污水倒虹管設(shè)計及案例分析

鄧 彩

(杭州市城建設(shè)計研究院有限公司上海分公司，上海 200030)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對水環(huán)境的重視，基礎(chǔ)建設(shè)的不斷完善，規(guī)劃污水管網(wǎng)日臻完善，覆蓋率也日漸提高。新建污水管道一般作為新建道路工程項目的一部分，與道路同步建設(shè)。由于江浙滬一帶水系較發(fā)達(dá)，河道網(wǎng)較密，大量的新建污水管道需要穿越河道。室外污水管道一般采用重力流，污水管道過河一般采用倒虹管的形式。上海地區(qū)的工程實例中，對于河道兩側(cè)倒虹井大多采用圍護(hù)施工，且部分主管單位建議倒虹管設(shè)計中采用規(guī)范建議的兩根管道過河，針對這兩個問題，下面結(jié)合工程實例進(jìn)行闡述分析。

1 倒虹管設(shè)計

1.1 倒虹吸原理

倒虹管是利用上下游管道的高差來克服污水在倒虹吸管道及進(jìn)出水井的阻力損失。倒虹吸管設(shè)置首先應(yīng)考慮污水管在河道兩側(cè)須有高差，以克服倒虹吸管阻力損失。倒虹管兩側(cè)的高差為總水頭損失與進(jìn)出水井水頭安全系數(shù)之和，水頭安全系數(shù)一般取0.1 m。

1.2 倒虹管根數(shù)

根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》[1]4.11.1條，通過河道的倒虹管，不宜少于兩條；通過谷底，旱溝或小河的倒虹管可采用一條。其條文解釋：倒虹管宜設(shè)置兩條以上，以便一條發(fā)生故障時，另一條可繼續(xù)使用。平時也能逐條清通。通過谷地，旱溝或小河時，因維修難度不大，可采用一條。

由于倒虹管從河底以下穿過，且根據(jù)相關(guān)要求一般管道與河道凈距需大于1 m，有些地方水務(wù)部分要求凈距2 m以上，所以倒虹管一般埋深較深，一般大于6 m。故設(shè)計為兩根倒虹管過河時，一般倒虹井設(shè)計為閘門井，以便于水流切換，發(fā)揮備用管道的功能。在實際的應(yīng)用中，閘門井的設(shè)備平時基本處于閑置不用的狀態(tài)且無人管理保養(yǎng)，若倒虹管發(fā)生故障，一般也是發(fā)生在管道運行數(shù)年之后，此時閘門也會因為老化等使用起來并不方便，有些甚至已經(jīng)不能使用，更有甚者部分設(shè)備被偷，故閘門井并不一定能發(fā)揮其原設(shè)計的作用。而閘門井的占地一般比普通檢查井大近2倍，造價高，且養(yǎng)護(hù)維修較普通檢查井麻煩。綜合以上考慮，在實際應(yīng)用中，一般航道會設(shè)計為兩根管道倒虹過河，而其他一般河道則采用一根管道過河。

1.3 施工方案選擇

開挖圍堰施工：在一些條件適合的淺水域施工時,采用構(gòu)筑堤壩的方法在附近圍出一定面積的隔水帶,將其中的水排出,使水下地面露出,再進(jìn)行施工。在DN600及以下管徑管道中，由于拖拉施工管道難以與設(shè)計標(biāo)高和管道坡度完全一致，故在條件許可的情況下，一般采用圍堰施工。倒虹管為開槽圍堰施工時，兩端倒虹井施工圍護(hù)一般與圍堰圍護(hù)一起施工，通常采用鋼板樁圍護(hù)。非開挖施工：過河污水倒虹管管徑在800及以上時，非開挖施工考慮采用頂管施工，倒虹井一般會利用兩側(cè)的頂管井或者頂管坑圍護(hù)。污水管道過河倒虹管管徑不大于600,非開挖通常采用拖拉施工。倒虹管為拖拉施工時，需單獨為兩個倒虹井考慮圍護(hù)方案。常見的有鋼板樁圍護(hù)，SMW工法樁圍護(hù)等。筆者更推薦此時兩側(cè)檢查井采用沉井施工。

