福州市元洪投資區污水處理廠配套尾水管道工程過路頂管技術的應用

摘 要：本文主要探討了城鎮污水管道過路頂管設計的相關問題。首先介紹了頂管技術的原理、分類和優缺點，然后詳細闡述了城鎮污水管道頂管設計的要點，包括設計原則、管道材料選擇、埋深與坡度設計、工作坑與接收井設計、頂管機選擇等。接著，文章對頂管施工方法與步驟進行了說明，包括施工準備、工作坑開挖、頂管機安裝、管道頂進、接口處理、回填土方等。最后，通過案例分析，展示了頂管技術在城鎮污水管道施工中的實際應用效果，并總結了經驗與啟示。本文旨在為城鎮污水管道頂管設計提供理論依據和實踐指導，以期為相關工程提供參考和借鑒。

關鍵詞：頂管；污水管道；市政道路；施工質量" 文章編號：2095-4085（2024）09-0028-03

0 引言

隨著城市化進程的加速，管道過路施工方案也從大開挖逐步向頂管施工方案進行改變。頂管技術可以減少對地面交通和生產生活的影響，優化施工環境，改善傳統施工造成的粉塵、噪音污染大的情況。此外，頂管施工占地面積小，對地面施工的震動也較低，滿足了環保的要求。本文將詳細介紹頂管技術在城鎮污水管道設計中的應用。

1 城鎮污水管道頂管設計要點

在城鎮污水管道頂管設計中，有幾個關鍵的設計要點需特別注意。

（1）設計原則和標準。首先，設計應遵循國家和地方的相關規范和標準，以確保頂管施工的安全和質量。同時，還需考慮到工程的具體條件，如地質、環境、氣候等，從而制定出符合實際的設計方案。

（2）管道材料選擇與規格設計。選擇合適的管道材料是頂管設計的重要環節。常用的管道材料有混凝土、鑄鐵、鋼管等，每種材料都有其優缺點，需根據實際情況進行選擇。此外，管道的規格，如直徑、壁厚等，也需要根據污水流量、流速等參數進行合理設計。

（3）管道埋深與坡度設計。管道的埋深和坡度對污水流動的順暢性和管道的穩定性都有重要影響。設計時需充分考慮地質條件、施工難度、后期維護等因素，以確定最合理的埋深和坡度。

（4）工作坑與接收井設計。工作坑是頂管施工的起點，接收井是頂管的終點。這兩個位置的設計直接關系到施工的效率和安全性。工作坑和接收井的位置、大小、深度等都需要經過仔細的計算和設計。

（5）頂管機選擇與性能要求。頂管機是頂管施工的關鍵設備，其選擇應根據工程的具體條件進行。需考慮的因素包括管道的直徑、長度、地質條件等。此外，頂管機的性能要求也應滿足施工的需求，如頂力、糾偏能力等。

（6）頂進力的計算與控制。頂進力是頂管施工中的重要參數，直接影響到施工的效率和安全性。因此，頂進力的計算和控制是頂管設計的關鍵環節。要根據工程的具體條件和設備性能，進行精確的計算和控制。

（7）管道接口與防腐設計。管道接口的密封性和防腐性能對污水管道的正常運行至關重要。設計時需考慮到接口的材料、形式、連接方式等因素，并采取有效的防腐措施，如涂層防腐、陰極保護等。

（8）頂管施工對周圍環境的影響評估與控制措施。頂管施工可能會對周圍環境造成一定的影響，如噪音、振動、土壤擾動等。因此，在設計階段就應對這些影響進行評估，并采取有效控制措施，以降低對環境的負面影響。

2 城鎮污水管道頂管施工方法與步驟

（1）施工準備。了解施工區域的地質、水文資料、地下管線分布情況，制定詳細的施工方案；清理現場，確保施工環境安全；搭建臨時設施，如工作棚、堆料場等；準備施工設備和材料，如頂管機、泥漿泵、管道等［1］。

（2）工作坑開挖與支護。根據施工方案確定工作坑的位置和大小；使用挖掘機等設備進行開挖，注意邊坡的穩定性；對工作坑進行支護，如安裝支撐架、噴射混凝土等，以確保工作坑的安全。

（3）頂管機安裝與調試。根據管道直徑和長度選擇合適的頂管機；將頂管機運至工作坑附近，進行安裝和調試；檢查頂管機的各項性能指標，確保其正常運轉。

（4）管道頂進施工與控制。在頂管機后部安裝管道，要確保接口處密封良好；啟動頂管機，將管道緩緩頂進；實時監測頂進數據，如頂力、頂進深度等，以確保頂進過程安全可控；根據需要，可注入觸變泥漿減小阻力。

