杭州七格污水处理厂三期进厂主干管双管平行顶管设计研究

苏红来刘念

摘要：针对杭州市七格污水处理厂三期进厂主干管工程，分析确定了其中的双管平行顶管的型式、双管间距、工作井的尺寸、顶管错位纵距以及顶距等相关设计参数。

Abstract: aiming at the hangzhou municipal sewage treatment plant, three of seven in the ZhuGanGuan project, analysis to identify one of double GuanPing line pipe jacking type, double pipe space, work well, the size of pipe jacking dislocation and the vertical distance from the related design parameters.

引言

由于杭州城市的发展，现有的杭州四堡污水处理厂位于新城市中心的中央核心圈附近，地理位置十分优越，同时随着城市的快速发展，杭州市区产生的污水量也随之增大，为解决城市扩大和建设带来的污水量增加，杭州市必须增加城市污水处理能力。为此杭州市政府决定将四堡污水厂搬迁，并建设七格污水厂三期工程，因此必须新建污水管道将四堡污水系统的污水输送至七格污水处理厂三期。

七格污水处理厂三期进厂主干管采用D2400双管平行敷设，流量78万m3/d，总变化系数1.3，设计坡度0.6‰，管道充满度0.58，设计流速1.66m/s。线路全长约10km，并在中途设置一提升泵站。在提升泵站前2.5km的管线，因埋深较深（达7.0～10m），且距离钱塘江江堤距离较近，开挖围护施工难度很大，设计采用顶管施工。管材在开挖段采用预应力钢筒混凝土管（PCCP），双橡胶圈接口；在顶管段采用F型接口Ⅲ级钢筋砼管，楔形橡胶圈接口。

工程地质条件

沿线地貌属第四纪钱塘江现代江滩。京杭运河入江口至钱江二桥间地段，曾用作杭州市污水排放池和垃圾堆放用地，后吹填作工业用地；二桥以东曾围垦（吹填法）作农业用地。

根据野外钻探、室内岩土试验及原位测试资料，顶管段污水管穿越的土层特征描述如下：

①4吹填土：灰黑色，湿～饱和，松散，为较纯净的砂质粉土性填土,少有其他杂质,系钱塘江粉土吹填而成。

②砂质粉土：灰黄～灰色，湿～饱和，稍密，含少量云母碎屑、氧化铁、有机质，局部夹粉质粘土，摇振反应迅速，无光泽反应，干强度低，韧性低。

③1粉砂：灰色，饱和，中密，含少量云 母碎屑，局部夹砂质粉土夹层。

顶管型式的比较确定

顶管法施工工艺是一种历史比较长的地下管道施工方法，它最早始于1896年的美国，据资料记载，日本最早的一次顶管施工是在1948年，我国采用顶管施工是在1953年的北京。在l964年前后，上海的一些单位已进行了大口径机械式顶管的各种试验。至84年前后，我国的顶管施工基本上是人工开掘并辅助以如挤压法等简单机械式顶管方式。1984年前后，我国的一些大城市先后开始引进国外先进的机械式顶管设备，从而，使我国的顶管技术上了一个新台阶。

顶管施工除了传统的人工开掘式、挤压法、水冲法之外，目前比较流行的有气压平衡、泥水平衡和土压平衡法等三种平衡理论。

气压平衡法

气压平衡法顶进是通过空气压缩机向工具管内注人一定压力的空气，使之与工具管内的水上压力相平衡，并形成一个相对稳定的开挖面， 以防止工作管正面土体的流动和开挖面的塌方，而开挖面经过不断的取土推进被破坏，压缩空气也随之建立起一次次新的相对平衡开挖面，完成管节的不断推进。

气压平衡法其优点是由于压缩空气的作用，工具管前方的土体始终保持相对稳定，可避免塌方和泥石流倒灌，对地面沉降影响较小。另外由于气压仓的作用，一旦机头前方发现木桩、石块等障碍物，操作人员可通过气压仓进人工具管内将其取出，保证顶管的顺利进行。

气压平衡理论是在所顶进的管道中及挖掘面上都充满一定压力的空气，以空气的压力来平衡地下水的压力。因气压顶管施工对土质及周围环境有特定的要求，因此，该工艺比泥水平衡和土压平衡法应用较少。

泥水平衡法

泥水平衡理论是以含有一定量粘土的且具有一定相对密度的泥浆水充满掘进机的泥水舱，并对它施加一定的压力，以平衡地下水和土压力的一种顶管理论。

该顶管法施工适用的土质范围比较广，如在地下水压力很高以及变化范围较大的条件下，它也能适用。但所需作业场地大，设备成本高；口径越大，泥水处理量也就越多，因此比较适用于小口径管道

