頂管專用球墨鑄鐵管在供水管網中的應用

文｜中鐵第四勘察設計院集團有限公司 王宏峰

一、概述

1、工程簡介

為配合合肥三水廠遷建工程建設，三水廠三根（兩根DN1400、一根DN1200）出廠主干管需并行下穿合肥市北二環路，北二環路為城市主干道，總路幅約60米，車流量大，不允許開槽施工；同時下穿區域位于110KV高壓走廊下方，北二環路南側200m范圍內設有8座高壓鐵塔。

圖1 下穿北二環頂管工程平面布置圖

設計采用頂進施工，三條輸水干管先后頂進過程中，避免對已頂進的管道造成影響，同時避免對高壓鐵塔的基礎造成影響，管道平面管位距離高壓鐵塔基礎最小水平凈距為3.9m，三條輸水管道之間的凈距設計為1.46m。本工程設工作井一座，平面尺寸12.8m×11.8m，位于北二環路北側綠化帶內，設接收井一座，平面尺寸11.8m×6.6m，位于北二環路南側200m 處的綠化帶內，一次頂進長度約275m；輸水管材采用頂管專用球墨鑄鐵管，以避免雜散電流對管道可能造成的電化學腐蝕。

2、工程地質條件

根據地勘報告，管道沿線地貌單元屬江淮丘陵，微地貌單位為南淝河河漫灘、一級階地及二級階地，上覆土層主要為第四系沖洪積的粘性土、粉土、砂土等，下伏白堊系（K）暗紅、棕紅色泥質砂巖風化帶。北二環路道路3m 以下為粘土層，給水管道下穿北二環路頂管管線置于②3層粉質粘土、⑥1層粘土和⑥2層粘土中，該三層土均適合機械式頂管施工。

3、周邊設施情況

給水管道下穿北二環路頂管管線東側為董鋪水庫非常溢洪道，西側為翰林變電所，北二環路南側設有8座高壓鐵塔，高壓電力管線縱橫交錯進出110KV 翰林變電所。

二、輸水干管徑路選擇

根據給水管線專項規劃，合肥三水廠遷建工程輸水管道有三根管道（兩根DN1400、一根DN1200）沿懷寧路東側高壓走廊向南敷設，頂管穿越北二環路后繼續向南開挖施工。

下穿區域位于高壓走廊下方，東西兩側均有高壓鐵塔，經與各部門多次協調溝通，在盡可能避讓鐵塔的原則下，最終頂管位置確定從幾座高壓鐵塔中間穿過，與其中一處110KV高壓鐵塔水平凈距3.9m，頂管段具體位置及布置詳見圖1。

三、輸水干管高程選擇

北二環路上設有污水管道、雨水管道以及光纖供電等管道，其中d400 污水管埋設較深，管底標高為21.81m；北二環路南側各種高壓電纜以及電力盤井，最低點標高為21.06m。頂管過程中需考慮對既有管道的影響，同時考慮覆土深度，本工程設計頂管管頂高程為17.40m，埋深9～11m，與電力盤井最低點凈距為3.6m。

四、輸水干管管材選擇

給水工程管道頂管施工對管材有特殊要求，管道為壓力管線，對管道安全性，壓力等級和使用年限要求較高，頂管施工一般采用鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼夾砂管等。

鋼管頂進過程中易損傷鋼管外壁防腐層，影響使用年限，高壓走廊下方電化學腐蝕更為嚴重，如采用鋼管，需采用排流保護措施。

頂管專用球墨鑄鐵管是在普通承插式球墨鑄鐵管的外壁上整體包覆了一個筒狀結構的鋼筋混凝土保護套，使得管體的外形尺寸與承口的最大外徑一致，同時在管子的插口部位焊接有頂推法蘭。頂管施工時，頂推力通過焊接在插口處的帶筋板的法蘭均勻地傳遞給承口端面，從而保證在頂推操作中不會造成插口變形及外保護套的損壞。

