滩涂区大口径柔性管道基础及回填设计浅析

徐震 孔维耀

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092

引言

为满足现代工业生产及城市建设中运输、通信及交通等需求，需敷设地下管道进行能源输送、给水排水、缆线装纳等。地下管道常需穿越沼泽、河塘、出海口附近的软土地基，而软土地基条件差，管道的基础设计和回填质量尤为关键，一旦管道结构发生破坏［1，2］，不仅影响工程安全运行，也会引发严重的次生灾害（如爆炸、污染物泄露等），造成城市瘫痪。

本文以某排水管道工程为例，分析阐述了滩涂区大口径柔性管道基础及回填的设计与应用，为类似管道工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

上海市某污水处理厂永久排放管工程，总长度约7.44km，以高位井为界分为陆域部分和水域部分，陆域部分由三段组成，分别为主江堤内开挖段、顶管穿主江堤段、主江堤外开挖段。其中，主江堤外开挖段位于新吹填的滩涂区内，总长度为3.25km，见图1。

图1 主江堤外开挖段排放管平面布置示意Fig.1 Plane layout of discharge pipe in excavation section outside main river embankment

该段排放管为2根DN2400，采用耐腐蚀性能较好的离心浇筑球墨铸铁管，管中心距为4.40m，管道内底标高为-4.40m～-6.40m，管顶覆土为6.95m～8.95m，管道典型断面见图2。

图2 管道基础结构断面Fig.2 Section of pipe foundation structure

本工程所在场地属潮坪地貌类型，根据地勘报告，管道开挖深度及影响深度范围内土层的有关参数见表1。拟建场地浅部地下水属潜水类型，年平均地下水水位埋深离地表面0.1m～1.6m。根据水文地质勘查资料及勘察报告，⑦层为承压含水层。

表1 土层物理力学指标Tab.1 Computation parameters of soil

2 管道基础设计

按照规划，该段管道所在的滩涂区为应急渣土消纳区，待排放管施工完成后会不断进行大面积渣土回填，回填的高度近3.0m，DN2400的管道口径较大，而渣土回填的范围、时间、高度等因素均不确定，会导致管道完工后发生较大的不均匀沉降，从而引起管道发生结构性破坏。如考虑管道采用顶管方式施工，则管道至少需埋设在压缩模量很大的土层中，否则仍会产生较大的不均匀沉降，从安全性和经济性角度考虑，顶管方式不适宜本段管道工程。

若采用传统大开挖埋管方式施工（简称“直埋”），双管共沟槽，人工土弧基础，沟槽两侧按照规范要求进行回填，根据《给水排水工程埋地铸铁管管道结构设计规程》（CECS142：2002）［3］及《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB 50268—2008）［4］，计算结果见表2。由表2可知，按照规范［4］进行设计，管道的竖向直径变形率（＞2%）和管道环向弯曲拉应力（大于抗拉强度）均不能满足规范［4］要求。同时，后期的渣土堆载引起管道的沉降量大，且堆载的随意性势必造成较大的不均匀沉降，直接影响日后的正常使用。

基于滩涂淤泥软基和日后堆载的特点，需要对埋管进行特殊处理，方能满足规范［4］要求的强度、刚度和沉降要求，设计中采用了管槽基础＋桩基的结构形式（简称“管槽”）。管槽净宽8.40m，净高3.70m，壁厚0.50m，底板厚0.60m，内部埋设管道，管道四周回填中粗砂；为了防止管道由于完工后大面积回填土导致不均匀沉降，管槽基础下设置桩基，用于承载上部回填渣土的荷载。同样，按照规范［3］进行管道结构计算，其中，管侧回填土压实系数按95%取用，沟槽两侧原状土可以认为是管槽基础，刚度较大。如表2所示，管道竖向直径变形率为1.30%（＜2.0%）、管道环向弯曲拉应力（小于抗拉强度）均能满足规范［4］要求。

