白家波 王巨濤

　　簡 介：本文簡要介紹了鄭州市污水處理廠進廠污水干管頂管工藝的設(shè)計過程，概括了采用土壓平衡法機械頂管新技術(shù)敷設(shè)特大口徑污水管道的設(shè)計思路及其所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和社會效益。
　　關(guān)鍵詞：特大口徑管道 土壓平衡法 機械頂管

　　一、工程概況：

　　鄭州市污水處理廠工程是國務(wù)院淮河流域水污染防治重點工程之一，是利用第四批日本協(xié)力基金貸款和國內(nèi)配套資金進行建設(shè)的環(huán)境治理、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程項目，被列為河南省和鄭州市的重點工程。鄭州市汗水處理廠是淮河流域水污染防治最大的工程建設(shè)項目，該廠總服務(wù)面積可達105平方公里，50%以上的鄭州市市區(qū)污水均匯集于此，項目總建設(shè)規(guī)模為82萬噸/日；其中污水廠一期工程建設(shè)規(guī)模為40萬噸/日，工程總投資75749萬元，而進廠污水干管則按遠期規(guī)模一次性投資建成，項目投資超過13000萬元。
　　進廠污水干管設(shè)計采用土壓平衡法機械頂管新技術(shù)，該工藝設(shè)計及施工均為國內(nèi)地區(qū)所首次采用，設(shè)計標(biāo)準標(biāo)準高、技術(shù)難度大。進廠干管全長8055m，其中d2600污水管長約4585m，d3000污水管長約3470m，頂管用工作坑全部采用鋼筋混凝土沉井形式共設(shè)計有頂管工作井20座，頂管接收入井21座，平均頂距200m左右，設(shè)計最長頂進距離近400m。目前鋼筋混凝土沉井已制作完畢并全部下沉到位，d2600管道已成功頂進總?cè)蝿?wù)量的95%以上，而d3000管道現(xiàn)已全線貫通。

