梁薇
广西壮族自治区城乡规划设计院 广西南宁 530023
摘要：南宁市利福路污水管工程的设计中，根据工程实际情况，针对管线走向、管道平面布置、纵断面设计、施工方法选择等不同难点的设计问题，提出了合理的解决方案，d2800大管径在硬岩区域顺利施工建成，连接贯通排水区域与污水处理厂。污水管道施工设计对硬岩泥水平衡顶管机的成功运用，拓宽了地下管道在复杂岩土地质条件下的施工设计思路，对广西区内乃至全国硬岩地区地下管线的施工设计具有示范意义。
关键字：硬岩顶管；大口径管道；非开挖施工工艺；管道布置
一、工程概况
南宁市利福路，原名2号路延长线，位于南宁市龙岗片区，起点五象大道，沿线分别与38号路、邕大北路、邕大南路相交，终点接玉洞大道。利福路、五象大道、邕大北路、邕大南路及玉洞大道道路及雨水管已经施工完成并通车。
利福路沿线污水属南宁市污水流域的龙岗流域，属于南宁市五象污水处理厂服务范围，管道工程全长2384.287米，为五象、玉洞、龙岗污水流域进入污水厂前的末端主干管。污水管道总体布置图如下图。
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二、工程设计重点、难点及创新点
1、根据复杂的地质条件，采用国内首台硬岩泥水平衡顶管机进行施工设计，保证主干管施工顺利进行。
根据《南宁市龙岗片区2#路延长线污水管工程岩土工程勘察报告（勘察阶段：详细勘察，工程编号：南勘(2015)142）》，污水主干管管径d2800，埋深约12m～18m，管道穿越黏土②层、硬岩中风化灰岩③层等土层。中风化灰岩③饱和单轴抗压强度46.81MPa，为较硬岩，为不软化岩石，岩体完整程度为较完整、节理发育程度为不发育，岩体基本质量等级为Ⅲ级。该层分布于场地大部分地段，埋深约2.5～18.5m，地基承载力特征值fak=5000kPa。因污水管管径及设计埋深均较大，如此大管径及埋深的管道，在上述硬岩地区施工，在南宁乃至区内尚属首次，如何实施是设计要解决的重点和难点。
对于强度如此高的岩层，通常有 3 种施工方式:大开挖施工、人工顶管施工、机械顶管施工。由于污水主干管管径及设计埋深均较大，大开挖将造成刚刚建成通车的2#路延长线整条道路破坏，同时施工区域处于市中心，道路一侧为南宁学院校区，另一侧为铁路线，不允许爆破岩层，故不利于大开挖。人工顶管采用水磨钻施工，岩层强度高，每日仅顶进10 ～ 30cm，如采用静力爆破或机械水钻再进行人工掘进，工程进度缓慢，远远无法按期完工，不能满足施工进度要求，且人工顶管的风险极大。而采用常规机械顶管施工，在强度 ≥80MPa 岩层中，常规机械顶管设备难以满足地质要求，管道在顶进过程中穿越黏土②层、硬岩中风化灰岩③层、软硬不均层、孤石地段和基岩凸起地层等复杂地质条件，常规的机械顶管已无法完成。
目前，国内顶管机械施工对于微风化岩层地质情况的施工技术还在不断摸索、探讨。鉴于国内用于隧道施工技术的盾构法已非常成熟，但是管径一般都大于4m，用于管径为d2800管道盾构机在当时国内市场还没有。设计经过对国内此类硬岩地区顶管施工方法的研究、比选，多次与设备生产厂家的探讨，最终创新采用了由中铁工程装备集团设备公司自主研发的国内首台硬岩泥水平衡顶管机进行施工设计。该硬岩泥水平衡顶管机系结合盾构原理，针对d2800管径专门研发的机械顶管设备，也称刀盘式泥水平衡硬岩顶管机，直径为2.8 m，其刀盘、驱动系统及纠偏油缸等设计配置上结合盾构的设计理念，对掘进中遭遇的岩石有很强的切削作用，圆满解决了顶管穿越硬岩区域技术难题，填补了国内城市复杂地质条件下市政隧道机械化掘进的技术空白。
硬岩泥水平衡顶管设备的采用，使利福路污水管道施工得以顺利开展。
