鄭州市污水處理廠進廠干管頂管設計

時間：2007-07-04  來源：  作者：白家波 王巨濤  下載次數：

　一、工程概況：

　　鄭州市污水處理廠工程是國務院淮河流域水污染防治重點工程之一，是利用第四批日本協力基金貸款和國內配套資金進行建設的環境治理、城市基礎設施建設工程項目，被列為河南省和鄭州市的重點工程。鄭州市汗水處理廠是淮河流域水污染防治最大的工程建設項目，該廠總服務面積可達105平方公里，50%以上的鄭州市市區污水均匯集于此，項目總建設規模為82萬噸/日；其中污水廠一期工程建設規模為40萬噸/日，工程總投資75749萬元，而進廠污水干管則按遠期規模一次性投資建成，項目投資超過13000萬元。
　　進廠污水干管設計采用土壓平衡法機械頂管新技術，該工藝設計及施工均為國內地區所首次采用，設計標準標準高、技術難度大。進廠干管全長8055m，其中d2600污水管長約4585m，d3000污水管長約3470m，頂管用工作坑全部采用鋼筋混凝土沉井形式共設計有頂管工作井20座，頂管接收入井21座，平均頂距200m左右，設計最長頂進距離近400m。目前鋼筋混凝土沉井已制作完畢并全部下沉到位，d2600管道已成功頂進總任務量的95%以上，而d3000管道現已全線貫通。

