滑移穿套玻璃钢管法在东水西调改造工程中的应用

杨 玲，王 雷，王 亮，周志华

(1.北京市水利规划设计研究院，北京 100048；2.北京水务投资中心，北京 100048)

东水西调工程是1990年为解决京西工业区供水危机而修建的一项重要应急供水工程。该工程把密云水库来水从颐和园团城湖自东向西利用三级泵站和20km管道引至京西地区，解决当时四厂(首都钢铁公司、高井电厂、石景山电厂和门头沟城子水厂)的生产生活用水。随着官厅水库水质变差，1994年为保证门头沟城子地区的饮水安全，东水西调历经改造后成为城子水厂的专用供水管线，一直运行至今[1]。2014年南水北调中线供水进京，东水西调纳入南水北调总体规划，赋予了新的供水功能，提出了新的供水要求。根据区域社会、经济以及环境发展的需要，保证安全高效地使用南水，最大限度地发挥现有工程的作用，对东水西调存在隐患的部分供水设施进行了新的改造，为石景山区、门头沟区提供水质优良、安全健康的南水北调中线或密云水库水，实现双水源供水，提高供水保证率[2]。

东水西调工程穿越海淀、石景山、门头沟区，管道上部地面建筑物密集，无法采用明挖施工法对年久失修的管道进行更换；同时，受投资、现状管道管材、管径以及改造后管道输水能力、糙率、施工工期、拆迁工作等因素影响，最终选定采用滑移穿套法改造现状存在安全隐患的管道，本文介绍了滑移穿套玻璃钢管在东水西调改造工程中的应用，以及在设计和施工中应注意的问题，为以后中心城区的老旧管道改造提供一定的借鉴经验。

1 滑移穿套玻璃钢管法在东水西调工程中的确定

滑移穿套法是一种非开挖复原管线技术，通过把糙率较小、直径相对较小的新管牵引推入已恶化的现状管道，并在现状管道和新管之间填塞填缝材料防止内管发生较大的振动位移，以达到恢复原有管道输水能力的目的。

滑移穿套玻璃钢管法在恢复输水能力、缩短施工工期、节约工程投资、简化施工工艺等方面具有如下优点：

(1)穿套会缩小输水管径，但不影响输水规模和输水能力

采用套管必定会缩小输水管道管径，为不减少输水过流流量，必须选用比原糙率更小的管材。东水西调现状钢筋混凝土管糙率为0.014，可以达到套管糙率要求的管材有：钢管、涂塑复合钢管和玻璃钢管。其中，钢管糙率0.012，涂塑复合钢管和玻璃钢管糙率0.009。

根据东水西调需要改造段管道的控制输水工况，经计算，不同管材的穿套管径要求见表1。

表1 不同管材的穿套管径比选

由表1可见，从符合穿套条件并满足水力性能要求角度看，复合钢管和玻璃钢钢管都能满足要求，而DN1000钢筋混凝土管穿套DN950钢管时略显困难。

(2)现状管道供水运行中，应尽力减少改造停水期

由于东水西调工程是城子水厂的专用供水工程，没有其他长期性可替代水源，而城子水厂承担着门头沟门城、广宁、麻峪地区20万人的饮水问题[3]，因此东水西调管线工程的改造须选择改造工期短、停水工期短、停水影响小的施工工艺。施工工期主要体现在接口安装工期和顶进工期两个方面。

接口工期：钢管和涂塑复合钢管均需采用现场焊接方式，焊接工期长。若需减少焊口数量，则需增加管节长度，增大竖井结构尺寸和顶管顶力。而玻璃钢管采用承插接口，并设置胶圈，安装方便快捷，能有效缩短施工工期，并能够在穿套完成后从管道内部对每个接口进行试压，不受作业空间限制的影响。

顶进工期：钢管和涂塑复合钢管自身重量大，在顶进过程中需要顶力较大，顶进较慢；玻璃钢管自身重量小，且承插口形式让穿套过程中接触面较小(只有承口局部与原管道接触)，顶进力较小，更容易实现穿套过程，大大加速了顶进过程。东水西调改造工程实际施工中，DN1400玻璃钢管每天至少安装顶进40m。

因此，从缩短停水施工工期角度来看，不管是接口工期还是穿套顶进工期，玻璃钢管都具有较大的优势。

(3)中心城区占地拆迁难度大，应尽力减少竖井数量和尺寸

在现状混凝土管中滑移穿套玻璃钢管相对于钢管顶进更为容易，摩擦力更小，顶进力要求更小，对顶进设备要求也更低。同样的顶进力能使顶进长度大幅度增加，减少了施工竖井的设置，在中心城区很大程度上缓解了拆迁压力。此外，由于玻璃钢管接头采用柔性橡胶圈密封，每个接头还具有1°～3°的偏转作用，对于现状管道较小的转弯(1°～3°)[4]可以通过接头借转纠偏后继续顶进，不需增设竖井。

东水西调改造工程中，DN1400玻璃钢管最长穿套顶进距离达302m，且成功利用接头借角少设置4座竖井，大大减少了竖井的占地拆迁工作量。

(4)穿套法有效利用现状管道，节约工程投资

穿套技术有效利用原有混凝土管做支撑骨架，既可以减少地面拆迁工作量、减少工程开挖量，又能高效利用原有混凝土管的结构刚度，保护内套管免受外部载荷，降低内管的刚度要求，一举两得的方案能够有效节约投资。

