開挖管技術(shù)在大興新城濱河森林公園引水工程中的應(yīng)用

張君偉 葛會志 魏陸宏

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院 北京 100048）

1 引言

為了適應(yīng)和滿足城市管道設(shè)施建設(shè)中日益提高的技術(shù)性、環(huán)保性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求，非開挖技術(shù)尤其是頂管技術(shù)由于施工便利、高效、工程干擾少、環(huán)境影響小、成本適中等優(yōu)點(diǎn)，正廣泛應(yīng)用于穿越公路、鐵路、建筑物、河流以及文物保護(hù)區(qū)等復(fù)雜條件下的管道鋪設(shè)。對于北京地區(qū)頂管工程來講，目前普遍采用的是混凝土管頂進(jìn)工藝，而鋼管頂進(jìn)技術(shù)僅在較少的市政工程中有所運(yùn)用，其在北京水利工程中的應(yīng)用尚屬首次。本文結(jié)合大興新城濱河森林公園引水工程的實(shí)例，對非開挖鋼管頂進(jìn)技術(shù)在設(shè)計與施工過程的要點(diǎn)予以介紹，為該技術(shù)在同類工程的運(yùn)用提供借鑒與思考。

2 工程背景

伴隨北京郊區(qū)新城的快速發(fā)展，北京市政府按照環(huán)境先行的新城建設(shè)理念，提出了建設(shè)新城萬畝濱河森林公園的總體構(gòu)想，以穿城或環(huán)城水系為主線，以水系兩側(cè)大規(guī)模林木為主體，充分利用沿河河灘地、荒灘地和現(xiàn)有林地，在全市各區(qū)縣新城興建11處濱河森林公園。大興新城濱河森林公園即是該項目 2010年新建的公園之一，園區(qū)總面積538.3km2，涵蓋南、北兩座公園以及連通公園的城市水系的建設(shè)，其中水系面積達(dá) 65km2，蓄水量超100萬方，猶如一串綠色明珠妝點(diǎn)在首都的南大門。公園水源全部采用再生水，為滿足公園生態(tài)需水量的基本需求，配套建設(shè)本引水工程，將大興黃村再生水廠的再生水引入公園項目區(qū)。

3 工程布局與地質(zhì)條件23

根據(jù)公園環(huán)境需水量與黃村再生水廠出水量分析，再生水引水干管輸水量按8萬m3/d設(shè)計，設(shè)計流量為1m3/s。引水管道采用DN1000鋼管，設(shè)計工作壓力0.6MPa，試驗壓力1.1MPa。管線起自黃村再生水廠輸水泵站，穿越新鳳河后沿南六環(huán)北側(cè)綠化帶向西行至小龍河，沿小龍河左岸折往西北后再折向西直至京開高速路，總長 6.4km。管線沿途穿越新鳳河、大龍河、小龍河3條河道，還穿越了京九鐵路、京開高速公路等重要交通要道，以及大興城區(qū)7處現(xiàn)狀公路和貨運(yùn)物流中心5條鐵路支線。

管道平均埋深約 5m，根據(jù)地勘結(jié)果，管身基本置于細(xì)砂層上，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為80~110kPa。管頂土質(zhì)為細(xì)砂和粉土填土，有利于頂管施工，但細(xì)砂呈松散狀態(tài)，填土松散不均勻，應(yīng)注意塌頂現(xiàn)象發(fā)生。施工區(qū)域大部分地下水低于管底，不存在施工降水問題。但應(yīng)注意管道在穿越新鳳河、大龍河、小龍河時存在的上層滯水，以及局部地段上層滯水對管道施工造成的影響。

4 開挖 管 技術(shù)

為盡量避讓拆遷，減少工程實(shí)施難度，經(jīng)明挖與頂管方案比選后選用非開挖頂管技術(shù)，原初步擬定為頂進(jìn)DN1550混凝土管后內(nèi)穿DN1000鋼管的常規(guī)方案。為進(jìn)一步優(yōu)化工程設(shè)計，節(jié)約投資并提高施工效率，設(shè)計人員在多方調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合管道穿越的地質(zhì)條件，最終確定采用鋼管直接頂進(jìn)工藝，該工藝不僅能節(jié)約原混凝土管頂進(jìn)方案中的外套管材，而且省去了鋼管固定和混凝土回填環(huán)節(jié)，減小了管道頂進(jìn)過程中的摩擦力，為工程按時高效完成打下了良好的基礎(chǔ)。

