污水管道穿越南水北調(diào)中線工程恢復(fù)設(shè)計(jì)

□蘆子卿

2015年10 月，巡線時(shí)發(fā)現(xiàn)石家莊市杜北大街污水倒虹吸下游側(cè)左岸污水管道斷裂、鋼筋混凝土套管局部受損破壞，并造成穿越位置附近南水北調(diào)中線總干渠襯砌板隆起、位移等。針對(duì)杜北大街污水倒虹吸的受損狀況，為保證總干渠工程安全和運(yùn)行安全，對(duì)污水管道進(jìn)行恢復(fù)處理至關(guān)重要。工程于2015年開工建設(shè)，2016年建成并投入使用，目前運(yùn)行情況良好。2015年8月至2016年3月，從事石家莊市南水北調(diào)工程前期規(guī)劃設(shè)計(jì)等相關(guān)工作，參與了污水管道穿越南水北調(diào)中線工程恢復(fù)設(shè)計(jì)，現(xiàn)將設(shè)計(jì)工作予以回顧總結(jié)，以其與類似工程建設(shè)交流并提供參考。

1.設(shè)計(jì)原則

一是穿越或跨越工程布置和建設(shè)應(yīng)不影響中線干線工程的建設(shè)、運(yùn)行和管理。

二是恢復(fù)工程規(guī)模、工程等別及建筑物等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)等與按原設(shè)計(jì)一致。

三是方案設(shè)計(jì)切實(shí)可行，既能實(shí)現(xiàn)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，又便于維護(hù)管理。在保證工程安全的前提下，最大限度減少投資。

四是管材選擇在設(shè)計(jì)、安裝等方面應(yīng)考慮安全性和可操作性，技術(shù)可行經(jīng)濟(jì)合理。

五是應(yīng)考慮施工的便利性，保證工期。

2.總體方案

杜北大街污水管線穿越南水北調(diào)中線總干渠恢復(fù)工程其穿越形式只能采用跨越或下部穿越的形式通過。提出3個(gè)管道恢復(fù)設(shè)計(jì)方案：一是以修補(bǔ)為指導(dǎo)思想的就地修復(fù)方案；二是在原位重建污水倒虹吸（雙孔箱涵作為管道保護(hù)結(jié)構(gòu)）方案；三是換位新建倒虹吸頂管方案。根據(jù)總干渠通水目標(biāo)及安全運(yùn)行要求，方案一和方案二難以滿足要求，方案三需要進(jìn)一步完善穿越設(shè)計(jì)，進(jìn)一步比選污水管道穿越地點(diǎn)和具體施工方案。根據(jù)穿越處地基條件和施工場地條件，補(bǔ)充定向鉆方案與頂管方案比選。

經(jīng)現(xiàn)場勘查和結(jié)合工程所在地地質(zhì)鉆探資料，對(duì)定向鉆方案進(jìn)行分析：根據(jù)南水北調(diào)中線干線工程專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《其他工程穿越或跨越南水北調(diào)中線干線工程設(shè)計(jì)技術(shù)要求》第5.1.10規(guī)定：“采用定向鉆方式時(shí)，對(duì)于全填方渠段，管頂埋深不應(yīng)小于地面線以下10m；挖方及半挖半填渠段，管頂埋深不應(yīng)小于渠底以下10m”，污水管道穿越總干渠部位渠底標(biāo)高為70.09m左右，若采用定向鉆施工穿越管道中心標(biāo)高必須位于標(biāo)高59.8m以下，而穿越部位地質(zhì)條件為卵石層，定向鉆施工難于成孔，因此不推薦定向鉆方案。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在污水管道上游25m處建有杜北西橋梁，該橋梁上部結(jié)構(gòu)為(30+40+30)m等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，梁高2m，箱梁底板寬5m，頂板總寬9m，翼緣板懸臂長2m。下部結(jié)構(gòu)橋墩為雙柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，墩柱直徑1.4m，高11.6m，樁基直徑1.5m，設(shè)計(jì)樁長32m；橋臺(tái)為樁接蓋梁式橋臺(tái)，樁基直徑1.5m，設(shè)計(jì)樁長28m。橋梁橫向布置為：7m（行車道）+2×1m（人行道）。橋梁汽車荷載等級(jí)為公路-Ⅱ級(jí)，人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值為3.5kN/m2。人行道寬1m，采用整體式澆筑，污水管道有沿杜北西橋跨越總干渠的條件，因此污水管道恢復(fù)方案對(duì)利用杜北西橋敷設(shè)管道跨越方案和頂管下穿總干渠方案進(jìn)行比選。