对于输送相同流量，从表1中可以看出，选用玻璃钢管可缩小约1～2个管径等级，节省管材投资费用；其次由于钢管和复合钢管质量重，管道在运输、现场吊装成本费用也远远高于玻璃钢管。总之，从管材成本、运输成本、现场安装施工、顶进设备成本角度看，玻璃钢管会比钢管节约很大投资。

根据以上四个方面，东水西调改造工程最终选择采用滑移穿套玻璃钢管法施工。

2 滑移穿套玻璃钢管法在设计和施工中的重点

2.1 设计中的重点

(1)轴向强度确定

承插口的玻璃钢管在原混凝土管内形成以承插口为支撑点的连续架空结构形式，这种连续架空结构对玻璃钢管的轴向拉伸强度提出了更高的要求；同时，在穿套顶进过程中需要克服摩擦力顶进，对管道的轴向抗压强度也提出了相对于普通埋地玻璃钢管更高的要求。因此，如何合理确定合适的轴向强度是滑移穿套玻璃钢管设计中的重点。

以电厂段现状DN1600混凝土管穿套DN1000玻璃钢管为例，管道设计工作压力0.4MPa。若采用埋地方式敷设，玻璃钢管的轴向拉伸强度仅需180kN/m，环向强度1260kN/m即可。在东水西调实际穿套施工中，选用了轴向拉伸强度为230kN/m，环向强度1890kN/m，成功完成穿套施工。

(2)刚度确定

常规的埋地施工和土中顶管玻璃钢管都需要采用高刚度，因为埋地管道需要承载土壤载荷和其他外部荷载，而顶管施工更需要在顶进中承受较大摩檫力和顶进力。而滑移穿套玻璃钢管是利用现状混凝土管来承担外部荷载，玻璃钢管本身并不考虑承受外载荷，顶进过程中与现状管道的摩擦力也远小于在土中的摩檫力，因此可以采用刚度较小的管材，避免不必要的浪费。根据CECE246∶2008《给水排水工程顶管技术规程》，玻璃钢管顶管的刚度等级不应小于15000Pa[5]。

在东水西调改造工程中，滑移穿套的不同管径的玻璃钢管的刚度均为5000Pa，远小于常规顶管对管材刚度的要求。

(3)是否采用夹砂管

玻璃钢夹砂管相比纯玻璃钢管刚度更大，壁厚也相对更厚，但成本更低，适用于压力小、外荷载较大、维护量小的大口径管道。东水西调改造工程中，在玉泉山段和电厂段DN1600现状混凝土管中穿套DN1400和DN1000玻璃钢管时，考虑到穿套空间富余量较大，本着结构安全并节约投资的原则，采用了夹砂管，而在石电支渠段DN1000现状混凝土管中穿套DN880管道时，考虑到外荷载较小且穿套空间极为狭促，为了更快捷顺利的滑移穿套，采用了重量相对较轻、但成本相对较高的纯玻璃钢管。

2.2 在施工中的重点

(1)接口连接

承插接口在滑移穿套过程中容易错位或者发生胶圈脱落，影响接口严密性。穿套施工中，应进修三次接口打压。首先应在穿套推进前对每个接口试压，其次在每段管道滑移穿套就位后，对每个接口进行复检，若发现有接口漏水，则应从接口内侧做糊口处理，以保证接口不会出现漏水现象。最后在每一个水压试验段管道穿套完成后、水压试验前，应再次对每个接口进行一次打压复核检查，确保水压试验成功。

(2)灌浆填缝

滑移穿套完成后，应进行灌浆缝，防止玻璃钢管在混凝土管内发生漂管等较大位移，进而影响管道本身及接口的稳定。灌浆填缝是关系到整个滑移穿套工艺是否成功的最关键环节。

根据东水西调改造工程的实际施工经验，内外管空间间隙较小的可以采用水泥砂浆灌浆，水泥砂浆稠度70～100mm，灌浆压力0.02MPa，如DN1000现状混凝土管中穿套DN880管道；若内外管空间间隙较大，则可以采用流动性较强的自密实混凝土进行灌浆。分段灌浆的管节长度不宜较长，以不超过15～20m为宜。同时在灌浆之前应采取管箍措施保障在灌浆过程中管道不发生偏移和漂浮。

3 结论及建议

(1)东水西调改造工程中共在现状混凝土管中滑移穿套玻璃钢管3.54km，其中包括DN1600管道中穿套DN1400玻璃钢管2273m，DN1600混凝土管道中穿套DN1000玻璃钢管850m，DN1000混凝土管中穿套DN880玻璃钢管420m。截至目前，已成功通水运行一年多，未发现管道漏水等其他事故现象。工程实践较为成功。

(2)滑移穿套玻璃钢管法缩小输水管径但不影响输水规模，施工方便快捷,节约施工工期，能有效减少拆迁工作量，同时有利于节约工程投资，对于在城市中心区的老旧给水、排水管道更换具有较大的推广价值。

(3)玻璃钢管制造机械化程度较低，生产过程中受人为因素影响较大，因此在使用中应特别注意出厂管材的质量控制和检验。