（5）管道接口處理與密封。對管道接口進行清潔，需確保無雜物；使用密封材料進行密封，要確保接口處不漏水；對于長距離頂進，應定期檢查密封情況并進行必要的維護［2］。

（6）回填土方與夯實作業。在管道頂進完成后，及時回填土方；使用夯實設備進行夯實作業，應確保回填土的密實度；注意回填土的質量和夯實作業的順序，以避免對已完成的管道造成損壞。

（7）施工質量檢測與驗收。對管道的外觀、位置、標高等進行檢測，以確保符合設計要求；進行閉水試驗，檢查管道的密封性；整理施工資料，進行驗收交接；對不合格部分進行整改和修復。

（8）安全措施與應急預案的制定與實施。制定詳細的安全操作規程，并對施工人員進培訓；配備必要的安全設施，如安全帽、手套等；定期進行安全檢查，消除隱患；制定應急預案，對可能出現的事故進行預防和處理［3］。

3 城鎮污水管道頂管施工案例分析

3.1 頂管設計

隨著福清元洪投資區經濟的迅速發展和規模的不斷擴大，投資區工業廢水和生活污水排放量突增，現有的污水處理系統已無法滿足投資區發展的要求。目前元洪投資區污水處理廠進水量已超設計規模，2020年5月最高日尾水出水量達3.58萬m3/d；2020年6月份最高日尾水出水量達4.50萬m3/d。現狀尾水管道已運行接近十年，且管材接口較多存在管道維護問題。若三期新增1.0萬m3/d處理規模，經測算最高日尾水出水量將達5.60萬m3/d，現狀尾水管道將無法滿足使用要求。因此，福州市元洪投資區污水處理廠配套尾水管道改造工程建設已成為當務之急。因管道實施需同時穿過36m寬度濱海大道及12m寬度梁厝溪，總穿越長度達到60m。為避免管道施工對現在設施造成影響，本項目考慮采用頂管施工工藝。

本次設計頂管長度118m，通過比選采用鋼管，直徑1 000mm（外徑1 020mm），管道埋深7～8m。根據地勘情況，現狀地質以全風化熔結凝灰巖為主。因位于渠道及回填道路下層，施工過程可能存在落石、砂涌等風險。并且，由于已建濱海大道存在已敷設的電力、通信、雨污水管道等，需考慮避讓。所以，設計中充分考慮了以上因素的影響，將頂管底部標高設計在-1.0m處，距離現狀地面標高為5.22m，高差7.22m。同時，對頂管施工機械進行設計，考慮采用具有破碎功能的泥水平衡式頂管機（見圖1）。

本次頂管設計的管道總頂力可按下式估算：

F0=πD1Lfk+Nf

式中： F0 —總頂力標準值（kN）； D1 —管道的外徑（m）； L—管道設計頂進長度（m）； fk—管道外壁與土的平摩阻力（kN/m2）； Nf—頂管機的迎面阻力（kN）。

頂進長度為118m，設置工作井及接收井各一座。

根據地勘報告情況，該段管道一般埋深為2.79～7.30m，管底標高約為-0.6m；工作井、接收井井底埋深約4.0～6.0m。頂管施工范圍內主要土層為淤泥質土、中砂、全風化-砂土狀強風化熔結凝灰巖。起點位置砂土狀強風化熔結凝灰巖層中含有碎塊狀不均勻風化，碎塊狀巖塊風化強烈，強度較低。鉆孔揭示該段道路地表填土較雜亂無規律，填土填石深度變化大，頂管施工時可能遭遇深埋填石，需考慮此因素選擇施工方案。頂管位置地層富水性及滲透性差，水量較小，為弱透水層，故地下水對頂管施工中管孔孔壁穩定性影響較小。地層總體較適宜頂管作業。工作井井底淤泥質土厚約1m，建議對其進行挖除換填砂礫石墊層后作為工作井的基礎持力層。接收井井底全風化-砂土狀強風化熔結凝灰巖，可直接作為接收井的基礎持力層。因管道穿越道路，建議設計加強頂管定力計算、土壁后背安全驗算及對路基穩定性影響驗算。