3.管材選擇

根據(jù)恢復(fù)工程的重要性，所選擇的管材應(yīng)為整體性連接的承壓管道。因此，適用于工程的管材主要有：焊接鋼管、給水PE管和鋼絲骨架PE管。

3.1 焊接鋼管

優(yōu)點(diǎn)：鋼管材質(zhì)較輕，可設(shè)計(jì)行強(qiáng)，加工使用靈活方便，可承受較高的內(nèi)壓力。

缺點(diǎn)：耐腐蝕性差，防腐做法麻煩。防腐層施工的質(zhì)量是影響焊接鋼管壽命的主要因素。

3.2 給水PE管

PE管是由80級(jí)以上聚乙烯擠出而成，管材壽命長、無毒、韌性好，有較好的疲勞強(qiáng)度和抗沖擊性能，脆化溫度可達(dá)-70℃。

優(yōu)點(diǎn)：管材連結(jié)方式為整體熱熔焊接。施工安裝極為方便。適用于輸送溫度不高于60℃的介質(zhì)。

缺點(diǎn)：耐溫性較差，抗紫外線能力弱。

3.3 鋼絲骨架PE管

鋼絲骨架PE管：鋼絲網(wǎng)骨架PE管是以高強(qiáng)度鋼絲左右螺旋纏繞成型的網(wǎng)狀骨架為增強(qiáng)體，以聚乙烯(PE)為基體，并用高性能的HDPE改性粘結(jié)樹脂將鋼絲骨架與內(nèi)、外層高密度聚乙烯緊密地連接在一起的一種新型管材。具有鋼管和塑料管的雙重優(yōu)勢。

優(yōu)點(diǎn)：管道內(nèi)壁光滑，接口為熱熔焊接，整體性好。

缺點(diǎn)：耐溫性較差，抗紫外線能力弱。

結(jié)合工程實(shí)際情況，新建污水管位于北杜西橋人行道下部，橋面車輛及行人通行必然會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生振動(dòng)等影響，且管道敷設(shè)于人行路面下，溫度變化及紫外線照射等因素勢必會(huì)加快化學(xué)管材老化的速度，因此恢復(fù)工程設(shè)計(jì)采用橋上敷設(shè)時(shí)管材采用焊接鋼管，鋼管采用涂塑復(fù)合管，管道內(nèi)、外壁防腐均采用噴涂涂EP涂料的防腐做法；采用倒虹吸方案時(shí)管材采用PE管。

4.管道根數(shù)

根據(jù)工程實(shí)際情況，污水管線沿杜北西橋跨越架設(shè)方案時(shí)，具備管道事故情況下的檢修條件，污水管線可不考慮備用關(guān)系，因此新建污水管道數(shù)量為單根鋪設(shè)；而采用倒虹吸方案時(shí)，根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，采用2根管道。

5.工程設(shè)計(jì)

5.1 倒虹吸布置

根據(jù)總干渠通水及施工工期要求，原污水管道處僅考慮拆除污水管道恢復(fù)總干渠，污水管道重新選址建設(shè)。

根據(jù)現(xiàn)場施工條件，新建污水管道倒虹吸選址于“京石段設(shè)計(jì)樁號(hào)239+180”處，與中線干渠正交，倒虹吸總長145.9m。倒虹吸由檢查豎井、倒虹管組成。倒虹吸兩端分別埋設(shè)管道與污水管網(wǎng)連接。

