復雜環(huán)境中大口徑市政排水管道的設計和施工要點

王強，都曉寧

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300381）

1 工程概況

某市政工程根據(jù)該地區(qū)的實際地下水及雨水規(guī)劃內(nèi)容，將本市原有的自然地下水等匯集到了最低點，道路在設計時需考慮到口徑統(tǒng)一的排水管鋪設作業(yè)，且遵循由低到高的排水原則，所有排放水最終排入污水處理廠。由于項目的實際情況需求，本次需鋪設的新排水管長度約在900 m，通水截面面積為4 m2。

2 排水管道的設計

根據(jù)雨水規(guī)劃，將本市所涉及的自然景觀、山體及雨水等不同類型的地下水全部采取統(tǒng)一匯集的方式收入管道最低位置769.2 m 地段，同時，借助新鋪設的大口徑排水管予以排出并最終處理。中途出現(xiàn)的通水斷面的面積以4 m2為計算單位，將所有的管道在起始地點以2 m 的深度予以埋深處理，遇地勢較淺地段，可結(jié)合放坡開挖的方式進行處理。

由于該施工區(qū)域內(nèi)的地理位置和土質(zhì)條件存在一定的特殊性，故在大口徑排水管道鋪設過程中，遇碎石土層環(huán)境較為普遍。為解決這一實際工程問題，在設計初期，工作人員根據(jù)實際勘察資料特在此處選用圍護開挖+頂管相配合的方式對管道進行鋪設作業(yè)。在管道鋪設起始點400 m 到出口的這段中間距離，受地勢環(huán)境因素的制約，管道會同時出現(xiàn)承載力低和壓縮變形的不良情況，加之不同程度的沉降問題干擾，會直接產(chǎn)生管節(jié)錯位的不良后果。對此，設計人員須將其作為重點，依據(jù)工程施工現(xiàn)場實際環(huán)境制定相關解決措施，便于減少后續(xù)施工對既有道路運營的影響。

本工程地處碎石分布廣泛的土層地質(zhì)環(huán)境，施工風險因素較多，故在實際方案設計中，設計人員以安全因素和整體造價為出發(fā)點，并結(jié)合項目的自身情況，最終決定采用頂管施工方式，對管道埋深面積較大、較深及出口范圍處做相關鋪設作業(yè)。具體操作時遇新舊排水管道連接地段，須保證新舊排水管道交叉點處標高差在3 m 以內(nèi)，同時，將管道的縱向坡度控制在約0.3%，確保整個排水管道新舊銜接處穩(wěn)固與順平。在實際管道埋深10 m 地段，布設1 個專業(yè)的檢查井，以保證管道的開挖作業(yè)和頂管施工的順利實施。

2.1 排水箱涵的設計與施工

排水箱涵由一個或多個方形或矩形平面組建而成，本次大口徑排水管道鋪設作業(yè)中，設計人員在跨徑＜4 m 的地段采用了箱涵結(jié)構(gòu)，以保證雨水及其他廢水的排出和處理。同時，以每節(jié)20 m 的長度分段將排水管按照橫、豎相錯的形式予以連接和布置，并在易變形的銜接部位借助橡膠止水帶予以纏繞處理，以達到最佳的防水效果。需要注意的是，整個排水管道的設置要呈直線形式依次展開，如此可減小該排水箱涵產(chǎn)生的應變，保證管道的鋪設質(zhì)量[1]。

早在排水管道設計之初，出于對本工程的實際情況考慮，工作人員在大口徑管道與排水箱涵的連接部位布設了一定量的檢查井，幫助管道的順利接入。鑒于開挖地段絕對高程為9 m，且最大埋深為11 m，普通的排水箱涵因造價過高不適合采用，為解決這一棘手情況，設計人員根據(jù)實際埋深對本次施工中所用的排水箱涵設計了兩個特定尺寸（見圖1、圖2），以便后續(xù)的管道埋深施工。