3.2 頂管施工方案制定

（1）了解施工環境。了解施工現場的地形地貌、地下管線等情況，以及施工區域內的建筑物、道路等障礙物，以便制定合適的施工方案。

（2）確定施工目標。根據工程需求，確定頂管施工的目標，包括管道的直徑、長度、埋深、坡度等參數，以及施工的質量、安全、進度等方面的要求。

（3）設計施工路線。根據施工環境和目標，設計合理的施工路線，包括頂管工作坑的設置、頂進的方向和角度、管道的連接方式等。同時要考慮施工過程中的排水、通風等問題。

（4）選擇施工設備。根據施工路線和實際情況，選擇合適的施工設備，包括頂管機、頂進設備、泥漿泵等，并確定設備的數量和規格。

（5）制定施工流程。確定施工的具體流程，包括工作坑的開挖、頂管的安裝、頂進、管道連接、回填等步驟，并確定各步驟的順序和銜接方式。

（6）制定安全措施。根據施工環境和流程，制定相應的安全措施，包括人員安全、設備安全、環境保護等方面，以確保施工過程的安全可控。

（7）編寫施工方案。將上述所有內容整理成完整的施工方案，并進行詳細的描述和說明。施工方案應包括施工組織設計、施工圖紙、工藝流程圖、材料清單等方面的內容［4］。

（8）審核和優化。將完成的施工方案提交給相關部門進行審核，并根據審核意見進行優化和完善。

（9）實施和監控。按照審批后的施工方案進行施工，并在施工過程中進行嚴格的監控和管理，需確保施工質量、安全和進度等方面符合要求。

3.3 施工過程管理與控制措施

（1）施工前準備。在施工前，要對施工現場進行詳細勘察，了解地形地貌、地下管線等情況，并制定詳細的施工方案和安全措施。同時，需對施工人員進行技術交底和安全培訓，以確保其具備相應的技能和意識。

（2）施工質量管理。在施工過程中，應采取一系列措施來保證施工質量。例如，采用合格的施工材料，按照設計要求進行施工，加強質量檢查和驗收等。同時，還需及時處理施工中出現的質量問題，避免問題擴大。

（3）施工安全管理。頂管施工具有一定的安全風險，應采取相應的安全措施。例如，制定完善的安全管理制度，加強施工現場的安全檢查和監控，確保施工設備的安全性能等。此外，還需對施工人員進行安全培訓和演練，以提高其安全意識和應對突發事件的能力。

（4）環境保護與文明施工。頂管施工會對周圍環境產生一定影響，應采取相應的環境保護措施。例如，控制施工噪音、粉塵、廢水的排放，從而減少對周圍生態環境的破壞。同時，還要加強施工現場的文明施工管理，保持施工現場整潔、有序。

（5）施工進度管理。頂管施工的進度會受到多種因素影響，需采取相應措施來保證施工進度。例如，制定詳細的施工計劃和進度安排，加強施工進度的監控和管理，及時調整進度計劃等。

（6）驗收與維護。頂管施工完成后，要進行驗收和維護。驗收合格后才能交付使用，否則需進行整改。在使用過程中，還應定期進行維護和保養，以確保管道的正常使用和延長使用壽命。本項目根據管道施工及驗收規范逐項核對整改，直至完成施工［5］。

4 效果評估與經驗總結

本項目于2023年9月竣工，頂管施工完成順利通水，經實測過流量滿足污水處理廠出水要求，獲得了業主方的肯定。管道頂進偏差僅50mm，符合精度要求。

在施工過程中，會遇到各種問題和挑戰，需要不斷地總結經驗，提高設計及施工水平。本次實施過程中出現部分流砂情況，采用了明挖清砂處理。根據各方施工情況總結出合適的施工設備組合、頂進速度控制、泥漿配比等方面的經驗，形成施工規范和操作規程，可為后續的施工提供指導和依據。

根據反饋情況，施工前需對地質情況充分了解，特別是可能出現流砂的情況，應考慮提前對流砂進行固化處理后施工，以提高施工質量和效率。

在施工過程中，還要做好記錄和歸檔工作，包括施工日志、檢測報告、驗收文件等。可作為工程項目的歷史記錄和后續維護的依據，也能為類似工程提供參考和借鑒。

參考文獻：

［1］逄德武.淺談公路質量安全對公路路基頂管的要求［J］.科技與企業，2013（23）：107.

［2］孫煒寧，王巍，賈少安.長春市伊通河排水管網改造中的頂管設計［J］.中國市政工程，2011（6）：28-29，33，81.

［3］葉文魁.頂管技術在市政污水管道施工中的應用［J］.河南建材，2017（4）：139-140.

［4］中國工程建設協會.給水排水工程頂管技術規程（CECS246：2008）［S］.北京：中國計劃出版社.

［5］馬紅超.土壓平衡機械頂管技術在污水管道施工中的應用分析［J］.居業，2015（16）：125-127.