北京城区再生水管线工程方案的探讨

摘要：为实现北京地区水资源的可持续利用和水资源安全，近年来再生水利用量得到快速增加，达6.2 亿m3 / a，再生水管线建设进入高峰期。由于北京地区城市地面建筑和地下管线密集和交通流量大，传统的明挖法铺设管线存在缺乏场地且扰乱居民生活和中断交通等问题，局部支护直槽开挖及浅埋暗挖法、盾构法和顶管法等暗挖工法的优势逐渐显现，需结合地质、技术、经济及社会因素分析探讨其优缺点和适用性，从而选择最具备实施可能性的技术方案。

关键词：再生水 管线 明挖 非开挖 顶管

中图分类号X703 文献标志码A 文章编号1673-4637 （2011） 04-0045-03

1 工程背景

根据北京市“十一五”再生水利用规划，配水管网是城市基础设施的重要组成部分，至2010 年，配套城中心区再生水厂14 座和中水厂13 座，建设再生水和中水管线共275 km，随着各水厂的全面实施，输配水管线的建设将迎来一个高峰期。再生水管线与水厂规模相适应，主管线管径介于DN （1.0 ~ 2.0） m 之间，由于城市地面建筑物和地下管线密集、交通拥挤，传统的明挖法建造输水管线可能存在缺乏场地且扰乱居民生活、中断交通等一系列问题，局部支护直槽开挖及浅埋暗挖法、盾构法和顶管法等暗挖工法的优势逐渐显现，需对各类技术手段的可行性、适用性、经济性和风险等方面进行分析探讨，充分发挥各种方式的优越性并避其局限，以选择最适合再生水输水管线的技术方案。

北京市2008 年全市再生水利用量达到6.2 亿m3，利用率超过60%，再生水已经成为北京市的重要替代水源，广泛地应用于工业、农业、城市河湖及市政杂用。按照北京市政府、市水务局及相关规划，近期实施对小红门和高碑店污水处理厂现有设施进行全面的升级改造并新建再生水回用管网。

高碑店再生水厂输水干管调水规模为30 万m3/d，管线总长24.2 km，采用DN 2000 mm、DN1 800 mmPCCP 管和DN1 800 mm、DN1 200 mm 钢管；小红门再生水厂调水规模为30 万m3/d。全线管道总长23.8km，主要采用DN1 800 mmPCCP。其特点主要为：输送介质为再生水，输送保证率相对较低；管线一般较长，在城区（五环）范围内路由多沿现状路或规划路一侧铺设，沿线两侧建筑物、基础设施和地下管线密集度高，实施的困难和不可预见性大；但输水管直径多介于DN （1 000 ~ 2 000） mm 之间，除局部穿越建筑物外埋深一般为（2 ~ 3） m，管径和埋深均相对较小，为工程降低了难度。

2 实施方案比选

根据再生水输水管线埋深不大、管径较小的特点，可考虑明挖法。但沿线建筑物、地下管线众多，采用暗挖方式，如浅埋暗挖、盾构和顶管等非开挖方法。设计中重点进行了放坡明挖、支护条件下明挖和各类暗挖方法的比较。

2.1 明挖法

明挖法是管道工程传统施工方法，将管道上部土方放坡挖除后铺设管道，管道敷设完毕后回填管沟，北京地区目前较多采用这种方式。开挖断面考虑管道结构的施工方便，并兼顾少挖方、少占地和经济合理原则，在了解开挖地段的土壤性质及地下水位后，结合管径大小、埋深、施工季节等情况，施工现场附近地下、地下构筑物的位置因素来选择开挖方法，并合理地确定沟槽开挖断面，常采用梯形槽、直槽、混合槽或多管同槽等形式［2］。这种方式具有以下特点。

（1）由于开挖占地面积大，对环境影响较大，影响地表交通。

（2）征地费用大，并带来后期因拆除障碍受阻时，较多地影响整体工期。

（3）施工作业工艺相对简单，技术可靠，可根据需要加开工作面、加快进展。

（4）对地质条件要求低，黏土、壤土、砂壤土、砂性土或砂卵石地层均可。

（5）在规划未实施的城区（及新城），在与各相关部门协调后，可随其他基础设施工程实施时一并进行，大幅度减少拆除与改移投资。

以顺义新城温榆河水资源利用工程为例，管线位于顺义新城西北部，多数沿现状干线道路铺设，输水管道采用DN 1 600 mm 玻璃钢管，全长13.2 km，管顶覆土深一般为1.5 m，均为明挖法施工，其管线部分拆迁投资为0.5 亿元，管线工程投资为2.0 亿元，拆迁投资仅为工程投资的1 / 4，经济性突出。管线部分施工6 个月完成，施工便利、快速。但城区情况不同，例2 为高碑店再生水利用工程，管线位于东南四环沿线，拆迁和管线改移投资为6.6 亿元，工程投资为5.8亿元，两者相比接近1 ∶ 1，拆迁投资过高致使工程的可行性降低。

