污水管道穿越南水北调中线工程恢复设计

□芦子卿

2015年10 月，巡线时发现石家庄市杜北大街污水倒虹吸下游侧左岸污水管道断裂、钢筋混凝土套管局部受损破坏，并造成穿越位置附近南水北调中线总干渠衬砌板隆起、位移等。针对杜北大街污水倒虹吸的受损状况，为保证总干渠工程安全和运行安全，对污水管道进行恢复处理至关重要。工程于2015年开工建设，2016年建成并投入使用，目前运行情况良好。2015年8月至2016年3月，从事石家庄市南水北调工程前期规划设计等相关工作，参与了污水管道穿越南水北调中线工程恢复设计，现将设计工作予以回顾总结，以其与类似工程建设交流并提供参考。

1.设计原则

一是穿越或跨越工程布置和建设应不影响中线干线工程的建设、运行和管理。

二是恢复工程规模、工程等别及建筑物等级标准等与按原设计一致。

三是方案设计切实可行，既能实现安全、可靠、经济运行，又便于维护管理。在保证工程安全的前提下，最大限度减少投资。

四是管材选择在设计、安装等方面应考虑安全性和可操作性，技术可行经济合理。

五是应考虑施工的便利性，保证工期。

2.总体方案

杜北大街污水管线穿越南水北调中线总干渠恢复工程其穿越形式只能采用跨越或下部穿越的形式通过。提出3个管道恢复设计方案：一是以修补为指导思想的就地修复方案；二是在原位重建污水倒虹吸（双孔箱涵作为管道保护结构）方案；三是换位新建倒虹吸顶管方案。根据总干渠通水目标及安全运行要求，方案一和方案二难以满足要求，方案三需要进一步完善穿越设计，进一步比选污水管道穿越地点和具体施工方案。根据穿越处地基条件和施工场地条件，补充定向钻方案与顶管方案比选。

经现场勘查和结合工程所在地地质钻探资料，对定向钻方案进行分析：根据南水北调中线干线工程专业技术标准《其他工程穿越或跨越南水北调中线干线工程设计技术要求》第5.1.10规定：“采用定向钻方式时，对于全填方渠段，管顶埋深不应小于地面线以下10m；挖方及半挖半填渠段，管顶埋深不应小于渠底以下10m”，污水管道穿越总干渠部位渠底标高为70.09m左右，若采用定向钻施工穿越管道中心标高必须位于标高59.8m以下，而穿越部位地质条件为卵石层，定向钻施工难于成孔，因此不推荐定向钻方案。

根据现场实际情况，在污水管道上游25m处建有杜北西桥梁，该桥梁上部结构为(30+40+30)m等截面预应力混凝土连续箱梁，梁高2m，箱梁底板宽5m，顶板总宽9m，翼缘板悬臂长2m。下部结构桥墩为双柱式桥墩，钻孔灌注桩基础，墩柱直径1.4m，高11.6m，桩基直径1.5m，设计桩长32m；桥台为桩接盖梁式桥台，桩基直径1.5m，设计桩长28m。桥梁横向布置为：7m（行车道）+2×1m（人行道）。桥梁汽车荷载等级为公路-Ⅱ级，人群荷载标准值为3.5kN/m2。人行道宽1m，采用整体式浇筑，污水管道有沿杜北西桥跨越总干渠的条件，因此污水管道恢复方案对利用杜北西桥敷设管道跨越方案和顶管下穿总干渠方案进行比选。

3.管材选择

根据恢复工程的重要性，所选择的管材应为整体性连接的承压管道。因此，适用于工程的管材主要有：焊接钢管、给水PE管和钢丝骨架PE管。

3.1 焊接钢管

优点：钢管材质较轻，可设计行强，加工使用灵活方便，可承受较高的内压力。

缺点：耐腐蚀性差，防腐做法麻烦。防腐层施工的质量是影响焊接钢管寿命的主要因素。

3.2 给水PE管

PE管是由80级以上聚乙烯挤出而成，管材寿命长、无毒、韧性好，有较好的疲劳强度和抗冲击性能，脆化温度可达-70℃。

优点：管材连结方式为整体热熔焊接。施工安装极为方便。适用于输送温度不高于60℃的介质。

缺点：耐温性较差，抗紫外线能力弱。

3.3 钢丝骨架PE管

钢丝骨架PE管：钢丝网骨架PE管是以高强度钢丝左右螺旋缠绕成型的网状骨架为增强体，以聚乙烯(PE)为基体，并用高性能的HDPE改性粘结树脂将钢丝骨架与内、外层高密度聚乙烯紧密地连接在一起的一种新型管材。具有钢管和塑料管的双重优势。

