宁波市城市排水有限公司 浙江宁波 315000
摘要：近年来，宁波市城市化发展迅速，市政基础建设开展火热，排水管道建设作为其中的一份子也受到极大关注。尤其最近几年，由于极端天气等自然原因，城区多次遭遇“水城”窘境，城市内涝严重，社会各界对城市排水的需求日益迫切，加速了排水管道及其附属设施的建设。本文研究宁波地区常见的两种施工工艺：传统开挖施工工艺和顶管施工工艺，通过对岩土的工程性能、项目后质量评估等进行技术性研究，分析不同施工工艺的特点及适用条件。
关键词：市政排水；管道施工；施工工艺
宁波位于杭州湾口南侧，宁奉平原中部，西与四明山麓相连，三面环山，北面临海，兼有山、海、平原之利，是白垩纪后期北东向构造断裂形成的地堑盆地。宁波属于软土地区，其土质主要组成为淤泥质粘土，该淤泥软土呈典型的海绵结构和层理结构。由于粘粒多，且含有机质，结合水膜较厚，颗粒间联结力弱。这种软土具有压缩性大、灵敏度高、透水性差、固结慢等特点。本地区的市政排水管道多采用传统开挖施工工艺和顶管施工工艺，本文主要针对这两种施工工艺进行技术性研究分析。
1 岩土性能的工程性能
1.1 宁波地区排水管道施工对周围土体扰动的有限元模拟分析
土体的扰动是指在外力荷载作用下，土体所受的应力产生变化，产生应力集中或应力释放，土体的扰动会破坏土体原有的结构和组织，使土体的密度、含水率、孔隙率、地下水位等产生变化。本节采用有限元软件，对传统开挖施工工艺及以顶管施工工艺的整个施工过程进行模拟，并分析对比两种施工工艺对周围土体扰动差异。
1.1.1 传统开挖施工对周围土体扰动的有限元模拟
根据宁波地区的岩土性能，建立的几何模型。施加重力平衡后，土体处于完全固结状态，土体无扰动，满足传统开挖施工工艺模拟的土体的初始状态，故开始进行模拟。随着开挖深度的加深，土体变形逐渐增大，开挖深度2m时最大水平位移3.89mm，开挖深度为4m时，最大水平位移为5.38mm；开挖深度为6m时，最大水平位移为9.89mm；开挖深度为8m时，最大水平位移为16.3mm。（如图1）
如图2所示，随着顶管的顶进，模型土体竖向变形逐渐增大，顶进2m时最大竖向位移2.48mm，发生在管底的位置，为土体回弹，管顶的沉降量为1.34mm；顶进8m时管底最大回弹变形为3.54mm，管顶的最大沉降量为1.75mm，管顶的沉降量和管底的回弹量均有所增大。随着顶管继续施工，顶进14m时，管底最大回弹量为3.76mm，管顶最大沉降量为1.68mm；顶进至20m时，管底最大回弹量为3.72mm，管顶最大沉降量为1.86mm。
图3 顶管施工有限元模拟进深-应力图
如图3所示，初始状态下，土体中最大应力为178.5kPa，最小应力为26.4kPa，由于在顶管施工中，重点关注管道的应力分布情况，因此模拟分析管道的应力情况，而非土体。顶管施工至2m时，管道最大应力为523.5kPa，最小应力为153.7kPa；顶管施工至8m时，管道最大应力为524.1kPa，最小应力为177.2kPa；顶管施工至14m时，管道最大应力为588.6kPa，最小应力为172.2kPa；顶管施工至20m时，管道最大应力为759.5kPa，最小应力为182.8kPa。
1.1.3 模拟数值对比分析
通过有限元软件，对在宁波地区采用传统开挖施工工艺及顶管施工工艺的施工过程进行模拟后对比得出：
1、采用传统开挖施工工艺的排水管道，其施工过程对周围土体扰动会随着开挖深度的加深而变大，增幅明显。
2、随着顶管的顶进，在一定范围之外，土体的变形已经基本稳定，其施工对周围土体的扰动具有一定的影响范围。
3、通过位移的综合对比，得出顶管施工工艺对土体扰动的幅度整体小于传统开挖施工工艺。
4、由模拟可以得出，顶管施工过程中，随着管道地不断顶进，应力增加明显，并且施工到一定程度时，管道最大应力位置由管道腰部转移至管道底部。
1.2 岩土性能对传统开挖施工的影响
传统开挖施工在不同的土质条件下都可适用，但不同的土质要求不同的施工措施，不同的施工措施带来不同的施工难度和施工成本。针对宁波地区的土层特点，主要有以下几种：
