顶管专用球墨铸铁管在供水管网中的应用

文｜中铁第四勘察设计院集团有限公司 王宏峰

一、概述

1、工程简介

为配合合肥三水厂迁建工程建设，三水厂三根（两根DN1400、一根DN1200）出厂主干管需并行下穿合肥市北二环路，北二环路为城市主干道，总路幅约60米，车流量大，不允许开槽施工；同时下穿区域位于110KV高压走廊下方，北二环路南侧200m范围内设有8座高压铁塔。

图1 下穿北二环顶管工程平面布置图

设计采用顶进施工，三条输水干管先后顶进过程中，避免对已顶进的管道造成影响，同时避免对高压铁塔的基础造成影响，管道平面管位距离高压铁塔基础最小水平净距为3.9m，三条输水管道之间的净距设计为1.46m。本工程设工作井一座，平面尺寸12.8m×11.8m，位于北二环路北侧绿化带内，设接收井一座，平面尺寸11.8m×6.6m，位于北二环路南侧200m 处的绿化带内，一次顶进长度约275m；输水管材采用顶管专用球墨铸铁管，以避免杂散电流对管道可能造成的电化学腐蚀。

2、工程地质条件

根据地勘报告，管道沿线地貌单元属江淮丘陵，微地貌单位为南淝河河漫滩、一级阶地及二级阶地，上覆土层主要为第四系冲洪积的粘性土、粉土、砂土等，下伏白垩系（K）暗红、棕红色泥质砂岩风化带。北二环路道路3m 以下为粘土层，给水管道下穿北二环路顶管管线置于②3层粉质粘土、⑥1层粘土和⑥2层粘土中，该三层土均适合机械式顶管施工。

3、周边设施情况

给水管道下穿北二环路顶管管线东侧为董铺水库非常溢洪道，西侧为翰林变电所，北二环路南侧设有8座高压铁塔，高压电力管线纵横交错进出110KV 翰林变电所。

二、输水干管径路选择

根据给水管线专项规划，合肥三水厂迁建工程输水管道有三根管道（两根DN1400、一根DN1200）沿怀宁路东侧高压走廊向南敷设，顶管穿越北二环路后继续向南开挖施工。

下穿区域位于高压走廊下方，东西两侧均有高压铁塔，经与各部门多次协调沟通，在尽可能避让铁塔的原则下，最终顶管位置确定从几座高压铁塔中间穿过，与其中一处110KV高压铁塔水平净距3.9m，顶管段具体位置及布置详见图1。

三、输水干管高程选择

北二环路上设有污水管道、雨水管道以及光纤供电等管道，其中d400 污水管埋设较深，管底标高为21.81m；北二环路南侧各种高压电缆以及电力盘井，最低点标高为21.06m。顶管过程中需考虑对既有管道的影响，同时考虑覆土深度，本工程设计顶管管顶高程为17.40m，埋深9～11m，与电力盘井最低点净距为3.6m。

四、输水干管管材选择

给水工程管道顶管施工对管材有特殊要求，管道为压力管线，对管道安全性，压力等级和使用年限要求较高，顶管施工一般采用钢管、球墨铸铁管、玻璃钢夹砂管等。

钢管顶进过程中易损伤钢管外壁防腐层，影响使用年限，高压走廊下方电化学腐蚀更为严重，如采用钢管，需采用排流保护措施。

顶管专用球墨铸铁管是在普通承插式球墨铸铁管的外壁上整体包覆了一个筒状结构的钢筋混凝土保护套，使得管体的外形尺寸与承口的最大外径一致，同时在管子的插口部位焊接有顶推法兰。顶管施工时，顶推力通过焊接在插口处的带筋板的法兰均匀地传递给承口端面，从而保证在顶推操作中不会造成插口变形及外保护套的损坏。

