青岛高新区某污水干管设计探讨

2013-08-07姚智文

城市道桥与防洪 2013年10期

关键词：沉井顶管沟槽

卢钢,于丹,姚智文

（青岛市市政工程设计研究院有限责任公司，山东青岛 266071）

0 前言

污水干管管径大、埋设深、投资大，是污水系统的重点和难点。其建设不仅受地形、地质等工程因素影响，同时受技术经济指标约束，不同条件下差异较大。

青岛高新区近期新建一条污水干管，管径DN1800，埋深介于9～12 m之间。工程所处区域为滨海浅滩，地质情况复杂，限制因素较多，经反复论证确定最终实施方案。现将主要内容和重点简述如下，希望对类似项目有所借鉴。

1 工程概况

1.1 基本情况

青岛现有污水厂位于高新区核心区，紧邻景观水系，处理能力已饱和，不能满足污水排放要求，基于此，计划在下游生态湿地内选址新建。为此，需建设一条污水干管将现状污水处理厂污水输送至下游新建污水处理厂，污水管道全长约2 100 m。具体工程位置如图1所示。

图1 工程位置图

1.2 沿线地质

地形、地貌：原地貌为滨海浅滩，后经人工改造为盐田，近期对场区进行回填形成。污水干管位于道路外侧的绿化带，地形平坦，介于4～5 m之间；沿线穿越两条河道，宽度为120 m和305 m；上部绿化为近期新建。

岩土层特征：场区沿线钻探揭露范围内地层结构较简单，层序清晰，第四系主要由全新统人工填土层、全新统海相沉积层和沼泽化层及上更新统洪冲积层组成，下覆基岩主要为白垩系青山群安山岩和泥质粉砂岩（见表1）。

地下水：稳定水位埋深0.00～4.30 m，绝对标高为0.99～3.19m，根据区域调查资料，地下水位年变幅1～2 m；地下水对混凝土具强腐蚀性；对钢筋混凝土中的钢筋在干湿交替的环境下具强腐蚀性。

2 常规方案

管道的埋深越大，则造价越高，施工周期也越长。进行污水干管的规划、设计时，首先应根据技术经济指标及施工方法确定最大允许埋深。若采用开挖施工，一般条件下，干燥土壤环境中，最大埋深不超过7～8 m；在多水、流砂、石灰岩地层中不超过5 m。以此为基础制定了以下设计方案：在现有管网末端设置提升泵站，以压力管形式向下游转输，下穿两个河流后转为自流，以重力流形式排入下游新建污水厂。

该方案优点：管道投资节省；施工简便；施工周期短。缺点：需设提升泵站；泵站位于污水系统末端，规模大（18万t/d）、投资及运行费用高；泵站占用土地，并对周边土地价值产生影响；下游新建污水厂为地下式，进水口很低，污水提升后再跌落进入，能耗浪费。该方案缺点明显，汇报后即予否定，继而进行深埋方案的施工论证。

表1 岩土层特征一览表

3 推荐方案

为合理确定方案，选取开挖施工和顶管施工进行比选。

3.1 工程影响因素分析

（1）广泛分布的淤泥质粉质粘土层，呈流塑～软塑状态，边坡稳定性差，无法自然放坡，且支护困难；（2）沟槽过深，开挖及回填困难；（3）管底多位于淤泥质粉质粘土层，承载力低不适合作为持力层；（4）管道上部为重点打造的河道水系景观，效果好、成本高；（5）管道一侧为交通主干道，交通量大，且多为重型车辆。

3.2 开挖施工方案（见图2）

图2 开挖施工断面图(单位：m)

（1）为减小对道路影响，将污水干管位置向远离道路一侧平移；（2）将沟槽顶部绿化及素填土、杂填土层清除，减小沟槽深度；（3）沟槽两侧打拉森钢板桩，并开挖沟槽深度的一半；（4）在管道两侧打入第二排打拉森钢板桩，开挖至管底；（5）砌筑管基（位于淤泥质粉质粘土层的管道先抛石，形成复合地基）；（6）按照常规工艺进行管道铺设、检查井砌筑及沟槽回填，随之拔除拉森钢板桩；（7）完成地表回填及绿化修复。（注：过河段围堰施工。）