1.4 沉井的應(yīng)用

沉井是將地下構(gòu)筑物在地表制作成一個沉井，然后在井壁的圍護(hù)下通過從井內(nèi)不斷挖土，使沉井在自重作用下逐漸下沉，達(dá)到預(yù)定設(shè)計標(biāo)高后，再進(jìn)行封底，構(gòu)筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)。技術(shù)上比較穩(wěn)妥可靠，挖土量少，對鄰近建筑物的影響比較小，沉井基礎(chǔ)埋置較深，穩(wěn)定性好，能支承較大的荷載。

沉井既是基礎(chǔ)，又是施工時的擋土和擋水結(jié)構(gòu)物，下沉過程中無需設(shè)置坑壁支撐或板樁圍壁，簡化了施工。沉井在作為拖拉管施工時的倒虹井時，相比鋼板樁，工法樁等圍護(hù)施工，造價也低很多。沉井是井筒狀的結(jié)構(gòu)物，它是以井內(nèi)挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到設(shè)計標(biāo)高，然后經(jīng)過混凝土封底并填塞井孔，使其成為橋梁墩臺或其他結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)。

沉井的優(yōu)點有：埋置深度可以很大，整體性強、穩(wěn)定性好，有較大的承載面積，能承受較大的垂直荷載和水平荷載；沉井既是基礎(chǔ)，又是施工時的擋土和擋水結(jié)構(gòu)物，下沉過程中無需設(shè)置坑壁支撐或板樁圍壁，簡化了施工。過河倒虹井一般位于道路紅線外側(cè)，且位于河道兩側(cè)，若兩個倒虹井采用小型沉井，對以后其他設(shè)施的影響相對較小。特別是對于采用拖拉施工的過河倒虹管，倒虹井需單獨設(shè)計圍護(hù)施工，且倒虹井的特點就是埋深大，但是平面尺寸小，所以適合選用小型沉井。

2 工程案例

2.1 工程簡介

本工程H路位于上海市，新建道路約1.6 km，新建DN400污水管道約1.5 km。本工程沿線有規(guī)劃河道4條，河道基本信息見表1。

表1 H路河道基本信息 m

其中A河B河為航道。河道兩側(cè)現(xiàn)狀地面標(biāo)高約為4.5 m(吳淞高程)。

2.2 倒虹管工程概況

過河方式選擇：本工程污水管道沿道路敷設(shè)，污水管道走向與道路走向一致，穿越河道時污水管道管位位于道路紅線外5 m處。本工程污水需要穿越4條河道，污水管走向與河道正交，采用倒虹吸式從河底下穿越河道過河。

根據(jù)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)主管部門要求，河底以下穿越的管道，距離規(guī)劃河底凈距應(yīng)不小于2.0 m。根據(jù)各河道規(guī)劃河底標(biāo)高計算可知，穿越各河道倒虹管管底距離現(xiàn)狀地面高差分別為：A河7.9 m,B河7.4 m,C河6.9 m,D河6.9 m。由于A河B河為航道，穿越此兩河采用非開挖施工，且設(shè)計鋪設(shè)兩根管道過河。穿越C河D河采用圍堰開挖施工，且鋪設(shè)一根管道過河。

2.3 倒虹管施工方案

管道穿越C河D河，過河倒虹管以及管道兩端檢查井采用圍堰開槽施工。本工程圍堰開槽施工圍護(hù)用鋼板樁采用Ⅳ號拉森鋼板樁，鋼板樁長度選用15 m?；觾蓚?cè)井點降水，降水深度應(yīng)滿足基坑開挖要求，保證坑底無積水。如果井點降水無法滿足要求，可采用管井降水；溝槽下方采用1.5 m壓密注漿，待注漿固結(jié)體強度達(dá)到80%后方可開挖施工，開挖土方至第一道支撐中心線下0.5 m，架設(shè)第一道支撐，支撐處應(yīng)焊接牢固?；娱_挖過程中，基坑周邊施工車輛允許超載及堆載不得大于20 kPa。