管线以明挖法施工，在遇开挖的土成分较为复杂，因水文、地质、气候和施工区域等因素受到影响，局部沟槽土壁常采用钢板桩或木板加以支护，支撑结构的作用是基槽挖土期间挡土和挡水，并避免对相邻的建筑物、道路和地下管线等产生危害，支撑结构一般是临时性结构，管道施工完毕即失去作用。在城区采用沟槽支护条件下直槽开挖是对明挖法一大优化，拓展了长距离管线明挖法的适用性和可实施性。由于在采取支护后大幅减小了上口宽度，根据占地宽度估算，一般可减少占地投资1 / 2 以上，并显著减少地上物拆迁、地下管线拆改和保护费用。但由于采用支护措施（打桩），必然影响工程工期和成本，并增加了施工期的潜在风险。例3高碑店再生水利用工程，在地上物密集处采取直槽开挖，并采用长6.0 m的钢板桩双侧支护，工程投资增加0.3 亿元，拆迁投资下降了3.0 亿元，两者比值约4 ∶ 1，从经济性方面看则具备相对较大的优势。

2.2 暗挖方法

暗挖方法目前在国内采用的方法主要包括浅埋暗挖法、顶管和盾构法。

2.2.1浅埋暗挖法

浅埋暗挖法是覆土厚度在（0.5 ～ 3）倍左右洞径，在施工中采用超前小导管注浆、大管棚注浆等多种辅助施工措施加固围岩，充分调动围岩的自承能力，在暗涵开挖后及时支护、封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系，有效地抑制围岩过大变形的一种综合配套施工技术。在北京地铁车站、区间隧道等地下工程中浅埋暗挖法应用广泛，技术比较成熟，也积累了丰富的经验。该施工方法与明挖法相比具有以下优点：开挖占地少、对环境影响小、地面交通影响小，大幅度减少地面和地下设施改移和征地费用。

以南水北调中线西四环暗涵工程为例，两条隧洞，开挖洞径5.2 m，成洞洞径4.0 m，成功穿越了23 座立交桥梁、8 座天桥和近百条地下管线，避免了大量的建筑物和管线拆迁与改移，对城市交通的影响非常小。再生水管线输水管直径一般为（1.0 ~ 2.0） m，如管径较小时开挖洞径（2 ~ 3） m，属于超小型断面，作业面小、施工条件差、不利于施工安全风险控制；管径较大时开挖洞径增至3 m以上，作业面适中、施工条件好、施工安全风险小。但是，浅埋暗挖施工方法机械化程度较低，适合在卵砾石地层并没有地下水的情况下实施，否则需要事先进行全线降水。

2.2.2顶管法

顶管法是指首先采用顶管掘进机成孔，然后将管道从顶进工作坑顶入以形成连续衬砌的管道铺设方法［4］，已成为城区直径小于3.0 m短距离管道施工的主要方法，并且具备在采用多个中继时间进行长距离顶管，一次顶进距离可达1 km以上。到目前为止，国内长距离顶管法建造的最大管道内径为（2.8 ~ 3.6） m，直径大于3.0 m的长距离顶管施工仅有个例（以青草沙原水工程岛域陆域输送管顶钢管工程为例, 为目前国内同类型、大口径顶管施工的最长距离）。

再生水管道输水管直径（1.0 ~ 2.0） m，顶进钢筋混凝土套管直径（2.0 ~ 3.0） m，长达十数公里的管道全部采用顶管顶进，内穿钢管或玻璃钢管等输水管（或采用直径（1.0 ~ 2.0） m 的钢管直接顶进），沿线需布置十数座顶管井，从目前国内整体技术水平分析，近年已逐步可实现多个较高水平施工队伍同时顶管施工，但仍存在顶管队伍技术水平参差不齐带来的巨大风险，且此种长距离管道顶管应用的案例极少，其在北京地区实施的可行性仍需进一步探讨。此外，顶管法主要适用于粉黏土地层，其他如含较多砾石或卵石的地层，顶进困难。

2.2.3盾构法

盾构法是利用盾构掘进机在地下暗挖隧洞的一种先进的施工方法，盾构在土体中推进，可以防止土体的崩塌，在其盾尾支护下进行开挖、衬砌循环作业［3］，在城市地铁、大型输水隧洞工程中均有应用，盾构施工法除了具有暗挖法的普遍优点外，与浅埋暗挖法相比，盾构法施工还有机械化程度高、盾构区间不需降水等优点，适应地层能力更强、适用性更广，适用洞径一般3.0 m以上（目前国外已有2 m小型盾构设备，但应用很少）。如在再生水输水管道中采用盾构法施工，盾构直径多大于3.0 m，单线延米投资约3.5 万元/ m 以上，远高于明挖法施工的1.5 万元/ m，但在管线长度较长时也具备一定的经济性。

