青島高新區某污水干管設計探討

盧 鋼,于 丹,姚智文

（青島市市政工程設計研究院有限責任公司，山東 青島 266071）

0 前言

污水干管管徑大、埋設深、投資大，是污水系統的重點和難點。其建設不僅受地形、地質等工程因素影響，同時受技術經濟指標約束，不同條件下差異較大。

青島高新區近期新建一條污水干管，管徑DN1800，埋深介于9～12 m之間。工程所處區域為濱海淺灘，地質情況復雜，限制因素較多，經反復論證確定最終實施方案。現將主要內容和重點簡述如下，希望對類似項目有所借鑒。

1 工程概況

1.1 基本情況

青島現有污水廠位于高新區核心區，緊鄰景觀水系，處理能力已飽和，不能滿足污水排放要求，基于此，計劃在下游生態濕地內選址新建。為此，需建設一條污水干管將現狀污水處理廠污水輸送至下游新建污水處理廠，污水管道全長約2 100 m。具體工程位置如圖1所示。

圖1 工程位置圖

1.2 沿線地質

地形、地貌：原地貌為濱海淺灘，后經人工改造為鹽田，近期對場區進行回填形成。污水干管位于道路外側的綠化帶，地形平坦，介于4～5 m之間；沿線穿越兩條河道，寬度為120 m和305 m；上部綠化為近期新建。

巖土層特征：場區沿線鉆探揭露范圍內地層結構較簡單，層序清晰，第四系主要由全新統人工填土層、全新統海相沉積層和沼澤化層及上更新統洪沖積層組成，下覆基巖主要為白堊系青山群安山巖和泥質粉砂巖（見表1）。

地下水：穩定水位埋深0.00～4.30 m，絕對標高為0.99～3.19m，根據區域調查資料，地下水位年變幅1～2 m；地下水對混凝土具強腐蝕性；對鋼筋混凝土中的鋼筋在干濕交替的環境下具強腐蝕性。

2 常規方案

管道的埋深越大，則造價越高，施工周期也越長。進行污水干管的規劃、設計時，首先應根據技術經濟指標及施工方法確定最大允許埋深。若采用開挖施工，一般條件下，干燥土壤環境中，最大埋深不超過7～8 m；在多水、流砂、石灰巖地層中不超過5 m。以此為基礎制定了以下設計方案：在現有管網末端設置提升泵站，以壓力管形式向下游轉輸，下穿兩個河流后轉為自流，以重力流形式排入下游新建污水廠。

該方案優點：管道投資節省；施工簡便；施工周期短。缺點：需設提升泵站；泵站位于污水系統末端，規模大（18萬t/d）、投資及運行費用高；泵站占用土地，并對周邊土地價值產生影響；下游新建污水廠為地下式，進水口很低，污水提升后再跌落進入，能耗浪費。該方案缺點明顯，匯報后即予否定，繼而進行深埋方案的施工論證。

表1 巖土層特征一覽表

3 推薦方案

為合理確定方案，選取開挖施工和頂管施工進行比選。

3.1 工程影響因素分析

（1）廣泛分布的淤泥質粉質粘土層，呈流塑～軟塑狀態，邊坡穩定性差，無法自然放坡，且支護困難；（2）溝槽過深，開挖及回填困難；（3）管底多位于淤泥質粉質粘土層，承載力低不適合作為持力層；（4）管道上部為重點打造的河道水系景觀，效果好、成本高；（5）管道一側為交通主干道，交通量大，且多為重型車輛。

3.2 開挖施工方案（見圖2）

圖2 開挖施工斷面圖(單位：m)

（1）為減小對道路影響，將污水干管位置向遠離道路一側平移；（2）將溝槽頂部綠化及素填土、雜填土層清除，減小溝槽深度；（3）溝槽兩側打拉森鋼板樁，并開挖溝槽深度的一半；（4）在管道兩側打入第二排打拉森鋼板樁，開挖至管底；（5）砌筑管基（位于淤泥質粉質粘土層的管道先拋石，形成復合地基）；（6）按照常規工藝進行管道鋪設、檢查井砌筑及溝槽回填，隨之拔除拉森鋼板樁；（7）完成地表回填及綠化修復。（注：過河段圍堰施工。）

3.3 頂管施工（見圖3）

圖3 頂管施工橫斷面圖(單位：m)

（1）結合管道檢修需要和頂管施工技術，調整檢查井間距；（2）將沉井周邊綠化遷移或拆除后井點降水，實施沉井；（3）選用泥水平衡式頂管機頂進施工；（4）沉井內管道安裝及檢查井砌筑；（5）完成沉井回填及綠化修復。

兩種方案投資概算如下：開挖約1.9萬元/m，包含了土方、支護、管道敷設和管線、綠化恢復等；頂管約2.05萬元/m，包含了沉井、管道頂進、注漿、土方和綠化恢復等。

4 方案比選

4.1 開挖施工

優點：施工工藝相對簡單；工作面長、施工周期短。

缺點：（1）管道緊鄰主干路，影響區域交通；（2）開挖施工將溝槽土體卸載，加之溝槽兩側土體差異較大（一側路基、一側綠化），易造成土體開裂，破壞路基；（3）破壞了原有土體均勻性和整體性，回填材料在土質、含水率和密實度方面與原土差異明顯，土體沉降差異明顯，易導致管道荷載變化，產生不均勻沉降或側移，破壞管道密閉性，地下水入滲；（4）溝槽開挖及回填需大量運輸土方，加之綠化破壞，將對周邊環境產生負面影響；（5）施工受管線遷改、降雨等因素制約，工程實施存在不確定性。