优点：管道内壁光滑，接口为热熔焊接，整体性好。

缺点：耐温性较差，抗紫外线能力弱。

结合工程实际情况，新建污水管位于北杜西桥人行道下部，桥面车辆及行人通行必然会对管道产生振动等影响，且管道敷设于人行路面下，温度变化及紫外线照射等因素势必会加快化学管材老化的速度，因此恢复工程设计采用桥上敷设时管材采用焊接钢管，钢管采用涂塑复合管，管道内、外壁防腐均采用喷涂涂EP涂料的防腐做法；采用倒虹吸方案时管材采用PE管。

4.管道根数

根据工程实际情况，污水管线沿杜北西桥跨越架设方案时，具备管道事故情况下的检修条件，污水管线可不考虑备用关系，因此新建污水管道数量为单根铺设；而采用倒虹吸方案时，根据《室外排水设计规范》要求，采用2根管道。

5.工程设计

5.1 倒虹吸布置

根据总干渠通水及施工工期要求，原污水管道处仅考虑拆除污水管道恢复总干渠，污水管道重新选址建设。

根据现场施工条件，新建污水管道倒虹吸选址于“京石段设计桩号239+180”处，与中线干渠正交，倒虹吸总长145.9m。倒虹吸由检查竖井、倒虹管组成。倒虹吸两端分别埋设管道与污水管网连接。

倒虹管为DN2000钢筋混凝土套管+DN450 PE管芯，长132m，双排布置，一备一用。DN2000钢筋混凝土套管采用顶管施工。为满足南水北调中线干渠底板以下管顶覆土不小于穿渠管道外径2倍的要求，确定DN2000钢筋混凝土套管管顶高程为64.7m。为确保倒虹吸套管防渗可靠，在钢筋混凝土套管内表面以及变形缝处内外表面，均采用TB-水工高性能柔性材料进行防渗处理。

倒虹管两端分别设钢筋混凝土检修竖井，检修竖井设在总干渠隔离网栏线外。结合顶管施工，两端检修竖井由顶管工作井和接收井改建而成。南岸竖井作为顶管工作井，结合施工布置，竖井净尺寸为6.0m×8.6m（长×宽），深20.3m。北岸竖井作为顶管接收井，结合施工布置，竖井净尺寸为4.0m×8.6m（长×宽），深23.1m。由于竖井紧邻总干渠，不具备放坡大开挖条件，为减少竖井施工对总干渠的破坏影响，竖井开挖采用钢筋混凝土灌注桩支护，开挖完成后，基坑内侧采用钢筋混凝土衬砌，形成检修竖井。钢筋混凝土灌注桩直径为0.8m，间距1.2m，南岸灌注桩嵌入基坑底部10.4m，北岸灌注桩嵌入基坑底部9.2m。灌注桩顶部设钢筋混凝土冠梁，冠梁尺寸为0.8m×0.8m（宽×高）。井壁衬砌厚0.2m，底板厚0.5m。

由于顶管顶进距离相对较长，顶进时宜采取压注减阻泥浆或涂抹非亲水减阻剂方式减阻。套管顶进完成后，应从预留注浆孔采用压注水泥浆方式密实管体与周围土体间的空隙。工程沉降量要求控制在1cm内。

