污水倒虹管設計及案例分析

鄧 彩

(杭州市城建設計研究院有限公司上海分公司，上海 200030)

近年來，隨著經濟的發展，對水環境的重視，基礎建設的不斷完善，規劃污水管網日臻完善，覆蓋率也日漸提高。新建污水管道一般作為新建道路工程項目的一部分，與道路同步建設。由于江浙滬一帶水系較發達，河道網較密，大量的新建污水管道需要穿越河道。室外污水管道一般采用重力流，污水管道過河一般采用倒虹管的形式。上海地區的工程實例中，對于河道兩側倒虹井大多采用圍護施工，且部分主管單位建議倒虹管設計中采用規范建議的兩根管道過河，針對這兩個問題，下面結合工程實例進行闡述分析。

1 倒虹管設計

1.1 倒虹吸原理

倒虹管是利用上下游管道的高差來克服污水在倒虹吸管道及進出水井的阻力損失。倒虹吸管設置首先應考慮污水管在河道兩側須有高差，以克服倒虹吸管阻力損失。倒虹管兩側的高差為總水頭損失與進出水井水頭安全系數之和，水頭安全系數一般取0.1 m。

1.2 倒虹管根數

根據《室外排水設計規范》[1]4.11.1條，通過河道的倒虹管，不宜少于兩條；通過谷底，旱溝或小河的倒虹管可采用一條。其條文解釋：倒虹管宜設置兩條以上，以便一條發生故障時，另一條可繼續使用。平時也能逐條清通。通過谷地，旱溝或小河時，因維修難度不大，可采用一條。

由于倒虹管從河底以下穿過，且根據相關要求一般管道與河道凈距需大于1 m，有些地方水務部分要求凈距2 m以上，所以倒虹管一般埋深較深，一般大于6 m。故設計為兩根倒虹管過河時，一般倒虹井設計為閘門井，以便于水流切換，發揮備用管道的功能。在實際的應用中，閘門井的設備平時基本處于閑置不用的狀態且無人管理保養，若倒虹管發生故障，一般也是發生在管道運行數年之后，此時閘門也會因為老化等使用起來并不方便，有些甚至已經不能使用，更有甚者部分設備被偷，故閘門井并不一定能發揮其原設計的作用。而閘門井的占地一般比普通檢查井大近2倍，造價高，且養護維修較普通檢查井麻煩。綜合以上考慮，在實際應用中，一般航道會設計為兩根管道倒虹過河，而其他一般河道則采用一根管道過河。

1.3 施工方案選擇

開挖圍堰施工：在一些條件適合的淺水域施工時,采用構筑堤壩的方法在附近圍出一定面積的隔水帶,將其中的水排出,使水下地面露出,再進行施工。在DN600及以下管徑管道中，由于拖拉施工管道難以與設計標高和管道坡度完全一致，故在條件許可的情況下，一般采用圍堰施工。倒虹管為開槽圍堰施工時，兩端倒虹井施工圍護一般與圍堰圍護一起施工，通常采用鋼板樁圍護。非開挖施工：過河污水倒虹管管徑在800及以上時，非開挖施工考慮采用頂管施工，倒虹井一般會利用兩側的頂管井或者頂管坑圍護。污水管道過河倒虹管管徑不大于600,非開挖通常采用拖拉施工。倒虹管為拖拉施工時，需單獨為兩個倒虹井考慮圍護方案。常見的有鋼板樁圍護，SMW工法樁圍護等。筆者更推薦此時兩側檢查井采用沉井施工。

1.4 沉井的應用

沉井是將地下構筑物在地表制作成一個沉井，然后在井壁的圍護下通過從井內不斷挖土，使沉井在自重作用下逐漸下沉，達到預定設計標高后，再進行封底，構筑內部結構。技術上比較穩妥可靠，挖土量少，對鄰近建筑物的影響比較小，沉井基礎埋置較深，穩定性好，能支承較大的荷載。

沉井既是基礎，又是施工時的擋土和擋水結構物，下沉過程中無需設置坑壁支撐或板樁圍壁，簡化了施工。沉井在作為拖拉管施工時的倒虹井時，相比鋼板樁，工法樁等圍護施工，造價也低很多。沉井是井筒狀的結構物，它是以井內挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到設計標高，然后經過混凝土封底并填塞井孔，使其成為橋梁墩臺或其他結構物的基礎。

沉井的優點有：埋置深度可以很大，整體性強、穩定性好，有較大的承載面積，能承受較大的垂直荷載和水平荷載；沉井既是基礎，又是施工時的擋土和擋水結構物，下沉過程中無需設置坑壁支撐或板樁圍壁，簡化了施工。過河倒虹井一般位于道路紅線外側，且位于河道兩側，若兩個倒虹井采用小型沉井，對以后其他設施的影響相對較小。特別是對于采用拖拉施工的過河倒虹管，倒虹井需單獨設計圍護施工，且倒虹井的特點就是埋深大，但是平面尺寸小，所以適合選用小型沉井。

