李文端
内蒙古地处高寒地区,冰冻期从11月～次年4月,长达 6个月,冻土层厚度最大可达3.19 m。多年平均气温-0.9℃(7月平均最高气温20.0℃,1月平均最低气温-40.5℃),历史最低气温-42.1℃(1987年1月9日),地下水位埋藏浅,地下水资源丰富,勘察深度内地下水为孔隙潜水,主要受大气降水的补给,地下水位埋深1.75 m～4.10 m,平均2.03 m,地层存在淤泥、流砂的状况。这种特殊的环境地质条件给管道施工带来很多的难题和阻碍。本文结合鲁新矿井排水管道施工,讨论高寒地区浅水位管道快速施工方法,进一步完善高寒地区冻土层外排水管路敷设快速施工技术[1]。
1 工程概况
本工程位于内蒙古鲁新矿井—乌拉盖河之间,设计总长度7 149.19 m。建设用途是将矿井水和生活污水经水处理后,利用联合泵房排放至乌拉盖河。本工程采用φ 710PE管作为排水管,设计排水量2 400 m3/h,最大工作压力0.4 MPa。接口采用PE管热熔焊接技术。由于本地区处于高寒气候地带,冻土层平均厚度约为3.19 m,考虑到管路抗冻等因素,设计管路采取直埋方式敷设,埋深为3.3 m。工程土方开挖至自然地坪下4 m。
2 施工存在的问题
1)外排水工程位于鲁新矿井与乌拉盖河之间,冬季最低气温达-42.1℃,属高寒地区,土层中有永久冻土层,冻土层硬度很高,采用挖掘机开挖冻土层难度很大。2)地下水位高,地质勘查报告显示外排水工程全线大部分在自然地坪下2 m即到水层。3)外排水管路长(设计长度7 149.19 m),焊接接头多,共 598个接头,挖方量大,累计挖土方212 905.6 m3。施工期间恰逢雨季,提高了管材运输进场以及下管、埋管的施工难度。4)土层土质为粉质黏土、细砂和淤泥,挖土深度4 m,全线基本都存在管涌、流砂坍塌和清淤问题。5)工期短,任务重,合同工期要求为60 d。
3 高寒地区浅水位管道施工的建议方案
3.1 排水管道管材的合理选取
将外排水管道管材由钢塑复合管改为 PE100φ 710×42.1管,管壁加厚(壁厚38 mm),意义重大,直接决定了外排水管路敷设工程的成败,施工组织因此而更经济、合理、快速[2,3]。这是因为与钢塑复合管相比,PE管有以下优势特性:1)连接可靠:聚乙烯管道系统之间采用电热熔方式连接,接头的强度高于管道本身强度;聚乙烯管道与其他管道采用法兰连接,方便快捷。2)低温抗冲性良好:聚乙烯的低温脆化温度极低,可在-60℃～60℃温度范围内安全使用,冬季施工时,因材料抗冲击性好,不会发生管子脆裂。3)抗应力开裂性优良:PE管材具有低的缺口敏感性、高的剪切强度和优异的抗刮痕能力,耐环境应力开裂性能也非常突出。4)耐老化,使用寿命长:含有2%～2.5%均匀分布的炭黑的聚乙烯管道能够在室外露天存放或使用50年,不会因遭受紫外线辐射而损坏。5)耐磨性好:PE管道与钢管的耐磨性对比试验表明,PE管道的耐磨性是钢管的4倍,在泥浆输送领域,同钢管相比,PE管道具有更好的耐磨性,这意味着PE管道具有更长的使用寿命和更好的经济性。6)可绕性好:PE管道的柔性使得它容易弯曲,工程上可通过改变管道走向的方式绕过障碍物,在许多场合,管道的柔性能够减少管件用量并降低安装费用。7)搬运方便:PE管道比混凝土管道、镀锌管和钢管更轻,焊接工艺简单,它容易搬运和安装,施工方便,更低的人力和设备要求,意味着工程的安装费用大大降低,工程综合造价相应降低。8)施工环境要求低、适应性更广泛:PE管道可以在沟槽外焊接,整体下管、埋管,不硬性要求沟槽内必须具备无水作业环境,比钢塑复合管、预应力混凝土管有更广泛的适应性。
