郑州市污水处理厂进厂干管顶管设计

白家波 王巨涛

　　简 介：本文简要介绍了郑州市污水处理厂进厂污水干管顶管工艺的设计过程，概括了采用土压平衡法机械顶管新技术敷设特大口径污水管道的设计思路及其所产生的经济效益和社会效益。
　　关键词：特大口径管道 土压平衡法 机械顶管

　　一、工程概况：

　　郑州市污水处理厂工程是国务院淮河流域水污染防治重点工程之一，是利用第四批日本协力基金贷款和国内配套资金进行建设的环境治理、城市基础设施建设工程项目，被列为河南省和郑州市的重点工程。郑州市汗水处理厂是淮河流域水污染防治最大的工程建设项目，该厂总服务面积可达105平方公里，50%以上的郑州市市区污水均汇集于此，项目总建设规模为82万吨/日；其中污水厂一期工程建设规模为40万吨/日，工程总投资75749万元，而进厂污水干管则按远期规模一次性投资建成，项目投资超过13000万元。
　　进厂污水干管设计采用土压平衡法机械顶管新技术，该工艺设计及施工均为国内地区所首次采用，设计标准标准高、技术难度大。进厂干管全长8055m，其中d2600污水管长约4585m，d3000污水管长约3470m，顶管用工作坑全部采用钢筋混凝土沉井形式共设计有顶管工作井20座，顶管接收入井21座，平均顶距200m左右，设计最长顶进距离近400m。目前钢筋混凝土沉井已制作完毕并全部下沉到位，d2600管道已成功顶进总任务量的95%以上，而d3000管道现已全线贯通。

