污水管道穿越南水北調中線工程恢復設計

□蘆子卿

2015年10 月，巡線時發現石家莊市杜北大街污水倒虹吸下游側左岸污水管道斷裂、鋼筋混凝土套管局部受損破壞，并造成穿越位置附近南水北調中線總干渠襯砌板隆起、位移等。針對杜北大街污水倒虹吸的受損狀況，為保證總干渠工程安全和運行安全，對污水管道進行恢復處理至關重要。工程于2015年開工建設，2016年建成并投入使用，目前運行情況良好。2015年8月至2016年3月，從事石家莊市南水北調工程前期規劃設計等相關工作，參與了污水管道穿越南水北調中線工程恢復設計，現將設計工作予以回顧總結，以其與類似工程建設交流并提供參考。

1.設計原則

一是穿越或跨越工程布置和建設應不影響中線干線工程的建設、運行和管理。

二是恢復工程規模、工程等別及建筑物等級標準等與按原設計一致。

三是方案設計切實可行，既能實現安全、可靠、經濟運行，又便于維護管理。在保證工程安全的前提下，最大限度減少投資。

四是管材選擇在設計、安裝等方面應考慮安全性和可操作性，技術可行經濟合理。

五是應考慮施工的便利性，保證工期。

2.總體方案

杜北大街污水管線穿越南水北調中線總干渠恢復工程其穿越形式只能采用跨越或下部穿越的形式通過。提出3個管道恢復設計方案：一是以修補為指導思想的就地修復方案；二是在原位重建污水倒虹吸（雙孔箱涵作為管道保護結構）方案；三是換位新建倒虹吸頂管方案。根據總干渠通水目標及安全運行要求，方案一和方案二難以滿足要求，方案三需要進一步完善穿越設計，進一步比選污水管道穿越地點和具體施工方案。根據穿越處地基條件和施工場地條件，補充定向鉆方案與頂管方案比選。

經現場勘查和結合工程所在地地質鉆探資料，對定向鉆方案進行分析：根據南水北調中線干線工程專業技術標準《其他工程穿越或跨越南水北調中線干線工程設計技術要求》第5.1.10規定：“采用定向鉆方式時，對于全填方渠段，管頂埋深不應小于地面線以下10m；挖方及半挖半填渠段，管頂埋深不應小于渠底以下10m”，污水管道穿越總干渠部位渠底標高為70.09m左右，若采用定向鉆施工穿越管道中心標高必須位于標高59.8m以下，而穿越部位地質條件為卵石層，定向鉆施工難于成孔，因此不推薦定向鉆方案。

根據現場實際情況，在污水管道上游25m處建有杜北西橋梁，該橋梁上部結構為(30+40+30)m等截面預應力混凝土連續箱梁，梁高2m，箱梁底板寬5m，頂板總寬9m，翼緣板懸臂長2m。下部結構橋墩為雙柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎，墩柱直徑1.4m，高11.6m，樁基直徑1.5m，設計樁長32m；橋臺為樁接蓋梁式橋臺，樁基直徑1.5m，設計樁長28m。橋梁橫向布置為：7m（行車道）+2×1m（人行道）。橋梁汽車荷載等級為公路-Ⅱ級，人群荷載標準值為3.5kN/m2。人行道寬1m，采用整體式澆筑，污水管道有沿杜北西橋跨越總干渠的條件，因此污水管道恢復方案對利用杜北西橋敷設管道跨越方案和頂管下穿總干渠方案進行比選。

3.管材選擇

根據恢復工程的重要性，所選擇的管材應為整體性連接的承壓管道。因此，適用于工程的管材主要有：焊接鋼管、給水PE管和鋼絲骨架PE管。

3.1 焊接鋼管

優點：鋼管材質較輕，可設計行強，加工使用靈活方便，可承受較高的內壓力。

缺點：耐腐蝕性差，防腐做法麻煩。防腐層施工的質量是影響焊接鋼管壽命的主要因素。

3.2 給水PE管

PE管是由80級以上聚乙烯擠出而成，管材壽命長、無毒、韌性好，有較好的疲勞強度和抗沖擊性能，脆化溫度可達-70℃。

優點：管材連結方式為整體熱熔焊接。施工安裝極為方便。適用于輸送溫度不高于60℃的介質。

缺點：耐溫性較差，抗紫外線能力弱。

3.3 鋼絲骨架PE管

鋼絲骨架PE管：鋼絲網骨架PE管是以高強度鋼絲左右螺旋纏繞成型的網狀骨架為增強體，以聚乙烯(PE)為基體，并用高性能的HDPE改性粘結樹脂將鋼絲骨架與內、外層高密度聚乙烯緊密地連接在一起的一種新型管材。具有鋼管和塑料管的雙重優勢。