在暗挖方法中，DN1 000 mm 以下管道一般采用定向钻、拉管和夯管等方法施工。对于DN1 000 mm 以上管道施工，浅埋暗挖法应用广泛，主要适用于砂砾（卵）地层，而北京海淀、石景山等西北部城区多属第四系卵砾和砂砾地层，浅埋暗挖法适应性较好。顶管法主要适用于黏性或砂性土层，在北京东南部丰台、通州等粉黏土分布较普遍的区域较为适用。顶管法和盾构法这两种工法相对工程成本高（尤其在需要二次衬砌或内套管时），但地上拆迁和地下管线改移成本低。浅埋暗挖法受制于日益严格的环保和安全、文明施工方面的政策法规要求，有逐步被更环保和安全的顶管、盾构等方法替代的趋势。

2.3 方案比选

针对北京地区再生水管线工程，主要从以下几个方面对上述工法进行比选：

（1）施工难度和安全性。明挖法施工简单，技术可靠，为目前常规的开槽方法。全线明挖局部支护法施工较为简单，支护方法也为大多数施工单位熟练掌握。顶管法和盾构法开挖工作面有顶管机和盾构机保护，不会因地层坍塌造成伤害，设备和施工队伍水平较高时施工难度和安全性均可控。浅埋暗挖法在城区普遍存在地下水的情况下，安全取决于施工期间降水的效果，难以保障施工安全。

（2）拆迁实施难度及风险。北京作为首都的特殊定位决定了拆迁问题在各类建设项目中的重要地位。在再生水管线中采用明挖法施工，拆占量巨大，拆迁实施难度很大，实施中面临很大风险。对于管线工程，不存在真正意义上的拆迁，其要求是将地上物拆除作为临时用地，故减少拆迁量是此类工程的一个方向。暗挖方法在减少拆迁实施难度及风险方面占据很大优势，而全线明挖、局部支护方案在较大程度上减少了房屋拆、占，减少或避免了实施中“钉子户”等社会热点问题产生，符合社会对管线工程的一般预期，可认为是两者之间的折衷选择。

（3）经济合理性。采用明挖开槽，工程费用较小，但交叉管线的拆、改等费用根据具体地区呈不同程度上升，而明槽局部支护则以增加相对较小的支护费用换取了拆改费用的大幅削减，合理性有所提升。对于暗挖方法，在拆迁费用均较小的前提下，浅埋暗挖法经济性方面有一定优势；顶管法由于目前主要用于中短距离穿越，如此大规模、长距离的应用，尚无较多实例可循；盾构法在洞径较大且管线长度达到盾构机的合理掘进距离时，经济性尚可商榷。以再生水输水工程较典型的净输水断面DN1 800 mm 为例，各种方案的投资情况见表1。

3 结语

以北京地区再生水输水工程为例，在地下管线和地上物相对不多的城近郊区或新城（区），以明挖法为主，并辅以支护和实施时局部绕开等细化措施，经济性和可行性较强；城区管道首选仍为全线明挖、局部支护直槽开挖施工，但对不同直径管道比选后可采用非开挖法，在砂砾（卵）石分布较广的西北城区可采用浅埋暗挖施工，在粉粘地质分布较普遍的东南城区可优选顶管法，但对于长距离顶管施工，还需进一步分析探讨在北京地区实施的可行性。而盾构法适合建造断面大、埋深大、距离长的隧洞，在成洞洞径较大（≥DN3 000 mm）、距离较长或有特殊供水要求时，结合投资情况可选用盾构法。

非开挖方法是城市再生水管道铺设的重要手段，并随着环境保护、交通出行及居民生活等对管线工程要求日趋严格，也是未来北京城区管道施工方式的主要趋势，但还需结合地质情况、周边环境和区域条件等综合考量，并结合城市的经济实力和投资合理性，以优选最为适合所在区域再生水输水管道的技术方案。

参考文献

[1] 北京市水利规划设计研究院. 北京市小红门再生水厂及再生水利用工程——再生水管线部分项目建议书代可行性研究报告[A].北京：北京市水利规划设计研究院，2009.

[2] 邢丽贞. 市政管道施工技术[M].北京：化学工业出版社，2004.

[3] 马保松，D.Stein，蒋国盛，等.顶管和微型隧道技术[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4] 余彬泉，陈传灿. 顶管施工技术[M]. 北京：人民交通出版社，2005.

作者简介：刘烨华（1982—），男，工程师。