采用顶管专用球墨铸铁管，允许顶推力大，施工方便，同时可以较好解决电腐蚀的问题，但成本较钢管相对较高。

市场上玻璃钢夹砂管质量参差不齐，在满足设计要求的前提下，价格远高于钢管和球墨铸铁管，同时刚度和强度相对较低，热膨胀系数大，在冬冷夏热地区不太适用。具体对比分析如表1所示。

本工程管线位于高压走廊下方，需考虑杂散电流防护，因此管材选用及顶进方案对比分析如表2所示。

考虑下穿北二环顶管管线埋深约10m，以后无法维护检修，同时位于高压走廊下方，一旦发生电腐蚀，管内自来水泄露，将严重危及高压铁塔基础安全，后果不堪设想，综合考虑后顶管管材采用顶管专用球墨铸铁管。

表1 顶管管材对比表

表2 顶管方案对比表

五、顶进工作井及接收井

1.工作井接收井工艺设计

顶管段采用泥水平衡式顶管施工工艺，管径为DN1400、DN1200，管材为顶管专用球墨铸铁管，T型滑入型柔性接口。顶管为2根DN1400，单管长275m，总长550m；1根DN1200，管道长275m。

考虑球墨铸铁顶管施工有三根平行管道，三根管道之间的净距为1.46m，管道与井壁之间预留一定的操作空间；另外顶管专用球墨铸铁管为6m 一节，考虑顶管设备、后座以及中继等因素，工作井平面尺寸采用12.8m×11.8m，接收井平面尺寸采用11.8m×6.6m，如图2、图3所示。

2.工作井接收井结构设计

工作井、接收井均采用矩形沉井结构沉井施工顺序为：垫层-支模-绑扎钢筋-现浇沉井下半部-排水下沉-接沉井上半部-下沉到位-干封底-浇底板。

沉井制作材料：主体混凝土采用C30，抗渗等级P6；封底混凝土采用C20；钢筋采用I级HPB300钢和III级HRB400钢。

主要设计参数及要求：（1）为满足工作井后背稳定要求，最大顶管合力不能超过8500kN，且不应超过顶管专用球墨铸铁管管节最大允许顶力。（2）顶进速度：0～50mm/min。（3）工具头外径与管道外径之比(D机/D管)：不大于1.003～1.005。（4）沉井结构的裂缝宽度限值为0.25mm。（5）刃脚部分的砼强度达到设计强度的100%，其余部分强度达到设计强度的70%，但不得少于15天，方可允许下沉。（6）管道施工完毕后沉井内部将回填土方至设计地面，压实系数0.93～0.95。

3.工作井接收井止水措施及土体加固

考虑工作井接收井位于溢洪道附近，需排水下沉施工，沉井施工前，在井位四周打2排d500高压旋喷桩止水帷幕，桩距350mm，排距350mm，桩底进入不透水层（粘土层）不小于1m，对土体进行加固处理。

六、顶管施工

1.顶进

目前合肥三水厂迁建工程下穿北二环顶管工程，顶管施工已经完毕，机头也已顺利顶出，经实测实际最大顶力为7000KN，符合设计要求。

施工过程中，考虑顶进过程中对土壤的扰动，采用先顶进中间一根DN1400管道，之后再顶进两侧两根管道，取得较好效果。

2.顶出后与钢管转换

管道顶出后采用球墨铸铁专用盘插短管和盘承短管，详见图4所示，将管道转换为钢管，法兰连接，钢管向上翻至设计标高后出工作井、接收井。

图2 工作井平面布置图

图3 接收井平面布置图

七、结论和建议

顶管专用球墨铸铁管属于顶管管材，采用承插式T型柔型接口，密封性能好，在合肥三水厂迁建工程输水管道设计施工中得到成功应用，为今后大口径自来水管、中水管道及污水管道顶进提供示范，另外在防杂散电流方面有明显优势，同时管材本身具有强防腐能力和抗内外压能力，可以确保管线的使用寿命满足运营维护要求。

图4 顶管顶出后转换为钢管