Civil 3D在JK输水管线工程施工组织设计中的应用

惠 康

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

JK输水管线工程是解决沿途工业、城市及小城镇用水要求的一项长距离调水工程。管道设计流量为16.7 m3/s。工程主要建筑物包括:引水隧洞、输水管道、附属建筑物、交叉建筑物、尾部调节水库及防洪建筑物等。

其中输水管线桩号23+215～33+571 段，位于湖积台地，地势南高北低，地面高程649.0～614.6 m，地形起伏，垂直管线方向大小冲洪沟极发育，沟深5～25 m，宽20～200 m 不等，冲沟间距30～50 m，沟内平时无水，地表有稀疏的低矮植被。管线呈北西向南东向展布，沿线为第四系上更新统湖积（Q3l）含土中细砂。

该段管线穿越的地貌单元及地层岩性较复杂，采用常规施工方法，将对沿线环境造成破坏，为实现管线的施工，将产生大量的临时征地，破坏生态环境。为在施工过程中减少占地和破坏自然环境，便于运行期管线维护检修，需提出便于管线施工结合运行期运行维护的设计方案[1～3]，继而根据施工组织设计，探究管沟开挖及管道安装的方案，经比选提出管沟结合道路一体开挖成形的施工方法。

本文通过运行Civil 3D 软件，拟合管线平面纵断面设计线结合横断面装配，得出以地形为基础的管沟道路开挖曲面，通过三维视图功能，实现了施工组织设计理念。研究得出的管沟与道路开挖结合的设计横断面装配方案，施工简单快捷；运用软件自带三维视图程序[4～6]，通过总体布置结合地形条件相对位置关系观察，可直观判别设计优化方向。

2 施工方法

管线施工段地形起伏较大，为减少管道开挖量，管道纵坡基本沿鸡爪子地起伏趋势设计，管道纵坡较大且变化较多。根据管道纵断面布置特性，若管底设计纵坡大于10%，将导致道路纵坡过大，无法满足通行要求；为结合考虑冲沟行洪要求，当冲沟处道路高程与沟底高程相近时，道路布置与管道布置需综合考虑。

伴行道路为便于施工及运行期管道检修及维护，将伴行公路放入管沟内，与管线开挖结合布置；为减少管道开挖量，防止出现二次开挖，设计采用管沟开挖结合施工道路布置的方式，并保证道路全线畅通，满足运行管理要求。

2.1 沿线地形地质

输水管线经过的地区地处欧亚大陆，远离海洋，为典型的大陆性温带气候，该区域为天山南缘地区，主要气候特征为:气候温和、光热充足、干旱少雨，蒸发量大，冬夏长，春秋短，夏季少酷暑，冬季多严寒，气温年较差和日较差大。

多年平均气温在6.6～7.3℃间，多年平均降水量在100～200 mm之间，蒸发量1500～1700 mm，多年平均风速2 m/s，最大风速20～24 m/s，风向W～NW，最大积雪深度20～40 cm，最大冻土深度137～140 cm。

管线沿线前段地形高低起伏较大，而后段地形高低起伏不大，管线基本沿地面线布置，局部过冲洪沟处有大挖方，其中最大开挖深度约50 m。管道管径3.4～3.0 m，管线采用埋填方式，开挖边坡1∶0.5～1∶1。沟底铺设20 cm厚的砂垫层，管腔四周至管顶50 cm 以内采用细粒土分层回填，每层厚度不大于200 mm，管顶50 cm 以上至管顶1.8 m，采用开挖土回填。

2.2 施工交通布置

由于地形起伏较大，为减少管道开挖量，管道纵坡基本沿鸡爪子地起伏趋势设计，管道纵坡较大且变化较多。为便于施工期管道安装，运行期管道检修及维护，将伴行公路与管道开挖相结合，在管沟开挖范围布置道路，与管道相邻平行布置。为配合道路布置，管道纵坡均不大于10%。

2.3 管道吊装方案

为实现施工管道的交通任务，本文分别拟定了3个方案进行施工方法比选。方案一采用将管沟宽度加宽的施工方案，选用400 t履带吊进宽沟底部进行吊装；方案二将管沟开挖分为两期进行，一期预留满足400 t 履带吊作业的宽度将变更段管沟全线贯通，后期通过管沟的二次开挖与管道安装交叉进行；方案三采用管沟开挖与道路结合的方式，一体开挖成形。

（1）方案一管道施工工序为管沟开挖→管道运输→管道吊装。为满足管道运输及吊装的施工场地要求，需将管沟底宽加宽至13.0 m，满足吊装要求，管沟开挖横断面吊装示意图见图1。管道最大吊装重量为54 t，采用400 t履带吊时吊车最大安装管道数量为4节，管沟开挖纵断面吊装示意图见图2。

图1 方案一管道横断面吊装示意图

图2 方案一管道纵断面吊装示意图

（2）方案二管道施工工序为管沟开挖→管道运输→管道二次开挖→管道吊装；该方案施工管沟开挖与管道安装交互进行。管道沟槽一期开挖深度为3.4 m，二期开挖深度为4.6 m，管沟开挖横断面吊装示意图见图3。采用400 t 履带吊时吊车最大安装管道数量为3 节，每3 节管道开挖及吊装需调换一次，管沟开挖纵断面吊装示意图见图4。

