深埋大直徑污水管帶水遷改施工技術(shù)

肖磊

摘 要：本文研究的污水管道為緊鄰污水處理廠的進(jìn)水干管，該污水管為雨污合流管，埋深大，日流量大，污水水位高，無其他污水管可實行分流。針對這一現(xiàn)狀，人們研究出一套如何掏底施作連接井、怎樣帶水切割改移并封堵舊管道的施工技術(shù)。這一技術(shù)的實施，成功地解決了帶水作業(yè)的施工難題，通常不需要潛水員水下作業(yè)，提高了安全系數(shù)。

關(guān)鍵詞：大直徑污水管;帶水切割;遷改;封堵

中圖分類號：TU992.02 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）08-0082-04

Construction Technology of Water Relocation and Reconstruction in Deep Buried Large Diameter Sewage Pipe

XIAO Lei

（The First Engineering Co.，Ltd.， Railway Wuju Group，Changsha Hunan 410117）

Abstract： The sewage pipeline studied in this paper was the main inlet of the sewage treatment plant， which was a rain and sewage combined pipe， with large burial depth， large daily flow， high sewage water level， and no other sewage pipe could be used for shunting. In view of this situation， people have developed a set of construction techniques for how to dig the bottom to make connection wells， and how to cut with water to change and block old pipes. The implementation of this technology successfully solved the construction problems of water-borne operations， and normally did not require divers to operate underwater， which improved the safety factor..

Keywords： large diameter sewage pipe;cutting with water;relocation;plugging

隨著軌道交通工程的迅猛發(fā)展，城市中的地下空間開發(fā)利用率日益提升。然而，城市地下敷設(shè)有各種類型、縱橫交錯的管道，給地下空間的挖掘帶來極大的不便。特別是一些大直徑的老舊污水管，埋深大、遷改難度高，一旦滲漏，將造成十分嚴(yán)重的后果。對于大直徑污水管道，在新老管道撥接時，常用的做法是上游泵站在管線改移期間停泵或?qū)⑽鬯囊浦疗渌艿溃ㄟ^降低流速達(dá)到潛水員水下砌筑封堵作業(yè)的條件[1-5]。

1 項目概況

1.1 工程概況

太原市軌道交通2號線某車站有一條直徑2 m、埋深10～12 m、東西向斜穿的污水管道。該污水管道為緊鄰城南污水處理廠的進(jìn)水干管，污水流量大，每日流量超過20萬m3，且無其他管線可為其分流。為配合地鐵施工，須對該管道進(jìn)行改遷，該污水管線遷改段共設(shè)立3個工作井、2個檢查井、2個連接井，主管管內(nèi)徑為2 m，線路總長為418.4 m，管道埋深大于10 m，坡比為7‰，采用鋼筋混凝土排水管，施工工藝為非開挖頂管掘進(jìn)。具體遷改路徑如圖1所示。

1.2 施工重難點

既有管道與新管道連接節(jié)點處的連接井需要進(jìn)行掏底施工。由于管道為承插型接口，施工過程中如果防護(hù)不當(dāng)，有可能導(dǎo)致管道接口脫落而造成污水外涌，引發(fā)安全事故，施工風(fēng)險極大。

既有管道割除及封堵難度大、危險性高，3#、4#接頭井處需要割除、封堵既有[Φ]2 000 mm管道各一道，既有管道使用多年，污水流量較大，管道內(nèi)存在硫化氫這種有毒有害氣體。破除、封堵施工時均帶水作業(yè)，難度較大、危險性較高。

2 污水管帶水切割封堵施工技術(shù)