　　二、設(shè)計思路：

　　（一）、設(shè)計方案選定：
　　鄭州市污水處理廠進廠干管工程設(shè)計采用特大口徑污水管道，因其為污水廠唯一的輸水干管，是整個工程項目的重中之重，已成為污水廠能否順利建成通水的制約性因素。干管起端位于鄭州市的的東出口并需下穿107國道等，由于城市出入口和國道交通均十分繁忙，工程在很大程度受到國道及市區(qū)出入口交通路專用線、地下光纜及其他市政管線等重要的地需的建筑和公用設(shè)施需要在施工中妥加保護；另外特大污水管道因其體積和重較大，吊、運十分不便，而管線線路較長且需橫穿多個行政區(qū)界，沿線的自然條件、地質(zhì)狀況等變化較大；地下水位偏高，土壤含砂量大，管道埋設(shè)較深（4--9m)，且工期緊，任務(wù)量大，工程質(zhì)量要求高等；以上種種不利因素均使工程的設(shè)計及施工難度大大增加。傳統(tǒng)施工方法如開槽、人工掘進頂管等施工技術(shù)簡單機械化及文明施工程度低，受地下水及天氣變化等外界因素影響較大，另外溝槽的支撐與下管（d>2000時)等方面的矛盾目前尚無法解決,因其所存在的致命缺陷,故本工程用傳統(tǒng)施工方法根本無法順利實施。而機械頂管工藝相對于本工程則存在著十分顯著的優(yōu)點：
　　1、技術(shù)先進，施工速度較快，晝夜平均頂進10--15m，一次性連續(xù)頂進距離最長可達500m以上；
　　2、施工質(zhì)量好，能自動糾偏，其上下和左右的偏差均能控制在規(guī)范允許范圍之內(nèi)；管道采用“F”型柔性接口，接口嚴密不易滲漏；頂管掘進機頭在頂進中間不會造成超挖；頂進過程中通過壓注觸變泥漿可形成的漿套使頂進阻力大大降低，且漿體可使管壁與周圍土體結(jié)合緊密，不易造成地面塌陷；
　　3、施工技術(shù)比較成熟，上海等地已有許多成功的經(jīng)驗，并可為施工提供成套的技術(shù)和設(shè)備；
　　4、不受地下水位的限制，施工過程只需局部降水，除沉井施工中需降水外，管線頂進過程則不需要降水，故因降水造成的房屋建設(shè)裂縫、危及居民安全等現(xiàn)象可大為減少；
　　5、能大量節(jié)約勞動力，一套頂管掘進設(shè)備晝夜輪班作業(yè)只需50人左右就可完成，可大大減少周轉(zhuǎn)材料的投入；
　　6、文明施工程度高，因所出土泥僅是管道所占的空間，出土量少且無須溝槽回填，故所出泥土可及時運走，不在現(xiàn)場千萬造成泥土堆積；現(xiàn)場干凈利落，不堆放周轉(zhuǎn)材料和其它雜物；
　　7、工程施工占地少，拆遷量小，拆遷賠償大量減少，施工占地和青苗補償費用大大降低；幾乎不受地形地貌變化的限制；
　　8、能解決一些其他施工方案難以解決的難題；能夠避開一些難以拆遷的地面障礙，如穿超107國道、鐵路專用線等；施工期間道路不斷行，可基本保證鄭汴路的正常通行等；
　　9、能較好解決國家對非農(nóng)業(yè)占用耕地控制嚴格與項目建設(shè)需求間的矛盾；施工期間除必要的運輸通道和頂管工作坑需要臨時占地外，其余的農(nóng)田均可照常耕作；
　　10、頂進機械可改徑，改徑時只需更換外殼，機械內(nèi)部的主要部件可通用；
　　11、工程造價相對較低，與大開挖法比較可節(jié)約建設(shè)資金20%左右。
　　同時該工藝也暴露出如下缺點：
　　1、施工所需機械設(shè)備及操作技術(shù)較為復(fù)雜，需購置專用頂管設(shè)備并進行專項技術(shù)學(xué)習(xí)和培訓(xùn)；
　　2、需增加制管設(shè)備和引進制、頂管技術(shù)；
　　3、頂管工作井、接收入井所占空間較大，單體造價較高。
　　從以上對比可以看出：機械頂管工藝在國內(nèi)尚屬領(lǐng)先技術(shù)，可有效彌補其他傳統(tǒng)施工方法的不足，加上其經(jīng)濟適宜、方便快捷的特點，使該工藝設(shè)計成為首選。根據(jù)工程、地質(zhì)特點和現(xiàn)實情況，最終確定污水進廠干管全部采用土壓平衡法機械頂管工藝進行建設(shè)，頂管機械選用大刀盤削土土壓平衡式頂管掘進機頭及管疲乏頂進設(shè)備。
　　（二）、頂力、頂距的確定：
　　頂力和頂距是一對矛盾統(tǒng)一體，且均與工程造價存在著密切的聯(lián)系，它們是管道及沉井設(shè)計的關(guān)鍵性參數(shù)，對結(jié)構(gòu)計算將產(chǎn)生直接的影響，同時也決定了沉井的數(shù)量，從而影響到工程造價。頂進過程最理想的狀態(tài)是以最小的頂力來實現(xiàn)最大的頂距，使沉井?dāng)?shù)量減至最低，從而達到最佳經(jīng)濟效果；從而實際上隨著頂距的逐漸加大和沉井?dāng)?shù)量的相應(yīng)減少，必然伴隨著頂力的逐步提高，這對于頂進設(shè)備及管、井結(jié)構(gòu)必然提出更高的要求，從而導(dǎo)致工程費用發(fā)生變化，而頂力又是受結(jié)構(gòu)極限承壓力和設(shè)備本身控制的，不可能無限制增大；反之，頂距及頂力的減小固然可降低對結(jié)構(gòu)及設(shè)備本身的要求，但將直接導(dǎo)致沉井?dāng)?shù)量的增加；同時它們還會受到不同地條件和土壤情況的限制，加上時間、技術(shù)等其他制約因素，頂力和頂距及其經(jīng)濟指標(biāo)等在一定情況下必然可達到一個最佳契合點或最優(yōu)值。為使優(yōu)化過程進一步簡化，實際運用中首先根據(jù)實際經(jīng)驗、結(jié)構(gòu)承壓以及設(shè)備制作和操作能力等選取一個相對合理的固定頂力值作為實際控制頂力，以此為據(jù)來核算管道及沉井結(jié)構(gòu)斷面，再對照當(dāng)?shù)氐耐寥滥Σ料禂?shù)等因素，采用動態(tài)規(guī)劃的方法來確定實際頂進的能力即頂距的大小。
　　（三）、實際長距離頂進的措施：
　　在控制頂力不變的情況下，使管道頂進距離得到有效加長，是實現(xiàn)長距離頂進和減少沉井?dāng)?shù)量的唯一途徑；采取減阻和接力推進措施是兩種行之有效的辦法，兩種方法共同作用可使實際頂力明顯降低或使頂距進一步加長，通常是在頂進過程中壓觸變泥漿等潤滑劑和加設(shè)中繼間，其與頂力及頂距存在如下內(nèi)在關(guān)系：

