市政工程管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

姜　濤

(上海市同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上?！?00092)

1　概述

市政管道分為給水管道和排水管道，前者包括輸送原水的管道，輸送經(jīng)污水處理廠處理后可用于澆灑道路、綠化、洗車和廁所沖洗水的中水管道等。后者包括輸送未經(jīng)處理或初步處理的生活、生產(chǎn)污水管道，輸送截流雨水的雨水管道和雨污合流管道。

城鎮(zhèn)的給水、排水管道一般采用埋地敷設(shè)，不占用地面空間。因水體溫度和環(huán)境溫度產(chǎn)生的溫差會(huì)使得管道產(chǎn)生縱向變形，除采用伸縮節(jié)、滑動(dòng)支座和保溫層外，一般也會(huì)要求輸送水體的溫度不大于40 ℃。

給水管道需要連接到民用、工用和公共設(shè)施的進(jìn)水點(diǎn)，一般采用壓力流管道系統(tǒng)，工作壓力一般不小于0.5 MPa。排水管道考慮到節(jié)能和排放污水需要，一般采用重力流管道系統(tǒng)，遇到出口高程不能自流排放，則設(shè)置加壓泵站提升水頭。

管材的確定需要根據(jù)管道用途、埋置深度、抗震要求、地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等情況進(jìn)行綜合考慮。目前給水排水管道形式主要有鑄鐵管、鋼筋混凝土管、鋼管、塑料管和其他復(fù)合結(jié)構(gòu)管材。

管道的連接接頭是管道系統(tǒng)的主要組成部分，壓力管道在方向轉(zhuǎn)變處、支管與主管連接處必須采用彎管、三通和四通等接頭，不同管材間連接處也需采用相應(yīng)接頭。接頭必須達(dá)到與管材同樣的對(duì)外荷載支撐強(qiáng)度，并達(dá)到不低于0.5 MPa內(nèi)壓的抗?jié)B要求。

管道接頭從性能上有剛性接頭和柔性接頭兩種形式。剛性接頭屬于固接連接，相鄰管端不能產(chǎn)生轉(zhuǎn)角和伸縮。柔性結(jié)構(gòu)屬于可動(dòng)連接，相鄰管端可有小量的轉(zhuǎn)角和伸縮。一般的連接形式有：對(duì)接連接(如鋼管的焊接連接和塑料管的熱熔連接)、套筒連接、承插連接、卡箍連接和法蘭連接。

2　埋地管道結(jié)構(gòu)的分類

埋地管道根據(jù)是否由管、土共同作用支撐管頂荷載分為剛性管和柔性管。前者管腔結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的彎矩、剪力等由管道自身的強(qiáng)度和剛度承擔(dān)，管頂處的最大變形不大于1%。后者管頂處的變形大，管道產(chǎn)生橫向變形，需要管腔兩側(cè)的土體產(chǎn)生抗力來(lái)平衡管頂荷載。

在GB 50332給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)埋地圓形管道，規(guī)定了按管道結(jié)構(gòu)剛度及管周土體剛度的比值來(lái)判別屬于剛性管還是柔性管，實(shí)際管道設(shè)計(jì)中通常按管材材質(zhì)確定。劃為剛性管的管材包括：水泥管、陶土管、鋼筋混凝土管和鑄鐵管；劃為柔性管的管材包括：鋼管、塑料管。

重力流管道系統(tǒng)的管材需要承擔(dān)外側(cè)土壓和地面荷載，壓力管道系統(tǒng)的管材還需承擔(dān)內(nèi)側(cè)水壓，為此管道必須有足夠的強(qiáng)度來(lái)抵抗作用其上的內(nèi)外荷載。剛性管管材的支承強(qiáng)度采用3點(diǎn)法試驗(yàn)確定，實(shí)際測(cè)量的是管環(huán)的抗彎強(qiáng)度；柔性管管材以環(huán)剛度來(lái)反映管、土共同作用。廠家說(shuō)明書(shū)一般也會(huì)給出管材相應(yīng)的容許覆土深度和荷載標(biāo)準(zhǔn)。