2.1 切割封堵方案

針對本工程的實際情況，項目部QC小組研制出一套無須水下作業(yè)的施工方案，總體思路是：預(yù)先懸吊舊污水管道，防止管道變形或下沉，掏底施工3#、4#連接井，施工連接井內(nèi)的檢查井期間，在舊污水管道環(huán)向預(yù)留吊裝鋼絲繩及繩鋸鏈條，在井壁及井底預(yù)留止水鋼閘板槽道;施工完3#、4#連接井內(nèi)的檢查井后，利用4臺性能相似的鋼絲繩繩鋸切割機(jī)同時切割，將污水管切成若干段調(diào)離;隨后在廢棄的舊管道上、下游分別插設(shè)兩道鋼閘板堵水，鋼閘板之間填充C35水下混凝土，將水改流至新敷設(shè)的管道，從而完成改水工作。

2.2 施工工藝流程

施工工藝流程為：掏底施工連接井→切割設(shè)備安裝→管線切割→施工平臺拆除、管線吊離→鋼板封堵截流→鋼板間混凝土澆筑。

2.2.1 掏底施工連接井。連接井內(nèi)既有管道與新管道并存，由于舊管道貫穿整個工作井（見圖2），井底板作業(yè)時，需要人工將舊管底的土進(jìn)行掏除后再進(jìn)行施工。在掏除過程中，如果不對舊管道采取保護(hù)措施，一旦管底大面積脫空，管道極有可能松動、下沉，造成承插型接口錯位甚至脫離，導(dǎo)致污水外涌，危險性極大。

研究小組成員運用頭腦風(fēng)暴法進(jìn)行集思廣益，最終研究出一種懸吊法施工：在連接井冠梁上方橫跨一根I63工字鋼作為懸吊橫梁，沿著垂直管道方向均勻掏設(shè)數(shù)個穿線孔，再沿著穿線孔穿設(shè)[Φ]25 mm鋼絲繩，利用2個10 t及1個5 t的手拉葫蘆預(yù)先懸吊，防止管線下沉或變形。

在施工過程中，對管道進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)測，密切關(guān)注管線的變形情況，一旦出現(xiàn)微量變形，立即采取反填等措施，防止管線脫節(jié)，確保施工安全。

在實際掏底施工過程中，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，管道最大變形量小于0.2 mm，在排除儀器測量誤差后，可忽略不計，管道在施工全過程中也未見滲漏現(xiàn)象，成功地實現(xiàn)了全斷面掏底施作底板。

底板施工時，由于底板澆筑完成后將與管底緊密貼合，為了方便穿吊裝鋼絲繩以及繩鋸鏈條，底板澆筑前，需要在擬定的每處切割面環(huán)向預(yù)留至少3根[Φ]50硬質(zhì)水管作為穿繩鋸鏈條及吊裝鋼絲繩的通道，其中一根為穿鋼絲繩用，一根為穿繩鋸鏈條用，一條備用，管內(nèi)穿上鐵絲作為牽引繩備用。根據(jù)現(xiàn)場管節(jié)的位置布設(shè)，3#、4#連接井內(nèi)須各布設(shè)3處9道預(yù)埋管道。

掏底施工完并檢查井底板后，需要繼續(xù)施工四周井壁，其中4#連接井的舊管道與新管道斜交角度較大，井內(nèi)檢查井無法做成常規(guī)的矩形，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在滿足功能要求的情況下，做成異形井（見圖3）。連接井內(nèi)各結(jié)構(gòu)面的高程及深度如表1所示，其中，井頂標(biāo)高高于觀測期間最高污水位約1.0m。

3#連接井井壁厚度為40 cm，混凝土標(biāo)號為C30P8，其余技術(shù)參數(shù)如圖3（a）所示。4#連接井井壁厚度為40 cm，混凝土標(biāo)號為C30P8，其余技術(shù)參數(shù)如圖3（b）所示。

底板及連接井井壁施工時，需要在井壁及底板環(huán)向預(yù)留兩道止水鋼板槽道，預(yù)留槽道寬15 cm、深5 cm，兩道預(yù)留槽中對中間距為30 cm。其中4#井的槽道預(yù)留在下游側(cè)，3#井的槽道預(yù)留在上游側(cè)。

