寧國(guó)城北污水處理廠污水重力管巖層頂管工藝分析

汪 宏， 賀鵬鵬

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

1 工程概況

寧國(guó)市為拉開城市建設(shè)框架，將現(xiàn)狀位于城市核心區(qū)的污水廠，遷擴(kuò)建至城市邊界北端，如圖1所示。新建寧國(guó)城北污水處理廠規(guī)模為近期污水處理能力5萬(wàn)m3/d，遠(yuǎn)期擴(kuò)建至10萬(wàn)m3/d，場(chǎng)外新建污水提升泵站1座，新建污水主干管D1 000～1 400約12.48 km。由于皖南城市河谷地形中崗沖相間的特點(diǎn)，新建城北污水處理廠的場(chǎng)外管網(wǎng)需穿越包家山、石灰山兩座山丘。前期對(duì)于穿越兩座山丘，分別進(jìn)行“泵站+壓力管”及“污水重力管巖層頂管”等多方案比選，最終從后期運(yùn)維及管養(yǎng)等多因素考慮，采用污水重力管巖層頂管方案。

圖1 項(xiàng)目布置圖

設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)于穿越山體的污水重力管巖層頂管工藝進(jìn)行多方案比選，最終確定“單管+套管”的穿越方式。項(xiàng)目現(xiàn)已建成運(yùn)行，筆者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施實(shí)際，對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)思路及做法進(jìn)行一定的歸納總結(jié)，以供大家探討。

2 基礎(chǔ)條件

2.1 工藝要求

穿越包家山段巖層頂管長(zhǎng)度 510 m，套管管徑D3 000，內(nèi)部輔管管徑D1 400；穿越石灰山段巖層頂管長(zhǎng)度293 m，套管管徑D3 000，內(nèi)部輔管管徑D1 400。兩處穿山頂管兩端設(shè)置工作井及接收井，內(nèi)部通道設(shè)施包括通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及后期檢修檢查井。

2.2 地質(zhì)

所穿越的包家山段為中風(fēng)化砂巖(40～80 MPa)；所穿越的石灰山段為中風(fēng)化灰?guī)r(40～75 MPa)。進(jìn)出山段存在地質(zhì)分層裂隙，需采用注漿加密處理。

2.3 水文

基巖地下水類型主要為碎屑巖風(fēng)化裂隙水、構(gòu)造裂隙水。設(shè)計(jì)區(qū)域主要為地表水補(bǔ)給區(qū)，由于穿山頂管段設(shè)計(jì)標(biāo)高以上無(wú)地表河流發(fā)育，地下水主要受大氣降水入滲補(bǔ)給，并豎向和側(cè)向往鄰區(qū)徑流、排泄。此外，地下水位埋藏較深，勘察期間鉆孔中未見地下水位。

3 穿越方式的比選

由于本項(xiàng)目穿越山體段距離長(zhǎng)，包家山段管道平均覆土深度75 m，石灰山段管道平均覆土深度31 m，無(wú)法實(shí)現(xiàn)地面檢查井設(shè)置，為便于后期養(yǎng)護(hù)，設(shè)計(jì)采用兩種方式進(jìn)行比選，如圖2所示。

圖2 兩種穿越方案示意圖

(1) 方案一：?jiǎn)喂?套管。單套管內(nèi)部敷設(shè)輔管，設(shè)置人行檢修通道。內(nèi)部管道采用D1400離心澆筑玻璃鋼管，每隔80 m設(shè)置壓力檢修井，以滿足后期清通養(yǎng)護(hù)要求。

(2) 方案二：雙管+襯管。采用“一用一備”雙管設(shè)計(jì)方案，穿越2根D1800套管，內(nèi)部設(shè)置D1400離心澆筑玻璃鋼管作為襯管，沿線不設(shè)置檢查井。

管道施工采用頂管施工，頂管段管材采用鋼筋混凝土頂管專用管材，單節(jié)長(zhǎng)度2 m，雙橡膠圈F型接口。以穿越包家山為例，結(jié)合工程量分析，采用方案一穿越時(shí)，造價(jià)約為1 960萬(wàn)元；采用方案二穿越時(shí)，造價(jià)約為1 810萬(wàn)元。

