韶關(guān)市第三污水處理廠進(jìn)廠干管穿越北江段設(shè)計(jì)優(yōu)化

摘要：韶關(guān)市第三污水處理廠進(jìn)廠干管穿越北江段工程，通過(guò)對(duì)方案適用性、施工難度及風(fēng)險(xiǎn)、通航、防洪、環(huán)境、景觀、運(yùn)行安全、造價(jià)等關(guān)鍵影響因素進(jìn)行全方位的比較和分析，因地制宜地選擇頂沉結(jié)合的管道過(guò)江工藝，即跨堤和過(guò)江分段采用頂管和沉管施工，并創(chuàng)新性地提出采用鋼圍堰井解決頂/沉管接合處管道連接難題，可降低施工風(fēng)險(xiǎn)，確保工程安全實(shí)施?？偨Y(jié)了頂管、沉管、頂沉結(jié)合等實(shí)施過(guò)程中堤身加固、防滲、頂沉接合處理等技術(shù)重點(diǎn)，有針對(duì)性地提出了綜合性解決措施。設(shè)計(jì)方案既可滿足污水進(jìn)廠的功能性需要，又能保護(hù)大堤結(jié)構(gòu)、北江航運(yùn)的安全，為污水管道穿越大江大河提供了可借鑒的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

01 工程概況

韶關(guān)市第三污水處理廠進(jìn)廠干管穿越北江段，位于韶關(guān)市武江區(qū)河西鎮(zhèn)村頭村北江百旺大橋下游約900m河段，處于孟洲壩樞紐庫(kù)區(qū)，穿越處所在航道規(guī)劃技術(shù)等級(jí)為內(nèi)河Ⅲ級(jí)。過(guò)江管道實(shí)施目的為轉(zhuǎn)輸韶關(guān)市北江河?xùn)|岸片區(qū)污水至韶關(guān)市第三污水處理廠（7×104m3/d）進(jìn)行達(dá)標(biāo)處理，保護(hù)北江水體水質(zhì)。過(guò)江管道左側(cè)接駁現(xiàn)狀北江左岸閥門井，右側(cè)穿越北江右岸大堤后接入污水處理廠，設(shè)計(jì)過(guò)江管道輸水規(guī)模為6×104m3/d，為保障管道安全，采用2條DN1000平行壓力輸送管，一用一備運(yùn)行，單根管道長(zhǎng)度為450m。

1.1 工程選址

根據(jù)總體布局，過(guò)江管道在北江百旺大橋下游約900m處穿越北江（見圖1）。該處位于彎曲河流的順直段，平均河寬440m，水流平緩，水深良好，河床寬淺、平坦，未見明顯深槽，河床、河勢(shì)基本穩(wěn)定，附近未見橋、閘、壩等交通、水利設(shè)施，且遠(yuǎn)離港口作業(yè)區(qū)和錨地，工程選址符合《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50139—2014）中穿越航道的水下管道敷設(shè)要求。

1.2 地形地貌

建設(shè)場(chǎng)地為韶關(guān)北江河流地貌。河岸右側(cè)陸上地形平坦，標(biāo)高為57.05m（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，下同），堤岸為土質(zhì)擋墻；左岸陸上地形平坦，標(biāo)高為 55.8m，堤岸為混凝土直立式擋墻。河床底標(biāo)高 43.75～46.70m，河床寬淺、平坦，未見明顯深槽。1.3地質(zhì)條件根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，過(guò)江管道沿線地質(zhì)按成因類型及巖土工程特性劃分為3個(gè)主要單元層，其野外特征如下：

①第四系全新統(tǒng)人工填土層，主要為粉質(zhì)黏土，層厚 1.6～7.6m。

②第四系全新統(tǒng)沖擊層，主要為粉質(zhì)黏土，層厚 2.5～5.5m；淤泥質(zhì)土，層厚 2.0～3.3m；粉砂，層厚 2.3～4.7m；卵石，粒徑2～10cm，層厚 7.0～11.2m。