1、开挖深度小于2.5米时，该深度内的土层基本上为填土，不易发生坍塌现象，故在开挖时一般进行适当放坡处理即可。大部分雨水口连接支管由于埋深浅，多采用本项施工。
2、开挖深度大于2.5米，小于5米时，该深度内的土层开始出现淤泥，在开挖过程中，特别在靠近河流等土质松散地区，容易出现坍塌现象，故在开挖过程中应进行钢板桩支撑，管道基层应做好基础层，以防止回填后管道下陷。
3、开挖深度大于5米时，该深度内的土层多数为淤泥质粘土，该土质极易压缩，并且强度低，在开挖前必须做好支撑防水工作，一般为施打拉森钢板桩支撑防水等。但此方式大大增加了施工难度和成本，这也是投资者和施工方需要严肃考虑的问题。
1.3 岩土性能对顶管施工的影响
除遇到极软到软的黏土层和松散的砂层时需要对其进行一定的改进外，一般来说顶管施工法适用于各种土质，但不同的土层情况需要配合采用不同的顶进方式，对于宁波地区的淤泥质粘土结构来说，多采用土压平衡法进行施工；由于在顶进过程中管底土体回弹引起的应力增加，所以通常采用顶管专用管材，同时在进行超长距离顶进时，需要实时监测管道变化；沉井施工特别在靠近河岸处施工时，必须做好基坑支护工作，在进行下沉封底时，应均匀挖土并监测下沉速度，越接近底标高下沉速度应越慢，如出现下沉速度超过挖土速度时，及时进行调整施工方案。
2 项目后质量评估
排水管道属于市政工程，它的建设多依托于政府财政投资拨款，且管道需要多部门、多单位的配合协调，故建设投产运行一条新的排水管道来之不易。正因为如此，对于建成后的管道质量更加重视。投产使用的排水管道因为各种原因会产生一定程度的老化破损，这种情况称之为管道缺陷，具体表现为异物浸入、树根、沉积、腐蚀、破裂、变形、错位、脱节、钢筋裸露、注浆孔未处理、接口脱落、标高不对、洼水等。
针对宁波市近两年里排水管道的检测可以看出：两年共检测管道数量约21千米，其中雨水管道约17千米，污水管道约4千米，雨水管道所占比例较大。采用顶管施工工艺的管道约3千米，占14%；采用传统开挖施工工艺的管道约18千米，占86%。城区老旧管道多为传统开挖施工管道，故从数据上看，顶管施工管道所占的比重较小，但是问题管道仍然存在。对比发现每千米出现问题个数（如图4），传统开挖施工约为9个，顶管施工约为2个，采用顶管施工工艺的管道出现的问题远小于采用传统开挖施工的管道。
图4 两种施工工艺每千米出现问题个数
市政排水管道由于其开放性和收集输送污废水、雨水的多样性，注定了它将在运行过程中出现多种问题，所以在后期运行过程中，定期的维护保养疏通尤为关键。通过对比分析作者认为上述问题可分为两大类：施工不当引起的质量问题和其他质量问题。传统开挖施工中错位、脱节、接口脱落；顶管施工中注浆孔未处理、接口脱落，相信在今后的施工时只要加以注意，定能可以合理规避。除去上述这些因施工不当所引起的问题外，可以看到，在同等的外部环境和雨污水冲刷条件下，顶管施工管道施工管道所引发的管道缺陷远小于开挖施工，故在后续使用时能更好的发挥作用并延长使用寿命。
3、结语
通过严谨的理论分析论证，并结合宁波地区的地理地貌，可以看出顶管施工在各项数值对比中稳定性更高，且顶管施工属于非开挖施工，特别在城区繁忙路段、靠近现有的地下管线、不稳定的地层中、地下水位以下、环境敏感地区、工业和商业地区或住宅区、穿越河流、建筑物等时的影响更小，更符合现代城市市政基础设施建设的需要，因此在可行性方案对比、设计施工时都应优先考虑使用。但若管道长度较短、管径较小、埋深要求浅的，也可采用传统开挖施工工艺。
参考文献：
[1]何颖.宁波地区软土物理力学性质试验研究.中国新技术新产品.2011（20）：70-71
[2]刘营.顶管施工对周围土体扰动范围影响研究.郑州大学
论文作者:毕真
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/11
标签：管道论文; 施工工艺论文; 顶管论文; 宁波论文; 传统论文; 深度论文; 应力论文; 《基层建设》2018年第15期论文;