宁国城北污水处理厂污水重力管岩层顶管工艺分析

2022-04-07贺鹏鹏

工程与建设 2022年1期

汪宏，贺鹏鹏

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088)

1 工程概况

宁国市为拉开城市建设框架，将现状位于城市核心区的污水厂，迁扩建至城市边界北端，如图1所示。新建宁国城北污水处理厂规模为近期污水处理能力5万m3/d，远期扩建至10万m3/d，场外新建污水提升泵站1座，新建污水主干管D1 000～1 400约12.48 km。由于皖南城市河谷地形中岗冲相间的特点，新建城北污水处理厂的场外管网需穿越包家山、石灰山两座山丘。前期对于穿越两座山丘，分别进行“泵站+压力管”及“污水重力管岩层顶管”等多方案比选，最终从后期运维及管养等多因素考虑，采用污水重力管岩层顶管方案。

图1 项目布置图

设计过程中对于穿越山体的污水重力管岩层顶管工艺进行多方案比选，最终确定“单管+套管”的穿越方式。项目现已建成运行，笔者结合现场实施实际，对相关设计思路及做法进行一定的归纳总结，以供大家探讨。

2 基础条件

2.1 工艺要求

穿越包家山段岩层顶管长度 510 m，套管管径D3 000，内部辅管管径D1 400；穿越石灰山段岩层顶管长度293 m，套管管径D3 000，内部辅管管径D1 400。两处穿山顶管两端设置工作井及接收井，内部通道设施包括通风系统、照明系统、排水系统、环境监测系统及后期检修检查井。

2.2 地质

所穿越的包家山段为中风化砂岩(40～80 MPa)；所穿越的石灰山段为中风化灰岩(40～75 MPa)。进出山段存在地质分层裂隙，需采用注浆加密处理。

2.3 水文

基岩地下水类型主要为碎屑岩风化裂隙水、构造裂隙水。设计区域主要为地表水补给区，由于穿山顶管段设计标高以上无地表河流发育，地下水主要受大气降水入渗补给，并竖向和侧向往邻区径流、排泄。此外，地下水位埋藏较深，勘察期间钻孔中未见地下水位。

3 穿越方式的比选

由于本项目穿越山体段距离长，包家山段管道平均覆土深度75 m，石灰山段管道平均覆土深度31 m，无法实现地面检查井设置，为便于后期养护，设计采用两种方式进行比选，如图2所示。

图2 两种穿越方案示意图

(1) 方案一：单管+套管。单套管内部敷设辅管，设置人行检修通道。内部管道采用D1400离心浇筑玻璃钢管，每隔80 m设置压力检修井，以满足后期清通养护要求。

(2) 方案二：双管+衬管。采用“一用一备”双管设计方案，穿越2根D1800套管，内部设置D1400离心浇筑玻璃钢管作为衬管，沿线不设置检查井。

管道施工采用顶管施工，顶管段管材采用钢筋混凝土顶管专用管材，单节长度2 m，双橡胶圈F型接口。以穿越包家山为例，结合工程量分析，采用方案一穿越时，造价约为1 960万元；采用方案二穿越时，造价约为1 810万元。

表1 主要工程量对比表

虽然从经济性分析，方案二较优，但方案二为2次穿越山体，施工风险翻倍，且D1800岩层顶管出现机头事故，由于盾头空间受限，无法更换。此外，经后期与业主单位沟通，适当增加方案一内照明、通风、监控等附属设施，将该段作为综合管廊展示段，提升工程后期作为教学展示基地，将有利于扩大项目的社会价值。因此经综合比较，最终选择了采用方案一。

4 工作井及接收井设计

本项目工作井及接受井采用钢筋混凝土结构，现场预制沉井。顶管工作井设计内尺寸为10 m×8 m，接收井设计内尺寸为8 m×6 m。施工完成后顶管井作为永久检查井保留。因穿山顶管距离较长，为确保检修安全，检查井设置排风设备，确保穿管廊道内通风状况良好，因此参考综合管廊设备夹层做法，设置风机夹层、地面设置风亭。