　二、設計思路：

　�。ㄒ唬�、設計方案選定：
　　鄭州市污水處理廠進廠干管工程設計采用特大口徑污水管道，因其為污水廠唯一的輸水干管，是整個工程項目的重中之重，已成為污水廠能否順利建成通水的制約性因素。干管起端位于鄭州市的的東出口并需下穿107國道等，由于城市出入口和國道交通均十分繁忙，工程在很大程度受到國道及市區出入口交通路專用線、地下光纜及其他市政管線等重要的地需的建筑和公用設施需要在施工中妥加保護；另外特大污水管道因其體積和重較大，吊、運十分不便，而管線線路較長且需橫穿多個行政區界，沿線的自然條件、地質狀況等變化較大；地下水位偏高，土壤含砂量大，管道埋設較深（4--9m)，且工期緊，任務量大，工程質量要求高等；以上種種不利因素均使工程的設計及施工難度大大增加。傳統施工方法如開槽、人工掘進頂管等施工技術簡單機械化及文明施工程度低，受地下水及天氣變化等外界因素影響較大，另外溝槽的支撐與下管（d>2000時)等方面的矛盾目前尚無法解決,因其所存在的致命缺陷,故本工程用傳統施工方法根本無法順利實施。而機械頂管工藝相對于本工程則存在著十分顯著的優點：
　　1、技術先進，施工速度較快，晝夜平均頂進10--15m，一次性連續頂進距離最長可達500m以上；
　　2、施工質量好，能自動糾偏，其上下和左右的偏差均能控制在規范允許范圍之內；管道采用“F”型柔性接口，接口嚴密不易滲漏；頂管掘進機頭在頂進中間不會造成超挖；頂進過程中通過壓注觸變泥漿可形成的漿套使頂進阻力大大降低，且漿體可使管壁與周圍土體結合緊密，不易造成地面塌陷；
　　3、施工技術比較成熟，上海等地已有許多成功的經驗，并可為施工提供成套的技術和設備；
　　4、不受地下水位的限制，施工過程只需局部降水，除沉井施工中需降水外，管線頂進過程則不需要降水，故因降水造成的房屋建設裂縫、危及居民安全等現象可大為減少；
　　5、能大量節約勞動力，一套頂管掘進設備晝夜輪班作業只需50人左右就可完成，可大大減少周轉材料的投入；
　　6、文明施工程度高，因所出土泥僅是管道所占的空間，出土量少且無須溝槽回填，故所出泥土可及時運走，不在現場千萬造成泥土堆積；現場干凈利落，不堆放周轉材料和其它雜物；
　　7、工程施工占地少，拆遷量小，拆遷賠償大量減少，施工占地和青苗補償費用大大降低；幾乎不受地形地貌變化的限制；
　　8、能解決一些其他施工方案難以解決的難題；能夠避開一些難以拆遷的地面障礙，如穿超107國道、鐵路專用線等；施工期間道路不斷行，可基本保證鄭汴路的正常通行等；
　　9、能較好解決國家對非農業占用耕地控制嚴格與項目建設需求間的矛盾；施工期間除必要的運輸通道和頂管工作坑需要臨時占地外，其余的農田均可照常耕作；
　　10、頂進機械可改徑，改徑時只需更換外殼，機械內部的主要部件可通用；
　　11、工程造價相對較低，與大開挖法比較可節約建設資金20%左右。
　　同時該工藝也暴露出如下缺點：
　　1、施工所需機械設備及操作技術較為復雜，需購置專用頂管設備并進行專項技術學習和培訓；
　　2、需增加制管設備和引進制、頂管技術；
　　3、頂管工作井、接收入井所占空間較大，單體造價較高。
　　從以上對比可以看出：機械頂管工藝在國內尚屬領先技術，可有效彌補其他傳統施工方法的不足，加上其經濟適宜、方便快捷的特點，使該工藝設計成為首選。根據工程、地質特點和現實情況，最終確定污水進廠干管全部采用土壓平衡法機械頂管工藝進行建設，頂管機械選用大刀盤削土土壓平衡式頂管掘進機頭及管疲乏頂進設備。
　�。ǘ�）、頂力、頂距的確定：
　　頂力和頂距是一對矛盾統一體，且均與工程造價存在著密切的聯系，它們是管道及沉井設計的關鍵性參數，對結構計算將產生直接的影響，同時也決定了沉井的數量，從而影響到工程造價。頂進過程最理想的狀態是以最小的頂力來實現最大的頂距，使沉井數量減至最低，從而達到最佳經濟效果；從而實際上隨著頂距的逐漸加大和沉井數量的相應減少，必然伴隨著頂力的逐步提高，這對于頂進設備及管、井結構必然提出更高的要求，從而導致工程費用發生變化，而頂力又是受結構極限承壓力和設備本身控制的，不可能無限制增大；反之，頂距及頂力的減小固然可降低對結構及設備本身的要求，但將直接導致沉井數量的增加；同時它們還會受到不同地條件和土壤情況的限制，加上時間、技術等其他制約因素，頂力和頂距及其經濟指標等在一定情況下必然可達到一個最佳契合點或最優值。為使優化過程進一步簡化，實際運用中首先根據實際經驗、結構承壓以及設備制作和操作能力等選取一個相對合理的固定頂力值作為實際控制頂力，以此為據來核算管道及沉井結構斷面，再對照當地的土壤摩擦系數等因素，采用動態規劃的方法來確定實際頂進的能力即頂距的大小。
　�。ㄈ�）、實際長距離頂進的措施：
　　在控制頂力不變的情況下，使管道頂進距離得到有效加長，是實現長距離頂進和減少沉井數量的唯一途徑；采取減阻和接力推進措施是兩種行之有效的辦法，兩種方法共同作用可使實際頂力明顯降低或使頂距進一步加長，通常是在頂進過程中壓觸變泥漿等潤滑劑和加設中繼間，其與頂力及頂距存在如下內在關系：

　　通過加注一種以膨潤土礦為主要材料配置的頂管專用泥漿復合材料即觸變泥漿，使管道外壁和土層之間均勻充填一種液體潤滑介質，便形成一個完事的泥漿套，可使土壤摩擦阻力大大減小，增加一次性頂進的距離；該工序的關鍵在于泥漿的配比和注、補漿技術，以求達到最好的減阻效果和漿套的完整。圖2所示為漿套形成過程中頂力、頂距的變化情況，一旦形成了完整的漿套，頂力的變化就趨于穩定，隨著頂距的增加頂力卻沒有明顯未增加。另外，為實現長距離頂管的需要，在不增加頂力的條件下，頂進過程中考慮在每個井段間加設中繼間，通過逐級接力頂進可使頂管距離得到有效的加長，中繼間是由一組短沖程液壓油缸構成的一節特殊鋼套管或一套專用管件組合，通過其作用可避免整條管道同時向前頂進，而是將管道分割成兩個或多個頂進分站，管道頂進所需總頂力則分別由各頂進分站所分攤，借助各頂進分站交替接力頂進，可使管道頂進達到相當的長度；但頂進距離過長其經濟性也會隨之下降，因為只最前面的一個中繼間啟動時，頂進機頭才處于工作狀態，隨著頂進距離的加長和中繼間數量的增加，管道進尺將愈加緩慢，同時出土距離隨之加長、監控測量難度相應增大，頂管的總效率將大為降低；實踐證明，控制頂進距離在250米左右、中繼間個數不超過3個，無論是在頂進效率方面還是在時間保障等方面對本工程而言是合適的。
　　本次管道及工作井控制頂力選用9000——10000KN，均采用鋼筋砼材料。為實際長距離頂進，在頂管過程中采取壓漿等減阻措施，通常每個井段考慮加設1--2個中繼間，以實現逐級遞進接力頂進，頂進工程程序采用雙向頂進。