3.3 顶管施工（见图3）

图3 顶管施工横断面图(单位：m)

（1）结合管道检修需要和顶管施工技术，调整检查井间距；（2）将沉井周边绿化迁移或拆除后井点降水，实施沉井；（3）选用泥水平衡式顶管机顶进施工；（4）沉井内管道安装及检查井砌筑；（5）完成沉井回填及绿化修复。

两种方案投资概算如下：开挖约1.9万元/m，包含了土方、支护、管道敷设和管线、绿化恢复等；顶管约2.05万元/m，包含了沉井、管道顶进、注浆、土方和绿化恢复等。

4 方案比选

4.1 开挖施工

优点：施工工艺相对简单；工作面长、施工周期短。

缺点：（1）管道紧邻主干路，影响区域交通；（2）开挖施工将沟槽土体卸载，加之沟槽两侧土体差异较大（一侧路基、一侧绿化），易造成土体开裂，破坏路基；（3）破坏了原有土体均匀性和整体性，回填材料在土质、含水率和密实度方面与原土差异明显，土体沉降差异明显，易导致管道荷载变化，产生不均匀沉降或侧移，破坏管道密闭性，地下水入渗；（4）沟槽开挖及回填需大量运输土方，加之绿化破坏，将对周边环境产生负面影响；（5）施工受管线迁改、降雨等因素制约，工程实施存在不确定性。

4.2 顶管施工

优点：（1）对现有道路、管线及绿化影响较小，施工限制因素少；（2）机械化、自动化程度高，质量有保障；（3）不改变现有地质，管道与周边土体衔接紧密，稳定性好；（4）管道采用F型钢承口橡胶圈接口，接口紧密，闭水效果好；（5）产生的噪音、扬尘等影响较少，环境友好。

缺点：（1）施工工艺相对复杂，受沉井施工及设备转场影响，施工周期较长；（2）地质情况复杂，施工存在不确定性[1～2]。

4.3 方案比选

两方案各具优势难以取舍，为此就其能否更好地适用高新区特殊的地理情况比选：（1）高新区原为滨海浅滩，地下水氯离子含量高且具有腐蚀性，地下水入渗，将对下游管网及污水厂造成严重影响（如腐蚀管道及设备、杀死微生物等），管道密闭性格外重要。（2）结合周边地质情况，工程所处地质情况复杂、变化大，实际情况难以预计，开挖施工存在较大的不确定性。（3）高新区是青岛市重点打造的第三代新城，生态优先和环境友好是城市发展的基本原则。

从质量、安全及环境因素出发，选用顶管施工方案。

5 顶管施工设计重点

5.1 适用条件

顶管施工相比于开挖施工存在一定技术优势，但其使用范围相对较窄，采用时必须进行细致论证：（1）顶管使用于管径较大的管道，一般情况下不小于DN900；（2）需选用抗压强度较好的管材，如顶管专用混凝土管、玻璃钢管等；（3）管道顶进过程中对周边土体产生扰动，因此在确定管道外侧一定范围内无管线或其它重要设施时，方可使用；（4）针对不同地质条件有多种设备可以选择，但当管道位于差异很大的两种地层之间时，无法使用[3]。

5.2 提升经济性的措施

沉井是顶管施工中投资最大的部分，以该项工程为例，约占总投资的15%～20%。沉井投资大是因为：（1）尺寸大。沉井分两种：工作井、接收井。根据《给水排水工程顶管技术规程》，该项工程工作井径净尺寸为L1×B1×H1=8.2 m×4 m×H1；接收井净尺寸为 L2×B2×H2=6 m×4 m×H2；直线段采用矩形井，折线段采用圆形井。（2）受力大。该项工程沉井深度为9～12 m，沉井壁需承受较大的土压力；另外，顶进设备的反作用力全部作用于沉井壁，荷载大，必要时还需对沉井外围土体进行加固[4～7]。

为节省投资应保证在不增加顶管施工难度前提下，尽量减少沉井数量。普通段检查井间距按照80 m控制；过河、过路段根据具体情况确定，最大顶进距离305 m。