　　通過加注一種以膨潤土礦為主要材料配置的頂管專用泥漿復(fù)合材料即觸變泥漿，使管道外壁和土層之間均勻充填一種液體潤滑介質(zhì)，便形成一個完事的泥漿套，可使土壤摩擦阻力大大減小，增加一次性頂進的距離；該工序的關(guān)鍵在于泥漿的配比和注、補漿技術(shù)，以求達到最好的減阻效果和漿套的完整。圖2所示為漿套形成過程中頂力、頂距的變化情況，一旦形成了完整的漿套，頂力的變化就趨于穩(wěn)定，隨著頂距的增加頂力卻沒有明顯未增加。另外，為實現(xiàn)長距離頂管的需要，在不增加頂力的條件下，頂進過程中考慮在每個井段間加設(shè)中繼間，通過逐級接力頂進可使頂管距離得到有效的加長，中繼間是由一組短沖程液壓油缸構(gòu)成的一節(jié)特殊鋼套管或一套專用管件組合，通過其作用可避免整條管道同時向前頂進，而是將管道分割成兩個或多個頂進分站，管道頂進所需總頂力則分別由各頂進分站所分攤，借助各頂進分站交替接力頂進，可使管道頂進達到相當(dāng)?shù)拈L度；但頂進距離過長其經(jīng)濟性也會隨之下降，因為只最前面的一個中繼間啟動時，頂進機頭才處于工作狀態(tài)，隨著頂進距離的加長和中繼間數(shù)量的增加，管道進尺將愈加緩慢，同時出土距離隨之加長、監(jiān)控測量難度相應(yīng)增大，頂管的總效率將大為降低；實踐證明，控制頂進距離在250米左右、中繼間個數(shù)不超過3個，無論是在頂進效率方面還是在時間保障等方面對本工程而言是合適的。
　　本次管道及工作井控制頂力選用9000——10000KN，均采用鋼筋砼材料。為實際長距離頂進，在頂管過程中采取壓漿等減阻措施，通常每個井段考慮加設(shè)1--2個中繼間，以實現(xiàn)逐級遞進接力頂進，頂進工程程序采用雙向頂進，如圖3所示：

