软土地区直埋管与架管方案设计及对比分析

何剑平，李威，郑建建

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海200092；2.上海水业设计工程有限公司，上海200092）

1 引言

直埋管作为一种最常用的管道敷设方式，广泛应用于全国各地。直埋管管道为成品管道，现场安装，施工进度快，可节省工程投资费用。不过，直埋也存在一些不足之处，如道路频繁开挖、维护不便等[1]。

架管是采用桩基或墩台架空管道跨越河道、湖泊、海域、铁路、公路、山谷等天然或人工障碍的管道明敷方式[2]，主要利用管道自身的承载能力抵抗外部荷载作用。

本文以连云港某管线工程作为实例，对软土地区直埋管与架管2 种方案进行设计及综合对比分析，为软土地区管道敷设方式比选提供参考。

2 工程背景

连云港某管线工程为1 根DN1400mm 钢管，管线长度4.5km，管线沿现状道路绿化带敷设，区域内现状管线种类繁多。结合管线功能要求、管道线路埋深、水文地质条件，从技术、经济、工期、环境影响等方面进行综合比较。

3 工程地质条件

①层填土；②层黏土黏聚力C=24.1kPa，内摩擦角φ=9.2°；③层淤泥C=7.6kPa，φ=1.7°；④-1 层粉砂夹粉土C=28.1kPa，φ=8.6°；④-2 层粉质黏土C=27.8kPa，φ=10.6°。管道基础主要落于③层淤泥土层，淤泥厚度为10m 左右，强度低，压缩性高。

4 直埋管方案设计

图1 DN1400mm管道开挖断面图

4.1 管槽开挖宽度

管槽底部的开挖宽度根据管道形式、管径大小及支护形式综合确定。

式中，B为管道沟槽底部的开挖宽度，mm；D1为管道外径，mm；b1为管道一侧的工作面宽度，mm；b2为管道一侧的支撑宽度。

经计算，开挖宽度为3m。

4.2 管槽开挖深度

管槽开挖深度根据管道形式、管径大小、管道抗浮覆土厚度、管道所处环境、施工条件以及规划部门要求等因素综合确定，在满足技术与实施条件的前提下尽量减少管道埋深，控制工程投资。

式中，H为管道开挖深度，mm；D1为管道外径，mm；h1为管顶覆土厚度；h2为管道基础高度；h3为当管道基础下换填土厚度。

经计算，开挖宽度为3.2m。

4.3 管槽地基加固

根据连云港当地原DN1200mm 埋管工程竣工资料及GB 50332—2002《给水排水工程管道结构设计规范》[3]，本工程DN1400mm 管道落于淤泥层，底部中粗砂层下部采用80cm抛石挤淤方式进行地基处理，以减少管道的不均匀沉降，保证管道的稳定性。

4.4 开挖断面

根据场地地质及11SG814《建筑基坑支护结构构造》[4]，若采用放坡开挖，放坡坡率达1∶2.5。由于管道沿线已有通信管道、排水管道、高压电缆基础等，大部分不具备放坡开挖条件。故本工程大部分采用钢板桩支护开挖方式，局部施工条件较好时，可采用放坡开挖（见图1）。

4.5 管道验算

DN1400mm 管道壁厚14mm（已考虑50a 2mm 总腐蚀量，取12mm 进行计算）。经计算，有内水压力时，管壁截面最大弯矩：M=2524.6N·mm，管壁截面最大拉力N=615N。无内水压力时，管壁截面最大弯矩：M=3267.6N·mm。

有内水压管壁环向应力：

无内水压管壁环向应力：

管壁最大纵向应力：

管壁最小纵向应力：

管壁最大组合折算应力：

埋管管道应力应满足下列2 个计算公式：

式中，b为计算宽度；t为管道计算壁厚；υ 为钢材泊松比；φ 为温度应力折减系数；α 为线膨胀系数；EP为钢材弹性模量；ΔT为钢管的闭合温差；μ 为折算系数；γ 为重要性系数；σ 为应力设计值。

计算可知，管道满足强度要求；管道最大竖向变形值20mm＜0.025×1420=36mm，满足刚度要求；管道抗浮稳定计算值1.15＞1.10，满足抗浮稳定要求；管壁稳定系数0.214＜0.793，满足管壁稳定要求。

5 架管方案设计

5.1 伸缩接头的设置

为了解决连续管道的应力、变形问题，需设置伸缩接头。伸缩接头将连续管道分成多个管段，通过伸缩接头变形抵消管道温度变形产生的较大纵向推力和管道纵向应力，由公式（10）可知，管道纵向应力标准值已占到约1/3 管材总应力。实际运行中自承式管道易在伸缩补偿器位置出现损坏，为了保证管道的耐久性，应尽可能少设置补偿器。连云港地区管道闭合温差±30°，钢管材料线膨胀系数1.2×10-5℃-1，伸缩接头变形最大值60mm。经计算，每隔约165m 设一处伸缩接头方可满足管道伸缩变形要求。