4.2 頂管施工

優點：（1）對現有道路、管線及綠化影響較小，施工限制因素少；（2）機械化、自動化程度高，質量有保障；（3）不改變現有地質，管道與周邊土體銜接緊密，穩定性好；（4）管道采用F型鋼承口橡膠圈接口，接口緊密，閉水效果好；（5）產生的噪音、揚塵等影響較少，環境友好。

缺點：（1）施工工藝相對復雜，受沉井施工及設備轉場影響，施工周期較長；（2）地質情況復雜，施工存在不確定性[1～2]。

4.3 方案比選

兩方案各具優勢難以取舍，為此就其能否更好地適用高新區特殊的地理情況比選：（1）高新區原為濱海淺灘，地下水氯離子含量高且具有腐蝕性，地下水入滲，將對下游管網及污水廠造成嚴重影響（如腐蝕管道及設備、殺死微生物等），管道密閉性格外重要。（2）結合周邊地質情況，工程所處地質情況復雜、變化大，實際情況難以預計，開挖施工存在較大的不確定性。（3）高新區是青島市重點打造的第三代新城，生態優先和環境友好是城市發展的基本原則。

從質量、安全及環境因素出發，選用頂管施工方案。

5 頂管施工設計重點

5.1 適用條件

頂管施工相比于開挖施工存在一定技術優勢，但其使用范圍相對較窄，采用時必須進行細致論證：（1）頂管使用于管徑較大的管道，一般情況下不小于DN900；（2）需選用抗壓強度較好的管材，如頂管專用混凝土管、玻璃鋼管等；（3）管道頂進過程中對周邊土體產生擾動，因此在確定管道外側一定范圍內無管線或其它重要設施時，方可使用；（4）針對不同地質條件有多種設備可以選擇，但當管道位于差異很大的兩種地層之間時，無法使用[3]。

5.2 提升經濟性的措施

沉井是頂管施工中投資最大的部分，以該項工程為例，約占總投資的15%～20%。沉井投資大是因為：（1）尺寸大。沉井分兩種：工作井、接收井。根據《給水排水工程頂管技術規程》，該項工程工作井徑凈尺寸為L1×B1×H1=8.2 m×4 m×H1；接收井凈尺寸為 L2×B2×H2=6 m×4 m×H2；直線段采用矩形井，折線段采用圓形井。（2）受力大。該項工程沉井深度為9～12 m，沉井壁需承受較大的土壓力；另外，頂進設備的反作用力全部作用于沉井壁，荷載大，必要時還需對沉井外圍土體進行加固[4～7]。

為節省投資應保證在不增加頂管施工難度前提下，盡量減少沉井數量。普通段檢查井間距按照80 m控制；過河、過路段根據具體情況確定，最大頂進距離305 m。

5.3 提升適用性的措施

頂管施工與地質聯系緊密，工程實施前需在地勘報告基礎上，進行勘察驗證，并根據需要對土體進行處置：當地下水位較高時，采取降水措施；當滲透性較強時，采取止水措施等，以保障頂管施工順利進行。

污水干管坡度很緩，控制豎向是重點，需加強兩方面措施：（1）頂管進出洞時產生挖掘面失穩、泥漿冒頂、頂管機回退等問題導致“抬頭”和“叩頭”現象，建議采用高壓旋噴樁對頂管進出口區域進行加固；（2）采用CCTV技術對管道豎向全程監控，及時修正誤差。

6 結語

（1）高新區及類似濱海淺灘，地勢十分平坦，污水只能通過加大埋深予以收集，因此管道最大允許埋深對污水系統的規劃、設計至關重要。

頂管施工能適用于多種埋深條件，且投資受埋深影響差異不大，增加了管道最大允許埋深，可優化污水系統規劃，提升設計的靈活性、經濟性和合理性。

（2）經調研，濱海淺灘區域普遍存在含鹽地下水入滲問題，對管道、污水廠的運行、使用帶來極大困擾。頂管施工管道的密閉性優于開挖施工，緩解甚至避免了這一現象的發生。

（3）頂管施工增加了管道最大允許埋深，但同時給管道的養護造成了一定困難，因此需輔助以相應的疏通、沖洗措施，方可使用。

[1]余彬泉,陳傳燦.頂管施工技術[M].北京:人民交通出版社,1998.

[2]馬謝爾勒.頂管工程[M].北京:中國建筑工業出版社,1983.

[3]李熙,鄧迎芳.復雜地質條件下大管徑頂管出洞施工技術[J].中國高新技術企業,2008,(23):200-201.

[4]邵成猛.超深覆土頂管出洞施工技術[J].凈水技術,2012,31（3）:74-77,97.

[5]陳鎮松.鋼筋混凝土沉井在頂管操作井施工中的應用[J].給水排水,2011,37（3）:86-90.

[6]吳慧佳.淺談頂管工藝在實際工程設計中的應用[J].重慶建筑,2012,11(5):42-43.

[7]王成剛,張永山.淺析頂管法施工在工程中的應用[J].經濟技術協作信息,2008(5):52-53.