过河顶管技术在国外大口径输水管线工程的应用

  • 2022-03-18

  • 运营部



唐兴装备深耕非开挖设备制造近二十年,接下来将以穿越Burigonga河为例,主要介绍过河顶管技术在穿越底下水位高、粉砂土地质条件下,面临的顶进阻力大,易产生流砂、管涌,易引起地层位移及周边地表沉降等问题的设计方案。

1工程概况

孟加拉国97%的居民饮用水和家庭用水来源于地下水,地下水受到严重砷污染,并引发了大量的砷中毒事件,每年有近4.3万人因砷污染死亡。为了解决孟加拉首都达卡及周边地区的用水问题,孟加拉帕德玛供水厂项目被孟加拉供排水局(DWASA)提上日程。

孟加拉帕德玛供水厂项目设计规模为45×104m3/d,包括1座47.25×104m3/d取水泵站、1座45×104m3/d净水厂、1座加压泵站和33km的DN2000输水管线,项目资金来源于中国进出口银行贷款,合同金额为2.908亿美元。该工程从Padma河取水经过絮凝沉淀、过滤及消毒处理满足WHO饮用水水质标准后,通过DN2000的压力管道输水至末端Mitford注水点。

该工程已于2019年2月顺利通过了DWASA的验收并拿到了工程移交证明(Taking-over Certificate)。主要介绍L=269m、DN2000钢管穿越Burigonga河的顶管设计情况,可为类似的海外工程提供工程经验。

2技术路线

项目设计技术路线见图1。

针对该项目的特点,设计执行前制定合理有效的技术路线可保证设计工作顺利开展。

3顶管工艺设

3.1路由选线

顶管路由的选择应遵循如下原则:避开地震断裂带、沉陷等不良地质条件地段、高腐蚀性土壤地区;减少对现状建(构)筑物的影响;减少拆迁;施工交通便捷等。经过多次现场勘察调研,为最大限度地降低顶管施工对河道护岸的影响,减少拆迁的工作量(孟加拉国土地属于私有制,政府在土地征用和管理方面的执行能力较弱),最终确定工作井位于距离左侧护岸约30m的位置,接收井位于距离右侧护岸约20m现状泵房的位置。顶管路由见图2。

3.2冲刷深度确定

顶管穿越河道时的埋置深度应位于河床的冲刷线以下,并满足管道抗浮的要求。由于孟加拉国对于河道管理制度的欠缺,工程无法获得Burigonga河确切的水文资料来计算河道的冲刷深度。根据收集到的Burigonga河不同断面的河床深度推测顶管的最大冲刷深度。根据不同断面的坐标可知,过河顶管位于Burigonga河RMBAG05和RMBAG04断面之间(在RMBAG05断面下游约300m处,在RMBAG04断面上游约3km处)。

断面RMBAG06、05、04历年河床数据见图3。

由图3可知:RMBAG05断面历年河床最低点标高为-16.43~-9.43m;RMBAGO4断面历年河床最低点标高为-19.48~-3.66m。过河顶管位置距离RMBAGO5断面较近,设计假定过河顶管处的冲刷深度的标高不超过-16.43m,但基于设计的安全考虑,顶管过河断面处最大冲刷深度的标高最后确定为-19.48m。

3.3顶管井结构形式选择

顶管井结构形式可采用钢板桩、灌注桩、SMW工作法、地下连续墙或沉井国,不同结构形式的优缺点及适用范围见表1。

根据过Burigonga河顶管沿线的地质详勘报告可知,场地地下水在现状地面以下0.5m,水位较高。除此之外,河岸两侧建筑物比较密集,工程施工受周围建(构)筑物限制。考虑选用地下连续墙和沉井两种顶管井形式。

地下连续墙施工需要较多的专业设备(孟加拉国大型机械主要依靠进口,缺少专业的技术人员),且废泥浆泥水难以分解,外运处理困难。综合考虑,顶管井结构形式考虑采用沉井。

工作井和接收井穿过的土层为3层粉土夹粉砂及4层粉砂,且紧邻河流,水源补给丰富。为避免产生流砂、涌水现象带来的地面下沉、开裂等问题,最终确定采用不排水法沉井施工方案。