3.2 有效、有序的组织管理
由于外排水管道施工工期紧(60 d),线路长(7 149 m),无可供借鉴的施工经验,需边干边摸索经验,随时解决出现的问题。而且牵涉社会关系处理,需两家单位配合施工,组织协调管理工作至关重要。事实表明,有效、有序的组织管理为施工顺利开展提供了切实保障。
3.3 合理安排施工工序
经过挖掘机试挖发现土层在自然地坪下约2 m存在冻土层,硬度很高,经研究决定土方分两层开挖,第一层挖至冻土层后自然晾晒降低硬度。既使挖掘机能充分工作,不怠工,不闲置,冻土解冻后又使施工难度降低,从而提高工效,节省机械台班,加快施工进度并降低工程造价(减少机械闲置费)。
3.4 适当加大挖土断面
由于土层土质为细砂和淤泥,挖土深度4 m,地下水高(埋深2 m),全线基本都存在流砂坍塌和清淤问题,采取适当加大挖土断面的方式解决流砂坍塌和清淤。原设计采取的方案是全线井点降水和边坡支护,工期长,而且造价很高。采取适当加大挖土断面的方式解决流砂坍塌和清淤,水泵明沟排水解决地下水问题。虽增加了部分挖土成本,但是节省了全线井点降水和边坡支护的大量费用,总体还是大大降低了造价,并加快了工程施工速度。
3.5 PE管的合理安装
施工时根据PE管可弯曲(最小曲率半径70 m)、重量轻的特点,在草地上集中焊接,然后再集中下管,避免了在沟内焊接作业所要求的沟内必须无水的条件,大大降低了降水难度,减少了降水台班,节省了费用。在下管时只要控制管顶标高满足在冻土深度以下就可以埋管,如此一来沟内的水就不必完全抽干,采取两台挖掘机交互清淤、摁管、埋管就能满足设计要求,从而既加快了工程进度,又降低了工程造价。利用PE管弯曲性能好的特点,在转点(1,2,3,4)处可以直接热熔焊接,节省了加设法兰盘的材料费和安装费用,降低了造价(见图1)。
4 经济社会效益分析
通过对该工程的设计及施工方案的论证和优化,大大节省了该工程各项投资费用,从而降低了工程造价。该工程原设计管材为DN700钢塑复合管,根据当地市场价格调研,钢塑管价格相对较低,比同等直径PE管价格低约300元/m。但是,采用钢塑复合管施工方案从其他方面相应增加了工程建设费用。通过方案优化创新,采用PE管快速施工方案比采用钢塑复合管施工方案施工共节省资金397.90万元,取得了显著的技术经济效益。同时,高寒地区冻土层外排水管路敷设快速施工技术的实施,鲁新矿井外排水管路工程施工共历时2个月,比原设计方案缩短工期2个月,节省了大量资金,降低了工程造价,并且确保了施工质量和安全,快速、高质、安全、经济的完成了建设任务。
5 结语
通过对鲁新矿井外排水管路快速施工技术的研究,形成了一套更加系统、完整的高寒地区冻土层、地下水位埋藏浅条件下长距离、大口径PE管快速施工技术,将为高寒地区煤炭及其他相关行业的类似工程提供很好的借鉴,对煤炭行业的技术更新起到非常重要的作用,推广应用前景广阔。
[1]于居洲.高原高寒多年冻土区的桥梁施工技术[J].冰川冻土,2006,28(2):596-600.
[2]刘静云.埋地PE管施工技术的探讨[J].山西建筑,2009,35(3):172-173.
[3]张丽云.常用几种塑料管材的特性分析[J].包钢科技,2008,34(1):94-95.