表1 主要工程量對(duì)比表

雖然從經(jīng)濟(jì)性分析，方案二較優(yōu)，但方案二為2次穿越山體，施工風(fēng)險(xiǎn)翻倍，且D1800巖層頂管出現(xiàn)機(jī)頭事故，由于盾頭空間受限，無(wú)法更換。此外，經(jīng)后期與業(yè)主單位溝通，適當(dāng)增加方案一內(nèi)照明、通風(fēng)、監(jiān)控等附屬設(shè)施，將該段作為綜合管廊展示段，提升工程后期作為教學(xué)展示基地，將有利于擴(kuò)大項(xiàng)目的社會(huì)價(jià)值。因此經(jīng)綜合比較，最終選擇了采用方案一。

4 工作井及接收井設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目工作井及接受井采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制沉井。頂管工作井設(shè)計(jì)內(nèi)尺寸為10 m×8 m，接收井設(shè)計(jì)內(nèi)尺寸為8 m×6 m。施工完成后頂管井作為永久檢查井保留。因穿山頂管距離較長(zhǎng)，為確保檢修安全，檢查井設(shè)置排風(fēng)設(shè)備，確保穿管廊道內(nèi)通風(fēng)狀況良好，因此參考綜合管廊設(shè)備夾層做法，設(shè)置風(fēng)機(jī)夾層、地面設(shè)置風(fēng)亭。

具體設(shè)計(jì)方案為：在井內(nèi)設(shè)置高1.9 m、板厚400 mm的風(fēng)機(jī)夾層，用于安裝風(fēng)機(jī)設(shè)備，檢修通道設(shè)置上下爬梯及鋼梯，采用磚砌隔墻與排風(fēng)室隔離。頂板上設(shè)置2 700 mm(長(zhǎng))×1 800 mm(寬)吊裝孔。

檢查井內(nèi)玻璃鋼管與開挖段球墨鑄鐵管采用球墨鑄鐵檢查井連接，做法參考《重慶市綜合管廊管線(給排水、電力、通信、燃?xì)?標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集》(渝 18M02，DJBT150-116)中第2—45、46面的規(guī)定等，進(jìn)行定制采購(gòu)。

5 巖層頂管工藝

結(jié)合地質(zhì)特性，本項(xiàng)目為典型巖層頂管工藝，為節(jié)約成本，采用巖石二次破碎泥水平衡工藝。

5.1 原理

巖石頂管機(jī)采用盾構(gòu)機(jī)前端的切削布局，刀盤上裝備有6臺(tái)機(jī)電和8個(gè)油缸，配備數(shù)個(gè)高強(qiáng)合金滾刀、貝殼刀等。首先將其前面的巖石、較大的卵石進(jìn)行一次破碎，然后再由刀盤后錐形體和破碎條進(jìn)行二次破碎，使其卵石或北切削巖石粒徑小于3 cm后，最后通過(guò)高壓砂石泵將碎屑、泥水輸送到工作井外。

5.2 組成

主要由刀盤切削系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、殼體系統(tǒng)、糾偏系統(tǒng)、進(jìn)排漿系統(tǒng)、光靶系統(tǒng)、電器系統(tǒng)(機(jī)內(nèi)控制柜、操作臺(tái)、電纜)、顯示監(jiān)控系統(tǒng)組成。頂進(jìn)速度為0～200 mm/min；控制方式為PLC機(jī)外集中控制。

5.3 工藝

φ3 000泥水平衡混凝土頂管掘進(jìn)機(jī)由6臺(tái)45 kW電機(jī)通過(guò)減速機(jī)及大小齒輪傳動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)大刀盤對(duì)開挖面巖體進(jìn)行全斷面切削。頂進(jìn)時(shí)刀盤通過(guò)變頻調(diào)速來(lái)控制其轉(zhuǎn)速，根據(jù)開挖面泥水壓力變化來(lái)調(diào)整其切削量的大小，以滿足開挖面泥水壓力平衡的條件，從而起到控制地面沉降的作用。頂管機(jī)外形尺寸為φ3 640×5 480 mm，機(jī)頭重量約74 t。

