青島高新區(qū)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(tǒng)的重點和難點。其建設不僅受地形、地質(zhì)等工程因素影響，同時受技術經(jīng)濟指標約束，不同條件下差異較大。

青島高新區(qū)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(qū)域為濱海淺灘，地質(zhì)情況復雜，限制因素較多，經(jīng)反復論證確定最終實施方案。現(xiàn)將主要內(nèi)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(xiàn)有污水廠位于高新區(qū)核心區(qū)，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(tài)濕地內(nèi)選址新建。為此，需建設一條污水干管將現(xiàn)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(zhì)

地形、地貌：原地貌為濱海淺灘，后經(jīng)人工改造為鹽田，近期對場區(qū)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(qū)沿線鉆探揭露范圍內(nèi)地層結構較簡單，層序清晰，第四系主要由全新統(tǒng)人工填土層、全新統(tǒng)海相沉積層和沼澤化層及上更新統(tǒng)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(zhì)粉砂巖（見表1）。

地下水：穩(wěn)定水位埋深0.00～4.30 m，絕對標高為0.99～3.19m，根據(jù)區(qū)域調(diào)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(huán)境下具強腐蝕性。

2 常規(guī)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(guī)劃、設計時，首先應根據(jù)技術經(jīng)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(huán)境中，最大埋深不超過7～8 m；在多水、流砂、石灰?guī)r地層中不超過5 m。以此為基礎制定了以下設計方案：在現(xiàn)有管網(wǎng)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(yōu)點：管道投資節(jié)??；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(tǒng)末端，規(guī)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(chǎn)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(zhì)粉質(zhì)粘土層，呈流塑～軟塑狀態(tài)，邊坡穩(wěn)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(zhì)粉質(zhì)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(zhì)粉質(zhì)粘土層的管道先拋石，形成復合地基）；（6）按照常規(guī)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(diào)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(nèi)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(yōu)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(qū)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(zhì)、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(chǎn)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(huán)境產(chǎn)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(yōu)點：（1）對現(xiàn)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(zhì)量有保障；（3）不改變現(xiàn)有地質(zhì)，管道與周邊土體銜接緊密，穩(wěn)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(chǎn)生的噪音、揚塵等影響較少，環(huán)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(zhì)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(yōu)勢難以取舍，為此就其能否更好地適用高新區(qū)特殊的地理情況比選：（1）高新區(qū)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(wǎng)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(zhì)情況，工程所處地質(zhì)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(qū)是青島市重點打造的第三代新城，生態(tài)優(yōu)先和環(huán)境友好是城市發(fā)展的基本原則。

從質(zhì)量、安全及環(huán)境因素出發(fā)，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(yōu)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(chǎn)生擾動，因此在確定管道外側一定范圍內(nèi)無管線或其它重要設施時，方可使用；（4）針對不同地質(zhì)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(jīng)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(jù)《給水排水工程頂管技術規(guī)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(jié)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(shù)量。普通段檢查井間距按照80 m控制；過河、過路段根據(jù)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(zhì)聯(lián)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(jù)需要對土體進行處置：當?shù)叵滤惠^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(chǎn)生挖掘面失穩(wěn)、泥漿冒頂、頂管機回退等問題導致“抬頭”和“叩頭”現(xiàn)象，建議采用高壓旋噴樁對頂管進出口區(qū)域進行加固；（2）采用CCTV技術對管道豎向全程監(jiān)控，及時修正誤差。

6 結語

（1）高新區(qū)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(tǒng)的規(guī)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(yōu)化污水系統(tǒng)規(guī)劃，提升設計的靈活性、經(jīng)濟性和合理性。

（2）經(jīng)調(diào)研，濱海淺灘區(qū)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(yōu)于開挖施工，緩解甚至避免了這一現(xiàn)象的發(fā)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(yǎng)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。

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