污水倒虹管设计优化及实例分析

沈炜

摘 要：倒虹管是管道设计的重要节点，也是日常养护的重点，合理的工艺设计计算，采取沉井加微顶管施工既能缩短工期，又能有效降低施工对建筑物和地面交通的影响，合理的设计优化能够减缓淤积，发挥较好的工程效益。

关键词：倒虹管;沉井;冲洗;合流污水

中图分类号：TU991.36 文献标识码：A

1 简介

随着城市化进程的建设快速发展，居民物质文化需求逐渐得到满足，但城市早期管网建设标准低，老旧城区排水管网合流或覆盖率低，加之年代久远，管道渗漏和破损的日趋严重，晴天污水入河、雨天污水处理厂超负荷运行污水溢流排河，造成水生态环境恶化，与人民日益增长的精神文化需求相矛盾十分突出。近年来党十八大、十九大以及十四五规划均提出要加快黑臭水体整治力度、推广海绵城市建设，努力建成生态友好的人居环境。完善排水管网系统，新建截污纳管工程为治理工程首要工作，新建管网与现有障碍物、管线交叉冲突时有发生，在竖向高差富余的前提下，常采取倒虹管进行避让，具有管道迁改工程量少，施工周期短的优点。本文以东南某沿海发达城市新建截污管道项目倒虹管设计为例，对倒虹管设计过程中的要点及部分细节优化进行阐述。

2 项目概况

本工程属于沿河污水截污管道工程，完善地块排水系统，改善河道水环境，设计污水管道位于一条通航河道沿线的市政道路下，呈南北走向，河道及道路上部垂直横跨大型道路桥梁，为立体交通节点，地块周边有集中海鲜批发市场，住宅、商业等建筑密集。大桥底部现有一根DN1200埋地供水主干管与新建DN600截污管高程冲突，为确保城市居民日常生活不受施工影响，截污管道降低标高，采用倒虹管经供水管下方通过。

3 倒虹管设计计算要点

倒虹管有凹字形和多折形两种常用形式，多折形常用于有一定距离和深度，开挖面宽敞的地方;凹字形倒虹适用于距离较窄，深度不大，可大开挖施工，也可用顶管等非开挖施工。倒虹管管径不宜小于DN200，倒虹管流速应>0.9 m/s，倒虹管计算时，常因为无法获取管道运行准确数据，同时忽视对地块排水量的近远期复核和预测，仅仅按倒虹管上游管道管径、充满度、水力坡降推算得出转输流量，并依此计算倒虹管管径。但结合地块实际流量和管道运行数据，与上述方法计算结果往往相差较大，甚至会得出需设置单管倒虹或双管倒虹两种截然不同的结果，按两种情况分别计算如下：

按规划要求倒虹管上游负担管径为DN400，充满度取0.65，水力半径R=0.12，水力坡降i=0.0015，粗糙系数0.013，管道流速公式采用曼宁（Manning）公式，，流量。按单条倒虹管DN300计算水损，倒虹管长度20 m，查表得，i=4‰，v≈0.9 m/s满足要求，水損公式，H=0.23 m，按“《给水排水设计手册》第5册[1]”附加0.1 m富余水损，总水损为0.33 m。

按项目初步设计管道近期实际汇水面积约10 ha，污水面积比流量=0.82（L/s·ha），管道汇水流量8.2 L/s，与按DN400管道按管道充满度所得流量相差悬殊约7.5倍，查水力计算表，DN200管道，i=0.7‰，v=0.276 m/s，Q=8.67 L/s，流速小于0.9 m/s，管道长时间运行容易淤积，设计需采取双管，一用一备。一根清淤疏通时可相互切换，当远期运行水量达到62 L/s时，双管同时运行，单根管道流量31 L/s，查表得i=8.9‰，v=0.98 m/s，Q=31 L/s，流速满足规范要求。

4 倒虹管穿越方法设计优化

设计倒虹管位于市政道路下，呈南北走向，西侧紧邻通航河道，上部横跨交通桥梁，且周边有海鲜批发市场，住宅、商业等建筑，为该市立体重要交通枢纽。管道埋深约3.5 m，考虑施工对桥梁和交通出行的影响，不适宜采用大开挖进行施工。目前常用非开挖技术有顶管施工、水平定向钻施工和微顶管施工。