2.2.2 切割設(shè)備安裝。具體流程為：首先搭設(shè)施工平臺，然后安裝繩鋸機(jī)及導(dǎo)向輪，再安裝繩索，最后接通水源。

2.2.2.1 施工平臺搭設(shè)。切割平臺搭建采用鋼筋及[Φ]48×3.0 mm鋼管作為骨架，骨架搭設(shè)完成后，面層鋪設(shè)13 mm厚覆膜多層板作為工作平臺。

2.2.2.2 安裝繩鋸機(jī)及導(dǎo)向輪。用M16螺栓固定繩鋸主腳架于檢查井井壁頂端，主腳架及輔助腳架導(dǎo)向輪安裝一定要穩(wěn)固，且輪的邊緣一定要和穿繩孔的中心線對準(zhǔn)，以確保切割面的有效切割速度，嚴(yán)格執(zhí)行安裝精度要求。要確保導(dǎo)軌安放平整，導(dǎo)軌之間連接牢靠，條件允許時可用水平儀校檢水平度，傾斜度不宜過大，一般不超過10°。機(jī)臺安裝好后，調(diào)整主飛輪位置，使其與被切割面在同一個平面內(nèi)。然后，調(diào)節(jié)兩個導(dǎo)向輪的張開角度，調(diào)節(jié)串珠繩與主飛輪的接觸長度。將繩鋸鏈條穿過預(yù)埋管道后，沿切削方向手動拉繩鋸，確保繩鋸在交匯孔內(nèi)靈活運動、無卡滯。

2.2.2.3 安裝繩索。金剛石繩鏈利用鐵絲牽引沿著預(yù)埋的管道進(jìn)行穿設(shè)，環(huán)繞穿過污水管后，將串珠式金剛石繩對接成無極環(huán)狀，套在金剛石鋸機(jī)的驅(qū)動輪上。將金剛石繩索撐開，使二個導(dǎo)向輪在同一平面上，方向正確，不能偏斜。根據(jù)已確定的切割形式將金剛石繩索按一定的順序纏繞在主動輪及輔助輪上，繩子的方向應(yīng)和主動輪驅(qū)動方向一致。

金剛石繩鋸使用前須連接一個閉合的循環(huán)。其操作方法及步驟為：兩頭裸露鋼絲繩長度=接頭長度;將兩頭裸露鋼絲繩插入鋼質(zhì)接頭，接頭和相鄰的串珠應(yīng)無縫隙;采用金剛石繩鋸專用液壓鉗，將接頭扣壓緊，扣壓時，先將接頭中部置于液壓鉗內(nèi)扣壓，每轉(zhuǎn)動90°扣壓一次，然后將接頭兩端置于液壓鉗中依次扣壓，最后將接頭中部再次置于液壓中扣壓;扣壓后檢查接頭，用角磨機(jī)等將飛邊和毛刺去除干凈。

為了確保污水管能順利吊出，兩道繩索安裝時應(yīng)呈倒“八”字形，繩索與豎直方向的夾角約為2°。

2.2.2.4 接通水源。安裝兩根冷卻水管，一根設(shè)置在繩的入口孔位置，另一根設(shè)在繩的出口位置，隨著切割進(jìn)度的深入，人們需要通過人工不斷調(diào)整進(jìn)水位置及出水方向，確保水源供給充足。順著串珠繩的鋸切方向加入冷卻水，切割面較大時，可多加幾個加水點。雖然本次切割為帶水的污水管，但是上部的鏈條也需要時刻淋水冷卻，防止繩鏈斷裂。開啟冷卻水源，使冷卻水噴射到繩鋸上，確認(rèn)冷卻水進(jìn)入切割面后，才能啟動繩鋸機(jī)進(jìn)行切割。垂直切割時，冷卻水噴嘴必須隨著繩鋸切割位置的改變而移動。冷卻水量要適當(dāng)，過少的水量會燒毀繩鋸的注塑層，過多的水量會造成繩鋸打滑或拋光，在切割時保持無粉塵噴出，噴出的水呈霧狀和水汽最為合適。

