大型供水管道過河方式選擇及實例分析

沈煒

（中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120）

1 引言

供水工程是重要的民生工程，影響城市生產(chǎn)生活的有序開展。管道實施路線的確定，節(jié)點優(yōu)化均需要對現(xiàn)場進行仔細的踏勘，經(jīng)過方案的優(yōu)化比選后再合理確定。管道穿跨越河道方式是設計的重要節(jié)點之一。本文結合工程實例，論述大型供水管道穿越河道方案的優(yōu)缺點。

本工程位于東部某大型城市，根據(jù)城市供水規(guī)劃，供水主干管由水廠接出，沿市政主干道敷設2根 DN2000mm 管道，供應3處區(qū)域居民和公共用水，本次工程按近期要求設計1根DN2000mm 管道，管道的工作壓力為 0.5MPa 敷設于道路遠期綠化帶退讓區(qū)域內。管道沿線穿越河流、堤壩、鐵路等障礙物時，需要綜合考慮河道及鐵路協(xié)調難度、地塊開發(fā)、施工周期以及支墩、樁支撐尺寸大小等因素，比選確定按近期還是遠期建設。本工程按遠期規(guī)劃敷設2根 DN2000mm 管道設計。其中本工程 K01+760 處的河道呈南北走向與設計管道垂直相交，河道規(guī)劃上口寬度為 62m，河道底標高為 3.8m（吳淞高程，下同），河道常水位 5.80m，洪水位 12.48m。河道東側緊鄰河堤，規(guī)劃河堤頂高 13.68m。本文以管道穿越江寧河為例，結合設計過程中的要點，綜合考慮地質、施工、用地、日常維護、工期等方面，就大型供水管道穿越河道方式及其特點進行論述分析。

2 架空過河特點

管道架空過河，利用橋梁牛腿、樁基、支墩等作為支撐部位，根據(jù)地質、管道跨度等條件按設計間距布置，管道敷設其上跨越河道，是管道穿越河道的常見的形式。

管道采用 2020mm×30mm 螺旋縫鋼管，管道荷載標準值（自重+水重+雪重=41.97kN/m），加上中間樁頂支座承臺的重量 224.25kN、中間樁頂柱的重量 141.37kN，20×41.97+224.25+141.37=1205.02kN，根據(jù)地勘將樁置于②-3 粉質黏土層，設計采用 φ1000mm 鉆孔灌注樁。管道跨距按《管道支架設計手冊》計算，L=34m，考慮焊縫折減，實際跨度取 28m，因為需要連續(xù)跨越河道跟河堤，架空段總長約 120m，按《給水排水設計手冊》[1]，考慮溫度造成的熱脹冷縮影響，架空段一般不超過 100m，超過時需設置伸縮器，而管道設置伸縮器后，破壞整體焊接管道由剛性受力變?yōu)榭苫瑒邮芰?，以管道工作壓?0.5MPa 計，管道設計內應力為 1.0MPa，內水壓力產(chǎn)生水平向推力，此時需要依靠固定支座或管道兩端設置鎮(zhèn)墩抵抗，2種方式均有不足：架空管中心標高 19.2m，灌注樁出土高度約 15m，設置固定支座時需要增加樁長提升樁的抗彎能力；DN2000mm 管道鎮(zhèn)墩尺寸較大也是設計需要注意的問題。

3 頂管過河特點

頂管施工是借助頂進裝置將管道依次頂進的非開挖施工技術，主要適用于管徑大于 800mm 的管道，頂進管材可采用鋼管、玻璃鋼加砂管、鋼筋混凝土管。頂管施工與開挖施工相比僅工作井和接收井需要開挖施工，減少土方開挖運輸、回填、降水、支護等工程量；穿越公路時可保障交通正常通行，還可減少噪聲、振動、灰塵對附近居民生活產(chǎn)生干擾；施工對建筑物影響小，穿越綠化和公園地塊可保護地上樹木景觀，避免移植回栽費用。誠然頂管施工有如上優(yōu)點，在進行方案選擇時仍應慎重，因為是在地下非開挖施工，應把地質勘探作為頂管施工核心，只有探明地質構造、地貌、土壤、地下水等的性質，有無暗河、流沙、地震液化等情況，才能確定是否適合采用頂管施工；防止頂進中斷，避免開挖取機頭，增加施工難度，提高工程投資；確定頂管機頭類型、工作井和接收井的結構設計、管道受力分析、頂進長度等。除了地質資料，還需探明地下管線的情況，校核管道間距、高程數(shù)據(jù)，不滿足規(guī)范要求的通知管線單位進行遷改或者調整頂管高程或平面位置。

