再生水輸水管技術經濟比選范文

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《北京水務雜志》2014年第二期

1方案技術分析

1.1套管內填充混凝土方式在高碑店項目初步設計階段，采用頂套管內穿鋼管方案，對于套管和鋼管之間的預留空間，《水利水電工程施工組織設計手冊》和《水利水電工程施工手冊》均要求，鋼管就位后需在管外焊接時，水平管洞內埋管安裝時頂部及兩側應有0.6m凈空，底部有0.8m凈空［3-4］，結合本項目采用在底部平臺澆筑直接固定的方式，在內穿鋼管兩側及上部需預留0.6m的作業空間，以進行管道臨時固定，故考慮套管直徑為3.0m，防護結構內穿DN1800mm鋼管，防護結構和鋼管間回填C20自密實混凝土。這種方式嚴格遵循相關規定和要求，鋼承口鋼筋混凝土管承受外荷載，鋼管承受內壓，受力明確，鋼管在空置運行時填充混凝土起到抗浮作用。但需預留足夠的施工作業空間，施工工序較多，施工難度較大，自密實混凝土的密實程度難于控制。由于管道封死，后期管理難度小，但無法檢修。鑒于工程費用較高，從投資方角度看上述頂管方式經濟性不具優勢。頂套管直徑優化主要集中在施工作業所需空間，在套管為DN3000mm內穿鋼管時，施工作業主要包括托架、側方和管頂鋼支撐的焊接，鋼管兩側間距各為0.6m，管道直接安放在0.2m厚管內平臺基礎上，鋼管頂部作業間距接近1.0m，滿足并超過作業需要。結合對《北京市建設工程概算定額》相關子目的設置分析，對應運行期有、無人通行需求，其對于空間的要求區分為0.5~0.6m和0.3m；而對于施工期間的通行需要，可將此種情況歸結為有一定通行需要的通行式頂管，從施工的實際需求考慮，鋼管兩側及上部仍至少需預留0.4m的作業空間較為妥當，套管最小直徑≥2600mm。在頂進DN2600mm套管時，由于鋼管底部可直接座于臺基上，臺基厚度減至0.2m，鋼管頂部空間為0.6m，兩側空間均為0.4m，兩者介于0.4~0.6m。施工時，選擇身材較為瘦小的工人側身進入，倒退焊接兩側及頂部的簡易鋼支撐，勉強可以施工。即使如此，因施工程序未進行優化，仍需頂進大直徑管道及相當數量的用于填充的自密實混凝土，因此工程費用仍然不菲。

1.2鋼架固定內穿鋼管方式從施工程序上著眼進行優化以降低投資，對各工序投入占比分析，其中自密實混凝土占較大比重，經初步優化后選用頂進DN3000mm套管內穿鋼管，見圖1。通過加強和加密鋼支撐固定管道方式，也可滿足抗浮要求，套管和內穿鋼管間空隙不再填充混凝土。這種方式施工時在套管內主要進行底座平臺澆筑和管道安裝后的固定、焊接，工序相對清晰，可操作性強，經濟性也有所提高，但由于鋼支撐的焊接量加大、要求較高，焊接作業較為困難，存在一定的風險性。考慮到管線使用期間沒有通行需要，兩管之間的空間不進行封閉，這種做法對運行管理提出了更高的要求，在運行期間需加強巡查力度，避免公共安全事件的發生。

1.3直頂DN1800mm鋼管方式經過上述多種方式的漸進探究，從管徑、固定方式上改進均不足以大幅地降低工程費用。只有將套管和內穿的鋼管整體考慮才有可能改變這一局面。經過對國內已實施的頂管工程進行歸納后發現，頂進DN3000mm套管可避開密集的地上建筑物，而對于地下管線密集區，由于頂進管道直徑較大，地下的管線和設施不易規避，但直頂鋼管方式具備這方面的優勢。直頂鋼管管徑DN1800mm，壁厚22mm（直埋管道采用18mm），管材采用Q235B鋼，頂管覆土深度根據規范要求需滿足1.5倍頂管外徑。直頂鋼管的標準橫斷面布置見圖2。這種頂管方式管道頂進、鋪設一次完成，極大簡化了施工工序，也相應降低了工程投資。頂套管方案的鋼管運輸及焊接工作主要在套管內進行，而直頂鋼管相當于將頂套管方案依次進行的頂進套管、焊接鋼管這兩道工序合并成一次完成。（1）管道焊接。鋼筋混凝土管采用承插口連接，在各項準備充分的情況下每節管道安裝耗時1~2h，內穿鋼管在頂進段較短時，可采用套管外分節焊接、套管內整體運輸并固定，連接效率高，但需考慮焊接長槽、溝槽支護等安全措施；頂管段較長時，套管內穿鋼管分節運輸及焊接，不足點為洞內通風較為困難。而直頂鋼管接口焊接由工人在始發井端操作，完成每個接口焊接平均需約3~5h，在焊接完成后頂入，只是在焊接工序上因有內外防腐層的要求而更為復雜。（2）管道頂進。鋼筋混凝土管主要依靠機械設備進行安裝，工人主要進行質量檢查及輔助工作，勞動強度較低。而每節鋼管頂進時間3～4h，頂進鋼管的工人作業量較大。在焊接完畢后，除了進行焊縫的外觀質量檢查外，還需要對部分焊縫進行無損探傷檢查，在報告合格后才能頂進，在鋼管頂進完畢后，如外防腐蝕層發生損壞時無法探明及補口。各頂管方案的技術特點及適用范圍見表1。