③石炭系下統(tǒng)石磴子組屬灰?guī)r，中風(fēng)化，主要礦物成分為方解石，屬較軟巖。過(guò)江管道沿線土層地質(zhì)概況見表1。

可見，頂管段大部分處于灰?guī)r層中，局部處于卵石與灰?guī)r交界處；沉管段處于卵石、灰?guī)r和卵石灰?guī)r交界層中。土層巖土力學(xué)強(qiáng)度滿足擬建管線要求，可作為天然地基或樁基礎(chǔ)持力層。

1.4 北江大堤（右岸）堤基及堤身結(jié)構(gòu)

管道穿越北江大堤（右岸）處樁號(hào)為 K6+650，現(xiàn)狀為土堤，頂高程為57.0m，不滿足北江堤防規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)57.181m的要求。因年代久遠(yuǎn)，右岸土堤的典型斷面已無(wú)法查詢。

根據(jù)2019年北江斷面測(cè)量地形圖，推斷擬建管道上下游附近的土堤曾進(jìn)行護(hù)腳加固，護(hù)腳底坐落在卵石層上，高程為47.05m。分析確定北江右岸K6+650的斷面見圖2。

1.5 場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

建設(shè)場(chǎng)地建筑抗震設(shè)防烈度為6度，土類型為中硬土，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，勘查工程于鉆探深度內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層活動(dòng)等構(gòu)造痕跡，未見滑坡、危巖、崩塌、泥石流、采空區(qū)及斷裂、地面沉降等不良地質(zhì)作用，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性好。

1.6 通航要求

建設(shè)場(chǎng)地航道等級(jí)為內(nèi)河Ⅲ級(jí)。根據(jù)孟洲壩樞紐調(diào)度和設(shè)計(jì)流量計(jì)算，此處最低通航水位為50.05m，河床規(guī)劃最低高程為46.05m，管頂覆蓋不得小于2m， 管頂高程不得大于41.75m。

1.7 防洪要求

韶關(guān)市城市防洪等級(jí)為Ⅲ級(jí)，屬中等城市，堤防工程級(jí)別為2級(jí)，堤防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為按20年一遇，規(guī)劃堤頂標(biāo)高為57.181m，庫(kù)堤結(jié)合后達(dá)到100年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。過(guò)江管道施工及運(yùn)行期間，不降低所在河段防洪標(biāo)準(zhǔn)。

02 方案比選與確定

穿越河道是市政給水排水管線設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的情況，其難點(diǎn)在于分析河床水位、地質(zhì)情況，并綜合考慮防洪、通航及城市景觀交通的要求，確定合適的工藝設(shè)計(jì)和施工方案。設(shè)計(jì)方案需及時(shí)與航道、交通、水利、規(guī)劃等部門溝通協(xié)調(diào)，在確保工程總體安全和滿足管線日常維護(hù)要求的前提下做到不影響河道通航、河堤防洪，并盡量節(jié)省投資。

2.1 方案選擇原則

① 穿堤方案必須確保管道施工期和運(yùn)營(yíng)期北江大堤的結(jié)構(gòu)安全，不得降低城市防洪標(biāo)準(zhǔn)。

② 過(guò)江方案應(yīng)綜合考慮河床地形、地貌、地質(zhì)條件、通航、防洪、城市交通景觀及周邊建構(gòu)筑物等影響因素，采用適宜工藝。

③ 應(yīng)盡量采用工期短、施工難度低、技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)合理的管道穿越工藝。

④ 設(shè)計(jì)方案應(yīng)充分考慮施工單位技術(shù)管理水平、風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)能力、施工設(shè)備、材料采購(gòu)等因素。

2.2 方案比選

我國(guó)長(zhǎng)距離過(guò)江管的設(shè)計(jì)方案主要為牽引、頂管、沉管和橋架，考慮到本項(xiàng)目工程場(chǎng)地地質(zhì)情況復(fù)雜，牽引法對(duì)地質(zhì)條件要求較苛刻，存在較大施工風(fēng)險(xiǎn)；橋架方式對(duì)河道通航、城市景觀、道路交通影響大，這兩個(gè)方案均不適宜在本項(xiàng)目中使用。故重點(diǎn)比較頂管、沉管和頂沉結(jié)合三種工藝，具體如表2所示。

