白家波 王巨濤

　　簡(jiǎn) 介：本文簡(jiǎn)要介紹了鄭州市污水處理廠進(jìn)廠污水干管頂管工藝的設(shè)計(jì)過(guò)程，概括了采用土壓平衡法機(jī)械頂管新技術(shù)敷設(shè)特大口徑污水管道的設(shè)計(jì)思路及其所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
　　關(guān)鍵詞：特大口徑管道 土壓平衡法 機(jī)械頂管

　　一、工程概況：

　　鄭州市污水處理廠工程是國(guó)務(wù)院淮河流域水污染防治重點(diǎn)工程之一，是利用第四批日本協(xié)力基金貸款和國(guó)內(nèi)配套資金進(jìn)行建設(shè)的環(huán)境治理、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程項(xiàng)目，被列為河南省和鄭州市的重點(diǎn)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(xiàng)目，該廠總服務(wù)面積可達(dá)105平方公里，50%以上的鄭州市市區(qū)污水均匯集于此，項(xiàng)目總建設(shè)規(guī)模為82萬(wàn)噸/日；其中污水廠一期工程建設(shè)規(guī)模為40萬(wàn)噸/日，工程總投資75749萬(wàn)元，而進(jìn)廠污水干管則按遠(yuǎn)期規(guī)模一次性投資建成，項(xiàng)目投資超過(guò)13000萬(wàn)元。
　　進(jìn)廠污水干管設(shè)計(jì)采用土壓平衡法機(jī)械頂管新技術(shù)，該工藝設(shè)計(jì)及施工均為國(guó)內(nèi)地區(qū)所首次采用，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)高、技術(shù)難度大。進(jìn)廠干管全長(zhǎng)8055m，其中d2600污水管長(zhǎng)約4585m，d3000污水管長(zhǎng)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(jì)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(jì)最長(zhǎng)頂進(jìn)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(jìn)總?cè)蝿?wù)量的95%以上，而d3000管道現(xiàn)已全線(xiàn)貫通。