圖1 I 型排水箱涵（單位：mm）

2.2 頂管

此次施工中，頂管的實際操作長度為503.4 m，分2 個工作井同時從不同方向開展頂進作業(yè)。遇拐點地段，操作人員將2 個不同的工作井分別根據(jù)場地的實際情況予以設置并緊緊將其固定，按順序逐一將本次所用的大口徑排水管道輸送到相應的排放口位置[2]。

由于選用的排水管道為大口徑形式，沿線鋪設土層的軟硬程度不統(tǒng)一，故會產(chǎn)生不同程度的沉降和管道變形情況。為減少管道質(zhì)量問題頻繁發(fā)生，施工人員特在高地震烈度地段選用性能佳、縱向剛度強的特制鋼管，并在其表面涂抹一定量的防腐涂料，以加強整個排水管道的耐用性和實用性。為保證排水管鋪設作業(yè)的質(zhì)量，在遇碎石土層和淤泥環(huán)境時，采用氣壓狀況良好的網(wǎng)格式頂管輔助施工。

圖2 II 型排水箱涵（單位：mm）

頂管工作井2 采用圓形工作井，由頂管頂出所需的操作空間，確定頂管工作井的內(nèi)徑尺寸為9.0 m，由此可保證后續(xù)頂管作業(yè)的順利開展。鑒于對實際施工場地及地質(zhì)環(huán)境的諸多考慮，在砂土地帶，工作人員采用現(xiàn)澆沉井結(jié)構(gòu)作為圍護結(jié)構(gòu)，如此可起到承受荷載、擋水、擋土的作用，還可當作檢查井使用。由于工作井的開挖深度要達到近20 m，圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁工藝以環(huán)形支撐的方式完成相關作業(yè)，但是會增加項目的成本投入，故在非必要的情況下，建議使用現(xiàn)澆沉井結(jié)構(gòu)作為圍護結(jié)構(gòu)。沉井井壁下沉高度約20 m，采用排水分2 次下沉，待井壁下沉完成后，澆筑底板和頂板。

頂進力的計算是頂管施工的關鍵內(nèi)容，其計算公式為：

式中，Ptk為頂力標準值，kN；f為管壁與土間的摩擦系數(shù)；PV為管頂上方的豎向土壓力，kN；PH為管側(cè)的側(cè)土壓力，kN；PB為頂進管段的重量，kN；PA為頂管上方的貫入阻力值，kN。

在規(guī)定的參數(shù)范圍內(nèi)，本次排水管頂進施工中的最大頂力為8 000 kN，這也是現(xiàn)場頂進設備可提供的最大頂力。施工中，最大允許頂力應滿足式（2）的要求：

式中，Ptk為最大允許頂力；ξ 為合理折減系數(shù)；Epk為沉井結(jié)束后的土壓力值，kN；Eep，k為沉井作業(yè)期間最前方范圍內(nèi)的土體壓力值，kN。

在千斤頂?shù)暮奢d作用下，由井壁將頂力傳輸至作業(yè)范圍內(nèi)的土體中，由此使土體發(fā)生壓縮和位移，不利于整個頂管的施工作業(yè)。為提升該項作業(yè)的安全性，操作人員在實際施工前通過式（2）對最大的允許頂力值予以計算，得出的8 000 kN 即為最科學、最合理的參考數(shù)值。

2.3 頂管全流程的質(zhì)量控制

2.3.1 施工控制

施工期間，依據(jù)施工方案和施工組織設計采取控制措施，不遺漏任何關鍵工序、閉水試驗、涂裝施工等，在全面的施工控制策略下，確保各處細節(jié)的施工質(zhì)量達標。從頂管各工序的重要程度來看，沉井終沉尤為關鍵，為保證沉井終沉的有效性，需要做全面的質(zhì)量檢驗與控制。施工現(xiàn)場可能存在錯綜復雜的地質(zhì)條件，為此更應加強控制，做到及時發(fā)現(xiàn)問題、妥善處理問題，在全面的控制下，消除阻礙因素，順利實現(xiàn)沉井終沉。

