开挖管技术在大兴新城滨河森林公园引水工程中的应用

张君伟 葛会志 魏陆宏

（北京市水利规划设计研究院 北京 100048）

1 引言

为了适应和满足城市管道设施建设中日益提高的技术性、环保性、安全性和经济性的要求，非开挖技术尤其是顶管技术由于施工便利、高效、工程干扰少、环境影响小、成本适中等优点，正广泛应用于穿越公路、铁路、建筑物、河流以及文物保护区等复杂条件下的管道铺设。对于北京地区顶管工程来讲，目前普遍采用的是混凝土管顶进工艺，而钢管顶进技术仅在较少的市政工程中有所运用，其在北京水利工程中的应用尚属首次。本文结合大兴新城滨河森林公园引水工程的实例，对非开挖钢管顶进技术在设计与施工过程的要点予以介绍，为该技术在同类工程的运用提供借鉴与思考。

2 工程背景

伴随北京郊区新城的快速发展，北京市政府按照环境先行的新城建设理念，提出了建设新城万亩滨河森林公园的总体构想，以穿城或环城水系为主线，以水系两侧大规模林木为主体，充分利用沿河河滩地、荒滩地和现有林地，在全市各区县新城兴建11处滨河森林公园。大兴新城滨河森林公园即是该项目 2010年新建的公园之一，园区总面积538.3km2，涵盖南、北两座公园以及连通公园的城市水系的建设，其中水系面积达 65km2，蓄水量超100万方，犹如一串绿色明珠妆点在首都的南大门。公园水源全部采用再生水，为满足公园生态需水量的基本需求，配套建设本引水工程，将大兴黄村再生水厂的再生水引入公园项目区。

3 工程布局与地质条件23

根据公园环境需水量与黄村再生水厂出水量分析，再生水引水干管输水量按8万m3/d设计，设计流量为1m3/s。引水管道采用DN1000钢管，设计工作压力0.6MPa，试验压力1.1MPa。管线起自黄村再生水厂输水泵站，穿越新凤河后沿南六环北侧绿化带向西行至小龙河，沿小龙河左岸折往西北后再折向西直至京开高速路，总长 6.4km。管线沿途穿越新凤河、大龙河、小龙河3条河道，还穿越了京九铁路、京开高速公路等重要交通要道，以及大兴城区7处现状公路和货运物流中心5条铁路支线。

管道平均埋深约 5m，根据地勘结果，管身基本置于细砂层上，地基承载力标准值为80~110kPa。管顶土质为细砂和粉土填土，有利于顶管施工，但细砂呈松散状态，填土松散不均匀，应注意塌顶现象发生。施工区域大部分地下水低于管底，不存在施工降水问题。但应注意管道在穿越新凤河、大龙河、小龙河时存在的上层滞水，以及局部地段上层滞水对管道施工造成的影响。

4 开挖 管 技术

为尽量避让拆迁，减少工程实施难度，经明挖与顶管方案比选后选用非开挖顶管技术，原初步拟定为顶进DN1550混凝土管后内穿DN1000钢管的常规方案。为进一步优化工程设计，节约投资并提高施工效率，设计人员在多方调研的基础上，结合管道穿越的地质条件，最终确定采用钢管直接顶进工艺，该工艺不仅能节约原混凝土管顶进方案中的外套管材，而且省去了钢管固定和混凝土回填环节，减小了管道顶进过程中的摩擦力，为工程按时高效完成打下了良好的基础。

图1 混凝土管内穿 管 方案与 管直接 方案对比图

4.1 管用 管结构设计

依据《给水排水工程管道结构设计规范》，钢管结构设计采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量管道结构的可靠度。钢管管道结构按承载能力极限状态和正常使用极限状态两种极限状态进行设计，计算内容包括强度验算、稳定验算、抗浮验算和变形验算等。顶管用钢管结构设计的具体计算内容文中不再赘述，仅针对其区别于常规直埋式钢管计算的一些细节做部分介绍。对于顶管施工，管顶覆土的竖向土压力与侧向土压力规范中都有单独的规定（参见《给水排水工程管道结构设计规范》附录 B），其竖向土压力标准值Fsv，k由太沙基计算模型给出。此外，顶管施工形成土弧基础是在原状土层中开挖形成的土弧，在设计计算时，从保证管道结构的土弧基础支承要求出发，规定顶管施工时，土弧基础的支承角2α按120°计算。

图2 太沙基计算模型简图

本工程钢管材质选用Q235A，由钢板卷制、焊接而成。在管道埋深为5m的前提下，经各工况综合计算，选用壁厚为12mm的钢管。同时，按顶管施工构造经验公式复核管壁厚度，顶管用钢管采用12mm壁厚亦能满足要求。

公式：t=αD+t'

式中：

t——钢管的壁厚（mm）；

α——经验系数，取 0.01~0.015之间（由于管道埋深较深，此处系数取0.01）；

D——钢管的内径（mm）；

t'——腐蚀余量，取2mm。

4.2 管材内外 腐设计

管材内外防腐的选择是钢管顶进技术的一大难题。由于钢管顶进过程中与土体产生摩擦，势必将常规外防腐层破坏，普通的水泥砂浆内防腐层也容易崩裂脱落，从而影响钢管使用寿命。经过多方案比较论证，采用环氧玻璃鳞片重防腐涂料与环氧树脂玻璃钢分别作为钢管内外防腐层材料，顺利解决了顶管用钢管的防腐问题。

（1）顶管用钢管内防腐设计

目前，钢管普遍采用水泥砂浆作为内防腐层，其材料弹性模量、延伸率等指标与钢管所具有的相应指标相差较大，在顶进过程中易产生空鼓、开裂、脱落等现象，且修复难度较大，质量不易保证，存在一定程度的质量隐患。