具体设计方案为：在井内设置高1.9 m、板厚400 mm的风机夹层，用于安装风机设备，检修通道设置上下爬梯及钢梯，采用砖砌隔墙与排风室隔离。顶板上设置2 700 mm(长)×1 800 mm(宽)吊装孔。

检查井内玻璃钢管与开挖段球墨铸铁管采用球墨铸铁检查井连接，做法参考《重庆市综合管廊管线(给排水、电力、通信、燃气)标准设计图集》(渝 18M02，DJBT150-116)中第2—45、46面的规定等，进行定制采购。

5 岩层顶管工艺

结合地质特性，本项目为典型岩层顶管工艺，为节约成本，采用岩石二次破碎泥水平衡工艺。

5.1 原理

岩石顶管机采用盾构机前端的切削布局，刀盘上装备有6台机电和8个油缸，配备数个高强合金滚刀、贝壳刀等。首先将其前面的岩石、较大的卵石进行一次破碎，然后再由刀盘后锥形体和破碎条进行二次破碎，使其卵石或北切削岩石粒径小于3 cm后，最后通过高压砂石泵将碎屑、泥水输送到工作井外。

5.2 组成

主要由刀盘切削系统、搅拌系统、壳体系统、纠偏系统、进排浆系统、光靶系统、电器系统(机内控制柜、操作台、电缆)、显示监控系统组成。顶进速度为0～200 mm/min；控制方式为PLC机外集中控制。

5.3 工艺

φ3 000泥水平衡混凝土顶管掘进机由6台45 kW电机通过减速机及大小齿轮传动来驱动大刀盘对开挖面岩体进行全断面切削。顶进时刀盘通过变频调速来控制其转速，根据开挖面泥水压力变化来调整其切削量的大小，以满足开挖面泥水压力平衡的条件，从而起到控制地面沉降的作用。顶管机外形尺寸为φ3 640×5 480 mm，机头重量约74 t。

5.4 顶进速度

对于不同岩石强度，顶进速度存在差异，结合现场实际实施情况，总结最不利顶进速度，以供参考。

表2 不同岩石强度进尺表

5.5 中继间的设置

项目设计顶力计算虽然考虑了安全系数，但由于顶进过程中涉及的因素非常多,顶力可能会超过设计控制范围。为确保顶进时安全，当总推力达到中继间允许顶力的60%时，即需安放第一个中继间。而当主顶油缸达到中继间允许总推力的80%时就必须启用中继间。本工程中继间设计顶力为12 000 kN，位于顶距300 m处，实际顶进时与前期设计基本一致。

中继间设计采用组合密封中继间，实现密封装置可调节、可组合、可在常压下对磨损的密封圈进行调换，以应对在高水头、复杂地质条件下由于中继间密封圈的磨损而造成中继间渗漏问题。

5.6 注浆

顶管完成后及时对管道外壁进行充填加固，把原注入的膨润土浆置换掉。使用的泥浆置换材料为水泥浆液，水灰比为1.0。通过管道内部的压浆孔压注，注浆次数不少于3次，2次间隔时间不大于24 h。每2节混凝土管编为1组，分为注浆孔与排浆孔。将注浆泵清洗干净，吸浆龙头放入灰浆池内，开启注浆泵，打开第1组注浆孔，当第1组排浆孔冒出灰浆后，关闭阀门，再打开第2组，以此类推，直到全线完成。再关闭所有阀门，保压30 min，保压时注浆压力为1～2 MPa。

6 顶管内辅管安装工艺

D3000顶管完成后，内部空间敷设D1400管道难度仍较大，因此摈弃常规混凝土管、球墨铸铁管等笨重管材，以及防腐性能较差的钢管和大直径稳定性较差的塑料管，辅管选用轻质、刚性的离心浇筑玻璃钢管。辅管安装方式可采用“顶推+牵引控制法”，采用120 t液压顶管机顶推D1400辅管，同时用10 t电动绞车(慢速牵引机)牵引，控制连续辅管轴线实现管节姿态调整，精确内穿管道，如图3所示。管道牵引速度不宜大于0.15 m/s。