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波特兰市合流污水控制项目

作者:  发布:2014/11/11  浏览:
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摘 要:长2.6km的管线将输送鲍尔琪流域合流污水和暴雨水径流,穿过既有的西部大管道,到达哥伦比亚大道污水处理厂。当隧道和项目在去年年底建成后,穿过该市注入威拉米特河的合流污水容量减少了94%以上。

为纪念他们举世闻名艰苦跋涉的百年纪念日,1905年路易斯和克拉克展览会吸引了来自世界各地的人们来到美国奥利岗州波特兰市。参观者们穿过木桥来到景色宜人的基尔特湖上的小岛参加展览会。

黑白旧照片上发现湖水包围着一个精致的入口建筑物,在展览结束后就被拆掉了。该湖在仅仅在15年内被各种东西填满。

由于波特兰市拥有一个20年的合流污水控制项目,它在建造博尔琪污水导管加固工程时,探索了该市西北部的地质历史。

长2.6km的管线将输送鲍尔琪流域合流污水和暴雨水径流,穿过既有的西部大管道,到达哥伦比亚大道污水处理厂。当隧道和项目在去年年底建成后,穿过该市注入威拉米特河的合流污水容量减少了94%以上。

当该市于1月提交了一个咨询服务提案申请书(RFP),发标给肯尼迪合营公司与詹克斯咨询公司,以及斯特海力非开挖工程咨询公司和莎伦&威尔逊公司,设计工作于2007年开始。

基尔特湖的灭亡

博尔琪走线沿线的地质情况不是太理想,部分原因是先前的基尔特湖。莎伦&威尔逊公司的高层,首席岩土工程设计工程师杰里·杰克莎说道,“这个大小适中的湖填满了人造材料,然而我们这个项目必须穿越湖里面所有这些不同性质的材料”。他说道,在波特兰市施工的所有合流污水项目中,“可以公平地说,比起其它项目,我们的地下条件范围可能更广泛。”

地质情况有从波特兰市整个西部罕见的极软湖泊沉积物;人工回填的红砂;来自横跨该湖铁路轨道梁的木支架和近旁西山冲刷的砾石不等。

杰克莎解释道,“为了从西山取得回填材料填埋这块湖区的经济方法,他们采用了高压水,将这种本土材料变成一种流动冲刷的材料,使其流至较低的区域。”

在1905年博览会结束不久之后,即该区开始有新发展时,这种冲刷材料将流入湖内。波特兰市环保局项目经理斯科特·克雷孟特解释道:“波特兰区域码头管理局也在威拉米特河进行导航工作,在那里他们将挖出的泥土填入基尔特湖。波特兰市在工地上有个焚化炉,用来焚烧市内垃圾,再将之堆放在填埋区,同样用来填埋基尔特湖。”

由于不同的组织将基尔特湖看待为一个全能堆放地,在1920年代~1940年代之间,该湖被持续填埋并加以开发。但那不是博尔琪污水导管加固工程的唯一挑战。杰克莎表示,“主要是本土材料,即慢水流沉积物,这些都是从约40次洪灾中沉积下来的。他们被称为密苏拉洪水——大部分来自于西部蒙大拿州的城市,当最大的冰坝分裂,大量水流经哥伦比亚河峡谷进入波特兰,然后他们将流至海洋。”

走线沿线会遇到砾石、鹅卵石、漂石。有种称为特劳特代尔Troutdale冲积层的胶结砾石,对于波特兰而言是独特材料。杰克莎解释道,“我们使用小直径TBM时,真的必须要考虑的问题——击中这些胶结砾石时,它会有何反应。它可能是岩石材料,在别的地方,它是部分胶结的。当然所有这个区域都是位于地下水以下,我们的工作井将处理好地下水和其他与之相关问题。”

面对风险

该市慎重考虑了走线沿线的地质情况,连同建筑红线和公共影响。肯尼迪与詹克斯咨询公司设计组技术主任布莱德·摩尔表示,“我们考虑那些因素都是基于成本费用,总的来说是尝试让我们小型TBM保持掘进457m左右。”

那使得设计组更倾向于这条意向之中的走线,拥有6条工作井,深度介于12m~23m。在隧道需要向西部尼古拉工作井和M工作井传送之前,有2个既有导流点用来集流。

图1  隧道走线和六条竖井位置图

起初,隧道交付为标准的设计—招标—建造模式。当波特兰市开始考虑工期和工程相关风险问题,并决定合同交付的替代方案时,设计计划已完成30%。

摩尔表示,“我们选择波特兰方法,因其类似于俄勒冈州的施工经理/总承包商(CM/GC),但并不限制主要承包商执行一定工程量。它也没有保证的最高价格。调整是基于补偿成本,外加一个固定费用。那就是完成设计工作的媒介。”