3.4顶管钢管壁厚计算

顶管钢管设计壁厚t=22mm,地下水对混凝土及钢筋均具有微腐蚀性,考虑2mm的腐蚀量,钢管计算壁厚为20mm。根据《给排水工程结构设计手册》(第2版),通过荷载计算、强度计算并进行管壁截面稳定验算、变形计算,钢管设计壁厚t=22mm满足计算要求。

3.5顶管工艺设计

顶管穿越江河水底时,覆盖层厚度最小不宜小于外径的1.5倍,且不宜小于2.5m。顶管过河断面处最大冲刷深度的标高为-19.48m,在最大冲刷深度下,管顶覆土厚度按照最小1.5m控制,顶管的管中心设计标高为-22.00m。顶管两端设置阀门井、排气阀井,接收井兼作泄水和检修井。

过河顶管工艺设计见图4。

3.6顶管井设计

采用圆形沉井,适用于覆土较深的工作井,具有良好的受力性能,在水土压力作用下,井壁受压,钢筋用量比较少。依据《给水排水工程顶管技术规程》(CECS246:2008)第10.4条:当按照顶管机长度确定时,工作井最小内净长度L≥9.6m(<DN1000的小直径顶管机长度为3.5m;大中直径顶管机长度≥5.5m);当按下井管节长度确定时,工作井的内净长度L≥10.6m。两种方法计算结果取大值,工作井的内净长度L≥10.6m。

接收井的净宽应能满足顶管机在井内拆除和吊装的需要,并满足工艺管道的布置要求。接收井内净最小宽度B=D,+2×1000(其中D,为顶管机外径)。根据施工单位提供的顶管机的实际长度为4.2m,考虑一定的设计余量,工作井直径为10m,接收井直径为7m,管底至沉井底的操作空间≥800mm。

工作井和接收井工艺布置见图5。

工作井作为临时井,施工完成后原土回填。为改善管道受力的状态,垂直管道设置水平支架,弯头设置拖拉墩改善管道的受力状态。接收井作为永久井,兼具放空与检修的功能。由于接收井场地受限,无法在接收井外同时设置排气井与阀门井,考虑将排气三通设置于接收井内,排气阀安装于地面上并设置排气阀检修间用于操作检修。

3.7顶管防腐选择

管道外防腐材料的选择与管材的使用寿命息息相关,大口径顶管施工的钢管外防腐一般采用静电喷涂环氧粉末或高压无气热喷涂无溶剂聚氨酯涂料。通过对比两种涂料的主要性能指标及成本
(具体见表2),最终选择技术可行、经济合理的管道防腐方式。

熔融结合环氧粉末涂层的抗冲击、耐磨、耐阴极剥离性能较好,且成本较低,可作为最优的钢管顶管外防腐涂料。外防腐采用单层环氧粉末涂层(加强级),涂层厚度≥400μm。

3.8顶管机选型

顶管穿越河流及构筑物,对周边环境及地表沉降要求高,顶管设备在顶进过程中应能精确控制开挖面的平衡,才能避免坍方、地表沉降大、冒顶等问题的出现。泥水平衡顶管工法具有工艺成熟且顶距长、能很好控制地面隆沉等特点,可适用于各类复杂地质条件。因此,选用更能精确控制开挖面水土压力的泥水平衡顶管机。

Burigonga河的工作井顶管施工见图6。

4结论

①大口径钢管顶管外防腐采用熔融结合环氧粉末涂层,作为最优的钢管顶管外防腐涂料。外防腐采用单层环氧粉末涂层(加强级),涂层厚度≥400μm。

②穿越地下水位高、粉砂土地质条件下,易产生流砂、管涌等情况,宜采用不排水法沉井施工。

③顶管穿越河流及构筑物,为避免坍方、地表沉降大、冒顶等问题,顶管机宜采用泥水平衡顶管工法。

 

本文由唐兴装备整理自《中国给水排水》中的《过河顶管技术在国外大口径输水管线工程的应用》车爱伟,李龙伟,胡坤,李想,巨志剑,唐翀鹏,转载请注明出处,如有侵权请联系删除。

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