優點：管道內壁光滑，接口為熱熔焊接，整體性好。

缺點：耐溫性較差，抗紫外線能力弱。

結合工程實際情況，新建污水管位于北杜西橋人行道下部，橋面車輛及行人通行必然會對管道產生振動等影響，且管道敷設于人行路面下，溫度變化及紫外線照射等因素勢必會加快化學管材老化的速度，因此恢復工程設計采用橋上敷設時管材采用焊接鋼管，鋼管采用涂塑復合管，管道內、外壁防腐均采用噴涂涂EP涂料的防腐做法；采用倒虹吸方案時管材采用PE管。

4.管道根數

根據工程實際情況，污水管線沿杜北西橋跨越架設方案時，具備管道事故情況下的檢修條件，污水管線可不考慮備用關系，因此新建污水管道數量為單根鋪設；而采用倒虹吸方案時，根據《室外排水設計規范》要求，采用2根管道。

5.工程設計

5.1 倒虹吸布置

根據總干渠通水及施工工期要求，原污水管道處僅考慮拆除污水管道恢復總干渠，污水管道重新選址建設。

根據現場施工條件，新建污水管道倒虹吸選址于“京石段設計樁號239+180”處，與中線干渠正交，倒虹吸總長145.9m。倒虹吸由檢查豎井、倒虹管組成。倒虹吸兩端分別埋設管道與污水管網連接。

倒虹管為DN2000鋼筋混凝土套管+DN450 PE管芯，長132m，雙排布置，一備一用。DN2000鋼筋混凝土套管采用頂管施工。為滿足南水北調中線干渠底板以下管頂覆土不小于穿渠管道外徑2倍的要求，確定DN2000鋼筋混凝土套管管頂高程為64.7m。為確保倒虹吸套管防滲可靠，在鋼筋混凝土套管內表面以及變形縫處內外表面，均采用TB-水工高性能柔性材料進行防滲處理。

倒虹管兩端分別設鋼筋混凝土檢修豎井，檢修豎井設在總干渠隔離網欄線外。結合頂管施工，兩端檢修豎井由頂管工作井和接收井改建而成。南岸豎井作為頂管工作井，結合施工布置，豎井凈尺寸為6.0m×8.6m（長×寬），深20.3m。北岸豎井作為頂管接收井，結合施工布置，豎井凈尺寸為4.0m×8.6m（長×寬），深23.1m。由于豎井緊鄰總干渠，不具備放坡大開挖條件，為減少豎井施工對總干渠的破壞影響，豎井開挖采用鋼筋混凝土灌注樁支護，開挖完成后，基坑內側采用鋼筋混凝土襯砌，形成檢修豎井。鋼筋混凝土灌注樁直徑為0.8m，間距1.2m，南岸灌注樁嵌入基坑底部10.4m，北岸灌注樁嵌入基坑底部9.2m。灌注樁頂部設鋼筋混凝土冠梁，冠梁尺寸為0.8m×0.8m（寬×高）。井壁襯砌厚0.2m，底板厚0.5m。

由于頂管頂進距離相對較長，頂進時宜采取壓注減阻泥漿或涂抹非親水減阻劑方式減阻。套管頂進完成后，應從預留注漿孔采用壓注水泥漿方式密實管體與周圍土體間的空隙。工程沉降量要求控制在1cm內。