　　二、設(shè)計(jì)思路：

　　（一）、設(shè)計(jì)方案選定：
　　鄭州市污水處理廠進(jìn)廠干管工程設(shè)計(jì)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(gè)工程項(xiàng)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(guó)道等，由于城市出入口和國(guó)道交通均十分繁忙，工程在很大程度受到國(guó)道及市區(qū)出入口交通路專(zhuān)用線(xiàn)、地下光纜及其他市政管線(xiàn)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(hù)；另外特大污水管道因其體積和重較大，吊、運(yùn)十分不便，而管線(xiàn)線(xiàn)路較長(zhǎng)且需橫穿多個(gè)行政區(qū)界，沿線(xiàn)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(jì)及施工難度大大增加。傳統(tǒng)施工方法如開(kāi)槽、人工掘進(jìn)頂管等施工技術(shù)簡(jiǎn)單機(jī)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(shí))等方面的矛盾目前尚無(wú)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(wú)法順利實(shí)施。而機(jī)械頂管工藝相對(duì)于本工程則存在著十分顯著的優(yōu)點(diǎn)：
　　1、技術(shù)先進(jìn)，施工速度較快，晝夜平均頂進(jìn)10--15m，一次性連續(xù)頂進(jìn)距離最長(zhǎng)可達(dá)500m以上；
　　2、施工質(zhì)量好，能自動(dòng)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(yán)密不易滲漏；頂管掘進(jìn)機(jī)頭在頂進(jìn)中間不會(huì)造成超挖；頂進(jìn)過(guò)程中通過(guò)壓注觸變泥漿可形成的漿套使頂進(jìn)阻力大大降低，且漿體可使管壁與周?chē)馏w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(yàn)，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(guò)程只需局部降水，除沉井施工中需降水外，管線(xiàn)頂進(jìn)過(guò)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(dòng)力，一套頂管掘進(jìn)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(wú)須溝槽回填，故所出泥土可及時(shí)運(yùn)走，不在現(xiàn)場(chǎng)千萬(wàn)造成泥土堆積；現(xiàn)場(chǎng)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(bǔ)償費(fèi)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(kāi)一些難以拆遷的地面障礙，如穿超107國(guó)道、鐵路專(zhuān)用線(xiàn)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(guó)家對(duì)非農(nóng)業(yè)占用耕地控制嚴(yán)格與項(xiàng)目建設(shè)需求間的矛盾；施工期間除必要的運(yùn)輸通道和頂管工作坑需要臨時(shí)占地外，其余的農(nóng)田均可照常耕作；
　　10、頂進(jìn)機(jī)械可改徑，改徑時(shí)只需更換外殼，機(jī)械內(nèi)部的主要部件可通用；
　　11、工程造價(jià)相對(duì)較低，與大開(kāi)挖法比較可節(jié)約建設(shè)資金20%左右。
　　同時(shí)該工藝也暴露出如下缺點(diǎn)：
　　1、施工所需機(jī)械設(shè)備及操作技術(shù)較為復(fù)雜，需購(gòu)置專(zhuān)用頂管設(shè)備并進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)學(xué)習(xí)和培訓(xùn)；
　　2、需增加制管設(shè)備和引進(jìn)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(jià)較高。
　　從以上對(duì)比可以看出：機(jī)械頂管工藝在國(guó)內(nèi)尚屬領(lǐng)先技術(shù)，可有效彌補(bǔ)其他傳統(tǒng)施工方法的不足，加上其經(jīng)濟(jì)適宜、方便快捷的特點(diǎn)，使該工藝設(shè)計(jì)成為首選。根據(jù)工程、地質(zhì)特點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)情況，最終確定污水進(jìn)廠干管全部采用土壓平衡法機(jī)械頂管工藝進(jìn)行建設(shè)，頂管機(jī)械選用大刀盤(pán)削土土壓平衡式頂管掘進(jìn)機(jī)頭及管疲乏頂進(jìn)設(shè)備。
　　（二）、頂力、頂距的確定：
　　頂力和頂距是一對(duì)矛盾統(tǒng)一體，且均與工程造價(jià)存在著密切的聯(lián)系，它們是管道及沉井設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算將產(chǎn)生直接的影響，同時(shí)也決定了沉井的數(shù)量，從而影響到工程造價(jià)。頂進(jìn)過(guò)程最理想的狀態(tài)是以最小的頂力來(lái)實(shí)現(xiàn)最大的頂距，使沉井?dāng)?shù)量減至最低，從而達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效果；從而實(shí)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(duì)于頂進(jìn)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(fèi)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(wú)限制增大；反之，頂距及頂力的減小固然可降低對(duì)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(shí)它們還會(huì)受到不同地條件和土壤情況的限制，加上時(shí)間、技術(shù)等其他制約因素，頂力和頂距及其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等在一定情況下必然可達(dá)到一個(gè)最佳契合點(diǎn)或最優(yōu)值。為使優(yōu)化過(guò)程進(jìn)一步簡(jiǎn)化，實(shí)際運(yùn)用中首先根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)承壓以及設(shè)備制作和操作能力等選取一個(gè)相對(duì)合理的固定頂力值作為實(shí)際控制頂力，以此為據(jù)來(lái)核算管道及沉井結(jié)構(gòu)斷面，再對(duì)照當(dāng)?shù)氐耐寥滥Σ料禂?shù)等因素，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法來(lái)確定實(shí)際頂進(jìn)的能力即頂距的大小。
　　（三）、實(shí)際長(zhǎng)距離頂進(jìn)的措施：
　　在控制頂力不變的情況下，使管道頂進(jìn)距離得到有效加長(zhǎng)，是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離頂進(jìn)和減少沉井?dāng)?shù)量的唯一途徑；采取減阻和接力推進(jìn)措施是兩種行之有效的辦法，兩種方法共同作用可使實(shí)際頂力明顯降低或使頂距進(jìn)一步加長(zhǎng)，通常是在頂進(jìn)過(guò)程中壓觸變泥漿等潤(rùn)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(guò)加注一種以膨潤(rùn)土礦為主要材料配置的頂管專(zhuān)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(rùn)滑介質(zhì)，便形成一個(gè)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(jìn)的距離；該工序的關(guān)鍵在于泥漿的配比和注、補(bǔ)漿技術(shù)，以求達(dá)到最好的減阻效果和漿套的完整。圖2所示為漿套形成過(guò)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(méi)有明顯未增加。另外，為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離頂管的需要，在不增加頂力的條件下，頂進(jìn)過(guò)程中考慮在每個(gè)井段間加設(shè)中繼間，通過(guò)逐級(jí)接力頂進(jìn)可使頂管距離得到有效的加長(zhǎng)，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(zhuān)用管件組合，通過(guò)其作用可避免整條管道同時(shí)向前頂進(jìn)，而是將管道分割成兩個(gè)或多個(gè)頂進(jìn)分站，管道頂進(jìn)所需總頂力則分別由各頂進(jìn)分站所分?jǐn)?，借助各頂進(jìn)分站交替接力頂進(jìn)，可使管道頂進(jìn)達(dá)到相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度；但頂進(jìn)距離過(guò)長(zhǎng)其經(jīng)濟(jì)性也會(huì)隨之下降，因?yàn)橹蛔钋懊娴囊粋€(gè)中繼間啟動(dòng)時(shí)，頂進(jìn)機(jī)頭才處于工作狀態(tài)，隨著頂進(jìn)距離的加長(zhǎng)和中繼間數(shù)量的增加，管道進(jìn)尺將愈加緩慢，同時(shí)出土距離隨之加長(zhǎng)、監(jiān)控測(cè)量難度相應(yīng)增大，頂管的總效率將大為降低；實(shí)踐證明，控制頂進(jìn)距離在250米左右、中繼間個(gè)數(shù)不超過(guò)3個(gè)，無(wú)論是在頂進(jìn)效率方面還是在時(shí)間保障等方面對(duì)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(shí)際長(zhǎng)距離頂進(jìn)，在頂管過(guò)程中采取壓漿等減阻措施，通常每個(gè)井段考慮加設(shè)1--2個(gè)中繼間，以實(shí)現(xiàn)逐級(jí)遞進(jìn)接力頂進(jìn)，頂進(jìn)工程程序采用雙向頂進(jìn)，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(guò)去很少采用，內(nèi)地廠家也基本不生產(chǎn)，特別對(duì)于頂管所采用的d2600及d3000等物大口徑管道，由于在頂進(jìn)過(guò)程中其受力情況十分復(fù)雜，管道結(jié)構(gòu)等級(jí)高，接口處理及制作要求均十分精細(xì)和嚴(yán)格，國(guó)內(nèi)也僅有上海、北京等地生產(chǎn)，長(zhǎng)途運(yùn)輸代價(jià)昂貴，因此設(shè)計(jì)制作出既適合本地區(qū)土質(zhì)特點(diǎn)又符合管道頂進(jìn)要求的特種管道也是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容，它是工程施工的首要環(huán)節(jié)，既要求經(jīng)濟(jì)合理，又要確保萬(wàn)無(wú)一失。
　　沉井作為進(jìn)行頂管工作的重要場(chǎng)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(duì)頂進(jìn)過(guò)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(guò)分析頂管施工過(guò)程中管道及沉井的受力特點(diǎn)，根據(jù)頂推設(shè)備、掘進(jìn)機(jī)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(xì)部尺寸，然后通過(guò)各部參數(shù)進(jìn)行框算，再依據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整結(jié)構(gòu)斷面及配筋量，經(jīng)過(guò)反復(fù)核算，力求使設(shè)計(jì)產(chǎn)品做到既經(jīng)濟(jì)合理又堅(jiān)固耐用。
　　（五）、最終結(jié)構(gòu)尺寸確定
　　沉井設(shè)計(jì)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(jìn)機(jī)頭的大小、操作寬度以及頂力、頂距等方面要求，在設(shè)計(jì)中參考有關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)，依據(jù)優(yōu)化以后的頂力、頂距，采用有限無(wú)分析程序和自編的管道計(jì)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；
　　（3）、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(zhǎng)）×250（厚）mm；
　　（6）、d3000管道結(jié)構(gòu)尺寸為：
　　3000（直徑）×2500（長(zhǎng)）×285（厚）mm

