韶關市第三污水處理廠進廠干管穿越北江段設計優化
摘要：韶關市第三污水處理廠進廠干管穿越北江段工程，通過對方案適用性、施工難度及風險、通航、防洪、環境、景觀、運行安全、造價等關鍵影響因素進行全方位的比較和分析，因地制宜地選擇頂沉結合的管道過江工藝，即跨堤和過江分段采用頂管和沉管施工，并創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，可降低施工風險，確保工程安全實施。總結了頂管、沉管、頂沉結合等實施過程中堤身加固、防滲、頂沉接合處理等技術重點，有針對性地提出了綜合性解決措施。設計方案既可滿足污水進廠的功能性需要，又能保護大堤結構、北江航運的安全，為污水管道穿越大江大河提供了可借鑒的工程設計經驗。 www.futabashoukai.com
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01 工程概況 環保網站www.futabashoukai.com
韶關市第三污水處理廠進廠干管穿越北江段，位于韶關市武江區河西鎮村頭村北江百旺大橋下游約900m河段，處于孟洲壩樞紐庫區，穿越處所在航道規劃技術等級為內河Ⅲ級。過江管道實施目的為轉輸韶關市北江河東岸片區污水至韶關市第三污水處理廠（7×104m3/d）進行達標處理，保護北江水體水質。過江管道左側接駁現狀北江左岸閥門井，右側穿越北江右岸大堤后接入污水處理廠，設計過江管道輸水規模為6×104m3/d，為保障管道安全，采用2條DN1000平行壓力輸送管，一用一備運行，單根管道長度為450m。 工業凈化www.futabashoukai.com
1.1 工程選址 空氣凈化www.futabashoukai.com
根據總體布局，過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、河勢基本穩定，附近未見橋、閘、壩等交通、水利設施，且遠離港口作業區和錨地，工程選址符合《內河通航標準》（GB 50139—2014）中穿越航道的水下管道敷設要求。
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1.2 地形地貌 環保網站www.futabashoukai.com
建設場地為韶關北江河流地貌。河岸右側陸上地形平坦，標高為57.05m（1985國家高程基準，下同），堤岸為土質擋墻；左岸陸上地形平坦，標高為 55.8m，堤岸為混凝土直立式擋墻。河床底標高 43.75～46.70m，河床寬淺、平坦，未見明顯深槽。1.3地質條件根據地質勘查報告，過江管道沿線地質按成因類型及巖土工程特性劃分為3個主要單元層，其野外特征如下：
①第四系全新統人工填土層，主要為粉質黏土，層厚 1.6～7.6m。
②第四系全新統沖擊層，主要為粉質黏土，層厚 2.5～5.5m；淤泥質土，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石炭系下統石磴子組屬灰巖，中風化，主要礦物成分為方解石，屬較軟巖。過江管道沿線土層地質概況見表1。
可見，頂管段大部分處于灰巖層中，局部處于卵石與灰巖交界處；沉管段處于卵石、灰巖和卵石灰巖交界層中。土層巖土力學強度滿足擬建管線要求，可作為天然地基或樁基礎持力層。
1.4 北江大堤（右岸）堤基及堤身結構
管道穿越北江大堤（右岸）處樁號為 K6+650，現狀為土堤，頂高程為57.0m，不滿足北江堤防規劃標準57.181m的要求。因年代久遠，右岸土堤的典型斷面已無法查詢。
根據2019年北江斷面測量地形圖，推斷擬建管道上下游附近的土堤曾進行護腳加固，護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 場地穩定性評價
建設場地建筑抗震設防烈度為6度，土類型為中硬土，場地類別為Ⅱ類，勘查工程于鉆探深度內未發現斷層活動等構造痕跡，未見滑坡、危巖、崩塌、泥石流、采空區及斷裂、地面沉降等不良地質作用，區域構造穩定性好。
1.6 通航要求
建設場地航道等級為內河Ⅲ級。根據孟洲壩樞紐調度和設計流量計算，此處最低通航水位為50.05m，河床規劃最低高程為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