温度作用下管道纵向温度应力标准值：

5.2 承台桩基设计

架管承台主要承受钢管自重、管道内水自重、内水压力产生的推力、施工安装、管道真空压力等荷载。

由于承台底落于淤泥层，地基承载力和沉降不能满足规范要求，需进行地基处理。本工程场地土具有强腐蚀性，同时距离现状管道较近，故桩基选用灌注桩，桩承台按20m 间距布置，考虑到上部管道偏心作用及竖向荷载作用影响，承台底部设置2 根直径600mm 灌注桩，桩长25m，单桩承载力特征值600kN。

5.3 转弯处支墩设计

架管在转弯处，由于周边无地基土包裹，故无法利用周边地基土和管道之间的摩阻力来抵抗转弯处管道内水压力产生的拉力，为避免拉力造成管道脱节的现象，应在转角处设置止推装置。以α=45°转角为例，管道转弯处内水压力产生的推力为：

式中，FWD为管道内水压力设计值；S为管道截面面积。

转弯支墩处单根灌注桩承受水平推力为41kN，故在支墩处需设置10 根灌注桩来抵抗该推力，才能确保支墩的稳定性，转弯处支墩布置如图2 所示。

5.4 管道验算

图2 转弯处支墩布置图

管道壁厚取值22mm 时，根据CECS 214—2006《自承式给水钢管跨越结构设计规程》[5]计算所得，内水压力下管壁的环向拉力N=880.74kN/m，管道弯矩最大值M=2070.78kN·m，支承处管壁环向最大弯矩Mθ=13.593kN·m，管道剪力最大值V=593.49kN，支座处竖向反力值R=1111.19kN，鞍式支座截面抵抗矩Wr=106754mm3，钢管截面抵抗矩W=31159298mm3。管壁环向拉应力σθ由2 部分组成：（1）内水压力产生环向拉应力σθ1；（2）钢管支承处的环向弯曲应力σθ2。管壁纵向拉应力σx由4 部分组成：（1）竖向作用下产生的弯曲应力σx1；（2）管内水压沿轴向产生的纵向应力σx2；（3）温度作用下产生的温度应力σx3；（4）管与支座摩擦产生的摩擦应力σx4。

由于设置伸缩接头，所以：

管壁截面最大剪应力：

钢管管壁的截面最大组合折算应力为：

架管管道应力1.1×150.43=165.47MPa＜215MPa，满足管材自身强度要求；架管管道应力1.1×150.43=165.47MPa＜215×0.9=193.50MPa，满足管道焊缝强度要求；管道挠度17.71mm＜80mm，满足挠度要求。

6 直埋管方案与架管方案对比分析

直埋管在与管道连通时施工难度较低，施工工艺简单。根据DGJ32/TJ 208—2016《岩土工程勘察规范》[6]和CJJ 56—2012《市政工程勘察规范》[7]，管道直埋段需每隔100～150m 布置勘察孔点，每处勘察孔点深度约10m，勘察工程量和费用较小。管道埋地，虽不便进行管道安全监测，但直埋管道配件较少，发生故障概率较低，养护检修时间较少。远期如需扩建改迁相对方便，对其他工程影响较小。管道埋于规划绿化带内，不影响景观设计，由于覆土较深，上部种植植物可选择性多。管道在绿化带区域有埋地现状管线等障碍物，埋地施工可根据施工现场情况，设置转弯接头进行合理避让，对工期影响较小。软土地区直埋管方案需抛石挤淤，回填中粗砂，同时考虑回填土方、基坑支护等，故施工措施费用较高。

架管方案与管道连通时施工较麻烦，需要在连接点处特殊处理，在避让现状构筑物时，管线有一定转角，需要额外设置转弯支墩。管道架空更容易受到温度应力影响，沿线需设置伸缩接头，其使用年限通常为20a，同时造价较高。根据CJJ 56—2012《市政工程勘察规范》，每个桩承台处需布置勘察孔点，同时孔深应进入桩持力层并满足勘察规范深度，勘察工程量和费用较大。管道架空便于观察维修，但影响城市景观，同时管道管配件较多，长期暴露在外，故障率高，外防腐需定期维护，一般3～5a 重新刷漆，综合来看运营维护成本较高。架空管远期难以迁改，其他管线在此架空范围内无法施工，同时如远期绿化施工回填土时，需注意回填方式，不可将土直接压在管道上。

直埋管与架管方案对比详见表1。

表1 直埋管与架管方案对比表

7 结语

直埋管是最常用的管道敷设方式，架管一般是用于跨越天然或人工障碍的管道明敷方式。对软土地区直埋管和架管2种管道敷设方案进行了结构计算分析，对2 种方案各自优缺点进行了详细分析，并从工程勘察、施工难易程度、施工工期、施工措施费、伸缩接头设置、管线连通、管线避让、景观、管道养护、远期改扩建、造价等方面对2 方案进行了对比分析，对类似工程管道建设设计和敷设方式的选择具有一定的借鉴意义。