预应力管桩在长距离输水管道中的应用

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简介： 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。
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　　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：

　　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P_SU+桩底极限阻力P_PU]

　　 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∑α_iL_iτ_i (1)

　　式中：[P]—单桩轴向受压容许承载力；

　　 U—桩的周长；

　　 α_i—为下沉时桩对各土层桩侧摩阻力的影响系数；

　　 L_i—桩在承台底面或最大冲刷线以下的第I层土层中的长度；

　　 τ_i—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τ_i取30Kpa；α_i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，而且成孔不易塌落，孔大了，与管桩不能形成摩擦力，孔小了，管桩下不去。

　　四、经济效果

　　我们在通如引江供水中采用水冲成孔管桩作为DN900钢管的支墩。按照原设计方案，一个支墩需用钢筋混凝土约55M³按每立方混凝土650元（含施工费用）计算，每个支墩的造价约为35750元。而现在采用Φ500预应力钢筋混凝土管桩，按照材料费160元（送到施工现场价格）与施工费用（每米为40元）计算，每米造价约为200元，一般每个支墩管桩长度约为17米左右，其总造价为3400元，由此可见，每个支墩可节约投资约为32350元，在通州、如东引东供水工程中需使用83处支墩，由此计算，共节约资金近270万元。应该说使用管桩作为支墩构筑物是经济合理的。不但节约了投资，而且赢得了工期。经过二年的供水，最近，我们又进行了复测，没有发现管桩下沉现象，使用效果良好。

　　五、结论

　　在长距离输水管道中应用水冲成孔预应力管桩作为支墩是一种简单可行的施工方法，使用机械设备少，转移方便，无需占用大量的施工场地，施工工期短，投资省，施工质量容易控制，是砂壤土地区可以采用的一种良好施工工艺。