5.2 倒虹吸设计

5.2.1 竖井尺寸

竖井尺寸结合顶管施工确定，根据《土压平衡和泥水平衡顶管工程施工技术规程》（J10452-2004），工作井尺寸按下式计算：

工作井底部宽度：B=D+B1

工作井底部长度：L=L1+L2+L3+L4+L5

式中：

D—管道外径（m），2.4+2.4+2.0=6.8m；

B1—操作宽度，可取1.8～3.2m，此工程取1.8m；

L1—顶管机头长度（m），0.8m；

L2—管节长度（m），3.0m；

L3—运土工作间长度（m），泥水平衡法为0；

L4—千斤顶长度（m），1.2；

L5—后背墙的厚度（m），包括横木、立铁、横铁取0.8m；

经计算：B=6.8+1.8=8.6m，设计取8.6m。

L=0.8+3+0+1.2+0.8=5.8m，设计取6.0m。

接收井宽度应与工作井相同，长度宜为4～6m，此工程取4m。

因此南岸竖井净尺寸确定为6.0×8.6m（长×宽），北岸竖井尺寸为4.0×8.6m（长×宽）。

5.2.2 钢筋混凝土灌注桩设计

嵌固深度计算。根据《建筑基坑支护技术规程》，对于均质黏性土及地下水位以上的粉土和砂类土，多层支点排桩的嵌固深度h0可按下式确定：

式中：

n0—嵌固深度系数，由内摩擦角及粘聚力系数查表，此工程为0.4；

h—基坑开挖深度（m），此工程中南岸竖井为23.6m，北岸为20.8m；

嵌固深度的设计值hd可按下式确定：

经计算，南岸混凝土灌注桩的嵌固深度为10.38m，设计取10.4m，灌注桩总长34m；北岸为混凝土灌注桩的嵌固深度为9.15m，设计取9.2m，灌注桩总长30m。

灌注桩整体稳定验算。根据《建筑基坑支护技术规程》，灌注桩整体稳定验算采用圆弧滑动瑞典条分法进行计算，借助于《理正深基坑计算软件》计算。经计算，南岸和北岸整体稳定安全系数Ks分别为1.383和1.374，均大于1.3，满足要求。

内力及配筋计算。基坑开挖过程中，设多层内支撑，每层内支撑由环梁和内撑组成，使灌注桩、环梁和內撑形成整体框架结构。借助于《理正深基坑计算软件》计算，内力计算成果见表1。

表1 灌注桩内力计算成果表

灌注桩桩径设为0.8m，混凝土等级采用C40，钢筋采用HRB335级钢筋。

5.2.3 顶力计算

根据《土压平衡和泥水平衡顶管工程施工技术规程》（J10452-2004），泥水平衡顶管中，顶力按下式计算：

式中：

F—总顶力（KN）；

F0—初始顶力（KN）；

f0—每米管子与土层之间的综合摩擦阻力（KN/m）；

L—顶进长度（m）；

α—综合系数，此工程为砂性土，取2.0；

pe—土仓的压力（KPa），应控制在主动土压力与被动土压力之间，此工程取静止土压力；

D—管道外径（m），2.4；

R—综合摩擦阻力（KPa），取10；

SL—管道外周长（m）；

W—每米管子的重力（KN/m）；

f—管与土的摩擦系数，取0.5。

经计算，顶力为14334.05KN。

5.2.4 顶管沉降计算

顶管沉降计算采用Peck公式计算，地表最大沉降量按下式计算：

式中：

smax—地表最大沉降量，m；

Vl—地层损失率，根据相关地区工程经验取1.0%；

D—顶管外径，m；

K—沉降槽宽度参数，根据相关地区工程经验取0.3；

z0—地表至顶管中心的距离，m。

由上式可知，地表沉降量随顶管埋深的增大而减小，取埋深最小的总干渠渠底进行验算。经计算，地表最大沉降量为0.009m。

6.方案特点

优点：施工周期制约因素相对较少，在渠道输水的情况下仍然可以照常施工，不影响南水北调主干渠正常运行。

缺点：一是北岸倒虹吸竖井及竖井外管道铺设，需要重新征地，并涉及到房屋拆迁。工程投资较大。二是对施工设备、技术、质量要求较高。顶管两侧工作井较深，分别为21.4m和24.2m。由于工作井靠近主干渠，不具备放坡大开挖条件，需要支护，进行垂直开挖。顶管顶距相对较长，为132m，且地层为中砂层，顶进阻力较大，容易坍塌。沉降要求较高，防水要求较严。三是由于两岸竖井较深，运行期间的巡检及维护相对较困难。