2 工程案例

2.1 工程簡介

本工程H路位于上海市，新建道路約1.6 km，新建DN400污水管道約1.5 km。本工程沿線有規劃河道4條，河道基本信息見表1。

表1 H路河道基本信息 m

其中A河B河為航道。河道兩側現狀地面標高約為4.5 m(吳淞高程)。

2.2 倒虹管工程概況

過河方式選擇：本工程污水管道沿道路敷設，污水管道走向與道路走向一致，穿越河道時污水管道管位位于道路紅線外5 m處。本工程污水需要穿越4條河道，污水管走向與河道正交，采用倒虹吸式從河底下穿越河道過河。

根據當地相關主管部門要求，河底以下穿越的管道，距離規劃河底凈距應不小于2.0 m。根據各河道規劃河底標高計算可知，穿越各河道倒虹管管底距離現狀地面高差分別為：A河7.9 m,B河7.4 m,C河6.9 m,D河6.9 m。由于A河B河為航道，穿越此兩河采用非開挖施工，且設計鋪設兩根管道過河。穿越C河D河采用圍堰開挖施工，且鋪設一根管道過河。

2.3 倒虹管施工方案

管道穿越C河D河，過河倒虹管以及管道兩端檢查井采用圍堰開槽施工。本工程圍堰開槽施工圍護用鋼板樁采用Ⅳ號拉森鋼板樁，鋼板樁長度選用15 m。基坑兩側井點降水，降水深度應滿足基坑開挖要求，保證坑底無積水。如果井點降水無法滿足要求，可采用管井降水；溝槽下方采用1.5 m壓密注漿，待注漿固結體強度達到80%后方可開挖施工，開挖土方至第一道支撐中心線下0.5 m，架設第一道支撐，支撐處應焊接牢固。基坑開挖過程中，基坑周邊施工車輛允許超載及堆載不得大于20 kPa。

管道穿越A河B河采用非開挖施工，由于管徑為400，故采用拖拉管施工。拖拉管是一種非開挖技術,即不開挖路面, 在地下鉆孔后, 用拖拉的方式將管道從鉆孔中牽引穿越, 最終完成管道敷設的技術。與傳統的挖槽埋管相比, 它具有不影響交通、不破壞環境、施工周期短、綜合成本低、施工安全性好等優點,目前已廣泛應用于市政建設、電力、電信、煤氣管道、自來水管道等各種管道的鋪設。拖拉管的管材一般采用PE平壁管, 拖拉管最小覆土深度與城市道路路面垂直凈距 1.5 m; 二級河道規劃河底標高以下 1.5 m。

2.4 非開挖段倒虹井施工方案

本工程井深接近8 m，若開槽施工可采用水泥土攪拌樁內插H型鋼的圍護結構，先施工水泥攪拌樁，在水泥未凝固之前將H型鋼利用重力及機械振動插入。經過比選本工程A河、B河兩端倒虹井采用沉井法施工。

A河B河為航道，倒虹管設置為兩根，兩側倒虹井設計為閘門井，檢查井內徑為3 m×3 m，深度分別為7.9 m以及7.4 m，采用沉井法施工。

沉井是一種通過地面制作[2]，并解除井內土體的結構形式，而且一定深度范圍內，井體結構能夠作為支護使用，與以前的開挖方式不同，沉井工程的優勢更為明顯，不僅能夠有效的減少工程的工作量，整體的技術也是更加方便操作，工程用地也能夠有效減少。

制作沉井前，地基必須有足夠承載力，以防止沉井混凝土澆筑過程中發生不均勻沉陷而造成井體開裂和沉井傾斜。施工前應精心作好施工組織設計，采取相應防范措施。注意地基土不受擾動，并采取有效地面排水措施避免積水浸泡；保持土體穩定。

沉井結構平面圖和剖面圖見圖1，圖2。

本工程沉井下沉采用不排水下沉，采取C20毛石混凝土水下混凝土封底。封底后，鑿除表面浮漿，再鋪以素混凝土墊層找平，最后澆筑混凝土底板。下沉前預留洞用磚砌體或其他方法封堵。

3 結語

近年來，河道水環境成為社會關注的熱點問題，同時隨著經濟的發展，城市化進程的加快，污水收集系統也是在逐步完善中，污水倒虹管設計穿越河道是污水管道設計中常見的問題。隨著人們生活水平的提高以及養護手段的不斷升級，倒虹管因堵塞問題導致的故障也會比以前減少，而且設計雙管而采用的閘門井實際應用中問題頗多，所以建議一般河道倒虹管采用一根管道過河即可。在本市的一些管道工程中，遇到基坑如頂管工程頂管坑等，一般采用SMW工法施工頂管坑。沉井因為施工周期長，技術要求高，其施工完成后占地面積大，尤其是在市政道路上占地面積過大會對日后其他管線的敷設造成很大影響，所以在管道工程中使用不多。但是倒虹井卻是非常適合選用小型沉井。