本工程管道需要穿越河道與河堤，頂管工作井、接收井東西分設，雙 DN2000mm 管道共用工作井，頂進長度約 120m，雙管軸線間距 5.5m，管頂距規(guī)劃河底 3m，工作井尺寸 11m×10.5m，接收井尺寸 7m×10.5m，井深約 12m，降低開挖支護、降水難度，設計采用沉井施工。支墩與沉井相結合設計，井內管道預留人孔方便檢修。

頂管設計應符合 CECS 246—2019《給水排水工程頂管技術規(guī)程》的要求，建議設計過程需注意以下問題：管道穿墻根據(jù)不同土質降低地下水、縮短穿墻時間、加固土體；鋼管焊縫需補充防腐，輸水管道采用食品級防腐材料，焊縫質量應射線檢測；實驗確定觸變泥漿比例、控制頂進誤差、速度。

4 拱管過河特點

拱管是利用鋼管自身剛度、強度作為支撐，焊接成的弧形上拱結構，管道既是供水管道又是支撐穩(wěn)定結構，構造簡單，用料節(jié)約，尤其適合大跨度、大管徑、有通航需求的工程，管道檢修方便。拱管需要根據(jù)地質、管材等級、通航凈高、河道寬度合理設計矢跨比，一般為降低兩側支墩水平推力，建議采用矢跨比 1/8～1/10，管道自重加風載、雪載較大時矢跨比可降低，具體需根據(jù)管徑、壁厚、溫差、地質確定，雖然拱管外形優(yōu)美猶如彩虹但也須跟周邊景觀相協(xié)調。支墩后背被動土壓力與支墩底部摩擦力合力應大于管道截面推力之和。拱頂處安裝排氣閥，排除管道內水流溢出的氣體，防止壓縮管道過水斷面，保護管道安全，排氣閥管徑選擇原管徑的 1/8～1/10。

拱管應按設計要求制作外，還應注意以下幾點：鋼管焊縫100%進行 X 射線探傷，拱頂 10m 范圍內無焊口；管道現(xiàn)場拼裝焊接成型起吊，吊裝支點穩(wěn)定，用電可靠吊運過程不能中斷，吊裝應使管道不變形，拱管的拱頂與拱趾保持共面，垂直誤差不超過 10mm，防止扭曲，管道吊裝前后均應進行試壓，吊裝需避開雨雪天，在風浪和溫差小的時間進行。

5 其他過河方式特點

管道過河除上述 3種方式，還有圍堰開挖埋管、沉管方式。圍堰開挖過程風險可控，遇復雜地質應對方法靈活，不影響河道行洪，施工難度低，過小溝塘及不通航河道經(jīng)常采用。但開挖施工降水對建筑物有影響，管道埋于河底管道頂部覆土小于頂管，大型管道抗浮設計不可忽視，不滿足可采用鋼筋混凝土包封、拋石等措施增加配重，如通航河道還應評估船只拋錨對管道運行安全的影響。施工過程中要采取引流措施保障河道水流暢通。

沉管是將預制好的管道采用船舶運輸至設計位置，采用浮吊升高再給管道加載下沉到預先挖好的河底溝槽內，最后頂部覆蓋石塊等荷載。沉管已普及運用在管道跨江河、跨海工程。沉管施工期間需要封航，管槽開挖對水環(huán)境有影響，管道維修困難，埋深小清淤量不大，有船只拋錨安全風險，施工工期短，實施風險較低，一般選擇風平浪靜施工。

6 結語

架空方案鎮(zhèn)墩尺寸偏大且高出地面，拱管與周邊景觀不協(xié)調，沉管施工不便，最終采用頂管方案。大口徑供水管道對城市而言至關重要，作為其施工重要節(jié)點，管道穿越河道方式選擇應慎重，需要綜合考慮近遠期規(guī)劃、用地規(guī)劃、地質資料、河道是否通航、封航時間、河堤安全、城市防洪、工期長短、施工難易、管道維修難度等，架空管還應與周邊景觀協(xié)調一致，具體到單個工程應通過技術經(jīng)濟分析后選擇合理的過河方式。