污水倒虹管设计及案例分析

邓 彩

(杭州市城建设计研究院有限公司上海分公司，上海 200030)

近年来，随着经济的发展，对水环境的重视，基础建设的不断完善，规划污水管网日臻完善，覆盖率也日渐提高。新建污水管道一般作为新建道路工程项目的一部分，与道路同步建设。由于江浙沪一带水系较发达，河道网较密，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，污水管道过河一般采用倒虹管的形式。上海地区的工程实例中，对于河道两侧倒虹井大多采用围护施工，且部分主管单位建议倒虹管设计中采用规范建议的两根管道过河，针对这两个问题，下面结合工程实例进行阐述分析。

1 倒虹管设计

1.1 倒虹吸原理

倒虹管是利用上下游管道的高差来克服污水在倒虹吸管道及进出水井的阻力损失。倒虹吸管设置首先应考虑污水管在河道两侧须有高差，以克服倒虹吸管阻力损失。倒虹管两侧的高差为总水头损失与进出水井水头安全系数之和，水头安全系数一般取0.1 m。

1.2 倒虹管根数

根据《室外排水设计规范》[1]4.11.1条，通过河道的倒虹管，不宜少于两条；通过谷底，旱沟或小河的倒虹管可采用一条。其条文解释：倒虹管宜设置两条以上，以便一条发生故障时，另一条可继续使用。平时也能逐条清通。通过谷地，旱沟或小河时，因维修难度不大，可采用一条。

由于倒虹管从河底以下穿过，且根据相关要求一般管道与河道净距需大于1 m，有些地方水务部分要求净距2 m以上，所以倒虹管一般埋深较深，一般大于6 m。故设计为两根倒虹管过河时，一般倒虹井设计为闸门井，以便于水流切换，发挥备用管道的功能。在实际的应用中，闸门井的设备平时基本处于闲置不用的状态且无人管理保养，若倒虹管发生故障，一般也是发生在管道运行数年之后，此时闸门也会因为老化等使用起来并不方便，有些甚至已经不能使用，更有甚者部分设备被偷，故闸门井并不一定能发挥其原设计的作用。而闸门井的占地一般比普通检查井大近2倍，造价高，且养护维修较普通检查井麻烦。综合以上考虑，在实际应用中，一般航道会设计为两根管道倒虹过河，而其他一般河道则采用一根管道过河。

1.3 施工方案选择

开挖围堰施工：在一些条件适合的浅水域施工时,采用构筑堤坝的方法在附近围出一定面积的隔水带,将其中的水排出,使水下地面露出,再进行施工。在DN600及以下管径管道中，由于拖拉施工管道难以与设计标高和管道坡度完全一致，故在条件许可的情况下，一般采用围堰施工。倒虹管为开槽围堰施工时，两端倒虹井施工围护一般与围堰围护一起施工，通常采用钢板桩围护。非开挖施工：过河污水倒虹管管径在800及以上时，非开挖施工考虑采用顶管施工，倒虹井一般会利用两侧的顶管井或者顶管坑围护。污水管道过河倒虹管管径不大于600,非开挖通常采用拖拉施工。倒虹管为拖拉施工时，需单独为两个倒虹井考虑围护方案。常见的有钢板桩围护，SMW工法桩围护等。笔者更推荐此时两侧检查井采用沉井施工。

1.4 沉井的应用

沉井是将地下构筑物在地表制作成一个沉井，然后在井壁的围护下通过从井内不断挖土，使沉井在自重作用下逐渐下沉，达到预定设计标高后，再进行封底，构筑内部结构。技术上比较稳妥可靠，挖土量少，对邻近建筑物的影响比较小，沉井基础埋置较深，稳定性好，能支承较大的荷载。

沉井既是基础，又是施工时的挡土和挡水结构物，下沉过程中无需设置坑壁支撑或板桩围壁，简化了施工。沉井在作为拖拉管施工时的倒虹井时，相比钢板桩，工法桩等围护施工，造价也低很多。沉井是井筒状的结构物，它是以井内挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后经过混凝土封底并填塞井孔，使其成为桥梁墩台或其他结构物的基础。

沉井的优点有：埋置深度可以很大，整体性强、稳定性好，有较大的承载面积，能承受较大的垂直荷载和水平荷载；沉井既是基础，又是施工时的挡土和挡水结构物，下沉过程中无需设置坑壁支撑或板桩围壁，简化了施工。过河倒虹井一般位于道路红线外侧，且位于河道两侧，若两个倒虹井采用小型沉井，对以后其他设施的影响相对较小。特别是对于采用拖拉施工的过河倒虹管，倒虹井需单独设计围护施工，且倒虹井的特点就是埋深大，但是平面尺寸小，所以适合选用小型沉井。