表2 管道结构计算结果Tab.2 Calculation results of pipeline structure

3 管槽基础回填设计

3.1 回填参数确定

规范［3］针对球墨铸铁管在准永久组合作用下的最大竖向变形给出了具体算法，管道基础是人工土弧基础，表2中管道竖向变形均是基于该前提条件下计算所得，但本段管道采用的是管槽基础＋桩基的基础形式，规范［3］中的算法不能完全匹配该种基础形式。混凝土管槽的刚性约束区别于埋地管的土层约束，管底的回填厚度和槽内不同区域的回填密实度是影响管道受力和变形的控制性指标。借助有限元方法，建立数值模型来模拟柔性管道管槽回填，分析管道的变形和受力特性，确定合适的回填参数。

管槽回填基底厚度和分区回填示意如图3所示。其中，h为管底回填厚度，根据经验，h不宜小于200mm，A区为管道基础范围，B区为管道两侧范围，C区为管顶以上500mm管道两侧范围，D区为管顶以上500mm管道上部范围，均采用中粗砂回填，基础中心角为120°。方案选取了不同基底厚度和区域密实度，组成多组对比，见表3。

1.计算模型的建立

本工程采用Plaxis2D软件进行模拟计算，土体采用M-C本构模型，总应力指标、土层信息见表1。管道、管槽和桩基采用线弹性本构。荷载采用线性均布荷载。对管道的开挖、埋设和沟槽回填的施工过程进行模拟，共分为4个施工步骤：

（1）建立模型，划分网格，赋予材料属性，加入桩基，初始地应力平衡；

（2）沟槽开挖，加入管槽基础和A区回填土；

（3）加入管道和B、C、D区回填土，并回填至管顶以上500mm；

（4）加入后期回填渣土（以超载形式），模型计算域为50m×20m，平面应变模型，分析模型的竖向底部采用全自由度约束，侧面采用侧向约束。

2.计算结果分析

针对表3中的不同回填方案，分别进行了有限元数值模拟，计算模型均一致，仅A～D四个回填区域的压实系数不同，体现为模型参数压缩模量不同，其中：压实系数95%的压缩模量为7MPa，压实系数90%的压缩模量为5MPa，压实系数85%的压缩模量为3MPa。各个方案的主要计算结果见表3，图5为方案1-1的有限元数值计算结果。

图4 方案1-1有限元计算结果Fig.4 Scheme1-1finite element calculation results

根据计算结果可以得到：

（1）各个方案均能满足规范［4］要求，管道竖向直径变形率有限元计算值约为规范［3］法计算值的0.4倍，管道竖向直径变形率与管道四周回填土的压缩模量有很大关系，规范［3］建议值偏保守；

（2）管槽中柔性管道管底回填厚度（h）一般不宜小于200mm，管槽基础刚度较大，而柔性管道刚度较小，当管道与管槽之间回填土变薄时，虽然管道竖向变形极值均有减小，但管道竖向直径变形率增大，最大弯矩和最大拉应力亦增大，容易出现应力集中现象，从而导致管道破坏；

（3）管槽中柔性管道管底回填厚度可以取管径的0.2倍，当回填厚度大于0.2倍管径，随着回填厚度增加，管道竖向变形极值均呈增加趋势，管道竖向直径变形率也会增大，最大弯矩和最大拉应力亦会增大，同时，管道沟槽的挖深也增大，经济性也变差了；

（4）管槽中柔性管道基础、两侧和管顶以上范围（图3中A～D区）的压实系数越高，对管道的变形和受力越有利，但与一般柔性管道沟槽回填不一样的是，管顶以上500mm管道上部范围的压实系数宜和两侧保持一致。

3.2 管槽回填方案

根据计算结果分析，针对本工程管槽的回填可以按照设计要求进行：1）管道基础范围（A区）采用中粗砂回填，压实系数95%，管底回填厚度500mm；2）管道基础中心角取120°；3）管道两侧范围（B区）采用中粗砂回填，压实系数95%，分层回填密实，压实后每层厚度100mm～200mm；4）管顶以上500mm范围（C区和D区）采用中粗砂回填，最大颗粒径小于40mm，压实系数90%，为保证受力均匀，上覆200mm厚钢筋混凝土板；5）采用素土回填，压实系数不小于90%或按道路要求。

4 结语

通过分析，提出了一种适用于滩涂区大口径柔性管道的管槽基础，解决软基后期堆载管道敷设难题。经过多参数计算分析，并与《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268—2008）进行了对比，总结了管槽基础各个分区范围的回填要求，为类似管道工程提供借鉴和参考。