采用頂管專用球墨鑄鐵管，允許頂推力大，施工方便，同時可以較好解決電腐蝕的問題，但成本較鋼管相對較高。

市場上玻璃鋼夾砂管質量參差不齊，在滿足設計要求的前提下，價格遠高于鋼管和球墨鑄鐵管，同時剛度和強度相對較低，熱膨脹系數大，在冬冷夏熱地區不太適用。具體對比分析如表1所示。

本工程管線位于高壓走廊下方，需考慮雜散電流防護，因此管材選用及頂進方案對比分析如表2所示。

考慮下穿北二環頂管管線埋深約10m，以后無法維護檢修，同時位于高壓走廊下方，一旦發生電腐蝕，管內自來水泄露，將嚴重危及高壓鐵塔基礎安全，后果不堪設想，綜合考慮后頂管管材采用頂管專用球墨鑄鐵管。

表1 頂管管材對比表

表2 頂管方案對比表

五、頂進工作井及接收井

1.工作井接收井工藝設計

頂管段采用泥水平衡式頂管施工工藝，管徑為DN1400、DN1200，管材為頂管專用球墨鑄鐵管，T型滑入型柔性接口。頂管為2根DN1400，單管長275m，總長550m；1根DN1200，管道長275m。

考慮球墨鑄鐵頂管施工有三根平行管道，三根管道之間的凈距為1.46m，管道與井壁之間預留一定的操作空間；另外頂管專用球墨鑄鐵管為6m 一節，考慮頂管設備、后座以及中繼等因素，工作井平面尺寸采用12.8m×11.8m，接收井平面尺寸采用11.8m×6.6m，如圖2、圖3所示。

2.工作井接收井結構設計

工作井、接收井均采用矩形沉井結構沉井施工順序為：墊層-支模-綁扎鋼筋-現澆沉井下半部-排水下沉-接沉井上半部-下沉到位-干封底-澆底板。

沉井制作材料：主體混凝土采用C30，抗滲等級P6；封底混凝土采用C20；鋼筋采用I級HPB300鋼和III級HRB400鋼。

主要設計參數及要求：（1）為滿足工作井后背穩定要求，最大頂管合力不能超過8500kN，且不應超過頂管專用球墨鑄鐵管管節最大允許頂力。（2）頂進速度：0～50mm/min。（3）工具頭外徑與管道外徑之比(D機/D管)：不大于1.003～1.005。（4）沉井結構的裂縫寬度限值為0.25mm。（5）刃腳部分的砼強度達到設計強度的100%，其余部分強度達到設計強度的70%，但不得少于15天，方可允許下沉。（6）管道施工完畢后沉井內部將回填土方至設計地面，壓實系數0.93～0.95。

3.工作井接收井止水措施及土體加固

考慮工作井接收井位于溢洪道附近，需排水下沉施工，沉井施工前，在井位四周打2排d500高壓旋噴樁止水帷幕，樁距350mm，排距350mm，樁底進入不透水層（粘土層）不小于1m，對土體進行加固處理。

六、頂管施工

1.頂進

目前合肥三水廠遷建工程下穿北二環頂管工程，頂管施工已經完畢，機頭也已順利頂出，經實測實際最大頂力為7000KN，符合設計要求。

施工過程中，考慮頂進過程中對土壤的擾動，采用先頂進中間一根DN1400管道，之后再頂進兩側兩根管道，取得較好效果。

2.頂出后與鋼管轉換

管道頂出后采用球墨鑄鐵專用盤插短管和盤承短管，詳見圖4所示，將管道轉換為鋼管，法蘭連接，鋼管向上翻至設計標高后出工作井、接收井。

圖2 工作井平面布置圖

圖3 接收井平面布置圖

七、結論和建議

頂管專用球墨鑄鐵管屬于頂管管材，采用承插式T型柔型接口，密封性能好，在合肥三水廠遷建工程輸水管道設計施工中得到成功應用，為今后大口徑自來水管、中水管道及污水管道頂進提供示范，另外在防雜散電流方面有明顯優勢，同時管材本身具有強防腐能力和抗內外壓能力，可以確保管線的使用壽命滿足運營維護要求。

圖4 頂管頂出后轉換為鋼管