圖1 混凝土管內(nèi)穿 管 方案與 管直接 方案對比圖

4.1 管用 管結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法，以可靠指標(biāo)度量管道結(jié)構(gòu)的可靠度。鋼管管道結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩種極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計，計算內(nèi)容包括強(qiáng)度驗算、穩(wěn)定驗算、抗浮驗算和變形驗算等。頂管用鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體計算內(nèi)容文中不再贅述，僅針對其區(qū)別于常規(guī)直埋式鋼管計算的一些細(xì)節(jié)做部分介紹。對于頂管施工，管頂覆土的豎向土壓力與側(cè)向土壓力規(guī)范中都有單獨(dú)的規(guī)定（參見《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》附錄 B），其豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值Fsv，k由太沙基計算模型給出。此外，頂管施工形成土弧基礎(chǔ)是在原狀土層中開挖形成的土弧，在設(shè)計計算時，從保證管道結(jié)構(gòu)的土弧基礎(chǔ)支承要求出發(fā)，規(guī)定頂管施工時，土弧基礎(chǔ)的支承角2α按120°計算。

圖2 太沙基計算模型簡圖

本工程鋼管材質(zhì)選用Q235A，由鋼板卷制、焊接而成。在管道埋深為5m的前提下，經(jīng)各工況綜合計算，選用壁厚為12mm的鋼管。同時，按頂管施工構(gòu)造經(jīng)驗公式復(fù)核管壁厚度，頂管用鋼管采用12mm壁厚亦能滿足要求。

公式：t=αD+t'

式中：

t——鋼管的壁厚（mm）；

α——經(jīng)驗系數(shù)，取 0.01~0.015之間（由于管道埋深較深，此處系數(shù)取0.01）；

D——鋼管的內(nèi)徑（mm）；

t'——腐蝕余量，取2mm。

4.2 管材內(nèi)外 腐設(shè)計

管材內(nèi)外防腐的選擇是鋼管頂進(jìn)技術(shù)的一大難題。由于鋼管頂進(jìn)過程中與土體產(chǎn)生摩擦，勢必將常規(guī)外防腐層破壞，普通的水泥砂漿內(nèi)防腐層也容易崩裂脫落，從而影響鋼管使用壽命。經(jīng)過多方案比較論證，采用環(huán)氧玻璃鱗片重防腐涂料與環(huán)氧樹脂玻璃鋼分別作為鋼管內(nèi)外防腐層材料，順利解決了頂管用鋼管的防腐問題。

（1）頂管用鋼管內(nèi)防腐設(shè)計

目前，鋼管普遍采用水泥砂漿作為內(nèi)防腐層，其材料彈性模量、延伸率等指標(biāo)與鋼管所具有的相應(yīng)指標(biāo)相差較大，在頂進(jìn)過程中易產(chǎn)生空鼓、開裂、脫落等現(xiàn)象，且修復(fù)難度較大，質(zhì)量不易保證，存在一定程度的質(zhì)量隱患。

環(huán)氧玻璃鱗片重防腐涂料是以環(huán)氧樹脂為主要成膜物，薄片狀的玻璃鱗片為骨料，配以各種添加劑組成的重防腐高固體分涂料。該涂料具有優(yōu)異的耐水性和耐化學(xué)品滲透性，附著力強(qiáng)，柔韌性和耐沖擊性能好，防腐蝕期效長，適用于腐蝕嚴(yán)重的鋼結(jié)構(gòu)表面涂裝，比水泥砂漿內(nèi)防腐更為適用于鋼管頂進(jìn)工藝，本工程采用1000μm厚環(huán)氧玻璃鱗片作為鋼管的內(nèi)防腐涂料。

（2）頂管用鋼管外防腐設(shè)計

環(huán)氧樹脂玻璃鋼防腐就是用環(huán)氧樹脂和玻璃纖維布復(fù)合貼襯在鋼管外壁的一種新型防腐材料，具有耐腐蝕性、耐磨性高和附著力強(qiáng)的特點(diǎn)，與鋼管結(jié)合性良好，其延伸率指標(biāo)與鋼材相近，很好地保證了管道運(yùn)輸及施工過程中的防腐層安全。根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》，本方案鋼管選用 3mm厚環(huán)氧樹脂玻璃鋼作為外防腐結(jié)構(gòu)，鋼管頂進(jìn)時，光滑堅固的玻璃鋼外防腐薄層不但減小了管壁摩擦力，有效保護(hù)管材，而且由于其薄壁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，能更好地與鋼管結(jié)合，避免頂進(jìn)過程中外防腐層的脫落。

（3）防腐補(bǔ)涂

為了保證質(zhì)量，本工程要求管道內(nèi)、外防腐在工廠完成，但管節(jié)兩端各留l00mm的寬度暫時不做防腐層，便于頂進(jìn)中對口焊接，焊縫檢驗合格后再補(bǔ)做。補(bǔ)口部位的表面預(yù)處理按《涂裝前鋼材表面處理規(guī)范》的規(guī)定方法，用手工工具除銹至St3級，焊縫應(yīng)處理至無焊瘤、無棱角、無毛刺。焊接及除銹檢驗合格后，對接口進(jìn)行內(nèi)外防腐處理。