2.2.1 方案一：全程頂管

方案一為全程頂管，頂管工作井布設(shè)于北江大堤（右岸）堤外，頂管從右岸大堤基礎(chǔ)下部持力層穿越，進(jìn)入北江主河床，接收井設(shè)于北江大堤（左岸）內(nèi)側(cè)的漫灘下，管道出接收井后接入左岸現(xiàn)狀閥門井，與左岸現(xiàn)狀城市污水收集干管銜接。

2.2.2 方案二：沉管+跨堤架管

方案二為沉管結(jié)合跨堤架管。管道采用沉管方式穿越主河床，在左岸與現(xiàn)狀堤內(nèi)閥門井銜接；右岸管道以1∶1.5的坡比沿迎水坡布置至堤頂，以水平段跨過(guò)現(xiàn)狀堤頂，管底高程高于20年一遇設(shè)計(jì)洪水位，以1∶2的坡比沿背水坡布置至堤腳后，再開挖埋管接入污水處理廠。

2.2.3 方案三：沉管+頂管

方案三采用頂沉結(jié)合方式。管道穿越右岸大堤以局部頂管方式從堤防基礎(chǔ)下部穿越，堤外穿越北江主航道以沉管方式，沉管和頂管的接口需在河道內(nèi)進(jìn)行焊接，采用水中雙壁鋼圍堰進(jìn)行施工，雙壁鋼圍堰同時(shí)兼作頂管接收井。此方案既可以減小堤防安全影響，又可以有效地避免復(fù)雜地質(zhì)條件帶來(lái)的施工風(fēng)險(xiǎn)。此方案在管道跨越大江大河工程中也有成功實(shí)施案例。

2.3 工藝確定

根據(jù)勘查資料，過(guò)江段北江水下地質(zhì)極為復(fù)雜，場(chǎng)地巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，管道鋪設(shè)高程處以砂、卵石層及中風(fēng)化或者微風(fēng)化的灰?guī)r巖層為主，局部存在溶洞，給頂管施工帶來(lái)諸多不可預(yù)見的不利因素，而且現(xiàn)有頂管機(jī)械難于長(zhǎng)距離頂進(jìn)500 m河道，方案一實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)大，因此不予推薦。方案二由于對(duì)城市交通和景觀影響大，且不利于未來(lái)堤防達(dá)標(biāo)加固工程，因此也不予推薦。

推薦工藝為方案三?；诜桨溉幹频捻?xiàng)目通航條件影響評(píng)價(jià)和防洪影響評(píng)價(jià)已取得廣東省交通運(yùn)輸廳及廣東省水利廳批復(fù)，同意實(shí)施。

03 工藝設(shè)計(jì)

3.1 平面設(shè)計(jì)

采用“頂管+沉管”結(jié)合方式穿越北江河床和右岸堤防。管道跨江長(zhǎng)度為489.6m，其中頂管段101.8m，沉管段387.8m。采用兩條D1020mm鋼管，平行設(shè)置。管道起點(diǎn)位于北江左岸堤防樁號(hào)K6+500處，順接現(xiàn)狀預(yù)留閥門井，避免穿堤，后采用沉管方式橫過(guò)北江。過(guò)江管道在右岸樁號(hào)K6+650處采用頂管方式穿越右岸堤防，頂管工作井位于右岸陸域河道管理范圍外，頂管接收井位于河道內(nèi)，距迎水側(cè)河道堤頂邊線38 m。接收井采用雙壁鋼圍堰施工，頂管和沉管接口在鋼圍堰井內(nèi)焊接。

3.2 高程設(shè)計(jì)

