軟土地區直埋管與架管方案設計及對比分析

何劍平，李威，鄭建建

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

1 引言

直埋管作為一種最常用的管道敷設方式，廣泛應用于全國各地。直埋管管道為成品管道，現場安裝，施工進度快，可節省工程投資費用。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，對軟土地區直埋管與架管2 種方案進行設計及綜合對比分析，為軟土地區管道敷設方式比選提供參考。

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，管線沿現狀道路綠化帶敷設，區域內現狀管線種類繁多。結合管線功能要求、管道線路埋深、水文地質條件，從技術、經濟、工期、環境影響等方面進行綜合比較。

3 工程地質條件

①層填土；②層黏土黏聚力C=24.1kPa，內摩擦角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 層粉質黏土C=27.8kPa，φ=10.6°。管道基礎主要落于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管道形式、管徑大小及支護形式綜合確定。

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

經計算，開挖寬度為3m。

4.2 管槽開挖深度

管槽開挖深度根據管道形式、管徑大小、管道抗浮覆土厚度、管道所處環境、施工條件以及規劃部門要求等因素綜合確定，在滿足技術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為管道基礎高度；h3為當管道基礎下換填土厚度。

經計算，開挖寬度為3.2m。

4.3 管槽地基加固

根據連云港當地原DN1200mm 埋管工程竣工資料及GB 50332—2002《給水排水工程管道結構設計規范》[3]，本工程DN1400mm 管道落于淤泥層，底部中粗砂層下部采用80cm拋石擠淤方式進行地基處理，以減少管道的不均勻沉降，保證管道的穩定性。

4.4 開挖斷面

根據場地地質及11SG814《建筑基坑支護結構構造》[4]，若采用放坡開挖，放坡坡率達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 進行計算）。經計算，有內水壓力時，管壁截面最大彎矩：M=2524.6N·mm，管壁截面最大拉力N=615N。無內水壓力時，管壁截面最大彎矩：M=3267.6N·mm。

有內水壓管壁環向應力：

無內水壓管壁環向應力：

管壁最大縱向應力：

管壁最小縱向應力：

管壁最大組合折算應力：

埋管管道應力應滿足下列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 為溫度應力折減系數；α 為線膨脹系數；EP為鋼材彈性模量；ΔT為鋼管的閉合溫差；μ 為折算系數；γ 為重要性系數；σ 為應力設計值。

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；管道抗浮穩定計算值1.15＞1.10，滿足抗浮穩定要求；管壁穩定系數0.214＜0.793，滿足管壁穩定要求。

5 架管方案設計

5.1 伸縮接頭的設置

為了解決連續管道的應力、變形問題，需設置伸縮接頭。伸縮接頭將連續管道分成多個管段，通過伸縮接頭變形抵消管道溫度變形產生的較大縱向推力和管道縱向應力，由公式（10）可知，管道縱向應力標準值已占到約1/3 管材總應力。實際運行中自承式管道易在伸縮補償器位置出現損壞，為了保證管道的耐久性，應盡可能少設置補償器。連云港地區管道閉合溫差±30°，鋼管材料線膨脹系數1.2×10-5℃-1，伸縮接頭變形最大值60mm。經計算，每隔約165m 設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力標準值：

5.2 承臺樁基設計

架管承臺主要承受鋼管自重、管道內水自重、內水壓力產生的推力、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范要求，需進行地基處理。本工程場地土具有強腐蝕性，同時距離現狀管道較近，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，承臺底部設置2 根直徑600mm 灌注樁，樁長25m，單樁承載力特征值600kN。

5.3 轉彎處支墩設計

架管在轉彎處，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彎處管道內水壓力產生的拉力，為避免拉力造成管道脫節的現象，應在轉角處設置止推裝置。以α=45°轉角為例，管道轉彎處內水壓力產生的推力為：

式中，FWD為管道內水壓力設計值；S為管道截面面積。

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

5.4 管道驗算

圖2 轉彎處支墩布置圖

管道壁厚取值22mm 時，根據CECS 214—2006《自承式給水鋼管跨越結構設計規程》[5]計算所得，內水壓力下管壁的環向拉力N=880.74kN/m，管道彎矩最大值M=2070.78kN·m，支承處管壁環向最大彎矩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。管壁環向拉應力σθ由2 部分組成：（1）內水壓力產生環向拉應力σθ1；（2）鋼管支承處的環向彎曲應力σθ2。管壁縱向拉應力σx由4 部分組成：（1）豎向作用下產生的彎曲應力σx1；（2）管內水壓沿軸向產生的縱向應力σx2；（3）溫度作用下產生的溫度應力σx3；（4）管與支座摩擦產生的摩擦應力σx4。

由于設置伸縮接頭，所以：

管壁截面最大剪應力：

鋼管管壁的截面最大組合折算應力為：

架管管道應力1.1×150.43=165.47MPa＜215MPa，滿足管材自身強度要求；架管管道應力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DGJ32/TJ 208—2016《巖土工程勘察規范》[6]和CJJ 56—2012《市政工程勘察規范》[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，雖不便進行管道安全監測，但直埋管道配件較少，發生故障概率較低，養護檢修時間較少。遠期如需擴建改遷相對方便，對其他工程影響較小。管道埋于規劃綠化帶內，不影響景觀設計，由于覆土較深，上部種植植物可選擇性多。管道在綠化帶區域有埋地現狀管線等障礙物，埋地施工可根據施工現場情況，設置轉彎接頭進行合理避讓，對工期影響較小。軟土地區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，在避讓現狀構筑物時，管線有一定轉角，需要額外設置轉彎支墩。管道架空更容易受到溫度應力影響，沿線需設置伸縮接頭，其使用年限通常為20a，同時造價較高。根據CJJ 56—2012《市政工程勘察規范》，每個樁承臺處需布置勘察孔點，同時孔深應進入樁持力層并滿足勘察規范深度，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，一般3～5a 重新刷漆，綜合來看運營維護成本較高。架空管遠期難以遷改，其他管線在此架空范圍內無法施工，同時如遠期綠化施工回填土時，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 結語

直埋管是最常用的管道敷設方式，架管一般是用于跨越天然或人工障礙的管道明敷方式。對軟土地區直埋管和架管2種管道敷設方案進行了結構計算分析，對2 種方案各自優缺點進行了詳細分析，并從工程勘察、施工難易程度、施工工期、施工措施費、伸縮接頭設置、管線連通、管線避讓、景觀、管道養護、遠期改擴建、造價等方面對2 方案進行了對比分析，對類似工程管道建設設計和敷設方式的選擇具有一定的借鑒意義。