该市向项目承包商发出一份征求建议书,并选定詹姆士·福勒公司,其中詹姆士·福勒是在2008年11月即设计工作完成60%的时候参与该项目的。摩尔表示,“我们有了承包商、设计师以及和该市一起完成项目的设计工作。”

“过程中,我们发现许多改善本项目的创新方法,用于节约成本、保护环境和解决社会问题。在施工前服务合同(PSA)阶段的末尾——当承包商参与设计工作完工——我们进入与承包商关于施工的第二个合同,该合同于 2009年6月开始。”该合同价值5730万美金,项目总预算为7440万美金。

直径2.1m、长2.1km的隧道,采用海瑞克AVN2000D泥水平衡盾构施工。TBM于2009年11月到达工地,始发于2010年春。摩尔表示,“在施工前(从设计工作完成60%时到最终设计完成期间)这段时期让承包商进行小型TBM设备的早期采购。”

泥浆拌和隔水工作井

需要建造5个工作井,即GLI、B、D、C 和 L工作井,第六个工作井是既有的,但是必须的主要工作。承包商建议,项目计划要求咬合桩和钢板桩建造工作井,但在最后采用泥浆拌和隔水法施工。

克雷孟特表示,“他们向我们提议的是初期成本节约方法,预计会为我们节省60万~120万美金”,“同时也节约了工期,因为我们不受制于钻探分包商所提供的服务。”

波特兰市不愿采用泥浆拌和隔水施工法,因为它未在该项目独特的地层中测试过。克雷孟特表示,“我们转发了波特兰市的回应给承包商,他们最后带着一个来自该设备生产商的提案回到该市,这家生产商还说道,”若我们失败,波特兰市不需承担所有代价。“这是一种增值购买——他们将在一个工地证明其成功,我们就会愿意支付那么多;在另一个工地成功,我们则会支付得更多。”

承包商JWF和Jacobs公司共同进行泥浆拌和隔水施工,而该市也从施工风险的担忧中释放开来,德国Bauer公司生产的价值450万美金的泥浆拌和隔水墙机器是从德克萨斯州的BauerPileco分部采购来的。机器通过了在波特兰各不同工地的测试程序,以此见证泥浆拌和隔水墙的性能,尤其是在含砾石区域。

克雷孟特解释道,“砾石冲积层是敞开的卵石层,我把它归类为漂石。它基本就像一袋大理石。那里没有地方可以保存它。一旦你松开一个或者松开这个袋子,石头会跑的到处都是。”

这就是发生在L工作井的情况。当泥浆拌和隔水墙幅钻孔就位时,承包商需要下至10.7~16.8m深度范围的工作井周围进行预注浆。

杰克莎表示,“我们对全世界的泥浆拌和隔水项目做了研究,他们采用的这类材料运用在世界各个不同地区。据我们了解,这是这种机器施工遇到的唯一拥有如此大量砾石或鹅卵石的地方,这类没有母体材料或很少母体材料的沉积层是极其罕见的。”

最终波特兰市对结果很满意。克雷孟特表示,“它非常成功,还带来了一些我们始料未及的收益。其一就是这个方法论证明是防水的。所以在B工作井施工中,我们不需要处理受污染的水。他还证明了极大地减少需要搬运走的污染物。所以额外节省了开挖支护施工开支。”

作为前一合同的一部分,M工作井或称尼古拉工作井,原来由不同的承包商进行施工,该承包商有数次在挖掘工作井失败之后放弃的经历。克雷孟特回忆道,“由于随时会发生沙涌,他们必须转移工作井底部足够多的覆土。“

承包商、设计师和该市共同讨论M工作井的3个方案,选择了JWF公司的提案,是掘进至既有旋喷失败处,尝试再次补偿注浆来封住泄露(见图2)。在几次尝试之后,承包商成功挖掘至标高且底部没有发生漏泄。

图2  尼古拉工作井的复杂地质情况

多样推进

该台MTBM外径达2.6m,不到15.24m长,前方装有10个滚刀和12个硬质合金钻头。同时采用一台较小直径1.37m的盾构机从B工作井至尼古拉工作井路段掘进,穿越了冲刷的西山地层。总的推进顺序是:B→GLI;C→B;C→D;B→Nicolai井(54in);L→M,最后L→D。