2、针对工程地质构造，完善顶进设备设计，使设备与施工紧密配合，保证工程顺利推进，为今后类似的硬岩区域管道施工提供全新、快速、安全的设计参考。
工作井采用工作井（接收井）采用逆做法成井方式，圆形结构，顶力设计值达25000KN，为了满足如此巨大的顶力的要求，井背贴紧墙壁用钢筋混凝土浇注，尺寸为5238mm×6200mm×700mm，然后加4940m×4200m×300mm钢板贴紧墙壁，同时设计在工作井周边土体采用高压旋喷桩进行加固处理。
顶力是顶管机关键设计参数。顶管需计算顶进时岩层压力，根据《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008),120m管道摩阻力（此120m管道作为验算段，具体参数根据实际情况调整）具体公式如下：F阻=fπD1L+NF,,经计算可得管道摩阻力F阻=19800KN。综合考虑，设备总顶力按不超过25000KN配备液压油缸。岩层压力除了计算以外还需在顶进时实测，然后拿实测数据与计算数据做比较。实践证明岩层压力计算值与实测值相差不大。
为减小后座顶力，利用工具管尾部的压浆孔压入以澎润土为主的泥浆作减阻手段。为进一步减少管道在顶进过程的摩擦阻力，除根据施工过程调整泥浆比例，设计还在管材外壁进行打蜡处理，利用管外侧空隙形成空腔，使管道完全悬浮，较好地解决了管道摩阻力大的问题。
混凝土管道在强度、裂缝及其稳定性也进行了加强处理等一系列措施，确保了管道顺利顶进。
3、优化规划设计，解决规划在实施过程中的难点，完善五象新区生产、生活环境，为五象新区的发展提供坚实的保障。
利福路是五象大道与玉洞大道的连接线。按照《南宁市五象新区排水专项规划》，五象大道污水干管在与龙岗大道交叉处接入龙岗大道二期，沿龙岗大道二期往南排入玉洞大道污水管，进入五象污水处理厂。但由于龙岗大道二期当时征地工作难以开展，地勘出现溶洞及岩层，对地下管道的施工非常不利，无法施工。而五象大道两侧开发日益成熟，五象大道沿线收集的污水量急需出路，尤其是位于利福路西侧的南宁学院建设已基本完工，陆续投入使用，南宁学院日污水量约为5000m3/d，南宁学院校区及周边将开发地块的污水排放问题亟待解决，同时五象污水处理厂也已基本完工，亟待管道接通进水，调试运行。在这种情况下，设计结合周边道路竖向标高设计及地质勘察情况，提出污水干管改沿龙岗大道二期埋设至邕大北路口，转入邕大北路，再沿邕大北路向西接入利福路，往南排至玉洞大道总干管，最后输送到五象污水处理厂。方案得到了南宁市规划局及业主的同意及批复，龙岗片区的污水干管得以顺利实施。
本项目污水管的实施建设，不仅满足五象新区龙岗片区利福路沿线的生活污水的排放需要，同时也解决了五象、玉洞、龙岗污水流域污水的收集、输送到污水厂处理问题，提高城市的污水处理率，完善市政设施建设，改善五象新区的生产、生活环境，为五象新区的发展提供坚实的保障，建设意义重大，是十分必要，也是非常紧迫的。
5、采用非开挖施工工艺，避免施工对现有道路的破坏及交通的干扰，避免设置提升泵站，造就优美的城市环境。
由于利福路污水管是污水管网进入污水厂前的末端主管，利福路污水管在接纳上游来水处接口埋深接近12.0米，埋深较大。一般污水管道的埋深达到一定深度时，为避免大开挖给施工带来的风险，设计会设置提升泵站对污水进行提升，以减小埋深。而污水泵站不但占地，需要运行维护，同时水泵机组在运行过程中会产生出较强的噪声与振动,对周围的环境造成噪音污染，也有可能散发污水臭气，危害周边居民身体健康。利福路为已建成交付使用的现状道路，沿线地块未预留可以设置污水提升泵站的用地，因此为避免路面二次开挖施工及污水提升泵站的设置，设计采用非开挖施工工艺，同时巧妙的将主干管布置在道路中央绿化带下，极大减少了施工对现状路面的破坏，检查井掩映在绿化带内，美观的同时对道路交通不造成干扰。
