Civil 3D在JK輸水管線工程施工組織設(shè)計中的應(yīng)用

惠 康

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

JK輸水管線工程是解決沿途工業(yè)、城市及小城鎮(zhèn)用水要求的一項長距離調(diào)水工程。管道設(shè)計流量為16.7 m3/s。工程主要建筑物包括:引水隧洞、輸水管道、附屬建筑物、交叉建筑物、尾部調(diào)節(jié)水庫及防洪建筑物等。

其中輸水管線樁號23+215～33+571 段，位于湖積臺地，地勢南高北低，地面高程649.0～614.6 m，地形起伏，垂直管線方向大小沖洪溝極發(fā)育，溝深5～25 m，寬20～200 m 不等，沖溝間距30～50 m，溝內(nèi)平時無水，地表有稀疏的低矮植被。管線呈北西向南東向展布，沿線為第四系上更新統(tǒng)湖積（Q3l）含土中細砂。

該段管線穿越的地貌單元及地層巖性較復(fù)雜，采用常規(guī)施工方法，將對沿線環(huán)境造成破壞，為實現(xiàn)管線的施工，將產(chǎn)生大量的臨時征地，破壞生態(tài)環(huán)境。為在施工過程中減少占地和破壞自然環(huán)境，便于運行期管線維護檢修，需提出便于管線施工結(jié)合運行期運行維護的設(shè)計方案[1～3]，繼而根據(jù)施工組織設(shè)計，探究管溝開挖及管道安裝的方案，經(jīng)比選提出管溝結(jié)合道路一體開挖成形的施工方法。

本文通過運行Civil 3D 軟件，擬合管線平面縱斷面設(shè)計線結(jié)合橫斷面裝配，得出以地形為基礎(chǔ)的管溝道路開挖曲面，通過三維視圖功能，實現(xiàn)了施工組織設(shè)計理念。研究得出的管溝與道路開挖結(jié)合的設(shè)計橫斷面裝配方案，施工簡單快捷；運用軟件自帶三維視圖程序[4～6]，通過總體布置結(jié)合地形條件相對位置關(guān)系觀察，可直觀判別設(shè)計優(yōu)化方向。

2 施工方法

管線施工段地形起伏較大，為減少管道開挖量，管道縱坡基本沿雞爪子地起伏趨勢設(shè)計，管道縱坡較大且變化較多。根據(jù)管道縱斷面布置特性，若管底設(shè)計縱坡大于10%，將導(dǎo)致道路縱坡過大，無法滿足通行要求；為結(jié)合考慮沖溝行洪要求，當(dāng)沖溝處道路高程與溝底高程相近時，道路布置與管道布置需綜合考慮。

伴行道路為便于施工及運行期管道檢修及維護，將伴行公路放入管溝內(nèi)，與管線開挖結(jié)合布置；為減少管道開挖量，防止出現(xiàn)二次開挖，設(shè)計采用管溝開挖結(jié)合施工道路布置的方式，并保證道路全線暢通，滿足運行管理要求。

2.1 沿線地形地質(zhì)

輸水管線經(jīng)過的地區(qū)地處歐亞大陸，遠離海洋，為典型的大陸性溫帶氣候，該區(qū)域為天山南緣地區(qū)，主要氣候特征為:氣候溫和、光熱充足、干旱少雨，蒸發(fā)量大，冬夏長，春秋短，夏季少酷暑，冬季多嚴寒，氣溫年較差和日較差大。

多年平均氣溫在6.6～7.3℃間，多年平均降水量在100～200 mm之間，蒸發(fā)量1500～1700 mm，多年平均風(fēng)速2 m/s，最大風(fēng)速20～24 m/s，風(fēng)向W～NW，最大積雪深度20～40 cm，最大凍土深度137～140 cm。

管線沿線前段地形高低起伏較大，而后段地形高低起伏不大，管線基本沿地面線布置，局部過沖洪溝處有大挖方，其中最大開挖深度約50 m。管道管徑3.4～3.0 m，管線采用埋填方式，開挖邊坡1∶0.5～1∶1。溝底鋪設(shè)20 cm厚的砂墊層，管腔四周至管頂50 cm 以內(nèi)采用細粒土分層回填，每層厚度不大于200 mm，管頂50 cm 以上至管頂1.8 m，采用開挖土回填。