韶關市城市防洪等級為Ⅲ級，屬中等城市，堤防工程級別為2級，堤防設計標準為按20年一遇，規劃堤頂標高為57.181m，庫堤結合后達到100年一遇防洪標準。過江管道施工及運行期間，不降低所在河段防洪標準。
02 方案比選與確定
穿越河道是市政給水排水管線設計中經常遇到的情況，其難點在于分析河床水位、地質情況，并綜合考慮防洪、通航及城市景觀交通的要求，確定合適的工藝設計和施工方案。設計方案需及時與航道、交通、水利、規劃等部門溝通協調，在確保工程總體安全和滿足管線日常維護要求的前提下做到不影響河道通航、河堤防洪，并盡量節省投資。
2.1 方案選擇原則
① 穿堤方案必須確保管道施工期和運營期北江大堤的結構安全，不得降低城市防洪標準。
② 過江方案應綜合考慮河床地形、地貌、地質條件、通航、防洪、城市交通景觀及周邊建構筑物等影響因素，采用適宜工藝。
③ 應盡量采用工期短、施工難度低、技術成熟、經濟合理的管道穿越工藝。
④ 設計方案應充分考慮施工單位技術管理水平、風險應對能力、施工設備、材料采購等因素。
2.2 方案比選
我國長距離過江管的設計方案主要為牽引、頂管、沉管和橋架，考慮到本項目工程場地地質情況復雜，牽引法對地質條件要求較苛刻，存在較大施工風險；橋架方式對河道通航、城市景觀、道路交通影響大，這兩個方案均不適宜在本項目中使用。故重點比較頂管、沉管和頂沉結合三種工藝，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，頂管工作井布設于北江大堤（右岸）堤外，頂管從右岸大堤基礎下部持力層穿越，進入北江主河床，接收井設于北江大堤（左岸）內側的漫灘下，管道出接收井后接入左岸現狀閥門井，與左岸現狀城市污水收集干管銜接。
2.2.2 方案二：沉管+跨堤架管
方案二為沉管結合跨堤架管。管道采用沉管方式穿越主河床，在左岸與現狀堤內閥門井銜接；右岸管道以1∶1.5的坡比沿迎水坡布置至堤頂，以水平段跨過現狀堤頂，管底高程高于20年一遇設計洪水位，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
方案三采用頂沉結合方式。管道穿越右岸大堤以局部頂管方式從堤防基礎下部穿越，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進行焊接，采用水中雙壁鋼圍堰進行施工，雙壁鋼圍堰同時兼作頂管接收井。此方案既可以減小堤防安全影響，又可以有效地避免復雜地質條件帶來的施工風險。此方案在管道跨越大江大河工程中也有成功實施案例。
2.3 工藝確定
根據勘查資料，過江段北江水下地質極為復雜，場地巖溶強烈發育，管道鋪設高程處以砂、卵石層及中風化或者微風化的灰巖巖層為主，局部存在溶洞，給頂管施工帶來諸多不可預見的不利因素，而且現有頂管機械難于長距離頂進500 m河道，方案一實施風險大，因此不予推薦。方案二由于對城市交通和景觀影響大，且不利于未來堤防達標加固工程，因此也不予推薦。
推薦工藝為方案三。基于方案三編制的項目通航條件影響評價和防洪影響評價已取得廣東省交通運輸廳及廣東省水利廳批復，同意實施。
03 工藝設計
3.1 平面設計
采用“頂管+沉管”結合方式穿越北江河床和右岸堤防。管道跨江長度為489.6m，其中頂管段101.8m，沉管段387.8m。采用兩條D1020mm鋼管，平行設置。管道起點位于北江左岸堤防樁號K6+500處，順接現狀預留閥門井，避免穿堤，后采用沉管方式橫過北江。過江管道在右岸樁號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，距迎水側河道堤頂邊線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焊接。
3.2 高程設計
管道左岸起點為現狀閥門井，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。過江沉管段管頂覆土不小于2m，單管長度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。頂管段起點為右岸堤防外工作井，終點為河道內雙壁鋼圍堰接收井，單管長度為101.8m。頂管從現狀右岸土堤基礎以下的基巖層穿過，穿堤處管頂標高41.25m，堤基礎底標高47.05m，堤頂標高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。施工結束后，鋼圍堰井河床以上部分全部拆除。