　　（四）、結構尺寸的選擇與確定：
　d2000以上的大口徑管道我們過去很少采用，內地廠家也基本不生產，特別對于頂管所采用的d2600及d3000等物大口徑管道，由于在頂進過程中其受力情況十分復雜，管道結構等級高，接口處理及制作要求均十分精細和嚴格，國內也僅有上海、北京等地生產，長途運輸代價昂貴，因此設計制作出既適合本地區土質特點又符合管道頂進要求的特種管道也是本次設計的一個重要內容，它是工程施工的首要環節，既要求經濟合理，又要確保萬無一失。
　　沉井作為進行頂管工作的重要場所和出入口，是同外界聯系的窗口和橋梁，其形狀、尺寸、受力、洞口處理等均對頂進過程產生直接的影響，也是頂管能否成功的關鍵所在。通過分析頂管施工過程中管道及沉井的受力特點，根據頂推設備、掘進機頭的大小、操作寬度以及頂力、頂距等方面的要求，初步擬定出沉井及管道的斷面形式及細部尺寸，然后通過各部參數進行框算，再依據計算結果調整結構斷面及配筋量，經過反復核算，力求使設計產品做到既經濟合理又堅固耐用。
　�。ㄎ澹�、最終結構尺寸確定
　　沉井設計根據其作用不同可分為頂管工作井和頂管接收入井兩種形式，按照形狀又可將其分為方形和圓形兩種形式；根據頂推設備、掘進機頭的大小、操作寬度以及頂力、頂距等方面要求，在設計中參考有關規范及文獻，依據優化以后的頂力、頂距，采用有限無分析程序和自編的管道計算程序反復核算，最終確定沉井及管道的基本結構尺寸如下：
　�。�1）、方形頂管工作井內尺寸為：
　　9000×5500mm（用于d2600管道），井壁厚度為800mm
　　10000×6000 mm（用于d3000管道），井壁厚度為800 mm；
　�。�2）、方形頂管接收入井內尺寸為：
　　6000—6500×5500 mm（用于d2600管道），井壁厚度為500 mm
　　6000×6000 mm（用于d3000管道），井壁厚度為500 mm；
　�。�3）、圓形頂管工作井內尺寸為：
　　Φ10000 mm，井壁厚度為1000 mm
　　（4）、圓形頂管接收入井內尺寸為：
　　Φ75000 mm，井壁厚度為600 mm
　�。�5）、d2600管道結構尺寸為：
　　2600（直徑）×2500（長）×250（厚）mm；
　　（6）、d3000管道結構尺寸為：
　　3000（直徑）×2500（長）×285（厚）mm

　三、經濟效益、技術效益、社會效益

　　該工程施工機械化水平高，可節省大量運輸車輛、設備及勞動力，據測算：修建1。6m的大型污水管道，若按3個月工期考慮，開槽法施工約需4500個勞力，而機械頂管法施工僅需50人就可完成，且土方工作量很少；與同類工程相比，在該項目中可節約建設資金2000萬元以上；通過優化設備與施工工藝，增加頂進距離、加大井距，減少沉井16座，節省資金650萬元，經濟效益顯著。
　　攻克了特大口徑機械頂管設計、施工方面的有關難題，計算機出圖率達100%，同時使設計人員的專業技術水平得到進一步提高，推動了河南省市政管道設、施工管理水平的發展，文明施工水平得到進一步提高，為今后的進一步發展奠定了物質和技術基礎。
　　該設計做到了設計合理、方便施工，避免了常規施工方法對城市交通、過境及出入市車輛造成的不良影響，保護了重要交通設施和地面建筑，如107國道及高架橋、鄭汴路、七里河大橋、管城中醫院、繞城鐵路專用線等；作為污水處理廠的重要組成部分該工程將發揮巨大的社會和環境效益，其充分體現了河南省管道設計與施工的水準。