2.2 施工交通布置

由于地形起伏較大，為減少管道開挖量，管道縱坡基本沿雞爪子地起伏趨勢設(shè)計，管道縱坡較大且變化較多。為便于施工期管道安裝，運行期管道檢修及維護，將伴行公路與管道開挖相結(jié)合，在管溝開挖范圍布置道路，與管道相鄰平行布置。為配合道路布置，管道縱坡均不大于10%。

2.3 管道吊裝方案

為實現(xiàn)施工管道的交通任務(wù)，本文分別擬定了3個方案進行施工方法比選。方案一采用將管溝寬度加寬的施工方案，選用400 t履帶吊進寬溝底部進行吊裝；方案二將管溝開挖分為兩期進行，一期預(yù)留滿足400 t 履帶吊作業(yè)的寬度將變更段管溝全線貫通，后期通過管溝的二次開挖與管道安裝交叉進行；方案三采用管溝開挖與道路結(jié)合的方式，一體開挖成形。

（1）方案一管道施工工序為管溝開挖→管道運輸→管道吊裝。為滿足管道運輸及吊裝的施工場地要求，需將管溝底寬加寬至13.0 m，滿足吊裝要求，管溝開挖橫斷面吊裝示意圖見圖1。管道最大吊裝重量為54 t，采用400 t履帶吊時吊車最大安裝管道數(shù)量為4節(jié)，管溝開挖縱斷面吊裝示意圖見圖2。

圖1 方案一管道橫斷面吊裝示意圖

圖2 方案一管道縱斷面吊裝示意圖

（2）方案二管道施工工序為管溝開挖→管道運輸→管道二次開挖→管道吊裝；該方案施工管溝開挖與管道安裝交互進行。管道溝槽一期開挖深度為3.4 m，二期開挖深度為4.6 m，管溝開挖橫斷面吊裝示意圖見圖3。采用400 t 履帶吊時吊車最大安裝管道數(shù)量為3 節(jié)，每3 節(jié)管道開挖及吊裝需調(diào)換一次，管溝開挖縱斷面吊裝示意圖見圖4。

圖3 方案二管道橫斷面吊裝示意圖

圖4 方案二管道縱斷面吊裝示意圖

（3）方案三采用管溝開挖與伴行道路一體開挖的型式，按照履帶吊的工作范圍，將施工平臺與伴行公路同時考慮，用于滿足履帶吊安裝的需求，管溝開挖橫斷面吊裝示意圖見圖5。由于吊裝設(shè)備自身回轉(zhuǎn)半徑及工作范圍的要求，吊裝平臺與管溝底部高差不應(yīng)大于8 m。

經(jīng)對比，方案一、二均在管溝內(nèi)安裝管道，伴行公路總寬6～7 m。通過工程量比選，方案一整體開挖量最大，方案二整體開挖量小，但存在施工工序繁雜，干擾大，施工機械設(shè)備使用效率低，進度慢等缺點；方案三在伴行公路上安裝管道，伴行公路總寬12.34 ～13.34 m，開挖量介于方案一及方案二之間，施工最便利、進度最快。經(jīng)造價對比，方案三比方案二直接費多約420 萬元，增加幅度約為0.5%，因而推薦方案三為施工方案。

圖5 方案三管道橫斷面吊裝示意圖

3 施工交通布置

3.1 施工道路寬度

管道內(nèi)徑3400 mm，管節(jié)長度為5 m，估算單節(jié)管安裝重量約54 t。土質(zhì)管溝開挖邊坡1∶0.75，溝深8.0 m，溝邊考慮2.0 m安全距離不得有外荷載；巖石管溝開挖邊坡1∶0.35，溝深8.0 m，溝邊考慮1.0 m安全距離不得有外荷載。根據(jù)施工要求，滿足本工程安裝履帶吊噸位不小于250 t。

管道運輸車可將PCCP管沿管槽內(nèi)伴行公路直接運至安裝地點，用履帶吊直接安裝或卸到伴行路邊臨時堆存。參照神鋼CKE2500 型250 t 履帶式起重機工作參數(shù)擬定滿足安裝要求所需的管槽伴行公路寬度，土質(zhì)管溝公路寬度為12.2 m，巖石管溝公路寬度為11 m。將成品管運至伴行路邊臨時堆存，同時考慮7 m的道路寬度以及管溝邊一定的安全距離，管溝伴行公路寬度取13.34 m。