2 工程案例

2.1 工程简介

本工程H路位于上海市，新建道路约1.6 km，新建DN400污水管道约1.5 km。本工程沿线有规划河道4条，河道基本信息见表1。

表1 H路河道基本信息 m

其中A河B河为航道。河道两侧现状地面标高约为4.5 m(吴淞高程)。

2.2 倒虹管工程概况

过河方式选择：本工程污水管道沿道路敷设，污水管道走向与道路走向一致，穿越河道时污水管道管位位于道路红线外5 m处。本工程污水需要穿越4条河道，污水管走向与河道正交，采用倒虹吸式从河底下穿越河道过河。

根据当地相关主管部门要求，河底以下穿越的管道，距离规划河底净距应不小于2.0 m。根据各河道规划河底标高计算可知，穿越各河道倒虹管管底距离现状地面高差分别为：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河为航道，穿越此两河采用非开挖施工，且设计铺设两根管道过河。穿越C河D河采用围堰开挖施工，且铺设一根管道过河。

2.3 倒虹管施工方案

管道穿越C河D河，过河倒虹管以及管道两端检查井采用围堰开槽施工。本工程围堰开槽施工围护用钢板桩采用Ⅳ号拉森钢板桩，钢板桩长度选用15 m。基坑两侧井点降水，降水深度应满足基坑开挖要求，保证坑底无积水。如果井点降水无法满足要求，可采用管井降水；沟槽下方采用1.5 m压密注浆，待注浆固结体强度达到80%后方可开挖施工，开挖土方至第一道支撑中心线下0.5 m，架设第一道支撑，支撑处应焊接牢固。基坑开挖过程中，基坑周边施工车辆允许超载及堆载不得大于20 kPa。

管道穿越A河B河采用非开挖施工，由于管径为400，故采用拖拉管施工。拖拉管是一种非开挖技术,即不开挖路面, 在地下钻孔后, 用拖拉的方式将管道从钻孔中牵引穿越, 最终完成管道敷设的技术。与传统的挖槽埋管相比, 它具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、综合成本低、施工安全性好等优点,目前已广泛应用于市政建设、电力、电信、煤气管道、自来水管道等各种管道的铺设。拖拉管的管材一般采用PE平壁管, 拖拉管最小覆土深度与城市道路路面垂直净距 1.5 m; 二级河道规划河底标高以下 1.5 m。

2.4 非开挖段倒虹井施工方案

本工程井深接近8 m，若开槽施工可采用水泥土搅拌桩内插H型钢的围护结构，先施工水泥搅拌桩，在水泥未凝固之前将H型钢利用重力及机械振动插入。经过比选本工程A河、B河两端倒虹井采用沉井法施工。

A河B河为航道，倒虹管设置为两根，两侧倒虹井设计为闸门井，检查井内径为3 m×3 m，深度分别为7.9 m以及7.4 m，采用沉井法施工。

沉井是一种通过地面制作[2]，并解除井内土体的结构形式，而且一定深度范围内，井体结构能够作为支护使用，与以前的开挖方式不同，沉井工程的优势更为明显，不仅能够有效的减少工程的工作量，整体的技术也是更加方便操作，工程用地也能够有效减少。

制作沉井前，地基必须有足够承载力，以防止沉井混凝土浇筑过程中发生不均匀沉陷而造成井体开裂和沉井倾斜。施工前应精心作好施工组织设计，采取相应防范措施。注意地基土不受扰动，并采取有效地面排水措施避免积水浸泡；保持土体稳定。

沉井结构平面图和剖面图见图1，图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，凿除表面浮浆，再铺以素混凝土垫层找平，最后浇筑混凝土底板。下沉前预留洞用砖砌体或其他方法封堵。

3 结语

近年来，河道水环境成为社会关注的热点问题，同时随着经济的发展，城市化进程的加快，污水收集系统也是在逐步完善中，污水倒虹管设计穿越河道是污水管道设计中常见的问题。随着人们生活水平的提高以及养护手段的不断升级，倒虹管因堵塞问题导致的故障也会比以前减少，而且设计双管而采用的闸门井实际应用中问题颇多，所以建议一般河道倒虹管采用一根管道过河即可。在本市的一些管道工程中，遇到基坑如顶管工程顶管坑等，一般采用SMW工法施工顶管坑。沉井因为施工周期长，技术要求高，其施工完成后占地面积大，尤其是在市政道路上占地面积过大会对日后其他管线的敷设造成很大影响，所以在管道工程中使用不多。但是倒虹井却是非常适合选用小型沉井。