管道左岸起點(diǎn)為現(xiàn)狀閥門井，水平延伸2.9m后下彎沿堤防岸坡線接至河岸底部，靠堤腳管道采用水下混凝土澆筑固定。過(guò)江沉管段管頂覆土不小于2m，單管長(zhǎng)度387.8m，管頂高程不高于40.80m，沉管段縱坡為0.58%，由左岸坡向右岸。頂管段起點(diǎn)為右岸堤防外工作井，終點(diǎn)為河道內(nèi)雙壁鋼圍堰接收井，單管長(zhǎng)度為101.8m。頂管從現(xiàn)狀右岸土堤基礎(chǔ)以下的基巖層穿過(guò)，穿堤處管頂標(biāo)高41.25m，堤基礎(chǔ)底標(biāo)高47.05m，堤頂標(biāo)高57.00m，穿堤處管道埋深16.75m。頂管和沉管接口在鋼圍堰井內(nèi)焊接。鋼圍堰井處水深約為10m，井筒高18.5m，河床以下部分高度為7.9m，河床以上部分高度為10.6m。井底部采用C25水下混凝土封底，厚度3m。施工結(jié)束后，鋼圍堰井河床以上部分全部拆除。

3.3 橫斷面設(shè)計(jì)及沉管溝槽開挖與回填

頂/沉管均為雙管平行敷設(shè)，管道中心間距設(shè)計(jì)為3m，管壁間距約2m。水下溝槽底部寬度設(shè)計(jì)為5m，灰?guī)r層采用1∶1邊坡，卵石層采用1∶3邊坡，溝槽底超挖深度為700 mm。溝槽底至回填面依次采用如下方式回填（見圖3）：400mm厚30～70mm碎石墊層，300mm預(yù)制混凝土墊塊，每隔15m設(shè)置一個(gè)，管周及管道以上400mm中粗砂作為管道埋設(shè)保護(hù)層，回填600mm厚30～70mm碎石保護(hù)層，拋填1000mm厚度的200～300mm塊石作為覆蓋層，其上回填河床原土至自然河床。

3.4 管材與防腐

管材選用焊接鋼管，壓力等級(jí)為1.0MPa，壁厚為14mm，鋼管及附件連接采用焊接。鋼管內(nèi)防腐采用機(jī)械噴涂水泥砂漿，外防腐采用環(huán)氧煤瀝青六油二布，接頭防腐采用聚乙烯防腐膠帶，防腐等級(jí)為特加強(qiáng)級(jí)。

04 技術(shù)重點(diǎn)

4.1 方案比選與確定

管道跨越大江大河，施工和運(yùn)營(yíng)期對(duì)堤壩結(jié)構(gòu)安全、通航、防洪、交通和景觀均有不同程度的影響，經(jīng)考察類似工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合地形地貌、地質(zhì)條件、水文氣象等具體條件，經(jīng)過(guò)充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定設(shè)計(jì)方案，形成項(xiàng)目通航影響評(píng)價(jià)報(bào)告和防洪影響評(píng)價(jià)報(bào)告，上報(bào)規(guī)劃、航道、交通、水利等部門，按批復(fù)要求實(shí)施。

4.2 頂管

頂管從北江右岸現(xiàn)狀土堤基礎(chǔ)以下穿越，如頂力過(guò)大會(huì)使堤基隆起；頂管出土速度過(guò)快或工具頭前方土體出現(xiàn)超挖現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致堤防下沉。

為確保頂進(jìn)過(guò)程中堤防地基安全，采取以下措施：①加大勘查鉆孔密度，孔距為5～10m，確保地質(zhì)資料的詳細(xì)和精確；②頂管施工前對(duì)影響范圍內(nèi)的堤身進(jìn)行灌漿加固，8排，每排12個(gè)，共96個(gè)灌注孔，梅花型布置，灌漿深度8m；③采用帶氣壓艙，可更換刀盤的破巖頂管機(jī)頭；④沿途設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)和橫斷面觀察點(diǎn)，按規(guī)范要求觀測(cè)堤防和岸坡位移及沉降，按數(shù)據(jù)調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)；⑤頂進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)格控制泥漿濃度和泥漿壓力穩(wěn)定性，防止塌孔造成的危害。

