城市大管徑污水干管帶壓接駁方案研究

謝春雨

（北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100088）

1 前言

城市排水管道通常采用重力流形式，污水管道按非滿流設(shè)計(jì)，管道最大設(shè)計(jì)充滿度不超過(guò)0.75[1]。早期城市污水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)多采用雨污合流，使得下游污水干管流量超過(guò)最大設(shè)計(jì)流量，甚至出現(xiàn)局部管段帶壓運(yùn)行的情況。

雖然市政主管負(fù)荷已滿，但在市政管線整體增容改造之前，仍需在短期內(nèi)將周邊地塊污水管線接入超負(fù)荷運(yùn)行的市政排水管。此類市政管線多為城市污水系統(tǒng)末端干管，管徑較大，按照常規(guī)的接駁施工方法，直接在井室開(kāi)口接入危險(xiǎn)性較大，不具備可操作性。此類情況需采取可靠的接駁方法。

2 工程概況

2.1 項(xiàng)目概述

成都金融總部商務(wù)區(qū)市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目位于四川省成都市錦江區(qū)西部，約80公頃范圍內(nèi)的市政基礎(chǔ)設(shè)施工程，包括新建和改建共計(jì)15條道路,道路總長(zhǎng)約10.35 km。項(xiàng)目?jī)?nèi)部地塊開(kāi)發(fā)性質(zhì)以商業(yè)辦公用地為主。

成都市中心城區(qū)分多個(gè)排水分區(qū)，其中最大的排水分區(qū)占中心城區(qū)總?cè)丝诩s50%，金融城項(xiàng)目位于該分區(qū)污水系統(tǒng)干管末端，最終排入城南某污水處理廠。接納金融城項(xiàng)目污水系統(tǒng)的市政污水管為城市污水末端干線，規(guī)格為D3 000，埋深約13 m。由于該污水干管上游為老城區(qū)，存在大量雨污合流情況，末端水量超過(guò)下游污水處理廠處理能力，造成管內(nèi)雍水，水頭約7～8 m。

2.2 管網(wǎng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目管網(wǎng)布置如圖1所示，項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)污水管網(wǎng)出口分別接入西側(cè)、北側(cè)及東側(cè)現(xiàn)狀污水管道，西側(cè)2號(hào)與4號(hào)出口埋深較大，為接駁難點(diǎn)。接駁點(diǎn)與D3 000污水干管標(biāo)高關(guān)系由圖2可以看出，項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)最低點(diǎn)地面標(biāo)高為486.70，干管內(nèi)實(shí)測(cè)水位為484.10，地塊與水位高差2.6 m，雨季易發(fā)生返水狀況。2號(hào)與4號(hào)排水出口標(biāo)高分別為477.81和477.85，接駁口埋深分別為8.19 m和7.15 m。管道內(nèi)實(shí)測(cè)污水高程為484.10，由此可見(jiàn)在接駁點(diǎn)位置壓力水頭達(dá)到約6.3 m。由于D3 000污水干管管徑較大，帶壓接駁不僅施工難度大，且危險(xiǎn)性較高。據(jù)調(diào)查，該污水干管負(fù)荷區(qū)域面積大，功能重要，管道接駁施工期間運(yùn)行不能間斷，且位于干線末端，水位不易控制。綜合以上因素，管道接駁設(shè)計(jì)需選擇安全可靠的實(shí)施方案。

圖1 污水管網(wǎng)排布示意圖

圖2 2號(hào)接駁點(diǎn)（左）、4號(hào)接駁點(diǎn)（右）與干管位置示意圖

3 接駁方法

D3 000污水干管緊鄰錦江河道，接駁工作面臨操作困難、人員風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等困難，經(jīng)研究分析周邊環(huán)境條件并與排水管理部門(mén)多方溝通，提出以下三種方案進(jìn)行討論。

3.1 在既有管道上新增檢查井

由于D3 000污水干管帶壓運(yùn)行，在現(xiàn)狀干管檢查井上直接開(kāi)口接入無(wú)法實(shí)現(xiàn)。利用既有檢查井有困難時(shí)，在干管上新建檢查井，是一個(gè)有效的解決辦法，賀超等[2]在D2 200污水干管帶水切換工程設(shè)計(jì)中也采用了類似的辦法。在不影響現(xiàn)狀管線運(yùn)行的前提下，在污水干管外部新建檢查井，破除井內(nèi)現(xiàn)狀干管，具體實(shí)施步驟如下：

