軟土地區(qū)直埋管與架管方案設(shè)計及對比分析

何劍平，李威，鄭建建

（1.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海200092；2.上海水業(yè)設(shè)計工程有限公司，上海200092）

1 引言

直埋管作為一種最常用的管道敷設(shè)方式，廣泛應(yīng)用于全國各地。直埋管管道為成品管道，現(xiàn)場安裝，施工進(jìn)度快，可節(jié)省工程投資費用。不過，直埋也存在一些不足之處，如道路頻繁開挖、維護(hù)不便等[1]。

架管是采用樁基或墩臺架空管道跨越河道、湖泊、海域、鐵路、公路、山谷等天然或人工障礙的管道明敷方式[2]，主要利用管道自身的承載能力抵抗外部荷載作用。

本文以連云港某管線工程作為實例，對軟土地區(qū)直埋管與架管2 種方案進(jìn)行設(shè)計及綜合對比分析，為軟土地區(qū)管道敷設(shè)方式比選提供參考。

2 工程背景

連云港某管線工程為1 根DN1400mm 鋼管，管線長度4.5km，管線沿現(xiàn)狀道路綠化帶敷設(shè)，區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀管線種類繁多。結(jié)合管線功能要求、管道線路埋深、水文地質(zhì)條件，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、工期、環(huán)境影響等方面進(jìn)行綜合比較。

3 工程地質(zhì)條件

①層填土；②層黏土黏聚力C=24.1kPa，內(nèi)摩擦角φ=9.2°；③層淤泥C=7.6kPa，φ=1.7°；④-1 層粉砂夾粉土C=28.1kPa，φ=8.6°；④-2 層粉質(zhì)黏土C=27.8kPa，φ=10.6°。管道基礎(chǔ)主要落于③層淤泥土層，淤泥厚度為10m 左右，強度低，壓縮性高。

4 直埋管方案設(shè)計

圖1 DN1400mm管道開挖斷面圖

4.1 管槽開挖寬度

管槽底部的開挖寬度根據(jù)管道形式、管徑大小及支護(hù)形式綜合確定。

式中，B為管道溝槽底部的開挖寬度，mm；D1為管道外徑，mm；b1為管道一側(cè)的工作面寬度，mm；b2為管道一側(cè)的支撐寬度。

經(jīng)計算，開挖寬度為3m。

4.2 管槽開挖深度

管槽開挖深度根據(jù)管道形式、管徑大小、管道抗浮覆土厚度、管道所處環(huán)境、施工條件以及規(guī)劃部門要求等因素綜合確定，在滿足技術(shù)與實施條件的前提下盡量減少管道埋深，控制工程投資。

式中，H為管道開挖深度，mm；D1為管道外徑，mm；h1為管頂覆土厚度；h2為管道基礎(chǔ)高度；h3為當(dāng)管道基礎(chǔ)下?lián)Q填土厚度。

經(jīng)計算，開挖寬度為3.2m。

4.3 管槽地基加固

根據(jù)連云港當(dāng)?shù)卦璂N1200mm 埋管工程竣工資料及GB 50332—2002《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]，本工程DN1400mm 管道落于淤泥層，底部中粗砂層下部采用80cm拋石擠淤方式進(jìn)行地基處理，以減少管道的不均勻沉降，保證管道的穩(wěn)定性。

4.4 開挖斷面

根據(jù)場地地質(zhì)及11SG814《建筑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造》[4]，若采用放坡開挖，放坡坡率達(dá)1∶2.5。由于管道沿線已有通信管道、排水管道、高壓電纜基礎(chǔ)等，大部分不具備放坡開挖條件。故本工程大部分采用鋼板樁支護(hù)開挖方式，局部施工條件較好時，可采用放坡開挖（見圖1）。

4.5 管道驗算

DN1400mm 管道壁厚14mm（已考慮50a 2mm 總腐蝕量，取12mm 進(jìn)行計算）。經(jīng)計算，有內(nèi)水壓力時，管壁截面最大彎矩：M=2524.6N·mm，管壁截面最大拉力N=615N。無內(nèi)水壓力時，管壁截面最大彎矩：M=3267.6N·mm。