倒虹管為DN2000鋼筋混凝土套管+DN450 PE管芯，長132m，雙排布置，一備一用。DN2000鋼筋混凝土套管采用頂管施工。為滿足南水北調(diào)中線干渠底板以下管頂覆土不小于穿渠管道外徑2倍的要求，確定DN2000鋼筋混凝土套管管頂高程為64.7m。為確保倒虹吸套管防滲可靠，在鋼筋混凝土套管內(nèi)表面以及變形縫處內(nèi)外表面，均采用TB-水工高性能柔性材料進(jìn)行防滲處理。

倒虹管兩端分別設(shè)鋼筋混凝土檢修豎井，檢修豎井設(shè)在總干渠隔離網(wǎng)欄線外。結(jié)合頂管施工，兩端檢修豎井由頂管工作井和接收井改建而成。南岸豎井作為頂管工作井，結(jié)合施工布置，豎井凈尺寸為6.0m×8.6m（長×寬），深20.3m。北岸豎井作為頂管接收井，結(jié)合施工布置，豎井凈尺寸為4.0m×8.6m（長×寬），深23.1m。由于豎井緊鄰總干渠，不具備放坡大開挖條件，為減少豎井施工對(duì)總干渠的破壞影響，豎井開挖采用鋼筋混凝土灌注樁支護(hù)，開挖完成后，基坑內(nèi)側(cè)采用鋼筋混凝土襯砌，形成檢修豎井。鋼筋混凝土灌注樁直徑為0.8m，間距1.2m，南岸灌注樁嵌入基坑底部10.4m，北岸灌注樁嵌入基坑底部9.2m。灌注樁頂部設(shè)鋼筋混凝土冠梁，冠梁尺寸為0.8m×0.8m（寬×高）。井壁襯砌厚0.2m，底板厚0.5m。

由于頂管頂進(jìn)距離相對(duì)較長，頂進(jìn)時(shí)宜采取壓注減阻泥漿或涂抹非親水減阻劑方式減阻。套管頂進(jìn)完成后，應(yīng)從預(yù)留注漿孔采用壓注水泥漿方式密實(shí)管體與周圍土體間的空隙。工程沉降量要求控制在1cm內(nèi)。

5.2 倒虹吸設(shè)計(jì)

5.2.1 豎井尺寸

豎井尺寸結(jié)合頂管施工確定，根據(jù)《土壓平衡和泥水平衡頂管工程施工技術(shù)規(guī)程》（J10452-2004），工作井尺寸按下式計(jì)算：

工作井底部寬度：B=D+B1

工作井底部長度：L=L1+L2+L3+L4+L5

式中：

D—管道外徑（m），2.4+2.4+2.0=6.8m；

B1—操作寬度，可取1.8～3.2m，此工程取1.8m；

L1—頂管機(jī)頭長度（m），0.8m；

L2—管節(jié)長度（m），3.0m；

L3—運(yùn)土工作間長度（m），泥水平衡法為0；

L4—千斤頂長度（m），1.2；

L5—后背墻的厚度（m），包括橫木、立鐵、橫鐵取0.8m；

經(jīng)計(jì)算：B=6.8+1.8=8.6m，設(shè)計(jì)取8.6m。

L=0.8+3+0+1.2+0.8=5.8m，設(shè)計(jì)取6.0m。

接收井寬度應(yīng)與工作井相同，長度宜為4～6m，此工程取4m。

因此南岸豎井凈尺寸確定為6.0×8.6m（長×寬），北岸豎井尺寸為4.0×8.6m（長×寬）。

5.2.2 鋼筋混凝土灌注樁設(shè)計(jì)

嵌固深度計(jì)算。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》，對(duì)于均質(zhì)黏性土及地下水位以上的粉土和砂類土，多層支點(diǎn)排樁的嵌固深度h0可按下式確定：