6、优化管径设计，保证管道系统在不同时段的排水能力。
利福路污水管为五象、玉洞、龙岗污水流域进入污水厂前的末端主干管，转输上游汇水面积5064公顷，本段汇水面积180.7公顷，累计汇水面积5244.7公顷，设计排水流量8300.69L/s。设计污水管的布置按规划批复走向并尽可能按道路竖向设计进行，污水管道坡度在满足流量、流速，并能安全排入下游干管的要求下，顺坡铺设，尽量接近道路坡度来设计，以减少跌水，反坡铺设时，则采用较小坡度，以减少埋深。经计算比较，管径d2800，设计坡度0.8 ‰，实际充满度0.71时，计算管段流速1.79m/s，计算排水流量8358.36L/s；最大充满度0.75时，计算管段流速1.81m/s，计算排水流量8938.31L/s。采用管径d2800，既充分利用了管道的排水能力，又保证了整个管道系统的排水预留量，管径的选择经济合理。
7、充分优化管道平面布置，方便施工，减少埋深，节省投资。
由于利福路为污水主干管路线，且为下游管段，d2800设计污水干管埋深达12～18m，道路两侧地块污水支管的接入如按平常做法每隔80m～120m预留支管直接排入污水主干管，按照《室外排水设计规范》（GB50014－2006 2014年版）第4.5.1和4.5.2条规定，则每根预留支管在接入前均需设2～3次跌水井，跌水高度大，跌水井长度和深度都较大，占地面积大，投资也较大，为降低投资，本工程将主干管设在道路中央绿化带下，同时在东侧慢车道下设一根污水次干管收集道路东侧街坊及道路的污水，顺坡敷设，分段将污水次干管接入污水主干管，不但方便了街坊支管的接入，也达到了减少埋深，节省投资的目的。
8、配合硬岩泥水平衡顶管机的使用，适当合理加大检查井的布置距离，投资节省效果明显。
污水检查井在直线管段的设置间距一般根据疏通方法等具体情况来确定，根据管径大小通常为30~50米，设计规范规定d2000以上的污水检查井最大间距为120米。本设计中，考虑排水、出土和运输方便，远离居民区和高压线，同时尽可能避免地上或地下的管线、构筑物、树木等因素，设置工作井间距为120米，顶管每次顶进距离120米，双向顶进，中间设置接收井，因此避免了工作井的数量过多，顶管施工完成后，工作井及接收井改建为检查井，从而达到降低工程建设成本、缩短工期目的。
三、结论
在利福路污水管工程的设计中，根据工程实际情况，针对管线走向、管道平面布置、纵断面设计、施工方法选择等不同难点的设计问题，提出了合理的解决方案，d2800大管径在硬岩区域顺利施工建成，连接贯通排水区域与污水处理厂。从利福路污水管工程通水使用后情况看，使用效果良好。利福路污水管的设计坚持以科学发展观为指导思想，以解决污水排放为原则，以建设生态、环保、人文、绿色宜居城市为目标，注重细节处理，设计经济合理，社会效益、经济效益和环境效益显著，改善了五象新区、龙岗片区的投资环境，提高了周边居民的生活质量。
广西为喀斯特地貌地区，岩石地区分布广泛，复杂的岩土地质给地下管线的施工带来了很大的难度，本污水管道施工设计对硬岩泥水平衡顶管机的成功运用，拓宽了地下管道在复杂岩土地质条件下的施工设计思路，该设计施工安全、快捷，对地面和邻近建筑物影响小，降低施工风险，提高工作效率，利于节能安全运营，对区内乃至全国硬岩地区地下管线的施工设计具有示范意义，具有很强的创新性。
参考文献
1、王鹏，长距离大口径硬岩顶管施工管理技术探讨，中国给水排水，2016年7月
2、邢健宝等，硬岩顶管设备优化改造，施工技术，2018年6月