有內(nèi)水壓管壁環(huán)向應(yīng)力：

無內(nèi)水壓管壁環(huán)向應(yīng)力：

管壁最大縱向應(yīng)力：

管壁最小縱向應(yīng)力：

管壁最大組合折算應(yīng)力：

埋管管道應(yīng)力應(yīng)滿足下列2 個計算公式：

式中，b為計算寬度；t為管道計算壁厚；υ 為鋼材泊松比；φ 為溫度應(yīng)力折減系數(shù)；α 為線膨脹系數(shù)；EP為鋼材彈性模量；ΔT為鋼管的閉合溫差；μ 為折算系數(shù)；γ 為重要性系數(shù)；σ 為應(yīng)力設(shè)計值。

計算可知，管道滿足強度要求；管道最大豎向變形值20mm＜0.025×1420=36mm，滿足剛度要求；管道抗浮穩(wěn)定計算值1.15＞1.10，滿足抗浮穩(wěn)定要求；管壁穩(wěn)定系數(shù)0.214＜0.793，滿足管壁穩(wěn)定要求。

5 架管方案設(shè)計

5.1 伸縮接頭的設(shè)置

為了解決連續(xù)管道的應(yīng)力、變形問題，需設(shè)置伸縮接頭。伸縮接頭將連續(xù)管道分成多個管段，通過伸縮接頭變形抵消管道溫度變形產(chǎn)生的較大縱向推力和管道縱向應(yīng)力，由公式（10）可知，管道縱向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值已占到約1/3 管材總應(yīng)力。實際運行中自承式管道易在伸縮補償器位置出現(xiàn)損壞，為了保證管道的耐久性，應(yīng)盡可能少設(shè)置補償器。連云港地區(qū)管道閉合溫差±30°，鋼管材料線膨脹系數(shù)1.2×10-5℃-1，伸縮接頭變形最大值60mm。經(jīng)計算，每隔約165m 設(shè)一處伸縮接頭方可滿足管道伸縮變形要求。

溫度作用下管道縱向溫度應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值：

5.2 承臺樁基設(shè)計

架管承臺主要承受鋼管自重、管道內(nèi)水自重、內(nèi)水壓力產(chǎn)生的推力、施工安裝、管道真空壓力等荷載。

由于承臺底落于淤泥層，地基承載力和沉降不能滿足規(guī)范要求，需進(jìn)行地基處理。本工程場地土具有強腐蝕性，同時距離現(xiàn)狀管道較近，故樁基選用灌注樁，樁承臺按20m 間距布置，考慮到上部管道偏心作用及豎向荷載作用影響，承臺底部設(shè)置2 根直徑600mm 灌注樁，樁長25m，單樁承載力特征值600kN。

5.3 轉(zhuǎn)彎處支墩設(shè)計

架管在轉(zhuǎn)彎處，由于周邊無地基土包裹，故無法利用周邊地基土和管道之間的摩阻力來抵抗轉(zhuǎn)彎處管道內(nèi)水壓力產(chǎn)生的拉力，為避免拉力造成管道脫節(jié)的現(xiàn)象，應(yīng)在轉(zhuǎn)角處設(shè)置止推裝置。以α=45°轉(zhuǎn)角為例，管道轉(zhuǎn)彎處內(nèi)水壓力產(chǎn)生的推力為：

式中，F(xiàn)WD為管道內(nèi)水壓力設(shè)計值；S為管道截面面積。

轉(zhuǎn)彎支墩處單根灌注樁承受水平推力為41kN，故在支墩處需設(shè)置10 根灌注樁來抵抗該推力，才能確保支墩的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)彎處支墩布置如圖2 所示。

5.4 管道驗算

圖2 轉(zhuǎn)彎處支墩布置圖

管道壁厚取值22mm 時，根據(jù)CECS 214—2006《自承式給水鋼管跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》[5]計算所得，內(nèi)水壓力下管壁的環(huán)向拉力N=880.74kN/m，管道彎矩最大值M=2070.78kN·m，支承處管壁環(huán)向最大彎矩Mθ=13.593kN·m，管道剪力最大值V=593.49kN，支座處豎向反力值R=1111.19kN，鞍式支座截面抵抗矩Wr=106754mm3，鋼管截面抵抗矩W=31159298mm3。管壁環(huán)向拉應(yīng)力σθ由2 部分組成：（1）內(nèi)水壓力產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力σθ1；（2）鋼管支承處的環(huán)向彎曲應(yīng)力σθ2。管壁縱向拉應(yīng)力σx由4 部分組成：（1）豎向作用下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力σx1；（2）管內(nèi)水壓沿軸向產(chǎn)生的縱向應(yīng)力σx2；（3）溫度作用下產(chǎn)生的溫度應(yīng)力σx3；（4）管與支座摩擦產(chǎn)生的摩擦應(yīng)力σx4。