2.2.3 管線切割。3#連接井井底標(biāo)高為765.31 m，4#連接井井底標(biāo)高為765.71 m，經(jīng)過對污水水位進(jìn)行測量，得出既有污水井內(nèi)水位高于污水管管頂5 m左右，管內(nèi)水壓較大。一旦切割開管道，污水將涌入新建管線，屆時兩個連接井內(nèi)都會受到污水的影響，因此3#、4#連接井4臺切割設(shè)備需要同步施工。上下游兩個連接井4臺切割設(shè)備同時安裝、調(diào)試完成后，即可進(jìn)行切割。為了避免切割過程中卡繩，同時防止管線切斷后在水流作用下產(chǎn)生位移而卡住，最終無法吊裝，施工前需要用吊車預(yù)吊擬割除的管道。預(yù)吊既可以用于固定切割期間的管道，也便于切割完成后及時吊運。

切割期間，一旦管線被切開缺口，污水將沿著缺口漫入井內(nèi)，污水中含有大量的硫化氫等有毒氣體，雖然操作人員在距離管頂7～8 m的冠梁頂部，通風(fēng)相對良好，但其依然存在一定的中毒風(fēng)險。為此，3#、4#連接井各安排一人佩戴防毒口罩、手持ADKS-4氣體檢測儀，該氣體檢測儀可對硫化氫、一氧化碳、氧氣、可燃物等四種氣體進(jìn)行檢測。一旦發(fā)現(xiàn)氣體含量超標(biāo)，要加強(qiáng)通風(fēng)，及時將人員撤離。

2.2.4 管道吊離。其間需要計算管節(jié)自重，通過計算合理選擇鋼絲繩，做好吊車選型。

2.2.4.1 管節(jié)自重計算。管節(jié)自重按最大尺寸計算，計算長度為3.5 m。管節(jié)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，重量取25 kN/m3計算。污水管壁厚為0.2 m，外徑為2.4 m，每延米重達(dá)（3.14×2.3×0.2）×2.5=3.6 t，3.5 m長管節(jié)重達(dá)12.6 t。由于初始吊裝時，管內(nèi)充滿水，故需要將水的重量也計算上。[G水]=（3.14×1×1）×1×3.5=11 t，故在水中時，總重量為23.6 t。

2.2.4.2 鋼絲繩計算。鋼絲繩的破斷拉力與鋼絲繩的直徑、結(jié)構(gòu)及鋼絲的強(qiáng)度有關(guān)，鋼絲繩破斷拉力=換算系數(shù)×鋼絲破斷拉力總和。一般常用鋼絲繩換算系數(shù)如下：6×19+1鋼絲繩取0.85，6×37+1鋼絲繩取0.82，6×61+1鋼絲繩取0.80。單股鋼絲繩允許破斷拉力為：

[[Fg]=CFg/K]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[[Fg]]為單股鋼絲繩允許破斷拉力，kN;[Fg]為選用鋼絲繩的鋼絲破斷拉力總和，kN;[C]為換算系數(shù)，取0.82;[K]為鋼絲繩的安全系數(shù)，根據(jù)《建筑施工起重吊裝工程安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 276—2012），取值為8。

擬采用2根4股直徑19.5 mm、公稱抗拉強(qiáng)度1 550 N/mm2的6×37鋼絲繩作為吊索，單股破斷拉力為218.5 kN，吊裝夾角最大約為10°，求它的允許拉力。由式（1）計算可得，

允許破斷拉力[[Fg]]=（0.82×218.5×4）/8=89.6kN。

單股鋼絲繩所受拉力的計算公式為：

[P=PNNcosα]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[P]為單股鋼絲繩所受的拉力，kN;[PN]為[N]股鋼絲繩的吊裝總重，kN;[α]為吊裝角度，°。

由式（2）計算可得，[P]=23.6×9.8/（4cos10°）=58.7 kN。由于[Fg>][P]，故選擇2根4股[Φ]19.5 mm、公稱抗拉強(qiáng)度1 550 N/mm2的6×37+1的鋼絲繩，滿足安全使用要求。