2方案經濟比較

經濟性方面分析從其涵蓋內容而言，包括管道頂進、鋼管的安裝和固定、配套的施工電源及中繼間等方面，為保證頂管工程費用的完整性，頂管的始發井、接收井一并納入分析。（1）管道頂進。頂進DN3000mm鋼筋混凝土套管主要因其管材費用較高，每延米達到0.75萬元左右，頂進費用每延米約為1.90萬元；直頂DN1800mm的鋼管管材價格低于DN3000mm頂管，為滿足其防腐要求，鋼管外壁采用8mm厚環氧樹脂玻璃鋼防腐層，每延米0.4萬元左右，故其頂進費用與DN3000mm套管相當，為1.86萬元/m；DN2600mm頂管比DN3000mm頂管管徑小，其頂進費用降低至每延米約1.59萬元。（2）管道安裝。DN3000mm頂管和DN2600mm頂管均在管內鋪設DN1800mm鋼管，故鋼管安裝費用相同，均為0.84萬元/m；而直頂DN1800mm的鋼管已包含管道安裝的內容，無此費用。（3）管道固定。DN3000mm頂管和DN2600mm頂管與DN1800mm鋼管間均填充自密實混凝土固定，DN3000mm頂管與DN1800mm鋼管間隙最大，費用最高，約合0.56萬元/m，DN2600mm頂管與DN1800mm鋼管間隙較小，費用相應降至0.41萬元/m；而采用鋼支撐固定的方式，雖然減少了自密實混凝土的費用，但因焊接工程量增加，其費用微降至0.30萬元/m；而直頂DN1800mm的鋼管不需進行管道固定，無此項費用。（4）施工電源及中繼間。DN3000mm頂管采用機械頂管法施工，頂管設備用電容量較大，一般就近不具備可直接利用的高壓電源，須外接10kV高壓電源至現場經變壓器轉換后接引使用。因定額中不含此外接電源，故單獨計列。每處施工臨時外接電源工作內容按電源接引、架設10kV線路0.5km并設315~400kVA變壓器考慮，費用約35萬元，分攤至每延米為0.35萬元。DN2600mm頂管用電容量稍小，費用略少。而直頂DN1800mm鋼管用電容量比DN3000mm和DN2600mm頂管均小，折合每延米費用為0.10萬元。對于中繼間，本項目為DN3000mm中長距離頂管，部分頂進段最長達816m，即使在有條件處分段頂進，每段頂管仍然達到150m以上，存在頂進阻力超過主頂千斤頂的容許總頂力、管節容許的極限壓力和工作井后靠土體極限反推力的問題，無法一次達到頂進距離，故有必要部分頂管段加設中繼間。中繼間（包含工具管和千斤頂的攤銷兩部分）費用為10.8萬元，折合每延米費用為0.11萬元。DN2600mm頂套管與此類似，折合每延米費用為0.10萬元。而直頂DN1800mm鋼管由于總頂力較DN3000mm套管小約2/3，在一次頂進100m以內不需加設中繼間。典型的覆土9mDN1800mm鋼管（直頂鋼管覆土深相應為8m）各頂管方案費用見表2。

3結論

綜合技術和經濟等方面考慮，頂套管內穿鋼管并填充混凝土方案施工程序清晰，但較繁瑣，經濟性較低，適用于安全性要求較高、投資相對寬松的工程；頂套管內穿鋼管、鋼架固定方案是在頂套管內穿鋼管并填充混凝土方案的基礎上進行了優化，適用于地面有重要建構筑物需預留后期檢修條件，后期有通行需要的情況，經壓縮頂進套管直徑后，經濟性也有所改善；直頂鋼管適用于覆土不大、上部無重要設施且后期無通行需求的工程，由于其管徑較小經濟性占優，在具備條件時應充分考慮其是否具備實施的可能性，以降低工程投資。目前正在進行的高碑店再生水管線施工中，穿越部分橋區和重要道口等13處最終選用直頂鋼管方案，頂進長度共計1.2km，各頂進段長度為45~190m，頂進工期10~25d，綜合延米費用約合2.0萬~2.5萬元/m，施工工期減少1~2個月，節約投資共2000余萬元，取得了良好的經濟效益和社會效益，也顯示了直頂鋼管方案在其適用范圍內的獨特優勢。

作者：劉燁華單位：北京市水利規劃設計研究院