钢管运输技术在南水北调工程盾构隧洞中的应用_李旭峰.pdf

2023 年第 1 期 42 CITY AND TOWN WATER SUPPLY输配水技术与设备钢管运输技术在南水北调工程盾构隧洞中的应用李旭峰赵晓芳（北京致远工程建设监理有限责任公司，北京 100045；北京市水务建设管理事务中心，北京 100036）摘要：河西支线工程是北京市南水北调配套工程建设项目之一，该工程主要采用盾构隧洞内穿钢管方案输水。为确保钢管安全、高效地运入洞内，并与已安装的钢管准确对接、定位，参建单位开创性地研发了多功能钢管运调机及配套工法，该技术免于轨道铺设，实现了钢管在曲线段隧洞内自动化运输和精确对接，不仅有效解决了在狭小的隧洞空间内安装大直径钢管的技术难题，还节约了工程成本，为其他类似工程提供了工程例证。关键词：南水北调；盾构隧洞；钢管；安装；施工技术一、工程概况北京市南水北调配套工程河西支线工程自大宁调蓄水库取水，通过新建 3 座加压泵站输水至三家店调节池，沿线为丰台河西第三水厂、首钢水厂、门城水厂供水，为丰台河西第一水厂、城子水厂、石景山水厂提供备用水源，河西支线工程示意图见图 1。工程的实施可以改善区域供水条件，提高供水能力，为京西地区利用南水北调水创造条件，对支撑京西地区的开发建设，满足城市生产、生活用水需求，促进社会经济发展，实现水资源的可持续利用等意义重大。该工程正向输水规模 10m3/s，反向输水规模 12.5m3/s，输水线路全长 18.8km，非开挖段 15.5km，主要采用盾构隧洞内穿钢管方案。盾构隧洞采用土压平衡盾构机掘进，盾构管片衬砌环外直径 3800mm、内直径 3200mm，图 1河西支线工程示意图DOI:10.14143/ki.czgs.2023.01.0082023 年第 1 期 43 CITY AND TOWN WATER SUPPLY输配水技术与设备管 片 厚 度 300mm，环 宽 1200mm。盾 构 管片内穿 DN2600 的钢管，壁厚 18mm，材质Q235C，每节标准长度约 6000mm，重量为 6.9t。为使钢管承受内压与盾构管片承受外压相互分开，在管道上部 240范围内铺设聚乙烯低发泡闭孔塑料泡沫板，泡沫板厚度 20mm。钢管与管片之间填充 C30W6F150 自密实混凝土厚 300mm。隧洞的横断面如图 2 所示。图 2隧洞横断面图二、洞穿管施工方案比选该工程非开挖段采用盾构隧洞内穿钢管方案，盾构法成洞技术已比较成熟，本文不再赘述。如何确保 DN2600 钢管在曲线段盾构隧洞内安全、高效运输以及精准对接，是非开挖段盾构隧洞内穿钢管方案实施的重点和难点。（一）风险点分析曲线段盾构隧洞内穿钢管的风险点有以下几点：盾构隧洞为标准圆形弧面，而普通无轨驮管设备行进过程中易发生重心偏离，很难直接在圆弧面上行走。盾构成型隧洞的平面线形多变，存在小半径曲线段，钢管在洞外组装焊接后无法直接牵引进洞。即使在盾构管片中心与钢管中心完全重合的理想情况下，钢管与管片之间的净空只有282mm，钢管对接时其外部无人工焊接作业空间。钢管内、外均有防腐涂层，驮管台车运输钢管过程中应确保成品防腐涂层完好。钢管单节长 6m，壁厚 18mm，重量约 7t，台车设备的结构强度、刚度、稳定性等应满足施工需要。（二）施工方案比选1、初步设计阶段考虑到钢管与隧洞管片之间的净空很小，借鉴南水北调中线北京段工程、山西万家寨引黄连接段工程、广州西江引水工程的经验，拟采用“驮管车+轨道”方案进行洞内钢管运输、定位，其主要原理是利用盾构施工时的轨道，采用自行研制的驮管车承托钢管，以盾构施工用的电机车作为动力，进行洞内钢管的运输、安装。