　　三、經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)效益、社會(huì)效益

　　該工程施工機(jī)械化水平高，可節(jié)省大量運(yùn)輸車(chē)輛、設(shè)備及勞動(dòng)力，據(jù)測(cè)算：修建1。6m的大型污水管道，若按3個(gè)月工期考慮，開(kāi)槽法施工約需4500個(gè)勞力，而機(jī)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(lèi)工程相比，在該項(xiàng)目中可節(jié)約建設(shè)資金2000萬(wàn)元以上；通過(guò)優(yōu)化設(shè)備與施工工藝，增加頂進(jìn)距離、加大井距，減少沉井16座，節(jié)省資金650萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
　　攻克了特大口徑機(jī)械頂管設(shè)計(jì)、施工方面的有關(guān)難題，計(jì)算機(jī)出圖率達(dá)100%，同時(shí)使設(shè)計(jì)人員的專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平得到進(jìn)一步提高，推動(dòng)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(jìn)一步提高，為今后的進(jìn)一步發(fā)展奠定了物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)。
　　該設(shè)計(jì)做到了設(shè)計(jì)合理、方便施工，避免了常規(guī)施工方法對(duì)城市交通、過(guò)境及出入市車(chē)輛造成的不良影響，保護(hù)了重要交通設(shè)施和地面建筑，如107國(guó)道及高架橋、鄭汴路、七里河大橋、管城中醫(yī)院、繞城鐵路專(zhuān)用線(xiàn)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(huì)和環(huán)境效益，其充分體現(xiàn)了河南省管道設(shè)計(jì)與施工的水準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：
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(jì)手冊(cè)》中國(guó)建筑工業(yè)出版社
《頂進(jìn)施工用鋼筋混凝土排水管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)條件》審議稿
《給水排水構(gòu)筑物施工及驗(yàn)收入規(guī)范》GBJ141-90
《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ69-84
《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50286-97
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《市政工程施工及驗(yàn)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(cè)設(shè)計(jì)研究院
地 址：鄭州市嵩山北路73號(hào)
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