再生水输水管技术经济比选

《北京水务杂志》2014年第二期

1方案技术分析

1.1套管内填充混凝土方式在高碑店项目初步设计阶段，采用顶套管内穿钢管方案，对于套管和钢管之间的预留空间，《水利水电工程施工组织设计手册》和《水利水电工程施工手册》均要求，钢管就位后需在管外焊接时，水平管洞内埋管安装时顶部及两侧应有0.6m净空，底部有0.8m净空［3-4］，结合本项目采用在底部平台浇筑直接固定的方式，在内穿钢管两侧及上部需预留0.6m的作业空间，以进行管道临时固定，故考虑套管直径为3.0m，防护结构内穿DN1800mm钢管，防护结构和钢管间回填C20自密实混凝土。这种方式严格遵循相关规定和要求，钢承口钢筋混凝土管承受外荷载，钢管承受内压，受力明确，钢管在空置运行时填充混凝土起到抗浮作用。但需预留足够的施工作业空间，施工工序较多，施工难度较大，自密实混凝土的密实程度难于控制。由于管道封死，后期管理难度小，但无法检修。鉴于工程费用较高，从投资方角度看上述顶管方式经济性不具优势。顶套管直径优化主要集中在施工作业所需空间，在套管为DN3000mm内穿钢管时，施工作业主要包括托架、侧方和管顶钢支撑的焊接，钢管两侧间距各为0.6m，管道直接安放在0.2m厚管内平台基础上，钢管顶部作业间距接近1.0m，满足并超过作业需要。结合对《北京市建设工程概算定额》相关子目的设置分析，对应运行期有、无人通行需求，其对于空间的要求区分为0.5~0.6m和0.3m；而对于施工期间的通行需要，可将此种情况归结为有一定通行需要的通行式顶管，从施工的实际需求考虑，钢管两侧及上部仍至少需预留0.4m的作业空间较为妥当，套管最小直径≥2600mm。在顶进DN2600mm套管时，由于钢管底部可直接座于台基上，台基厚度减至0.2m，钢管顶部空间为0.6m，两侧空间均为0.4m，两者介于0.4~0.6m。施工时，选择身材较为瘦小的工人侧身进入，倒退焊接两侧及顶部的简易钢支撑，勉强可以施工。即使如此，因施工程序未进行优化，仍需顶进大直径管道及相当数量的用于填充的自密实混凝土，因此工程费用仍然不菲。

1.2钢架固定内穿钢管方式从施工程序上着眼进行优化以降低投资，对各工序投入占比分析，其中自密实混凝土占较大比重，经初步优化后选用顶进DN3000mm套管内穿钢管，见图1。通过加强和加密钢支撑固定管道方式，也可满足抗浮要求，套管和内穿钢管间空隙不再填充混凝土。这种方式施工时在套管内主要进行底座平台浇筑和管道安装后的固定、焊接，工序相对清晰，可操作性强，经济性也有所提高，但由于钢支撑的焊接量加大、要求较高，焊接作业较为困难，存在一定的风险性。考虑到管线使用期间没有通行需要，两管之间的空间不进行封闭，这种做法对运行管理提出了更高的要求，在运行期间需加强巡查力度，避免公共安全事件的发生。

1.3直顶DN1800mm钢管方式经过上述多种方式的渐进探究，从管径、固定方式上改进均不足以大幅地降低工程费用。只有将套管和内穿的钢管整体考虑才有可能改变这一局面。经过对国内已实施的顶管工程进行归纳后发现，顶进DN3000mm套管可避开密集的地上建筑物，而对于地下管线密集区，由于顶进管道直径较大，地下的管线和设施不易规避，但直顶钢管方式具备这方面的优势。直顶钢管管径DN1800mm，壁厚22mm（直埋管道采用18mm），管材采用Q235B钢，顶管覆土深度根据规范要求需满足1.5倍顶管外径。直顶钢管的标准横断面布置见图2。这种顶管方式管道顶进、铺设一次完成，极大简化了施工工序，也相应降低了工程投资。顶套管方案的钢管运输及焊接工作主要在套管内进行，而直顶钢管相当于将顶套管方案依次进行的顶进套管、焊接钢管这两道工序合并成一次完成。（1）管道焊接。钢筋混凝土管采用承插口连接，在各项准备充分的情况下每节管道安装耗时1~2h，内穿钢管在顶进段较短时，可采用套管外分节焊接、套管内整体运输并固定，连接效率高，但需考虑焊接长槽、沟槽支护等安全措施；顶管段较长时，套管内穿钢管分节运输及焊接，不足点为洞内通风较为困难。而直顶钢管接口焊接由工人在始发井端操作，完成每个接口焊接平均需约3~5h，在焊接完成后顶入，只是在焊接工序上因有内外防腐层的要求而更为复杂。（2）管道顶进。钢筋混凝土管主要依靠机械设备进行安装，工人主要进行质量检查及辅助工作，劳动强度较低。而每节钢管顶进时间3～4h，顶进钢管的工人作业量较大。在焊接完毕后，除了进行焊缝的外观质量检查外，还需要对部分焊缝进行无损探伤检查，在报告合格后才能顶进，在钢管顶进完毕后，如外防腐蚀层发生损坏时无法探明及补口。各顶管方案的技术特点及适用范围见表1。