式中：

n0—嵌固深度系數(shù)，由內(nèi)摩擦角及粘聚力系數(shù)查表，此工程為0.4；

h—基坑開挖深度（m），此工程中南岸豎井為23.6m，北岸為20.8m；

嵌固深度的設(shè)計(jì)值hd可按下式確定：

經(jīng)計(jì)算，南岸混凝土灌注樁的嵌固深度為10.38m，設(shè)計(jì)取10.4m，灌注樁總長34m；北岸為混凝土灌注樁的嵌固深度為9.15m，設(shè)計(jì)取9.2m，灌注樁總長30m。

灌注樁整體穩(wěn)定驗(yàn)算。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》，灌注樁整體穩(wěn)定驗(yàn)算采用圓弧滑動(dòng)瑞典條分法進(jìn)行計(jì)算，借助于《理正深基坑計(jì)算軟件》計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，南岸和北岸整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks分別為1.383和1.374，均大于1.3，滿足要求。

內(nèi)力及配筋計(jì)算。基坑開挖過程中，設(shè)多層內(nèi)支撐，每層內(nèi)支撐由環(huán)梁和內(nèi)撐組成，使灌注樁、環(huán)梁和內(nèi)撐形成整體框架結(jié)構(gòu)。借助于《理正深基坑計(jì)算軟件》計(jì)算，內(nèi)力計(jì)算成果見表1。

表1 灌注樁內(nèi)力計(jì)算成果表

灌注樁樁徑設(shè)為0.8m，混凝土等級(jí)采用C40，鋼筋采用HRB335級(jí)鋼筋。

5.2.3 頂力計(jì)算

根據(jù)《土壓平衡和泥水平衡頂管工程施工技術(shù)規(guī)程》（J10452-2004），泥水平衡頂管中，頂力按下式計(jì)算：

式中：

F—總頂力（KN）；

F0—初始頂力（KN）；

f0—每米管子與土層之間的綜合摩擦阻力（KN/m）；

L—頂進(jìn)長度（m）；

α—綜合系數(shù)，此工程為砂性土，取2.0；

pe—土倉的壓力（KPa），應(yīng)控制在主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力之間，此工程取靜止土壓力；

D—管道外徑（m），2.4；

R—綜合摩擦阻力（KPa），取10；

SL—管道外周長（m）；

W—每米管子的重力（KN/m）；

f—管與土的摩擦系數(shù)，取0.5。

經(jīng)計(jì)算，頂力為14334.05KN。

5.2.4 頂管沉降計(jì)算

頂管沉降計(jì)算采用Peck公式計(jì)算，地表最大沉降量按下式計(jì)算：

式中：

smax—地表最大沉降量，m；

Vl—地層損失率，根據(jù)相關(guān)地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)取1.0%；

D—頂管外徑，m；

K—沉降槽寬度參數(shù)，根據(jù)相關(guān)地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)取0.3；

z0—地表至頂管中心的距離，m。

由上式可知，地表沉降量隨頂管埋深的增大而減小，取埋深最小的總干渠渠底進(jìn)行驗(yàn)算。經(jīng)計(jì)算，地表最大沉降量為0.009m。

6.方案特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：施工周期制約因素相對(duì)較少，在渠道輸水的情況下仍然可以照常施工，不影響南水北調(diào)主干渠正常運(yùn)行。

缺點(diǎn)：一是北岸倒虹吸豎井及豎井外管道鋪設(shè)，需要重新征地，并涉及到房屋拆遷。工程投資較大。二是對(duì)施工設(shè)備、技術(shù)、質(zhì)量要求較高。頂管兩側(cè)工作井較深，分別為21.4m和24.2m。由于工作井靠近主干渠，不具備放坡大開挖條件，需要支護(hù)，進(jìn)行垂直開挖。頂管頂距相對(duì)較長，為132m，且地層為中砂層，頂進(jìn)阻力較大，容易坍塌。沉降要求較高，防水要求較嚴(yán)。三是由于兩岸豎井較深，運(yùn)行期間的巡檢及維護(hù)相對(duì)較困難。