲成孔下桩。
　　施工前，首先检查管桩的产品合格证，和相应的质量保证资料，然后检查管桩外观(管内、管外均须检查)质量是否存在质量缺陷，有无钢筋外露或蜂窝麻面，管桩端面钢箍是否垂直于管桩轴线，如存在上述质量缺陷的管桩不得使用。
　　施工时首先要精确测量，确定桩位。然后用汽车吊垂直吊起管桩，并将消防用的水带和水枪放入管桩中，尽量放到管桩下部，消防水带另一端接在离心水泵上，离心水泵扬程一般在30~50米左右，流量约为30~45M3/h即可（一般选用3BL-6或是3BL-9水泵）。然后开启水泵，向管桩内供水，由于高压水在管桩内对管桩底部的土壤形成冲刷，将砂层从管桩外侧冲起，水泵一边向下冲水，汽车吊一边向下放管桩，当这一根管桩顶接近水面时，汽车吊暂停下放管桩，这时再一次测量管桩位置是否正确，是否垂直，如果这一切都能达到设计要求，这时可松开汽车吊绳，取出消防水带。然后将另一根管桩吊起，并保持垂直，精确地与已冲好的管桩对接，对接时同样应保证第二根管桩端面与第一根管桩端面接触良好、严密，且与第一根管桩在同一垂线位置，然后进行焊接，焊接完毕后应进行防腐处理，待防腐层已经干固后即可继续冲桩，随时测量管桩顶的高程，当管桩顶快接近设计高程时还可继续冲水，但要把消防水枪提高些，以减小冲力，达到设计高程以后即可停止冲水。然后认真测量高程和垂直度，如果垂直度有偏差，必须马上调整，如果高程低于设计高程，可以用汽车吊将管桩稍稍吊起，直到满足设计要求，但此时必须汽车吊要稳固数十分钟，以便砂层沉降到管桩底，然后再一次测量高程，一般情况下管桩顶面可以略高于设计高程2~3cm，以防管道安装通水后的沉降。
　　为保证管道安装稳固，在管桩顶面应设计U型管座，管座底面应预埋钢板，以便于与管桩焊接，焊接后仍需进行防腐处理。在安装管道前，还应在管座上垫上1~2层橡胶板，以防钢管上的防腐保护层被碰坏，同时还起到调节沉降的作用。
　　为了方便起吊管桩长度一般取为5~7米。由于管桩本身重量不大，通常8T汽车吊即可满足要求，但为了能起吊到较远的距离，可能要选用起重臂长一些的汽车吊。具体要求多大起重量的汽车吊，则由桩位与岸的距离而定。
　　这种方法，一般不适用于粘土地区，因为粘土地层不易冲刷成孔