2、项目实施阶段为适应曲线段盾构管片圆形弧面内驮管台车安全行走，承建单位开展了相关技术研究，个别标段采用“叉车+平板车”方案，多数标段综合考虑经济、工期、安全等因素，则采用了新研制的多功能钢管运调台车，这种钢管运调台车成功解决了曲线段盾构隧洞内免铺轨钢管长距离运输、对接的技术难题。三、多功能钢管运调台车的研发及应用（一）根据盾构隧洞线形及隧洞几何尺寸特点，确定了钢管运输台车设计研发的基本原则：钢管运调机可在标准圆形隧洞内长距离、免铺轨行走，具备自动导向装置及防倾覆装置，行进过程中若行走机构发生偏位时可实现重心调整。2023 年第 1 期 44 CITY AND TOWN WATER SUPPLY输配水技术与设备钢管运输至既定位置后，可实现钢管轴线、标高调整，具备使钢管 90旋转功能，满足钢管在洞内精调对口的动作需要，钢管对口效率提高。采用自带发电机提供前进动力，同时作为电动液压泵站电源，系统内置操控程序，采用触摸屏可视化操控各组油缸运行。运行系统设置预警和自动保护功能，确保作业安全，同时要具有效率高、能耗低、噪音小、易操作和易维护等特点。设备行走轮采用包胶轮，钢管支撑油缸端部采用尼龙材料，确保钢管在运输及对口过程中的内防腐层完好。（二）经过相关专业人员设计、模拟及验算，并委托钢结构加工企业加工及制作。研发的多功能钢管运调台车的设计图详见图 3、图4、图 5、图 6 所示。图 3钢管运调台车设计图（正视）图 4钢管运调台车设计图（俯视）图 5钢管运调台车设计图（侧视）图 6钢管运调台车三维立体效果图序号名称备注1管片内净空 3200mm2钢管单节 6m，自重约 7t3钢管中心支撑机构支撑钢管主要受力构件4钢管支撑机构 B上、下、左、右共4个油缸，直接支撑钢管，并将钢管重力传递至中心支撑，控制钢管旋转。5钢管支撑机构 A6支撑机构固定座支撑机构 AB 限位7钢管运调导向机构 A导向及跨步支撑8钢管运调走行系统 A4 个包胶行走轮，行走支撑及跨步抬升9钢管运调走形系统连接机构连接中心支撑与走行系统 AB10钢管运调导向机构 B导向及支撑11钢管运调走行系统 B4 个包胶行走轮，行走支撑及钢管抬升，动力系统2023 年第 1 期 45 CITY AND TOWN WATER SUPPLY输配水技术与设备（三）钢管运调台车操作流程将钢管吊装下井放置于井下弧形施工平台上。利用行走升降机构将运调台车从钢管中穿过。将钢管两端支撑机构撑紧钢管，同时利用行走升降机构将钢管抬起。将导向调整机构油缸伸出（导向轮距离管片 3 5cm），钢管运输台车随即向洞内行驶。运输过程中当行走机构偏离隧洞中线较大时，将前后导向调整机构撑紧管片，利用行走升降机构将小车提升，脱离管片，小车在自重作用下旋转回隧道中心处，随后继续向前行驶。当钢管运输台车行驶至洞内距离上节钢管 3.5m 时，缓慢收回前方导向支撑机构，然后台车缓慢向前行驶，当前方导向机构完全进入上节钢管后将前方导向机构再次伸出，撑紧钢管，然后利用走行升降机构将前方小车提升一定高度，继续向前缓慢推进并实现钢管对口。钢管定位、固定后，台车缓慢从钢管中退出，当运输小车退至本节钢管管口后，利用行走升降机构将小车下放至盾构管片上，当导向机构脱离钢管后再次将油缸伸出（导向轮距离管片 3 5cm），钢管运输台车向洞口方向行驶，继续下一根钢管运输。四、应用产生的效果通过钢管运调台车设备的研发及应用，取得了较好的社会、经济效果：设备采用自带发电机提供前进动力，同时作为电动液压泵站电源，系统内置操控程序，所有操作采用触摸屏可视化操控，大大改善了作业环境，同时，运行系统设置预警和自动保护功能，确保了作业安全。钢管运输对口效率提高一倍左右（24m/天），仅施工八标较计划工期节省了 6 个月工期。