3.3 橫斷面設計及沉管溝槽開挖與回填
頂/沉管均為雙管平行敷設，管道中心間距設計為3m，管壁間距約2m。水下溝槽底部寬度設計為5m，灰巖層采用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預制混凝土墊塊，每隔15m設置一個，管周及管道以上400mm中粗砂作為管道埋設保護層，回填600mm厚30～70mm碎石保護層，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，壓力等級為1.0MPa，壁厚為14mm，鋼管及附件連接采用焊接。鋼管內防腐采用機械噴涂水泥砂漿，外防腐采用環氧煤瀝青六油二布，接頭防腐采用聚乙烯防腐膠帶，防腐等級為特加強級。
04 技術重點
4.1 方案比選與確定
管道跨越大江大河，施工和運營期對堤壩結構安全、通航、防洪、交通和景觀均有不同程度的影響，經考察類似工程建設經驗，結合地形地貌、地質條件、水文氣象等具體條件，經過充分的技術經濟比較確定設計方案，形成項目通航影響評價報告和防洪影響評價報告，上報規劃、航道、交通、水利等部門，按批復要求實施。
4.2 頂管
頂管從北江右岸現狀土堤基礎以下穿越，如頂力過大會使堤基隆起；頂管出土速度過快或工具頭前方土體出現超挖現象，會導致堤防下沉。
為確保頂進過程中堤防地基安全，采取以下措施：①加大勘查鉆孔密度，孔距為5～10m，確保地質資料的詳細和精確；②頂管施工前對影響范圍內的堤身進行灌漿加固，8排，每排12個，共96個灌注孔，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頭；④沿途設置沉降觀測點和橫斷面觀察點，按規范要求觀測堤防和岸坡位移及沉降，按數據調整頂進參數；⑤頂進過程中嚴格控制泥漿濃度和泥漿壓力穩定性，防止塌孔造成的危害。
防止施工造成河堤滲漏也是本項目的難點之一，設計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，沿堤頂道路布設?600@350高壓旋噴樁，共63根樁，單樁長度17m，形成總長度為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，截斷集中滲流通道；
③ 在穿越管道兩端設置防滲止水環，防止滲水點。
堤身加固及防滲設計見圖4。
4.3 沉管
沉管作業涉及水下爆破、水下管槽開挖、基礎處理和回填、水下管道定位、水壓試驗；岸上管節制作、焊接、防腐；水上管道吊裝、下沉。均為水上水下作業，專業性強、風險大，工時與施工場地均受限制。對此須配有經驗的施工員、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備。同時要及時清運和妥善處置挖槽余泥，避免污染河道。
沉管施工現場見圖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頭、水下實現頂沉管段的連接難度高、風險大。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構，平面尺寸為7.2m×6.2m，高度為17.35m，分三節制作安裝。鋼圍堰內設水平橫撐，內部最大凈尺寸為6.0m×5.0m，滿足起吊頂管機頭空間。鋼圍堰在頂、沉管段進出口處預留洞口，并用鋼板封堵，在頂、沉管段到位前，抽干圍堰內水，創造干式作業空間，實施管口封堵拆卸、機頭起吊、管口止水環安裝、管段對接等作業。施工工序為水下基槽開挖、分段沉放堰體、水下混凝土封底、堰體內混凝土澆筑、基槽回填、圍堰內抽水、頂管機頭切割與打撈、頂/沉管焊接。對接完成后，管道以上鋼圍堰全部拆除。
05 結語
韶關第三污水廠進廠干管（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行頂管、沉管、頂/沉結合法等管道過江穿堤方案適用性的前提下，確定采用頂/沉結合法施工。目前工程已經完工，過江管道運行良好，解決了韶關市北江東岸片區生活污水轉輸入廠問題。
污水處理廠服務范圍通常以行政區劃、大江大河、大型基礎設施（如高鐵）為分界線，因此污水干管穿越大江大河的案例較少，本項目的實施將為大型污水管道穿越大江大河提供可借鑒的工程設計與施工經驗。
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