2.2.4.3 吊車選型。吊車選用徐工XGC75，主臂長度為31 m，起吊半徑約為8 m，可起吊重量為26.8 t。由于吊物重達(dá)23.6 t，因此徐工XGC75可滿足起吊要求。

2.2.5 鋼板封堵截流。管道割除后需要將廢除管道進(jìn)行封堵。在前期連接井內(nèi)檢查井施工時，處于下游的3#連接井內(nèi)背部已留兩道寬度15 cm、深度5 cm凹槽，凹槽間間距為0.3 m（見圖4）。管道割除后，將1.4 cm厚鋼板吊放至預(yù)留凹槽內(nèi)，將水截流。由于鋼板剛度較小，人們需要利用5 cm等邊角鋼在背部焊接豎向及橫向背楞提高剛度。

封堵鋼板的尺寸必須現(xiàn)場測量，參考已澆筑完成的檢查井的實際尺寸，才能確保順利入槽并成功堵水。經(jīng)過現(xiàn)場測量，所需鋼板最大尺寸為7.6 m×3.65 m，厚度為14 mm，重量為3.049 t，采用25 t汽車吊進(jìn)行吊裝。

吊裝前，需要在每塊鋼板焊接兩個吊環(huán)，吊環(huán)分布在鋼板寬度的四等分點上，吊環(huán)采用直徑25 mm Q235光圓鋼筋，吊環(huán)與鋼板的焊縫長度不得低于10[d]（[d]為槽鋼的腰厚度）。吊裝時，在鋼板上布置牽引繩，防止吊裝過程中鋼板在空中晃動，便于鋼板準(zhǔn)確入槽。吊入槽口上部，將牽引繩解除后，將鋼板緩慢落至槽底，然后測量鋼板頂部標(biāo)高是否與計算結(jié)果一致，核實鋼板是否已完全插到底部。

4#連接井為異形井，同樣也采用1.4 ㎝厚鋼板作為閘板，檢查井施工時已預(yù)留兩道凹槽，管道吊離井內(nèi)后沿凹槽放入閘板（見圖5）。因水壓較大，因此先對3#連接井內(nèi)舊管道的上游出水口進(jìn)行截流，屆時3#連接井與4#連接井間舊的管道內(nèi)水流速將減緩，管內(nèi)水飽和后，水流將通過新建線路流動，此時在水壓減小的情況下進(jìn)行4#連接井的截流，閘板在放入的過程中不會因水壓太大而產(chǎn)生變形。截流后將兩道鋼閘板間的污水進(jìn)行抽排，澆筑C20混凝土填充密實，達(dá)到進(jìn)一步的止水效果。

兩個連接井的鋼閘板均安裝到位后，鋼閘板間利用天泵混凝土澆筑。封堵完成后，將水泵放入舊污水管道的檢查井內(nèi)，抽排殘留污水。抽排后，污水已完全沿著新建管道排走，成功地實現(xiàn)了新舊污水管的帶水切割封堵。

3 注意事項

由于污水管一般為重力流非滿流管，在遷改類似本工程的污水管線時，如存在污水水位異常（高于管頂），必須核實檢查井井壁的高度是否高于高峰期污水水位。掏底施作井底板時，適當(dāng)多預(yù)留管道，以防繩鋸多次斷裂后無法進(jìn)行切割。

預(yù)留鋼閘板的加固背楞可適當(dāng)多加，增強(qiáng)剛度，縱、橫向間距不宜超過1.5 m。鋼閘板間需要分層、多次澆筑混凝土，防止鋼板滑出預(yù)留槽。雖然本次封堵施工不需要人員下水作業(yè)，但是為了保險起見，可聯(lián)系好蛙人到現(xiàn)場待命，一旦發(fā)生異常情況，需要下水作業(yè)，可以及時處理。

4 結(jié)語

本工程帶水切割封堵大直徑、高流量污水管的成功實踐，在安全性、經(jīng)濟(jì)性方面均優(yōu)于蛙人水下砌筑封堵，具有較好的工程應(yīng)用意義。

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