壓力管道管材必須提供管材的公稱壓力指標(biāo)，它是管材系統(tǒng)長(zhǎng)期內(nèi)水壓力下許可應(yīng)用的額定指標(biāo)。例如PE管的出廠試驗(yàn)壓力必須大于1.5 PN，預(yù)應(yīng)力混凝土的出廠試驗(yàn)壓力必須達(dá)到1.5 PN～2 PN(根據(jù)管徑大小而不同)。

3　埋地管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

埋地管道的設(shè)計(jì)必須根據(jù)埋設(shè)場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件、埋設(shè)方法(開(kāi)槽敷設(shè)、頂管、拖拉和沉管等)、管材材質(zhì)和管槽回填土密實(shí)度等多種因素確定。

開(kāi)槽敷設(shè)管道一般采用土弧基礎(chǔ)，管道基礎(chǔ)層及管底腋角部位必須用中粗砂或級(jí)配砂石回填密實(shí)。在管道腋角部位以下，剛性管和柔性管對(duì)回填土的密實(shí)度要求是一樣的，基礎(chǔ)層壓實(shí)系數(shù)要求85%～90%，腋角部位壓實(shí)系數(shù)要求95%。管底基礎(chǔ)層密實(shí)度要求比腋角部位小一些，是為了管道埋設(shè)后管底可以壓入基礎(chǔ)層形成計(jì)算時(shí)假設(shè)的支承角。管側(cè)回填土密實(shí)度，對(duì)剛性管和柔性管則有不同的密實(shí)度的要求。一般情況下，剛性管壓實(shí)系數(shù)要求90%，柔性管壓實(shí)系數(shù)要求95%。

對(duì)不開(kāi)槽(頂管、拖拉等)施工形成的土弧基礎(chǔ)是在原狀土中形成的，施工過(guò)程中要盡量減少對(duì)其的擾動(dòng)。

對(duì)剛性管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般進(jìn)行強(qiáng)度和裂縫計(jì)算，采用均布外部荷載簡(jiǎn)化圖形。對(duì)柔性管道一般進(jìn)行強(qiáng)度和變形計(jì)算，采用斯氏公式。

對(duì)于埋設(shè)于河底、岸邊的管道，應(yīng)保證管頂覆土高度滿足抗浮要求，并按要求分層壓實(shí)，做好防沖刷措施。覆土高度不滿足時(shí)，應(yīng)配置混凝土配重塊或包封處理。在管道使用期間，由管理部門派人定期巡視，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)補(bǔ)救。

管道連接采用柔性連接，可增強(qiáng)管道的變形能力和抗震能力。管道連接采用剛性連接，可通過(guò)管道自身強(qiáng)度和周邊土摩擦力抵抗內(nèi)壓在轉(zhuǎn)向處引起的變形?？筛鶕?jù)實(shí)際情況靈活選擇管道連接方式，如管線穿越建筑物時(shí)，在設(shè)置套管的同時(shí)采用柔性連接；管道不得不與墻體嵌固時(shí)，在墻外設(shè)置柔性接頭等。

對(duì)落差大的管段，管道工藝專業(yè)應(yīng)采取管內(nèi)、管外耗能措施，否則需判斷管內(nèi)是否存在滿水和超高水頭情況，進(jìn)而確定設(shè)計(jì)壓力，進(jìn)行相應(yīng)支墩和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

4　管材詳述

4.1　鋼管

給水排水工程管道使用的鋼管，要求強(qiáng)度等級(jí)不低于Q235，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)符合現(xiàn)行《碳素結(jié)構(gòu)鋼》和《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定的要求，并宜采用鎮(zhèn)靜鋼。一般采用焊接連接和法蘭連接。鋼管的焊接材料應(yīng)符合以下要求：焊條質(zhì)量符合現(xiàn)行《碳鋼焊條》和《低合金鋼焊條》規(guī)定的要求；選用的焊絲和焊劑應(yīng)當(dāng)與鋼管管材力學(xué)性能相適應(yīng)。管道內(nèi)外防腐材料可采用水泥砂漿和涂料，輸送飲用水的給水管道的內(nèi)防腐材料必須符合有關(guān)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，確保對(duì)人體無(wú)害。