顶管施工需要建设工作坑和接收坑，管道由工作坑内顶进设备产生顶力，抵抗管道与土壤的摩擦阻力，将管道按一定坡度挤入土壤。顶管适用管径DN800～DN4500。

优点：路面开挖恢复费用小。

缺点：顶管需要单独的工作井和接收井，井深较大。

牵引管施工采用水平定向钻机成孔行程管道通道，再将预先连接好的管道从通道回拉过来，完成敷设，管材可用PE管、钢管。

优点：工作坑可位于地面或稍低于地面，无需开挖。

缺点：由于扩孔器自重大，多次扩孔，遇土质松软机头容易下沉，不利于控制管道坡度，重力流管道按设计水力坡降敷设，一般取牵引管水平段，两端出、入土的弧形段废弃。

微型顶管[2]：一般指管径小于DN600的顶管施工技术，主要分为泥水平衡法（一次工法）、地箭式顶管（二次工法）。泥水平衡法与传统顶管类似，地箭式首先利用液压装置将前导管按照设计轨迹推进贯通，然后通过前导管作为导体，在前导管末端连接扩孔切削头并将拟铺设的管道同时顶进，完成管道铺设。主要工作步骤有：（1）制作工作井——（2）定线测量——（3）安装推进设备——（4）前导管顶进——（5）抽换内管——（6）安装扩孔切削头——（7）管道顶进——（8）设备拆除——（9）工作井回填。

优点：管道精度高，误差±3 mm，能够满足重力流排水管道坡度要求。工作坑直径小，施工占地面积小，顶管时仅挤压土体无需扩孔，无传统顶管机头沉降风险。

缺点：通常施工使用的管材为树脂砼管、玻璃钢夹砂管和钢筋混凝土管，每节1 m。单次顶进距离不宜大于80 m，无中继间。

本工程采用微顶管单次顶进28 m，顶管工作井平面尺寸仅3.20 m×3.02 m，短时间快速施工完成，对建筑物和日常交通影响降至最低。

5 附属构筑物设计优化

倒虹附属构筑物，主要为倒虹井，根据凹字形和多折形两方式的不同，倒虹井设置深度略有不同，一般凹字形要深于多折形。本工程采用凹字形倒虹，具有检查井间距短，倒虹管没有弯头，缓解淤积，便于疏通的优点。

为确保事故发生或维修时隔断水流，倒虹井内设置闸门，闸门启闭机设于二级平台便于操作。

与开挖现浇不同，沉井[3]是地面预制完成，以井内挖土，依靠自身重力克服井壁土壤摩阻力后下沉到设计标高，然后经过混凝土封底。沉井整体性强、稳定性好，能承受较大的垂直荷载和水平荷载。沉井既是主体结构，又是基坑支撑和围护结构，施工简化，安全性高，对临近建筑物影响较小，本工程设计采用沉井施工。

6 倒虹管设计细节优化

首先倒虹管建议设置有一定坡度，可便于水力冲洗后污水排除干净。其次倒虹管容易泥沙板结，需要更大的冲洗水头，倒虹管内流速应大于上游管道内流速1.2或大于20%～30%，本工程冲洗时关闭倒虹井内闸阀，使上游管道水位升高后打开产生瞬时大水量冲洗倒虹管，日常辅助专业疏通车冲洗清淤。当有支管接入倒虹出水井时，造成倒虹管下游井内水位臃高，倒虹水头差降低，流速减小，管道容易淤积，设计中需加以注意。最后在上游污水主管道上间隔设置污水沉泥井，缓解淤积，延长倒虹管养护周期。

7 结论

倒虹管是管道交叉避让常用设计，也是管道日常养护工作的重点，其设计应相关规划为前提，以实际水量为依据，近远期结合，计算确定倒虹管管径、流速、单双管设置。本工程采用沉井不排水施工结合微顶管工艺有效降低了施工对周边建筑的影响，避免道路全封闭施工，缓解交通压力。倒虹井结构设计还需要考虑现场施工条件，交通状况、地质情况等因素。实际设计中以延缓管道淤积，便于管养疏通为指引，优化细节设计，可发挥较好的工程应用价值。

参考文献：

[1]给水排水设计手册第5册[M].中国建筑工业出版社.

[2]何平.微型顶管技术在实际工程中的应用[J].工程技术研究，2017（09）：37+39.

[3]殷良策，殷奇.沉井设计与施工[M].同济大学出版社.