防止施工造成河堤滲漏也是本項(xiàng)目的難點(diǎn)之一，設(shè)計(jì)考慮了以下防滲措施：

① 頂管施工前，在管道穿堤處迎水坡面，沿堤頂?shù)缆凡荚O(shè)?600@350高壓旋噴樁，共63根樁，單樁長(zhǎng)度17m，形成總長(zhǎng)度為20.8m的防滲墻；

② 頂管貫通后，立即采用水泥砂漿、粉煤灰水泥砂漿等置換泥漿，以填充管外側(cè)超挖、塌落等造成的空隙，保證管外壁與周圍土體之間緊密接觸，截?cái)嗉袧B流通道；

③ 在穿越管道兩端設(shè)置防滲止水環(huán)，防止?jié)B水點(diǎn)。

堤身加固及防滲設(shè)計(jì)見圖4。

4.3 沉管

沉管作業(yè)涉及水下爆破、水下管槽開挖、基礎(chǔ)處理和回填、水下管道定位、水壓試驗(yàn)；岸上管節(jié)制作、焊接、防腐；水上管道吊裝、下沉。均為水上水下作業(yè)，專業(yè)性強(qiáng)、風(fēng)險(xiǎn)大，工時(shí)與施工場(chǎng)地均受限制。對(duì)此須配有經(jīng)驗(yàn)的施工員、潛水員，采用大型高精度的爆破船、挖泥船、起重船、方駁、浮吊及精確定位等施工設(shè)備。同時(shí)要及時(shí)清運(yùn)和妥善處置挖槽余泥，避免污染河道。

沉管施工現(xiàn)場(chǎng)見圖5。

4.4 頂沉接合

頂/沉管接合處常年水位不低于10m，水下切割打撈頂管機(jī)頭、水下實(shí)現(xiàn)頂沉管段的連接難度高、風(fēng)險(xiǎn)大。基于上述原因，在接頭處需將水下施工變成干施工，采用鋼圍堰是比較安全可靠的方法。

雙壁鋼圍堰示意見圖6。

鋼圍堰采用雙壁鋼結(jié)構(gòu)，平面尺寸為7.2m×6.2m，高度為17.35m，分三節(jié)制作安裝。鋼圍堰內(nèi)設(shè)水平橫撐，內(nèi)部最大凈尺寸為6.0m×5.0m，滿足起吊頂管機(jī)頭空間。鋼圍堰在頂、沉管段進(jìn)出口處預(yù)留洞口，并用鋼板封堵，在頂、沉管段到位前，抽干圍堰內(nèi)水，創(chuàng)造干式作業(yè)空間，實(shí)施管口封堵拆卸、機(jī)頭起吊、管口止水環(huán)安裝、管段對(duì)接等作業(yè)。施工工序?yàn)樗禄坶_挖、分段沉放堰體、水下混凝土封底、堰體內(nèi)混凝土澆筑、基槽回填、圍堰內(nèi)抽水、頂管機(jī)頭切割與打撈、頂/沉管焊接。對(duì)接完成后，管道以上鋼圍堰全部拆除。

05 結(jié)語(yǔ)

韶關(guān)第三污水廠進(jìn)廠干管（DN1000壓力污水管）穿越北江大堤和北江航道工程在綜合分析現(xiàn)行頂管、沉管、頂/沉結(jié)合法等管道過(guò)江穿堤方案適用性的前提下，確定采用頂/沉結(jié)合法施工。目前工程已經(jīng)完工，過(guò)江管道運(yùn)行良好，解決了韶關(guān)市北江東岸片區(qū)生活污水轉(zhuǎn)輸入廠問題。

污水處理廠服務(wù)范圍通常以行政區(qū)劃、大江大河、大型基礎(chǔ)設(shè)施（如高鐵）為分界線，因此污水干管穿越大江大河的案例較少，本項(xiàng)目的實(shí)施將為大型污水管道穿越大江大河提供可借鑒的工程設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)。