土压平衡法

土压平衡理论是以掘进机泥土舱内泥土的压力来平衡掘进机所处土层的土压力和地下水压力的顶管理论。它与泥水式顶管施工相比，最大的特点是排出的土或泥浆一般都不需要再进行泥水分离等二次处理，与人工开掘式及其它形式的顶管施工相比较，具有适应土质范围广和不需要采用任何其他辅助施工手段(如降地下水)的优点，因此， 目前土压式顶管施工得以迅速普及开来，成为顶管施工中的首选工艺。在顶管掘进机中，引入了土压平衡这一概念以后，使掘进机发生了质的飞跃。

但由于出土的不连续性，加上注浆减摩所产生的注浆压力，土压平衡式顶管对管道周围土体造成的挤压力非常大；在沙砾层和粘粒含量少的沙层中施工时，必须采用添加剂对土体进行改良。

顶管型式的确定

根据地质资料显示，本工程顶管所穿土层为砂质粉土，地下水由钱塘江补给，十分丰富，且位于钱塘江边，局部地段含有大量碎砾石，建议选用排水性能与排障碍物能力较强的气压平衡顶管工艺。

顶管时双管间距的确定

在顶管界有双排顶管中心距与管顶扰动宽度的理论，认为工具管顶扰动宽度小于或等于两孔中心距即为安全。

即：Be≤L

式中：

Be——管顶土体扰动宽度，m；

D——工具管的等效外径，m；D=D0；

ψ——土的内摩擦角，°；

D0——工具管外径，m

对于本工程，根据勘测报告，顶管所在的层为砂质粉土，内摩擦角ψ＝30°，D0=2.88m，故

，

结论：取5.3m。

沉井平面尺寸的确定

工作沉井的尺寸是指工作井的平面尺寸和深度，取决于施工管道直径的大小、管节的长度、覆土厚度、顶进形式和施工方法等因素，并受土层的性质、地下水位等条件影响；在确定工作井尺寸时，还要考虑各种设备的布置、操作空间、工期长短和挖掘泥土的运输方式和设备等因素。根据GB 50268-2008第6.2节的规定，矩形工作坑的底部尺寸应采用下列公式计算：

式中：

B ——矩形工作井的底部宽度，m；

D1——管道外径，m；

S ——操作宽度，可取2.4～3m；

L ——矩形工作井的底部长度

L1 ——工具管长度，m；当采用管道第一节作为工具管时，对于钢筋混凝土管，不宜小于0.3m；钢管不宜小于0.6m；

L2——管节长度，m；

L3——运土工作间长度，m；

L4——千斤顶长度，m；

L5——后背墙的厚度，m。

工作坑深度应符合下列深度要求：

H1 = h1 + h2 + h3

H2 = h1+ h3

式中：

H1——顶进坑地面至坑底的深度，m；

H2——接受坑地面至坑底的深度，m；

h1——地面至管道底部外缘的深度，m；

h2——管道外缘底部至导轨底面的高度，m；

h3——基础及其垫层的厚底。但不应小于该处井室的基础及垫层厚度，m。

对于该工程的双管平行顶管：

其中，D1=2.88m，L＝5.3m，两侧各留工作宽度1.0m，即S取2m，则

B＝10.18m。

对于工作井的底部长度：

根据顶管机头长4.3m，千斤顶长度2.4m，前墙0.3m，顶铁0.5m，后背0.3m，最终取定L＝8.0m。

最终平面尺寸的确定如下：

（1）、矩形顶管沉井尺寸为：

矩形工作井底部的平面尺寸为，井壁厚度为800mm；

接收井底部的平面尺寸为，井壁厚度为800mm；

深度根据管道的埋深而定。

（2）、圆形顶管沉井尺寸为：

圆形工作井底部的平面尺寸Φ12.0m，接收井底部的平面尺寸为Φ10.0m，深度根据管道的埋深而定。

顶距的确定

错位纵距的控制

双排平行前后同步顶进的先进技术，两管前后错位纵距的合理确定，对于减少两管相互干扰和影响及管间土体的扰动至关重要。

施工前采用以下的力学简化模式来估算前后纵距Lmin：

在土压平衡式工具管的施工中，其正面对土体的施力状况是按（45°+ψ/2）向前方360°扩散，其纵向影响距离推算如下：

P=F

按施工中控制土压力上限考虑。

则：

同时，考虑到前方管因纠偏所引起对侧向土体的扰动因素，以及工具管无注浆孔，其侧壁摩擦剪力对侧向土体的扰动因素，取γ系数来解决，则：

双排管前后最小纵距为：  Lmin=γ×(d+H)

式中：

H——前方工具管管长，如果工具管后三节做刚性联结，则H应为工具管管长与后三节砼管长度之和，m；

γ——由土质性质决定的系数，取1.5～2.0；

D——工具管外径，m；

Pp、P0——土的被动土压力、静止土压力 ，KPa；

Lmin——双排管前后纵距的最小值，m。

经计算，推算出该顶管前后纵距在60米的情况下是安全可靠的。如果工期及其它条件允许，可采用先后顶，即先顶完一根，再顶另一根，能更有效的减少或消除双管间的相互影响和干扰。