环氧玻璃鳞片重防腐涂料是以环氧树脂为主要成膜物，薄片状的玻璃鳞片为骨料，配以各种添加剂组成的重防腐高固体分涂料。该涂料具有优异的耐水性和耐化学品渗透性，附着力强，柔韧性和耐冲击性能好，防腐蚀期效长，适用于腐蚀严重的钢结构表面涂装，比水泥砂浆内防腐更为适用于钢管顶进工艺，本工程采用1000μm厚环氧玻璃鳞片作为钢管的内防腐涂料。

（2）顶管用钢管外防腐设计

环氧树脂玻璃钢防腐就是用环氧树脂和玻璃纤维布复合贴衬在钢管外壁的一种新型防腐材料，具有耐腐蚀性、耐磨性高和附着力强的特点，与钢管结合性良好，其延伸率指标与钢材相近，很好地保证了管道运输及施工过程中的防腐层安全。根据《给水排水管道工程施工及验收规范》，本方案钢管选用 3mm厚环氧树脂玻璃钢作为外防腐结构，钢管顶进时，光滑坚固的玻璃钢外防腐薄层不但减小了管壁摩擦力，有效保护管材，而且由于其薄壁结构的特点，能更好地与钢管结合，避免顶进过程中外防腐层的脱落。

（3）防腐补涂

为了保证质量，本工程要求管道内、外防腐在工厂完成，但管节两端各留l00mm的宽度暂时不做防腐层，便于顶进中对口焊接，焊缝检验合格后再补做。补口部位的表面预处理按《涂装前钢材表面处理规范》的规定方法，用手工工具除锈至St3级，焊缝应处理至无焊瘤、无棱角、无毛刺。焊接及除锈检验合格后，对接口进行内外防腐处理。

4.3 施工控制

钢管顶进工艺虽同一般顶管原理有所类似，但在钢管变形控制、纠偏控制、顶力控制等重要工序上又有一定差异。首先，管壁较薄的钢管，如果受力不均匀就会导致变形；其次，钢顶管接头是用电焊刚性焊接，可弯曲的幅度小，施工中可纠偏的余地较小，决定了钢顶管不可转弯，只能直线推进不能曲线顶管，同时，决定了其顶进特点：如初始顶进方向性好，则偏差小，易顶进；反之，方向掌握不好难纠偏，管子易变形，接口易断开，甚至报废。因此，施工中对顶管轴线偏差的要求相应较高。

（1）允许顶力控制

与同口径的混凝土管相比，因钢管管壁与土的磨擦系数较小，管重轻，直线性好，顶进阻力相对较小。顶进阻力可根据经验公式或按《给水排水管道工程施工及验收规范》进行计算。

式中：

FP——顶进阻力（kN）；

D0——管道外径（m）；

L——管道设计顶进长度（m）；

fk——管道外壁与土的单位面积平均摩擦力（kN/m2）；

NF——顶管机的迎面阻力（kN）（不同类型顶管机的迎面阻力可按规范相应公式计算）。

本工程采用手掘敞开式顶管，千斤顶固定在支架上，并与管道中心的垂线对称，要求其合力的作用点与管壁反作用力作用点在同一轴线上，防止产生顶进偏差和受力不均产生的钢管变形。

（2）注浆减磨

随着顶程的延长，管节和土体的摩阻力将逐步上升，降低顶进阻力最有效的方法是进行注浆。使管周外壁形成泥浆润滑套，从而降低顶进时的摩阻力。在首节管上预埋压浆孔，压浆孔的设置要有利于在管道周围形成均匀的浆套。注浆设备和管路需可靠，并具有足够的耐压和良好的密封性能。为使注浆产生良好的效果，保证注浆质量，从施工开始到注浆结束，对注浆过程的每个环节都需要严格控制。

（3）纠偏控制

当发现前端管节顶进的方向或高程偏离原设计轴线时，要及时地调整管节姿态，使其回到原设计的位置上，之后再继续顶进。在顶管施工过程中，必须贯彻“勤测微纠”的纠偏原则，可通过激光经纬仪和接收靶盘定时监测顶进质量情况，为纠偏提供数字依据。对于微小偏差，可采用在开挖面的不同部位增减挖土量，改变顶管机正面的土体压力，使顶进管向土压小的地方行进的纠偏方法。

5 结论

地下管线是工程设施的重要组成部分，担负着城市的信息传递、能源输送、排涝减灾、废物排放的功能。面对愈发浩大的地下管线工程，随着城市化的进程和人类对环境保护意识的增强，非开挖技术的发展已经成为必然的趋势。在地下有压输水管道工程领域，相对于传统混凝土顶管内穿压力管道的输水方案，钢管顶进工艺秉承非开挖技术低碳环保的建设理念，规避了复杂的管道间回填固定的施工环节，能够节省工程投资、节约工期、提升施工效率。相信随着技术的不断完善，其必将迎来更为广泛的应用。

作为钢管顶进技术在北京市水利行业的率先应用，本工程设计人员对该技术进行了细致深入地研究，采用了环氧玻璃鳞片与环氧树脂玻璃钢的内外防腐组合型式，并在工程实践中得到了验证。希望通过本文的介绍，能抛砖引玉，吸引更多工程技术人员对钢管顶进技术的关注，在理论探讨和工程实践中促进钢管顶进技术的完善和发展。

1. 《给水排水工程结构设计手册》编委会. 给水排水工程结构设计手册[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2007, 1344-1345.

2. 韩选江. 大型地下顶管施工技术原理及应用[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.

3. 文建国. 环氧玻璃鳞片重防腐涂料[J]. 东莞理工学院学报,2000, 7(2): 39-41.

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