（1）工作井制作：在新增檢查井位置開(kāi)挖基坑，由上至下分段澆筑混凝土井外壁，挖一段澆一段，澆筑至管底以下1 m深度，然后澆筑底板，作為檢查井施工作業(yè)擋土和擋水維護(hù)結(jié)構(gòu)的工作井制作完成；

（2）工作井完成后澆筑檢查井室并接入新建管道，在檢查井施工過(guò)程中，井外持續(xù)降水，直至接駁井施工完成；

（3）新建檢查井及接駁管制作完成后，需污水管理部門(mén)協(xié)助，臨時(shí)降低管中水壓至非滿流狀態(tài)；

（4）污水水位降低后破除井中現(xiàn)狀干管。由于本工程涉及污水管管徑較大，機(jī)具切割不易完成，建議采用定向精細(xì)爆破[3]方法破除干管。精細(xì)爆破工作需由具備爆破資質(zhì)的專業(yè)公司經(jīng)過(guò)計(jì)算，在一節(jié)完整的混凝土管外壁均勻布置爆破點(diǎn)，打孔并填裝炸藥，核實(shí)無(wú)誤后進(jìn)行定向爆破。爆破完成后，取出破管碎渣與鋼筋籠，完成井口和井蓋施工，接駁井施工完成。

管道連接關(guān)系如圖3所示。

圖3 直管段新增檢查井示意圖

3.2 改造現(xiàn)狀檢查井

現(xiàn)狀干管檢查井為跌水井，主井側(cè)壁設(shè)有副井，由副井接出D600預(yù)留支管。由于主井操作難度大，且破壞后不易恢復(fù)，考慮在副井實(shí)施接駁工作。副井壁厚450 mm，內(nèi)壁凈寬1 100 mm，頂部混凝土永久封閉，主井水位較高時(shí)，副井內(nèi)處于帶壓狀態(tài)。現(xiàn)狀干管檢查井如圖4所示。

圖4 現(xiàn)狀干管檢查井剖面示意圖

由于2號(hào)與4號(hào)接口接入管管徑分別為D1 200和D1 400，無(wú)法直接接入副井，需對(duì)其進(jìn)行必要的改造后方可接入。

（1）在副井外壁新建凈寬為1 500 mm和1 800 mm井室（分別對(duì)應(yīng)d1 200和d1 400管徑），將副井包裹，然后將新建污水管接入改造井室，改造井室如圖5所示；

圖5 檢查井改造平面示意圖

（2）在夜間井內(nèi)水壓較低時(shí)，由防護(hù)到位的工人在新建副井內(nèi)（原副井外）使用風(fēng)鎬將原副井側(cè)壁開(kāi)鑿打通，完成接駁；

（3）若原副井內(nèi)水壓較大，無(wú)法直接開(kāi)鑿，可將其頂部拆除，臨時(shí)投入沙袋，封堵與主井的連通口，同時(shí)用排水泵將副井內(nèi)水位抽降至較低水平后實(shí)施開(kāi)鑿作業(yè)，開(kāi)鑿?fù)瓿珊笕〕錾炒瑢⒕谟没炷翝仓?yán)實(shí)。

3.3 加設(shè)臨時(shí)泵站

由于以上兩種方案實(shí)施難度較大，同時(shí)考慮到污水干管水位較高，接駁完成后排水不暢，雨季存在金融城地塊內(nèi)污水井返水的可能，因此在方案2的基礎(chǔ)上加設(shè)一座污水提升泵站，近期將污水通過(guò)提升泵站排入跌水井副井，遠(yuǎn)期考慮待下游管網(wǎng)系統(tǒng)改擴(kuò)建完成后，地塊出水與市政主管具備正常接駁條件后將其接通，實(shí)施過(guò)程如下：

（1）方案2改造副井實(shí)施完成后，暫不將原副井的井壁鑿?fù)ǎ瑢轭A(yù)留管接入新建副井后臨時(shí)封堵，保留遠(yuǎn)期接入條件，如圖6與圖7所示；

圖6 臨時(shí)泵站方案平面示意圖

圖7 臨時(shí)泵站方案剖面示意圖

（2）地塊新建出管接入臨時(shí)泵站，泵站出水管穿過(guò)新建井室接入原跌水井副井，完成后將縫隙封堵嚴(yán)實(shí)；

（3）待下游管道系統(tǒng)改造完成，D3 000污水干管恢復(fù)到安全運(yùn)行狀態(tài)后，鑿?fù)ㄔ本冢瑢⒌貕K污水管直接接入預(yù)留井管，永久接駁工作完成后拆除臨時(shí)泵站并封堵洞口。