4.3 施工控制

鋼管頂進(jìn)工藝雖同一般頂管原理有所類似，但在鋼管變形控制、糾偏控制、頂力控制等重要工序上又有一定差異。首先，管壁較薄的鋼管，如果受力不均勻就會導(dǎo)致變形；其次，鋼頂管接頭是用電焊剛性焊接，可彎曲的幅度小，施工中可糾偏的余地較小，決定了鋼頂管不可轉(zhuǎn)彎，只能直線推進(jìn)不能曲線頂管，同時，決定了其頂進(jìn)特點(diǎn)：如初始頂進(jìn)方向性好，則偏差小，易頂進(jìn)；反之，方向掌握不好難糾偏，管子易變形，接口易斷開，甚至報廢。因此，施工中對頂管軸線偏差的要求相應(yīng)較高。

（1）允許頂力控制

與同口徑的混凝土管相比，因鋼管管壁與土的磨擦系數(shù)較小，管重輕，直線性好，頂進(jìn)阻力相對較小。頂進(jìn)阻力可根據(jù)經(jīng)驗公式或按《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》進(jìn)行計算。

式中：

FP——頂進(jìn)阻力（kN）；

D0——管道外徑（m）；

L——管道設(shè)計頂進(jìn)長度（m）；

fk——管道外壁與土的單位面積平均摩擦力（kN/m2）；

NF——頂管機(jī)的迎面阻力（kN）（不同類型頂管機(jī)的迎面阻力可按規(guī)范相應(yīng)公式計算）。

本工程采用手掘敞開式頂管，千斤頂固定在支架上，并與管道中心的垂線對稱，要求其合力的作用點(diǎn)與管壁反作用力作用點(diǎn)在同一軸線上，防止產(chǎn)生頂進(jìn)偏差和受力不均產(chǎn)生的鋼管變形。

（2）注漿減磨

隨著頂程的延長，管節(jié)和土體的摩阻力將逐步上升，降低頂進(jìn)阻力最有效的方法是進(jìn)行注漿。使管周外壁形成泥漿潤滑套，從而降低頂進(jìn)時的摩阻力。在首節(jié)管上預(yù)埋壓漿孔，壓漿孔的設(shè)置要有利于在管道周圍形成均勻的漿套。注漿設(shè)備和管路需可靠，并具有足夠的耐壓和良好的密封性能。為使注漿產(chǎn)生良好的效果，保證注漿質(zhì)量，從施工開始到注漿結(jié)束，對注漿過程的每個環(huán)節(jié)都需要嚴(yán)格控制。

（3）糾偏控制

當(dāng)發(fā)現(xiàn)前端管節(jié)頂進(jìn)的方向或高程偏離原設(shè)計軸線時，要及時地調(diào)整管節(jié)姿態(tài)，使其回到原設(shè)計的位置上，之后再繼續(xù)頂進(jìn)。在頂管施工過程中，必須貫徹“勤測微糾”的糾偏原則，可通過激光經(jīng)緯儀和接收靶盤定時監(jiān)測頂進(jìn)質(zhì)量情況，為糾偏提供數(shù)字依據(jù)。對于微小偏差，可采用在開挖面的不同部位增減挖土量，改變頂管機(jī)正面的土體壓力，使頂進(jìn)管向土壓小的地方行進(jìn)的糾偏方法。

5 結(jié)論

地下管線是工程設(shè)施的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著城市的信息傳遞、能源輸送、排澇減災(zāi)、廢物排放的功能。面對愈發(fā)浩大的地下管線工程，隨著城市化的進(jìn)程和人類對環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，非開挖技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成為必然的趨勢。在地下有壓輸水管道工程領(lǐng)域，相對于傳統(tǒng)混凝土頂管內(nèi)穿壓力管道的輸水方案，鋼管頂進(jìn)工藝秉承非開挖技術(shù)低碳環(huán)保的建設(shè)理念，規(guī)避了復(fù)雜的管道間回填固定的施工環(huán)節(jié)，能夠節(jié)省工程投資、節(jié)約工期、提升施工效率。相信隨著技術(shù)的不斷完善，其必將迎來更為廣泛的應(yīng)用。

作為鋼管頂進(jìn)技術(shù)在北京市水利行業(yè)的率先應(yīng)用，本工程設(shè)計人員對該技術(shù)進(jìn)行了細(xì)致深入地研究，采用了環(huán)氧玻璃鱗片與環(huán)氧樹脂玻璃鋼的內(nèi)外防腐組合型式，并在工程實(shí)踐中得到了驗證。希望通過本文的介紹，能拋磚引玉，吸引更多工程技術(shù)人員對鋼管頂進(jìn)技術(shù)的關(guān)注，在理論探討和工程實(shí)踐中促進(jìn)鋼管頂進(jìn)技術(shù)的完善和發(fā)展。

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