图3 方案二管道横断面吊装示意图

图4 方案二管道纵断面吊装示意图

（3）方案三采用管沟开挖与伴行道路一体开挖的型式，按照履带吊的工作范围，将施工平台与伴行公路同时考虑，用于满足履带吊安装的需求，管沟开挖横断面吊装示意图见图5。由于吊装设备自身回转半径及工作范围的要求，吊装平台与管沟底部高差不应大于8 m。

经对比，方案一、二均在管沟内安装管道，伴行公路总宽6～7 m。通过工程量比选，方案一整体开挖量最大，方案二整体开挖量小，但存在施工工序繁杂，干扰大，施工机械设备使用效率低，进度慢等缺点；方案三在伴行公路上安装管道，伴行公路总宽12.34 ～13.34 m，开挖量介于方案一及方案二之间，施工最便利、进度最快。经造价对比，方案三比方案二直接费多约420 万元，增加幅度约为0.5%，因而推荐方案三为施工方案。

图5 方案三管道横断面吊装示意图

3 施工交通布置

3.1 施工道路宽度

管道内径3400 mm，管节长度为5 m，估算单节管安装重量约54 t。土质管沟开挖边坡1∶0.75，沟深8.0 m，沟边考虑2.0 m安全距离不得有外荷载；岩石管沟开挖边坡1∶0.35，沟深8.0 m，沟边考虑1.0 m安全距离不得有外荷载。根据施工要求，满足本工程安装履带吊吨位不小于250 t。

管道运输车可将PCCP管沿管槽内伴行公路直接运至安装地点，用履带吊直接安装或卸到伴行路边临时堆存。参照神钢CKE2500 型250 t 履带式起重机工作参数拟定满足安装要求所需的管槽伴行公路宽度，土质管沟公路宽度为12.2 m，岩石管沟公路宽度为11 m。将成品管运至伴行路边临时堆存，同时考虑7 m的道路宽度以及管沟边一定的安全距离，管沟伴行公路宽度取13.34 m。

3.2 施工道路标准

输水管道永久伴行道路在工程施工期作为施工道路，运行期承担管线运行管理及检修的交通路。结合道路的使用功能和工程需要，道路分期施工，输水管道施工期只做路基。工程施工期道路挖方段与管沟开挖结合施工，道路置于管沟挖方第一级马道，道路路基宽度为13.34 m。工程运行期道路采用4.5 m 宽路基单车道设计，待输水管道施工完毕后道路再增加级配砾石面层和永久排洪建筑物。

伴行道路路线采用《水利水电施工组织设计规范》（SL303-2017）场内三级道路标准，设计车速20 km/h，桥涵设计荷载为公路-Ⅱ级。道路分期施工，施工期断面组成为:路基挖方宽度13.34 m。工程运行期伴行道路路基断面组成:0.5 m路肩+3.5 m行车道+0.5 m 路肩，横断面采用直线型路拱，路拱横坡度2.0%，路肩横坡3.0%。伴行道路运行期路面结构为一层:200 mm级配砾石面层。

3.3 三维结合开挖设计

采用Civil 3D 软件自带程序设计工具，首先创建地形曲面，将地形图中的等高线及高程点进行赋值，生成带有高程数据信息的地形曲面，作为路线设计基础[7，8]。其次，以现场勘测所得路线为管道中心线，制定管道平面中心线，采用Civil 3D软件菜单路线创建工具，选择路线创建方式为从路线创建平面线，得到初始管线平面中心线。再次以管道中心线剖切地形，取得管道中心线纵断面地形高程线，采用软件菜单纵断面图，创建以管道中心线为基准线，剖切地面线所得原始地面高程纵断面图。为同时满足管道开挖、安装及伴行道路的功能，管道纵断面设计线纵坡坡度不大于10%；以此为纵断面设计限制条件，拟定管道中心线纵断面设计线。

为实现管沟开挖结合施工道路布置的方式，并保证道路全线畅通，满足施工、运行要求，需通过管线开挖横断面设计将管沟与道路相结合。根据施工方案分析，道路布置高程需置于距离管沟底高程8 m 位置，即管沟底部开挖纵断面设计线跨越冲沟地形时，开挖深度控制开挖深度为8 m；通过道路与管沟相对高度8 m，实现冲沟排洪要求。

图6 管沟开挖典型横断面图

管道与道路全线以挖方为主，局部跨越冲沟断面，出现少量填方。管线与道路结合标准横断面图见图6，管沟开挖底部与道路路面高差为8 m，施工期道路宽度采用13.34 m，运行期宽度4.5 m。

将管线平面中心线、管沟底开挖高程设计线与管沟道路开挖标准横断面装配相结合，运用Civil 3D软件道路创建功能，拟合纵横断面后根据地形曲面创建管沟道路结合开挖道路[9，10]。采用道路曲面生成命令，以横断面装配各部件组合，结合边坡与地形曲面接触面，创建以地形为基准的管沟开挖曲面（见图7）。由图7可看出，根据管沟开挖方案，管沟及道路沿线大部分为挖方路基，实现了管沟与道路结合的管道及道路设计。

图7 道路结合管道吊装开挖图

4 结语

本文以JK 输水管线工程的输水管线为研究对象，为实现管沟开挖结合道路的设计理念，运用Civ⁃il 3D软件实现动态三维设计、一体化流程的软件功能，实现了管沟结合道路开挖的设计；软件三维视图功能，可直观观察成果并发现可优化方向，设计成果为后期设计成果展示，施工图指导提供了参考依据。可直接运用于工程出图，提高了设计工作效率，证实了Civil 3D软件可更轻松、更高效地探索设计方案。