2方案经济比较

经济性方面分析从其涵盖内容而言，包括管道顶进、钢管的安装和固定、配套的施工电源及中继间等方面，为保证顶管工程费用的完整性，顶管的始发井、接收井一并纳入分析。（1）管道顶进。顶进DN3000mm钢筋混凝土套管主要因其管材费用较高，每延米达到0.75万元左右，顶进费用每延米约为1.90万元；直顶DN1800mm的钢管管材价格低于DN3000mm顶管，为满足其防腐要求，钢管外壁采用8mm厚环氧树脂玻璃钢防腐层，每延米0.4万元左右，故其顶进费用与DN3000mm套管相当，为1.86万元/m；DN2600mm顶管比DN3000mm顶管管径小，其顶进费用降低至每延米约1.59万元。（2）管道安装。DN3000mm顶管和DN2600mm顶管均在管内铺设DN1800mm钢管，故钢管安装费用相同，均为0.84万元/m；而直顶DN1800mm的钢管已包含管道安装的内容，无此费用。（3）管道固定。DN3000mm顶管和DN2600mm顶管与DN1800mm钢管间均填充自密实混凝土固定，DN3000mm顶管与DN1800mm钢管间隙最大，费用最高，约合0.56万元/m，DN2600mm顶管与DN1800mm钢管间隙较小，费用相应降至0.41万元/m；而采用钢支撑固定的方式，虽然减少了自密实混凝土的费用，但因焊接工程量增加，其费用微降至0.30万元/m；而直顶DN1800mm的钢管不需进行管道固定，无此项费用。（4）施工电源及中继间。DN3000mm顶管采用机械顶管法施工，顶管设备用电容量较大，一般就近不具备可直接利用的高压电源，须外接10kV高压电源至现场经变压器转换后接引使用。因定额中不含此外接电源，故单独计列。每处施工临时外接电源工作内容按电源接引、架设10kV线路0.5km并设315~400kVA变压器考虑，费用约35万元，分摊至每延米为0.35万元。DN2600mm顶管用电容量稍小，费用略少。而直顶DN1800mm钢管用电容量比DN3000mm和DN2600mm顶管均小，折合每延米费用为0.10万元。对于中继间，本项目为DN3000mm中长距离顶管，部分顶进段最长达816m，即使在有条件处分段顶进，每段顶管仍然达到150m以上，存在顶进阻力超过主顶千斤顶的容许总顶力、管节容许的极限压力和工作井后靠土体极限反推力的问题，无法一次达到顶进距离，故有必要部分顶管段加设中继间。中继间（包含工具管和千斤顶的摊销两部分）费用为10.8万元，折合每延米费用为0.11万元。DN2600mm顶套管与此类似，折合每延米费用为0.10万元。而直顶DN1800mm钢管由于总顶力较DN3000mm套管小约2/3，在一次顶进100m以内不需加设中继间。典型的覆土9mDN1800mm钢管（直顶钢管覆土深相应为8m）各顶管方案费用见表2。

3结论

综合技术和经济等方面考虑，顶套管内穿钢管并填充混凝土方案施工程序清晰，但较繁琐，经济性较低，适用于安全性要求较高、投资相对宽松的工程；顶套管内穿钢管、钢架固定方案是在顶套管内穿钢管并填充混凝土方案的基础上进行了优化，适用于地面有重要建构筑物需预留后期检修条件，后期有通行需要的情况，经压缩顶进套管直径后，经济性也有所改善；直顶钢管适用于覆土不大、上部无重要设施且后期无通行需求的工程，由于其管径较小经济性占优，在具备条件时应充分考虑其是否具备实施的可能性，以降低工程投资。目前正在进行的高碑店再生水管线施工中，穿越部分桥区和重要道口等13处最终选用直顶钢管方案，顶进长度共计1.2km，各顶进段长度为45~190m，顶进工期10~25d，综合延米费用约合2.0万~2.5万元/m，施工工期减少1~2个月，节约投资共2000余万元，取得了良好的经济效益和社会效益，也显示了直顶钢管方案在其适用范围内的独特优势。

作者：刘烨华单位：北京市水利规划设计研究院