4 方案比選

金融城地塊建設(shè)定位為大型商業(yè)用地，因此基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行的安全可靠性尤為重要，需要在建設(shè)合理性、安全性等方面綜合評(píng)估，從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，選擇最適合的方案。以上3種方案均有利弊，通過(guò)實(shí)施方案的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行比較其特點(diǎn)，詳見(jiàn)表1。

表1 接駁方案比對(duì)表

方案1采用爆破技術(shù)，在周邊其他管段有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，工期最短，占地面積小，土建施工簡(jiǎn)單，作業(yè)完成后一次成活，不需要后期維護(hù)，但在爆破環(huán)節(jié)需要第三方專業(yè)公司介入，且造價(jià)較高。另外距離爆破干管約8 m處有一處DN1 800市政中水管，爆破作業(yè)對(duì)各種材質(zhì)的埋地管道都會(huì)造成沖擊影響[4-7]，張玉琦等[7]研究結(jié)果證明管道在距離爆心位置越近處振動(dòng)越大，管道易被破壞。如果造成污水管道系統(tǒng)破壞導(dǎo)致污水外泄，不僅會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，項(xiàng)目毗鄰錦江，對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境也將造成負(fù)面影響。因此，方案1更適用于工期緊張、鄰近無(wú)其他管線、傳統(tǒng)作業(yè)條件困難等條件下的大管徑管線接駁或分流作業(yè)，在金融城項(xiàng)目中存在明顯的不利因素。

方案2實(shí)施方法相對(duì)保守，在現(xiàn)狀檢查井上進(jìn)行必要的改造，滿足地塊出管的接入需求，此方案實(shí)施周期相對(duì)較長(zhǎng)，相對(duì)方案1工程造價(jià)有很大節(jié)約，在項(xiàng)目資金緊張、無(wú)遠(yuǎn)期擴(kuò)容規(guī)劃等情況下適用。本項(xiàng)目在副井側(cè)壁開(kāi)鑿洞口需在主管帶壓狀態(tài)下操作具有一定的危險(xiǎn)性，雖然通過(guò)投擲沙袋措施可以在一定程度上起到保護(hù)作用，但干管壓力不穩(wěn)定，風(fēng)險(xiǎn)仍然存在。

方案3在方案2的基礎(chǔ)上增加臨時(shí)泵站，可以有效規(guī)避方案2的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可以解決排水不暢、雨季返水的問(wèn)題，但造價(jià)大幅增加，此外在運(yùn)行期內(nèi)，需要安排人員定期檢修維護(hù)，增加后期運(yùn)營(yíng)成本，適用于有明確增容改造規(guī)劃的情況下實(shí)施。

綜上所述，方案1與方案2均為帶壓接駁，在實(shí)施過(guò)程中容易引發(fā)安全和環(huán)境事故；加設(shè)臨時(shí)泵站可有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)，且下游污水處理廠和管道擴(kuò)容改建工程已經(jīng)在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，臨時(shí)泵站的運(yùn)行成本進(jìn)入可控狀態(tài)。本項(xiàng)目專題經(jīng)過(guò)專家評(píng)審?fù)扑]方案3為最合理的接駁方案。

此外，由于D3 000污水干管中水位常年較高，造成本項(xiàng)目地塊內(nèi)污水系統(tǒng)出現(xiàn)排水不暢、管內(nèi)雍水現(xiàn)象，項(xiàng)目地塊內(nèi)地面標(biāo)高相比周邊地塊較低，且緊鄰D3 000污水干管，干管上游老城區(qū)有大量雨污合流管段，如果直接連接，在暴雨季節(jié)容易發(fā)生地塊內(nèi)污水外溢，方案3也可有效避免此類情況發(fā)生。

5 總結(jié)

對(duì)于大型市政污水管道的接駁工作，應(yīng)當(dāng)充分考慮不同的接駁方法可能引發(fā)的不良后果，最大限度保障作業(yè)人員、管線及周邊環(huán)境的安全，避免發(fā)生不必要的事故。

雨污合流管道出現(xiàn)流量過(guò)大呈壓力狀態(tài)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分調(diào)研管道運(yùn)行狀態(tài)和周邊影響因素，才能給出可靠的接駁方案。每種管道接駁工藝均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況選用最適宜的方法。

成都金融總部商務(wù)區(qū)市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目采用臨時(shí)泵站方案，綜合工況更優(yōu)，可在最大程度上保障施工和運(yùn)行安全，對(duì)周邊環(huán)境影響最低，符合城市商務(wù)區(qū)的建設(shè)需求。