5.4 頂進(jìn)速度

對(duì)于不同巖石強(qiáng)度，頂進(jìn)速度存在差異，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際實(shí)施情況，總結(jié)最不利頂進(jìn)速度，以供參考。

表2 不同巖石強(qiáng)度進(jìn)尺表

5.5 中繼間的設(shè)置

項(xiàng)目設(shè)計(jì)頂力計(jì)算雖然考慮了安全系數(shù)，但由于頂進(jìn)過(guò)程中涉及的因素非常多,頂力可能會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)控制范圍。為確保頂進(jìn)時(shí)安全，當(dāng)總推力達(dá)到中繼間允許頂力的60%時(shí)，即需安放第一個(gè)中繼間。而當(dāng)主頂油缸達(dá)到中繼間允許總推力的80%時(shí)就必須啟用中繼間。本工程中繼間設(shè)計(jì)頂力為12 000 kN，位于頂距300 m處，實(shí)際頂進(jìn)時(shí)與前期設(shè)計(jì)基本一致。

中繼間設(shè)計(jì)采用組合密封中繼間，實(shí)現(xiàn)密封裝置可調(diào)節(jié)、可組合、可在常壓下對(duì)磨損的密封圈進(jìn)行調(diào)換，以應(yīng)對(duì)在高水頭、復(fù)雜地質(zhì)條件下由于中繼間密封圈的磨損而造成中繼間滲漏問(wèn)題。

5.6 注漿

頂管完成后及時(shí)對(duì)管道外壁進(jìn)行充填加固，把原注入的膨潤(rùn)土漿置換掉。使用的泥漿置換材料為水泥漿液，水灰比為1.0。通過(guò)管道內(nèi)部的壓漿孔壓注，注漿次數(shù)不少于3次，2次間隔時(shí)間不大于24 h。每2節(jié)混凝土管編為1組，分為注漿孔與排漿孔。將注漿泵清洗干凈，吸漿龍頭放入灰漿池內(nèi)，開啟注漿泵，打開第1組注漿孔，當(dāng)?shù)?組排漿孔冒出灰漿后，關(guān)閉閥門，再打開第2組，以此類推，直到全線完成。再關(guān)閉所有閥門，保壓30 min，保壓時(shí)注漿壓力為1～2 MPa。

6 頂管內(nèi)輔管安裝工藝

D3000頂管完成后，內(nèi)部空間敷設(shè)D1400管道難度仍較大，因此擯棄常規(guī)混凝土管、球墨鑄鐵管等笨重管材，以及防腐性能較差的鋼管和大直徑穩(wěn)定性較差的塑料管，輔管選用輕質(zhì)、剛性的離心澆筑玻璃鋼管。輔管安裝方式可采用“頂推+牽引控制法”，采用120 t液壓頂管機(jī)頂推D1400輔管，同時(shí)用10 t電動(dòng)絞車(慢速牽引機(jī))牽引，控制連續(xù)輔管軸線實(shí)現(xiàn)管節(jié)姿態(tài)調(diào)整，精確內(nèi)穿管道，如圖3所示。管道牽引速度不宜大于0.15 m/s。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)穿輔管圖

7 結(jié)束語(yǔ)

寧國(guó)城北污水處理廠污水重力管巖層頂管已通水運(yùn)行近1年，施工期間控制、后期運(yùn)維總體狀況良好。筆者整理前期項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，對(duì)巖層頂管的穿越方式比選、工作井及接收井工藝、巖層頂管工藝、頂管內(nèi)輔管安裝等方面進(jìn)行論述，以供后期工程參考、改進(jìn)，希望進(jìn)一步促進(jìn)非開挖技術(shù)的推廣與應(yīng)用。