　　二、设计思路：

　　（一）、设计方案选定：
　　郑州市污水处理厂进厂干管工程设计采用特大口径污水管道，因其为污水厂唯一的输水干管，是整个工程项目的重中之重，已成为污水厂能否顺利建成通水的制约性因素。干管起端位于郑州市的的东出口并需下穿107国道等，由于城市出入口和国道交通均十分繁忙，工程在很大程度受到国道及市区出入口交通路专用线、地下光缆及其他市政管线等重要的地需的建筑和公用设施需要在施工中妥加保护；另外特大污水管道因其体积和重较大，吊、运十分不便，而管线线路较长且需横穿多个行政区界，沿线的自然条件、地质状况等变化较大；地下水位偏高，土壤含砂量大，管道埋设较深（4--9m)，且工期紧，任务量大，工程质量要求高等；以上种种不利因素均使工程的设计及施工难度大大增加。传统施工方法如开槽、人工掘进顶管等施工技术简单机械化及文明施工程度低，受地下水及天气变化等外界因素影响较大，另外沟槽的支撑与下管（d>2000时)等方面的矛盾目前尚无法解决,因其所存在的致命缺陷,故本工程用传统施工方法根本无法顺利实施。而机械顶管工艺相对于本工程则存在着十分显著的优点：
　　1、技术先进，施工速度较快，昼夜平均顶进10--15m，一次性连续顶进距离最长可达500m以上；
　　2、施工质量好，能自动纠偏，其上下和左右的偏差均能控制在规范允许范围之内；管道采用“F”型柔性接口，接口严密不易渗漏；顶管掘进机头在顶进中间不会造成超挖；顶进过程中通过压注触变泥浆可形成的浆套使顶进阻力大大降低，且浆体可使管壁与周围土体结合紧密，不易造成地面塌陷；
　　3、施工技术比较成熟，上海等地已有许多成功的经验，并可为施工提供成套的技术和设备；
　　4、不受地下水位的限制，施工过程只需局部降水，除沉井施工中需降水外，管线顶进过程则不需要降水，故因降水造成的房屋建设裂缝、危及居民安全等现象可大为减少；
　　5、能大量节约劳动力，一套顶管掘进设备昼夜轮班作业只需50人左右就可完成，可大大减少周转材料的投入；
　　6、文明施工程度高，因所出土泥仅是管道所占的空间，出土量少且无须沟槽回填，故所出泥土可及时运走，不在现场千万造成泥土堆积；现场干净利落，不堆放周转材料和其它杂物；
　　7、工程施工占地少，拆迁量小，拆迁赔偿大量减少，施工占地和青苗补偿费用大大降低；几乎不受地形地貌变化的限制；
　　8、能解决一些其他施工方案难以解决的难题；能够避开一些难以拆迁的地面障碍，如穿超107国道、铁路专用线等；施工期间道路不断行，可基本保证郑汴路的正常通行等；
　　9、能较好解决国家对非农业占用耕地控制严格与项目建设需求间的矛盾；施工期间除必要的运输通道和顶管工作坑需要临时占地外，其余的农田均可照常耕作；
　　10、顶进机械可改径，改径时只需更换外壳，机械内部的主要部件可通用；
　　11、工程造价相对较低，与大开挖法比较可节约建设资金20%左右。
　　同时该工艺也暴露出如下缺点：
　　1、施工所需机械设备及操作技术较为复杂，需购置专用顶管设备并进行专项技术学习和培训；
　　2、需增加制管设备和引进制、顶管技术；
　　3、顶管工作井、接收入井所占空间较大，单体造价较高。
　　从以上对比可以看出：机械顶管工艺在国内尚属领先技术，可有效弥补其他传统施工方法的不足，加上其经济适宜、方便快捷的特点，使该工艺设计成为首选。根据工程、地质特点和现实情况，最终确定污水进厂干管全部采用土压平衡法机械顶管工艺进行建设，顶管机械选用大刀盘削土土压平衡式顶管掘进机头及管疲乏顶进设备。
　　（二）、顶力、顶距的确定：
　　顶力和顶距是一对矛盾统一体，且均与工程造价存在着密切的联系，它们是管道及沉井设计的关键性参数，对结构计算将产生直接的影响，同时也决定了沉井的数量，从而影响到工程造价。顶进过程最理想的状态是以最小的顶力来实现最大的顶距，使沉井数量减至最低，从而达到最佳经济效果；从而实际上随着顶距的逐渐加大和沉井数量的相应减少，必然伴随着顶力的逐步提高，这对于顶进设备及管、井结构必然提出更高的要求，从而导致工程费用发生变化，而顶力又是受结构极限承压力和设备本身控制的，不可能无限制增大；反之，顶距及顶力的减小固然可降低对结构及设备本身的要求，但将直接导致沉井数量的增加；同时它们还会受到不同地条件和土壤情况的限制，加上时间、技术等其他制约因素，顶力和顶距及其经济指标等在一定情况下必然可达到一个最佳契合点或最优值。为使优化过程进一步简化，实际运用中首先根据实际经验、结构承压以及设备制作和操作能力等选取一个相对合理的固定顶力值作为实际控制顶力，以此为据来核算管道及沉井结构断面，再对照当地的土壤摩擦系数等因素，采用动态规划的方法来确定实际顶进的能力即顶距的大小。
　　（三）、实际长距离顶进的措施：
　　在控制顶力不变的情况下，使管道顶进距离得到有效加长，是实现长距离顶进和减少沉井数量的唯一途径；采取减阻和接力推进措施是两种行之有效的办法，两种方法共同作用可使实际顶力明显降低或使顶距进一步加长，通常是在顶进过程中压触变泥浆等润滑剂和加设中继间，其与顶力及顶距存在如下内在关系：

　　通过加注一种以膨润土矿为主要材料配置的顶管专用泥浆复合材料即触变泥浆，使管道外壁和土层之间均匀充填一种液体润滑介质，便形成一个完事的泥浆套，可使土壤摩擦阻力大大减小，增加一次性顶进的距离；该工序的关键在于泥浆的配比和注、补浆技术，以求达到最好的减阻效果和浆套的完整。图2所示为浆套形成过程中顶力、顶距的变化情况，一旦形成了完整的浆套，顶力的变化就趋于稳定，随着顶距的增加顶力却没有明显未增加。另外，为实现长距离顶管的需要，在不增加顶力的条件下，顶进过程中考虑在每个井段间加设中继间，通过逐级接力顶进可使顶管距离得到有效的加长，中继间是由一组短冲程液压油缸构成的一节特殊钢套管或一套专用管件组合，通过其作用可避免整条管道同时向前顶进，而是将管道分割成两个或多个顶进分站，管道顶进所需总顶力则分别由各顶进分站所分摊，借助各顶进分站交替接力顶进，可使管道顶进达到相当的长度；但顶进距离过长其经济性也会随之下降，因为只最前面的一个中继间启动时，顶进机头才处于工作状态，随着顶进距离的加长和中继间数量的增加，管道进尺将愈加缓慢，同时出土距离随之加长、监控测量难度相应增大，顶管的总效率将大为降低；实践证明，控制顶进距离在250米左右、中继间个数不超过3个，无论是在顶进效率方面还是在时间保障等方面对本工程而言是合适的。
　　本次管道及工作井控制顶力选用9000——10000KN，均采用钢筋砼材料。为实际长距离顶进，在顶管过程中采取压浆等减阻措施，通常每个井段考虑加设1--2个中继间，以实现逐级递进接力顶进，顶进工程程序采用双向顶进，如图3所示：