管道穿越A河B河采用非開挖施工，由于管徑為400，故采用拖拉管施工。拖拉管是一種非開挖技術(shù),即不開挖路面, 在地下鉆孔后, 用拖拉的方式將管道從鉆孔中牽引穿越, 最終完成管道敷設(shè)的技術(shù)。與傳統(tǒng)的挖槽埋管相比, 它具有不影響交通、不破壞環(huán)境、施工周期短、綜合成本低、施工安全性好等優(yōu)點,目前已廣泛應(yīng)用于市政建設(shè)、電力、電信、煤氣管道、自來水管道等各種管道的鋪設(shè)。拖拉管的管材一般采用PE平壁管, 拖拉管最小覆土深度與城市道路路面垂直凈距 1.5 m; 二級河道規(guī)劃河底標(biāo)高以下 1.5 m。

2.4 非開挖段倒虹井施工方案

本工程井深接近8 m，若開槽施工可采用水泥土攪拌樁內(nèi)插H型鋼的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，先施工水泥攪拌樁，在水泥未凝固之前將H型鋼利用重力及機械振動插入。經(jīng)過比選本工程A河、B河兩端倒虹井采用沉井法施工。

A河B河為航道，倒虹管設(shè)置為兩根，兩側(cè)倒虹井設(shè)計為閘門井，檢查井內(nèi)徑為3 m×3 m，深度分別為7.9 m以及7.4 m，采用沉井法施工。

沉井是一種通過地面制作[2]，并解除井內(nèi)土體的結(jié)構(gòu)形式，而且一定深度范圍內(nèi)，井體結(jié)構(gòu)能夠作為支護(hù)使用，與以前的開挖方式不同，沉井工程的優(yōu)勢更為明顯，不僅能夠有效的減少工程的工作量，整體的技術(shù)也是更加方便操作，工程用地也能夠有效減少。

制作沉井前，地基必須有足夠承載力，以防止沉井混凝土澆筑過程中發(fā)生不均勻沉陷而造成井體開裂和沉井傾斜。施工前應(yīng)精心作好施工組織設(shè)計，采取相應(yīng)防范措施。注意地基土不受擾動，并采取有效地面排水措施避免積水浸泡；保持土體穩(wěn)定。

沉井結(jié)構(gòu)平面圖和剖面圖見圖1，圖2。

本工程沉井下沉采用不排水下沉，采取C20毛石混凝土水下混凝土封底。封底后，鑿除表面浮漿，再鋪以素混凝土墊層找平，最后澆筑混凝土底板。下沉前預(yù)留洞用磚砌體或其他方法封堵。

3 結(jié)語

近年來，河道水環(huán)境成為社會關(guān)注的熱點問題，同時隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，污水收集系統(tǒng)也是在逐步完善中，污水倒虹管設(shè)計穿越河道是污水管道設(shè)計中常見的問題。隨著人們生活水平的提高以及養(yǎng)護(hù)手段的不斷升級，倒虹管因堵塞問題導(dǎo)致的故障也會比以前減少，而且設(shè)計雙管而采用的閘門井實際應(yīng)用中問題頗多，所以建議一般河道倒虹管采用一根管道過河即可。在本市的一些管道工程中，遇到基坑如頂管工程頂管坑等，一般采用SMW工法施工頂管坑。沉井因為施工周期長，技術(shù)要求高，其施工完成后占地面積大，尤其是在市政道路上占地面積過大會對日后其他管線的敷設(shè)造成很大影響，所以在管道工程中使用不多。但是倒虹井卻是非常適合選用小型沉井。