顶力与顶距的确定

顶力和顶距是一对矛盾统一体，且均与工程造价存在着密切的联系，它们是管道及沉井设计的关键性参数，对结构计算将产生直接的影响，同时也决定了沉井的数量，从而影响到工程造价。顶进过程最理想的状态是以最小的顶力来实现最大的顶距，使沉井数量减至最低，从而达到最佳经济效果；从而实际上随着顶距的逐渐加大和沉井数量的相应减少，必然伴随着顶力的逐步提高，这对于顶进设备及管、井结构必然提出更高的要求，从而导致工程费用发生变化，而顶力又是受结构极限承压力和设备本身控制的，不可能无限制增大；反之，顶距及顶力的减小固然可降低对结构及设备本身的要求，但将直接导致沉井数量的增加；同时它们还会受到不同地条件和土壤情况的限制，加上时间、技术等其他制约因素，顶力和顶距及其经济指标等在一定情况下必然可达到一个最佳契合点或最优值。为使优化过程进一步简化，实际运用中首先根据实际经验、结构承压以及设备制作和操作能力等选取一个相对合理的固定顶力值作为实际控制顶力，以此为据来核算管道及沉井结构断面，再对照当地的土壤摩擦系数等因素，采用动态规划的方法来确定实际顶进的能力即顶距的大小。

为了减少沉井工作井和接收井的数量，降低工程造价，同时在施工条件允许的范围内，本设计加大了顶距，采用长距离顶管，顶距设计为400～600米。

实际长距离顶进的措施

在控制顶力不变的情况下，使管道顶进距离得到有效加长，是实现长距离顶进和减少沉井数量的唯一途径；采取减阻和接力推进措施是两种行之有效的办法，两种方法共同作用可使实际顶力明显降低或使顶距进一步加长，通常是在顶进过程中压触变泥浆等润滑剂和加设中继间，其与顶力及顶距存在如下内在关系：

通过加注一种以膨润土矿为主要材料配置的顶管专用泥浆复合材料即触变泥浆，使管道外壁和土层之间均匀充填一种液体润滑介质，便形成一个完事的泥浆套，可使土壤摩擦阻力大大减小，增加一次性顶进的距离；该工序的关键在于泥浆的配比和注、补浆技术，以求达到最好的减阻效果和浆套的完整。一旦形成了完整的浆套，顶力的变化就趋于稳定，随着顶距的增加顶力却没有明显增加。另外，为实现长距离顶管的需要，在不增加顶力的条件下，顶进过程中考虑在每个井段间加设中继间，通过逐级接力顶进可使顶管距离得到有效的加长，中继间是由一组短冲程液压油缸构成的一节特殊钢套管或一套专用管件组合，通过其作用可避免整条管道同时向前顶进，而是将管道分割成两个或多个顶进分站，管道顶进所需总顶力则分别由各顶进分站所分摊，借助各顶进分站交替接力顶进，可使管道顶进达到相当的长度；但顶进距离过长其经济性也会随之下降，因为只最前面的一个中继间启动时，顶进机头才处于工作状态，随着顶进距离的加长和中继间数量的增加，管道进尺将愈加缓慢，同时出土距离随之加长、监控测量难度相应增大，顶管的总效率将大为降低；实践证明，控制顶进距离在250米左右、中继间个数不超过3个，无论是在顶进效率方面还是在时间保障等方面对本工程而言是合适的。

本次管道及工作井均采用钢筋砼材料。为实际长距离顶进，在顶管过程中采取压浆等减阻措施，通常每个井段考虑加设1--2个中继间，以实现逐级递进接力顶进，顶进工程程序采用双向顶进。

结论

随着城市的快速发展，在城市给水排水工程中，会越来越多的出现大口径双管平行顶管敷设管道的要求，由于目前尚没有相关的规范要求，因此，在设计中应当根据最新的研究成果和实践经验，来确定设计参数。

本文针对杭州市七格污水处理厂三期进厂主干管工程，根据双管平行顶管互相影响的理论，分析确定了双管平行顶管的型式、双管间距、工作井的尺寸、顶管错位纵距以及顶距等相关设计参数，保证了工程的顺利实施。

参考文献：

[1]王恒栋,凌兴安.青草沙水源地原水工程大口径平行顶管设计研究.给水排水.2009,35(10):55~57

[2]白家波,王巨涛,等.郑州市污水处理厂进厂干管顶管设计. 第四届全国给水排水青年学术年会论文集.2000:450~454

[3]给水排水管道工程施工及验收规范.GB50268-2008

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。