2.3.2 頂管頂進

頂管前，先安排技術交底和安全交底，引導施工人員認識到頂管頂進的重要性，使其把握各項關鍵的作業(yè)要點、注意事項、突發(fā)事件的應對策略等，在此前提下，正式進行頂管。為提高對頂管頂進的控制水平，需建立地面與地下測量控制系統(tǒng)，由專員負責數(shù)據(jù)的采集與記錄，用數(shù)據(jù)指導施工。長距離頂管頂進時，需要加強對通風機械設備的維護，保證設備的穩(wěn)定運行，優(yōu)化管道內(nèi)的通風狀態(tài)，為現(xiàn)場施工提供安全保障。接口頂合時必須平整對中頂入，配套合適規(guī)格的橡膠圈，以增強接口部位的嚴密性。另外，要注意檢查木墊板的設置情況，判斷是否松動。

2.3.3 頂管穿越地下管道

頂管作業(yè)范圍內(nèi)可能存在既有管線，彼此間易產(chǎn)生干擾，因此，在頂管前應先結(jié)合工程資料加以分析，分析各類管線與頂管交叉部位的土質(zhì)狀況、彼此間的位置關系等，判斷是否存在影響，再采取針對性的防控措施，例如，針對局部土體做加固處理。頂管穿越地下管道時，踐行信息化的作業(yè)理念，以監(jiān)測信息指導頂管；適當放慢頂進的速度，以便根據(jù)現(xiàn)場情況靈活調(diào)整機頭正面土壓力、注漿壓力等關鍵的作業(yè)參數(shù)；若土體有沉降變形的傾向，需隨即安排跟蹤注漿，通過漿液的注入來加固土體，使土體維持穩(wěn)定，避免變形、沉降。

2.3.4 頂管出洞

首先，全面檢查并調(diào)試頂管系統(tǒng)，確認其能夠正常運行后再安排頂管出洞。布設在洞口的止水圈必須做到位置準確、穩(wěn)定可靠，有效封堵機頭與洞口的空隙。為避免洞口前方土體失穩(wěn)，對該部分做加固處理，同時加強對洞口前方地面構(gòu)筑物、地下管線等設施的有效防護。平穩(wěn)頂進，首節(jié)管出洞后盡快安排觸變泥漿的壓注作業(yè)，防止局部失穩(wěn)。管節(jié)出洞10～20 m時，全方位檢查出泥狀況、軸線、頂進速度、土壓等，要求各方面均恢復正常，最終有序頂管出洞。

3 排放口施工

基于地質(zhì)條件的特殊性，本次施工中出現(xiàn)了新建管道出口位置標高明顯高于現(xiàn)有排水溝標高的情況。針對這一難題，技術人員特在排水溝兩側(cè)設置相應數(shù)量的擋土結(jié)構(gòu)予以保護，以保證各管道匯水流暢。此外，在管道的出口部位伴有自然山體流水倒入等現(xiàn)象，故在實際引水處理中，改流向的廢水也需通過特定的方式引入固定的排水溝。

另外，結(jié)合實際的地形勘探資料，選用具備兩級U 形擋土墻進行山體廢水的引流和遮擋。同時，設計人員在兩個不同等級的擋土墻中間設置了1 道消力坎，降低2 個擋水墻相互制約的不良后果。在山體的兩側(cè)坡邊上，擋墻的高度保持在4 m，具體擋土墻范圍隨實際的山體形式而定，并在縱向邊坡的兩側(cè)設置一定數(shù)量的沉降縫，以15 m 的距離給予間隔。

4 結(jié)語

綜上所述，復雜環(huán)境下大口徑市政排水管道的施工要求非常高，并且具有較高的難度。在案例工程中，其周邊環(huán)境、地質(zhì)條件均較為復雜，通過精心設計、方案比選后，工程成功建設完畢并安全運營一年，在雨季排水管排水順暢，未造成地面積水。在碎石土夾淤泥質(zhì)黏土層中，以沉井作為頂管工作井是較優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式，頂管頂進采用合理的施工方案和減阻措施是可行的。