由于設(shè)置伸縮接頭，所以：

管壁截面最大剪應(yīng)力：

鋼管管壁的截面最大組合折算應(yīng)力為：

架管管道應(yīng)力1.1×150.43=165.47MPa＜215MPa，滿足管材自身強度要求；架管管道應(yīng)力1.1×150.43=165.47MPa＜215×0.9=193.50MPa，滿足管道焊縫強度要求；管道撓度17.71mm＜80mm，滿足撓度要求。

6 直埋管方案與架管方案對比分析

直埋管在與管道連通時施工難度較低，施工工藝簡單。根據(jù)DGJ32/TJ 208—2016《巖土工程勘察規(guī)范》[6]和CJJ 56—2012《市政工程勘察規(guī)范》[7]，管道直埋段需每隔100～150m 布置勘察孔點，每處勘察孔點深度約10m，勘察工程量和費用較小。管道埋地，雖不便進(jìn)行管道安全監(jiān)測，但直埋管道配件較少，發(fā)生故障概率較低，養(yǎng)護(hù)檢修時間較少。遠(yuǎn)期如需擴建改遷相對方便，對其他工程影響較小。管道埋于規(guī)劃綠化帶內(nèi)，不影響景觀設(shè)計，由于覆土較深，上部種植植物可選擇性多。管道在綠化帶區(qū)域有埋地現(xiàn)狀管線等障礙物，埋地施工可根據(jù)施工現(xiàn)場情況，設(shè)置轉(zhuǎn)彎接頭進(jìn)行合理避讓，對工期影響較小。軟土地區(qū)直埋管方案需拋石擠淤，回填中粗砂，同時考慮回填土方、基坑支護(hù)等，故施工措施費用較高。

架管方案與管道連通時施工較麻煩，需要在連接點處特殊處理，在避讓現(xiàn)狀構(gòu)筑物時，管線有一定轉(zhuǎn)角，需要額外設(shè)置轉(zhuǎn)彎支墩。管道架空更容易受到溫度應(yīng)力影響，沿線需設(shè)置伸縮接頭，其使用年限通常為20a，同時造價較高。根據(jù)CJJ 56—2012《市政工程勘察規(guī)范》，每個樁承臺處需布置勘察孔點，同時孔深應(yīng)進(jìn)入樁持力層并滿足勘察規(guī)范深度，勘察工程量和費用較大。管道架空便于觀察維修，但影響城市景觀，同時管道管配件較多，長期暴露在外，故障率高，外防腐需定期維護(hù)，一般3～5a 重新刷漆，綜合來看運營維護(hù)成本較高。架空管遠(yuǎn)期難以遷改，其他管線在此架空范圍內(nèi)無法施工，同時如遠(yuǎn)期綠化施工回填土?xí)r，需注意回填方式，不可將土直接壓在管道上。

直埋管與架管方案對比詳見表1。

表1 直埋管與架管方案對比表

7 結(jié)語

直埋管是最常用的管道敷設(shè)方式，架管一般是用于跨越天然或人工障礙的管道明敷方式。對軟土地區(qū)直埋管和架管2種管道敷設(shè)方案進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計算分析，對2 種方案各自優(yōu)缺點進(jìn)行了詳細(xì)分析，并從工程勘察、施工難易程度、施工工期、施工措施費、伸縮接頭設(shè)置、管線連通、管線避讓、景觀、管道養(yǎng)護(hù)、遠(yuǎn)期改擴建、造價等方面對2 方案進(jìn)行了對比分析，對類似工程管道建設(shè)設(shè)計和敷設(shè)方式的選擇具有一定的借鑒意義。