该台车免除铺轨，而且易操作、易维护，不仅省去了铺钢轨、抽钢轨的人工投入以及钢轨材料投入成本（约 25 万元），而且运输钢管及钢管对口过程仅需 2 人即可完成，一个标段产生直接经济效益约 200 万元，节约了工程成本。设备行走采用包胶轮，钢管支撑油缸端部采用尼龙材料，很好地解决了钢管内防腐层的成品质量保护问题。五、结语无轨运调台车技术已在北京市南水北调配套工程河西支线工程约 9km 盾构隧洞洞穿钢管安装施工中得到成功应用，该技术免于轨道铺设，实现了钢管在曲线段隧洞内自动化运输和精确对接，不仅有效解决了在狭小的隧洞空间内安装大直径钢管的技术难题，大大提高了作业的安全性，大大提高了施工效率、加快了施工进度，确保了管道内外防腐涂层完好，还节约了工程成本，社会经济效益均较为明显，为今后其他类似工程积累了宝贵经验，提供了工程例证。参考文献：1 北京市南水北调配套工程河西支线工程初步设计报告 R.北京:北京市水利规划设计研究院，20162 水利水电工程施工质量检验与评定规程：SL176-2007S.北京:中国水利水电出版社，2007（下转第 53 页）2023 年第 1 期 53 CITY AND TOWN WATER SUPPLY漏损专栏图 6 开挖维修图4.结论与展望本文结合现有的管网漏失报警系统，分析探讨了该系统报警结果的准确性，并分别通过不同口径、材质管网的实验探究，得出以下结论：不同口径、不同材质的供水管网，漏失报警系统声强、频宽的数值不会发生较大的差别。信号的频宽随着信号的声强增加而增加，随着声强的减少而减小，二者基本保持一致。管道口监测探头所收集的信号中声强小于 25dB，频宽小于 10Hz 时，二者之间数值差超过 15，监测系统判定存在漏水情况，经验证结果准确。参考文献：1 Gao Y，Brennan M J，Joesph P F.A comparison of time delay estimators for the detection of leak noise signals in plastic water distribution pipesJ.Journal of Sound and Vibration,2006，292（3-5）：5525702 崔希望，闫勇.CO2压力容器泄漏检测仿真研究J.计算机仿真，2017，1（34）：3964433 陆智勇，刘志刚.供水管网分区计量管理在漏损控制中的应用 J.城镇供水，2018（05）：31 344 张伟伟.探地雷达在桥梁工程检测中应用研究J.城市建设理论研究，2015（22）：197819795 马力辉，崔建国.供水管网检漏技术与漏损控制模型研究 J.科技情报与经济，2003（04）：129 1306 张胄甲，富宽，刘胜楠.基于流量平衡法的泄漏识别改进算法 J.管道技术与设备，2017（04）：19 287 牛永华.管道渗漏预警系统在农村供水管网中的应用与改进J.山西水利科技，2013（04）：60618 刁选仁.铂马 permalog+在青岛自来水集团应用的效果分析 J.山西水利科技，2011（05）：89 90作者通联：（上接第 45 页）3 SL432-2008，水利工程压力钢管制造安装及验收规范 S.北京：中国水利水电出版社，20084 NSBD-PT-06，输水管道工程施工质量检验与评定标准 S.北京：北京市南水北调工程建设委员会办公室，20175 刘晓飞,邓应康.盾构及内衬钢管技术在西江引水工程中的应用 J.中国给水排水，2011，27（6）：5 86 洪三金.曲线盾构隧道内大直径内衬钢管的安装及外包混凝土施工技术 J 建筑施工，2014（11）：1287-1289，1300通联：