3.2 施工道路標準

輸水管道永久伴行道路在工程施工期作為施工道路，運行期承擔(dān)管線運行管理及檢修的交通路。結(jié)合道路的使用功能和工程需要，道路分期施工，輸水管道施工期只做路基。工程施工期道路挖方段與管溝開挖結(jié)合施工，道路置于管溝挖方第一級馬道，道路路基寬度為13.34 m。工程運行期道路采用4.5 m 寬路基單車道設(shè)計，待輸水管道施工完畢后道路再增加級配礫石面層和永久排洪建筑物。

伴行道路路線采用《水利水電施工組織設(shè)計規(guī)范》（SL303-2017）場內(nèi)三級道路標準，設(shè)計車速20 km/h，橋涵設(shè)計荷載為公路-Ⅱ級。道路分期施工，施工期斷面組成為:路基挖方寬度13.34 m。工程運行期伴行道路路基斷面組成:0.5 m路肩+3.5 m行車道+0.5 m 路肩，橫斷面采用直線型路拱，路拱橫坡度2.0%，路肩橫坡3.0%。伴行道路運行期路面結(jié)構(gòu)為一層:200 mm級配礫石面層。

3.3 三維結(jié)合開挖設(shè)計

采用Civil 3D 軟件自帶程序設(shè)計工具，首先創(chuàng)建地形曲面，將地形圖中的等高線及高程點進行賦值，生成帶有高程數(shù)據(jù)信息的地形曲面，作為路線設(shè)計基礎(chǔ)[7，8]。其次，以現(xiàn)場勘測所得路線為管道中心線，制定管道平面中心線，采用Civil 3D軟件菜單路線創(chuàng)建工具，選擇路線創(chuàng)建方式為從路線創(chuàng)建平面線，得到初始管線平面中心線。再次以管道中心線剖切地形，取得管道中心線縱斷面地形高程線，采用軟件菜單縱斷面圖，創(chuàng)建以管道中心線為基準線，剖切地面線所得原始地面高程縱斷面圖。為同時滿足管道開挖、安裝及伴行道路的功能，管道縱斷面設(shè)計線縱坡坡度不大于10%；以此為縱斷面設(shè)計限制條件，擬定管道中心線縱斷面設(shè)計線。

為實現(xiàn)管溝開挖結(jié)合施工道路布置的方式，并保證道路全線暢通，滿足施工、運行要求，需通過管線開挖橫斷面設(shè)計將管溝與道路相結(jié)合。根據(jù)施工方案分析，道路布置高程需置于距離管溝底高程8 m 位置，即管溝底部開挖縱斷面設(shè)計線跨越?jīng)_溝地形時，開挖深度控制開挖深度為8 m；通過道路與管溝相對高度8 m，實現(xiàn)沖溝排洪要求。

圖6 管溝開挖典型橫斷面圖

管道與道路全線以挖方為主，局部跨越?jīng)_溝斷面，出現(xiàn)少量填方。管線與道路結(jié)合標準橫斷面圖見圖6，管溝開挖底部與道路路面高差為8 m，施工期道路寬度采用13.34 m，運行期寬度4.5 m。

將管線平面中心線、管溝底開挖高程設(shè)計線與管溝道路開挖標準橫斷面裝配相結(jié)合，運用Civil 3D軟件道路創(chuàng)建功能，擬合縱橫斷面后根據(jù)地形曲面創(chuàng)建管溝道路結(jié)合開挖道路[9，10]。采用道路曲面生成命令，以橫斷面裝配各部件組合，結(jié)合邊坡與地形曲面接觸面，創(chuàng)建以地形為基準的管溝開挖曲面（見圖7）。由圖7可看出，根據(jù)管溝開挖方案，管溝及道路沿線大部分為挖方路基，實現(xiàn)了管溝與道路結(jié)合的管道及道路設(shè)計。

圖7 道路結(jié)合管道吊裝開挖圖

4 結(jié)語

本文以JK 輸水管線工程的輸水管線為研究對象，為實現(xiàn)管溝開挖結(jié)合道路的設(shè)計理念，運用Civ?il 3D軟件實現(xiàn)動態(tài)三維設(shè)計、一體化流程的軟件功能，實現(xiàn)了管溝結(jié)合道路開挖的設(shè)計；軟件三維視圖功能，可直觀觀察成果并發(fā)現(xiàn)可優(yōu)化方向，設(shè)計成果為后期設(shè)計成果展示，施工圖指導(dǎo)提供了參考依據(jù)?？芍苯舆\用于工程出圖，提高了設(shè)計工作效率，證實了Civil 3D軟件可更輕松、更高效地探索設(shè)計方案。