4.2　預(yù)應(yīng)力混凝土管

預(yù)應(yīng)力混凝土管按成型工藝可分為：管芯纏絲預(yù)應(yīng)力混凝土管、振動(dòng)擠壓預(yù)應(yīng)力混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管。一般采用膠圈密封承插式柔性連接。要求管體混凝土強(qiáng)度等級(jí)不得低于C40，預(yù)應(yīng)力鋼絲采用高強(qiáng)度碳素鋼絲，直徑不得小于4 mm，鋼筒用鋼板厚度不得小于1.5 mm。材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)指標(biāo)，應(yīng)符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼薄鋼板技術(shù)條件》規(guī)定的要求。內(nèi)外防腐材料可采用水泥砂漿、混凝土和涂料，若采用水泥砂漿、混凝土需配置抗裂鋼絲網(wǎng)。

4.3　塑料管

塑料管主要包括：PVC管、PE管和RPMP管。一般用于壓力管時(shí)為實(shí)壁管，用于重力流管時(shí)為結(jié)構(gòu)壁管，其質(zhì)量需滿足國(guó)家規(guī)范對(duì)相應(yīng)管材的要求。一般采用熱熔連接或承插式柔性連接，自身防腐或采用涂層防腐。

5　管道施工

5.1　開(kāi)槽埋管

一般情況下，管槽開(kāi)挖深度未超過(guò)3 m時(shí)，采用放坡開(kāi)挖；超過(guò)3 m時(shí)，采用土釘墻、鋼板樁、型鋼樁、灌注樁、SMW工法樁等支護(hù)開(kāi)挖。管槽開(kāi)挖深度未超過(guò)3 m時(shí)，采用明溝加集水坑方式降水；超過(guò)3 m時(shí)，采用井點(diǎn)降水。

開(kāi)槽埋管過(guò)程中應(yīng)注意隨挖隨埋，減少基底暴露時(shí)間，避免下部和周邊土體變形、擾動(dòng)。若遇超挖或軟弱土層，可采用級(jí)配砂石換填、拋石擠淤和水泥土攪拌樁等方法進(jìn)行處理，確保管基穩(wěn)定。

施工前應(yīng)依據(jù)建設(shè)單位提供地質(zhì)勘查報(bào)告和物探資料，對(duì)管槽開(kāi)挖影響范圍內(nèi)的地下管線、周邊建構(gòu)筑物進(jìn)行標(biāo)注、分析，重點(diǎn)區(qū)域制定專項(xiàng)方案，以避免或降低施工影響。

5.2　頂管施工

目前我國(guó)的頂管施工已然發(fā)展成熟，頂管機(jī)類型很多，性能各異。因地下水對(duì)土的性質(zhì)影響很大，頂管機(jī)根據(jù)有無(wú)地下水分為兩大類：敞開(kāi)式和平衡式。地下水位以下多數(shù)土層都不太穩(wěn)定，一般需要采用平衡式頂管機(jī)。頂管施工時(shí)應(yīng)注意對(duì)周邊管線、建構(gòu)筑物和路面的保護(hù)，避免大角度偏移，重要地段要用遲凝泥漿置換觸變泥漿，嚴(yán)格控制出泥量，不可超量出泥。頂管結(jié)束后應(yīng)采用水泥砂漿加固減阻泥漿。

5.3　拖拉施工

拖拉(定向鉆)施工一般有定向鉆孔拖拉法和二程式拖拉法，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程條件選用。拖拉管材宜選用PE，HDPE平壁管，采用熱熔接頭，其材質(zhì)及性能應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。定向拖拉施工中的護(hù)壁泥漿應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件配置，定向拖拉前應(yīng)摸清附近管線和建、構(gòu)筑物情況，注意觀測(cè)和預(yù)備必要的保護(hù)措施。管道回拉定位后，必須進(jìn)行泥漿置換。鉆機(jī)入土造斜段的入土角不宜超過(guò)10°，出土角按導(dǎo)向鉆桿及拖拉管材允許曲率半徑較大值確定，一般不宜超過(guò)20°。管道與檢查井墻接頭處應(yīng)設(shè)置遇水膨脹橡膠止水圈，防止漏水。

6　結(jié)語(yǔ)

在進(jìn)行市政給水排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合考慮多種因素，從管道材質(zhì)選擇、施工方式、埋置深度和轉(zhuǎn)彎節(jié)點(diǎn)等多方面著手，制定合理方案，從而確保管道工程的順利建設(shè)和結(jié)構(gòu)質(zhì)量，維護(hù)管網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，為城市建設(shè)貢獻(xiàn)自己的力量。