　　（四）、結(jié)構(gòu)尺寸的選擇與確定：
　d2000以上的大口徑管道我們過去很少采用，內(nèi)地廠家也基本不生產(chǎn)，特別對于頂管所采用的d2600及d3000等物大口徑管道，由于在頂進過程中其受力情況十分復(fù)雜，管道結(jié)構(gòu)等級高，接口處理及制作要求均十分精細和嚴格，國內(nèi)也僅有上海、北京等地生產(chǎn)，長途運輸代價昂貴，因此設(shè)計制作出既適合本地區(qū)土質(zhì)特點又符合管道頂進要求的特種管道也是本次設(shè)計的一個重要內(nèi)容，它是工程施工的首要環(huán)節(jié)，既要求經(jīng)濟合理，又要確保萬無一失。
　　沉井作為進行頂管工作的重要場所和出入口，是同外界聯(lián)系的窗口和橋梁，其形狀、尺寸、受力、洞口處理等均對頂進過程產(chǎn)生直接的影響，也是頂管能否成功的關(guān)鍵所在。通過分析頂管施工過程中管道及沉井的受力特點，根據(jù)頂推設(shè)備、掘進機頭的大小、操作寬度以及頂力、頂距等方面的要求，初步擬定出沉井及管道的斷面形式及細部尺寸，然后通過各部參數(shù)進行框算，再依據(jù)計算結(jié)果調(diào)整結(jié)構(gòu)斷面及配筋量，經(jīng)過反復(fù)核算，力求使設(shè)計產(chǎn)品做到既經(jīng)濟合理又堅固耐用。
　　（五）、最終結(jié)構(gòu)尺寸確定
　　沉井設(shè)計根據(jù)其作用不同可分為頂管工作井和頂管接收入井兩種形式，按照形狀又可將其分為方形和圓形兩種形式；根據(jù)頂推設(shè)備、掘進機頭的大小、操作寬度以及頂力、頂距等方面要求，在設(shè)計中參考有關(guān)規(guī)范及文獻，依據(jù)優(yōu)化以后的頂力、頂距，采用有限無分析程序和自編的管道計算程序反復(fù)核算，最終確定沉井及管道的基本結(jié)構(gòu)尺寸如下：
　?。?）、方形頂管工作井內(nèi)尺寸為：
　　9000×5500mm（用于d2600管道），井壁厚度為800mm
　　10000×6000 mm（用于d3000管道），井壁厚度為800 mm；
　?。?）、方形頂管接收入井內(nèi)尺寸為：
　　6000—6500×5500 mm（用于d2600管道），井壁厚度為500 mm
　　6000×6000 mm（用于d3000管道），井壁厚度為500 mm；
　?。?）、圓形頂管工作井內(nèi)尺寸為：
　　Φ10000 mm，井壁厚度為1000 mm
　　（4）、圓形頂管接收入井內(nèi)尺寸為：
　　Φ75000 mm，井壁厚度為600 mm
　?。?）、d2600管道結(jié)構(gòu)尺寸為：
　　2600（直徑）×2500（長）×250（厚）mm；
　　（6）、d3000管道結(jié)構(gòu)尺寸為：
　　3000（直徑）×2500（長）×285（厚）mm

　　三、經(jīng)濟效益、技術(shù)效益、社會效益

　　該工程施工機械化水平高，可節(jié)省大量運輸車輛、設(shè)備及勞動力，據(jù)測算：修建1。6m的大型污水管道，若按3個月工期考慮，開槽法施工約需4500個勞力，而機械頂管法施工僅需50人就可完成，且土方工作量很少；與同類工程相比，在該項目中可節(jié)約建設(shè)資金2000萬元以上；通過優(yōu)化設(shè)備與施工工藝，增加頂進距離、加大井距，減少沉井16座，節(jié)省資金650萬元，經(jīng)濟效益顯著。
　　攻克了特大口徑機械頂管設(shè)計、施工方面的有關(guān)難題，計算機出圖率達100%，同時使設(shè)計人員的專業(yè)技術(shù)水平得到進一步提高，推動了河南省市政管道設(shè)、施工管理水平的發(fā)展，文明施工水平得到進一步提高，為今后的進一步發(fā)展奠定了物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)。
　　該設(shè)計做到了設(shè)計合理、方便施工，避免了常規(guī)施工方法對城市交通、過境及出入市車輛造成的不良影響，保護了重要交通設(shè)施和地面建筑，如107國道及高架橋、鄭汴路、七里河大橋、管城中醫(yī)院、繞城鐵路專用線等；作為污水處理廠的重要組成部分該工程將發(fā)揮巨大的社會和環(huán)境效益，其充分體現(xiàn)了河南省管道設(shè)計與施工的水準。

參考文獻：
余彬泉 陳傳燦《頂管施工技術(shù)》人民交通出版社
《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》中國建筑工業(yè)出版社
《頂進施工用鋼筋混凝土排水管結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)條件》審議稿
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《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GBJ69-84
《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》GB50286-97
《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GBJ10-89
《市政工程施工及驗收規(guī)程》上海市市政工程管理局1996

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作者單位：鄭州市政工程勘測設(shè)計研究院
地 址：鄭州市嵩山北路73號
郵政郵碼：450052