5.2 倒虹吸設計

5.2.1 豎井尺寸

豎井尺寸結合頂管施工確定，根據《土壓平衡和泥水平衡頂管工程施工技術規程》（J10452-2004），工作井尺寸按下式計算：

工作井底部寬度：B=D+B1

工作井底部長度：L=L1+L2+L3+L4+L5

式中：

D—管道外徑（m），2.4+2.4+2.0=6.8m；

B1—操作寬度，可取1.8～3.2m，此工程取1.8m；

L1—頂管機頭長度（m），0.8m；

L2—管節長度（m），3.0m；

L3—運土工作間長度（m），泥水平衡法為0；

L4—千斤頂長度（m），1.2；

L5—后背墻的厚度（m），包括橫木、立鐵、橫鐵取0.8m；

經計算：B=6.8+1.8=8.6m，設計取8.6m。

L=0.8+3+0+1.2+0.8=5.8m，設計取6.0m。

接收井寬度應與工作井相同，長度宜為4～6m，此工程取4m。

因此南岸豎井凈尺寸確定為6.0×8.6m（長×寬），北岸豎井尺寸為4.0×8.6m（長×寬）。

5.2.2 鋼筋混凝土灌注樁設計

嵌固深度計算。根據《建筑基坑支護技術規程》，對于均質黏性土及地下水位以上的粉土和砂類土，多層支點排樁的嵌固深度h0可按下式確定：

式中：

n0—嵌固深度系數，由內摩擦角及粘聚力系數查表，此工程為0.4；

h—基坑開挖深度（m），此工程中南岸豎井為23.6m，北岸為20.8m；

嵌固深度的設計值hd可按下式確定：

經計算，南岸混凝土灌注樁的嵌固深度為10.38m，設計取10.4m，灌注樁總長34m；北岸為混凝土灌注樁的嵌固深度為9.15m，設計取9.2m，灌注樁總長30m。

灌注樁整體穩定驗算。根據《建筑基坑支護技術規程》，灌注樁整體穩定驗算采用圓弧滑動瑞典條分法進行計算，借助于《理正深基坑計算軟件》計算。經計算，南岸和北岸整體穩定安全系數Ks分別為1.383和1.374，均大于1.3，滿足要求。

內力及配筋計算。基坑開挖過程中，設多層內支撐，每層內支撐由環梁和內撐組成，使灌注樁、環梁和內撐形成整體框架結構。借助于《理正深基坑計算軟件》計算，內力計算成果見表1。

表1 灌注樁內力計算成果表

灌注樁樁徑設為0.8m，混凝土等級采用C40，鋼筋采用HRB335級鋼筋。

5.2.3 頂力計算

根據《土壓平衡和泥水平衡頂管工程施工技術規程》（J10452-2004），泥水平衡頂管中，頂力按下式計算：

式中：

F—總頂力（KN）；

F0—初始頂力（KN）；

f0—每米管子與土層之間的綜合摩擦阻力（KN/m）；

L—頂進長度（m）；

α—綜合系數，此工程為砂性土，取2.0；

pe—土倉的壓力（KPa），應控制在主動土壓力與被動土壓力之間，此工程取靜止土壓力；

D—管道外徑（m），2.4；

R—綜合摩擦阻力（KPa），取10；

SL—管道外周長（m）；

W—每米管子的重力（KN/m）；

f—管與土的摩擦系數，取0.5。

經計算，頂力為14334.05KN。

5.2.4 頂管沉降計算

頂管沉降計算采用Peck公式計算，地表最大沉降量按下式計算：

式中：

smax—地表最大沉降量，m；

Vl—地層損失率，根據相關地區工程經驗取1.0%；

D—頂管外徑，m；

K—沉降槽寬度參數，根據相關地區工程經驗取0.3；

z0—地表至頂管中心的距離，m。

由上式可知，地表沉降量隨頂管埋深的增大而減小，取埋深最小的總干渠渠底進行驗算。經計算，地表最大沉降量為0.009m。

6.方案特點

優點：施工周期制約因素相對較少，在渠道輸水的情況下仍然可以照常施工，不影響南水北調主干渠正常運行。

缺點：一是北岸倒虹吸豎井及豎井外管道鋪設，需要重新征地，并涉及到房屋拆遷。工程投資較大。二是對施工設備、技術、質量要求較高。頂管兩側工作井較深，分別為21.4m和24.2m。由于工作井靠近主干渠，不具備放坡大開挖條件，需要支護，進行垂直開挖。頂管頂距相對較長，為132m，且地層為中砂層，頂進阻力較大，容易坍塌。沉降要求較高，防水要求較嚴。三是由于兩岸豎井較深，運行期間的巡檢及維護相對較困難。