首次推进,B→GLI,是位于工程最软地层,沿线需要泥浆拌和隔水墙幅来支撑盾构重量。这些墙幅按照中心间距约4.57m设置在121.92m以上距离内。克雷孟特表示,“那向我们保证,我们绝不会丢失标高也不会让盾构下沉,我们按照标高技术要求完成推进。”

该项目采购了一台MTBM,具有可选的第二铰接接头,用于在较软地层中进行额外操纵。既在第一次推进中,也用于从C到B的第二次推进。由Cascade混凝土公司浇注的一个9英寸厚钢筋混凝土顶管正在铺设,纯水泥浆通过管道上的孔注入。JWF公司实行常见的两个每班10小时工作制,在其第二个班停机维修。通过换班,生产率达到2.5~3.5根管子(7.62~10.67m)。

在输泥管线将膨润土送至盾构机开挖面用于润滑之后,废料线运出渣土和膨润土至分离厂房。克雷孟特解释道,“我们有个相当精细的分离流程来再利用膨润土。”

分离厂房包括振荡器,可将较细材料从液体中分离出来,再通过离心分离机和澄清器生产出干净的泥水用于暗挖再利用。较细材料,沙和砾石通过振荡器分离之后进入三个贮藏箱之一:泥箱内的材料依然非常细或呈液体状,还有沙箱或砾石箱。该项目再利用了7000t以上的沙和砾石用于工作井回填。

在第三次从C工作井→D工作井推进中,约推进140m时MTBM当位于Troutdale构造的顶部时,击中大块漂石,那么整个MTBM偏转了13度。操作员得以让机器越过了障碍物,可也已经偏向上方。

克雷孟特表示,“当盾构持续偏向,盾构继续越过此障碍物,顶管持续走高。起初当我们越过该障碍物,顶管没有偏移,标高也不错。一旦我们击中障碍物——盾构机越过它——偏高127mm。当机器得以克服偏向和克服偏高之际,顶管偏高0.7m多。”

由于这是个重力输送系统,0.7m的圆形隆起降低了输送能力。他表示,“从一个业主的角度而言,我们认为该项目未达原始设计要求。那是我们的一个重要问题。”

具有成本补偿作用的波特兰方法合同,将使承包商得以消除工作得不到回报那样的风险,克雷孟特解释道。“为了不出现,‘承包商声称情况已变,拥有人也试图反驳’这样的情景模式,代之以让我们——设计师、拥有人、承包商——坐下来讨论出一个解决方案。”

为了能共同讨论出方案,项目应尽快进行,从而避免建造救援工作井。特别重要的是该段走线是位于填埋区下方。

杰克莎解释道,“当推进时,顶管压力达到超高,着实将盾构推至极限。但是所有事情比预期还要好。”克雷孟特补充道,这是一个低标合同,承包商很可能会声称情况已变,正等待回应。那样的情景之下,这个过程会让顶管力量增加到剩下只能建造救援工作井为唯一方案的程度。

他表示,“我们评估了模型和水力学,发现虽然并不是最优化状态”,“但是包含0.7m高的圆形隆起的系统将满足合流污水项目的输送要求。”

在工作井C→工作井D挖掘之后,盾构机的开挖面被翻新,更换滚刀。

工作井L→工作井M推进期间,刚推进了大约7.62m便是砾石地层工作面。一个可选的人行闸和微型TBM一起购入,然后作为加压入口,入内进行手工搬移土方。

克莱蒙特表示,“来自密苏拉洪水沉积的砾石冲积层、玄武岩和石英岩构成的最困难和顽强土层——我们在从L工作井→M工作井,L工作井→D工作井推进时遇到了”。“你将会发现石英岩是最坚硬的天然材料,加上玄武岩和其敞开状态,使其变成了一种独特的隧道掘进。”

一旦清理干净,刀头仍不能运转,于是当盾构开始推进时,又会遇到砾石地层。项目组急需寻求,不必锁定盾构却能够稳定前方开挖面的方法。克莱蒙特解释道,“若需要采用胶结性注浆或者混凝土进行地层加固,要锁定盾构机。最后我们采用了化学注浆试图凝结那些敞开状态的砾石。”

该注浆方案应用在开挖面前方6.1~9.14m处,并在承包商清空土舱并再次开挖之前,成功完成推进。在转向L工作井→D工作井推进前,JWF公司再次替换了盾构上的齿刀和滚刀,终于在6月初完工。

杰克莎表示,“该项目最独特之一就是学到如何在这些砾石和鹅卵石中进行小直径隧道掘进。整个项目过程中,海瑞克提供盾构操作员。他们以前从未遇到如此的砾石和鹅卵石。”

图3  海瑞克驾驶员说他们从未遇到过这样的砾石和鹅卵石

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