　　（四）、结构尺寸的选择与确定：
　d2000以上的大口径管道我们过去很少采用，内地厂家也基本不生产，特别对于顶管所采用的d2600及d3000等物大口径管道，由于在顶进过程中其受力情况十分复杂，管道结构等级高，接口处理及制作要求均十分精细和严格，国内也仅有上海、北京等地生产，长途运输代价昂贵，因此设计制作出既适合本地区土质特点又符合管道顶进要求的特种管道也是本次设计的一个重要内容，它是工程施工的首要环节，既要求经济合理，又要确保万无一失。
　　沉井作为进行顶管工作的重要场所和出入口，是同外界联系的窗口和桥梁，其形状、尺寸、受力、洞口处理等均对顶进过程产生直接的影响，也是顶管能否成功的关键所在。通过分析顶管施工过程中管道及沉井的受力特点，根据顶推设备、掘进机头的大小、操作宽度以及顶力、顶距等方面的要求，初步拟定出沉井及管道的断面形式及细部尺寸，然后通过各部参数进行框算，再依据计算结果调整结构断面及配筋量，经过反复核算，力求使设计产品做到既经济合理又坚固耐用。
　　（五）、最终结构尺寸确定
　　沉井设计根据其作用不同可分为顶管工作井和顶管接收入井两种形式，按照形状又可将其分为方形和圆形两种形式；根据顶推设备、掘进机头的大小、操作宽度以及顶力、顶距等方面要求，在设计中参考有关规范及文献，依据优化以后的顶力、顶距，采用有限无分析程序和自编的管道计算程序反复核算，最终确定沉井及管道的基本结构尺寸如下：
　　（1）、方形顶管工作井内尺寸为：
　　9000×5500mm（用于d2600管道），井壁厚度为800mm
　　10000×6000 mm（用于d3000管道），井壁厚度为800 mm；
　　（2）、方形顶管接收入井内尺寸为：
　　6000—6500×5500 mm（用于d2600管道），井壁厚度为500 mm
　　6000×6000 mm（用于d3000管道），井壁厚度为500 mm；
　　（3）、圆形顶管工作井内尺寸为：
　　Φ10000 mm，井壁厚度为1000 mm
　　（4）、圆形顶管接收入井内尺寸为：
　　Φ75000 mm，井壁厚度为600 mm
　　（5）、d2600管道结构尺寸为：
　　2600（直径）×2500（长）×250（厚）mm；
　　（6）、d3000管道结构尺寸为：
　　3000（直径）×2500（长）×285（厚）mm

　　三、经济效益、技术效益、社会效益

　　该工程施工机械化水平高，可节省大量运输车辆、设备及劳动力，据测算：修建1。6m的大型污水管道，若按3个月工期考虑，开槽法施工约需4500个劳力，而机械顶管法施工仅需50人就可完成，且土方工作量很少；与同类工程相比，在该项目中可节约建设资金2000万元以上；通过优化设备与施工工艺，增加顶进距离、加大井距，减少沉井16座，节省资金650万元，经济效益显著。
　　攻克了特大口径机械顶管设计、施工方面的有关难题，计算机出图率达100%，同时使设计人员的专业技术水平得到进一步提高，推动了河南省市政管道设、施工管理水平的发展，文明施工水平得到进一步提高，为今后的进一步发展奠定了物质和技术基础。
　　该设计做到了设计合理、方便施工，避免了常规施工方法对城市交通、过境及出入市车辆造成的不良影响，保护了重要交通设施和地面建筑，如107国道及高架桥、郑汴路、七里河大桥、管城中医院、绕城铁路专用线等；作为污水处理厂的重要组成部分该工程将发挥巨大的社会和环境效益，其充分体现了河南省管道设计与施工的水准。

参考文献：
余彬泉 陈传灿《顶管施工技术》人民交通出版社
《给水排水工程结构设计手册》中国建筑工业出版社
《顶进施工用钢筋混凝土排水管结构设计技术条件》审议稿
《给水排水构筑物施工及验收入规范》GBJ141-90
《给水排水工程结构设计规范》GBJ69-84
《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50286-97
《混凝土结构设计规范》GBJ10-89
《市政工程施工及验收规程》上海市市政工程管理局1996

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作者单位：郑州市政工程勘测设计研究院
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