聚乙烯排污管道開(kāi)槽施工下穿公路安全性評(píng)價(jià)分析

吳海鷹

(中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶400039)

0 引言

隨著高速公路路網(wǎng)建設(shè)的不斷完善，管道下穿公路進(jìn)行埋設(shè)的工程現(xiàn)象越來(lái)越多[1,2]。管道下穿對(duì)既有公路的運(yùn)營(yíng)存在一定的安全隱患，目前已有相關(guān)規(guī)范僅從管道埋設(shè)位置、埋深、橫穿角度、凈距等方面進(jìn)行了規(guī)定，而對(duì)公路影響較大的結(jié)構(gòu)安全性分析并沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)范的評(píng)價(jià)分析方法。本文將結(jié)合具體工程實(shí)例，對(duì)管道下穿公路的評(píng)價(jià)內(nèi)容及各部分評(píng)價(jià)方法進(jìn)行系統(tǒng)分析，為此類工程的安全性評(píng)價(jià)提供技術(shù)參考。

1 工程概況

本工程為一農(nóng)村排污管道下穿地方公路，排污管道采用SN8級(jí)HDPE雙壁波紋管，污水管道設(shè)計(jì)規(guī)模為1 000 m3/d，管徑400 mm。原公路等級(jí)為三級(jí)公路，路面寬度7.5 m，路面結(jié)構(gòu)為：12 cm填隙碎石底基層+20 cm水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石+5 cm普通瀝青混凝土AC-16C。管道覆土厚度1.78 m。

2 評(píng)價(jià)內(nèi)容

管道下穿公路工程的安全評(píng)價(jià)應(yīng)以所收集的相關(guān)工程集料為基礎(chǔ)，客觀、公正、科學(xué)地對(duì)工程的可行性和合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]，一般主要包括:

1)合規(guī)性評(píng)價(jià)；

2)管道自身結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)；

3)管道施工運(yùn)營(yíng)對(duì)公路安全影響評(píng)價(jià)；

4)施工方案、安全防護(hù)應(yīng)急措施及運(yùn)營(yíng)期管理措施4個(gè)方面。其中合規(guī)性評(píng)價(jià)主要指依據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)管道的穿越位置、角度、埋深、與其他結(jié)構(gòu)物的凈距等進(jìn)行規(guī)范性核查[4- 6]，本文主要從管道自身結(jié)構(gòu)安全和管道施工運(yùn)營(yíng)對(duì)公路安全影響兩方面出發(fā)，提出比較合理的評(píng)價(jià)方法。

3 管道結(jié)構(gòu)安全性分析

管溝回填之后，管道會(huì)受到土壓力和車輛荷載的綜合作用[7]，若管道承載能力不足發(fā)生破壞或者變形過(guò)大，均會(huì)對(duì)公路安全運(yùn)營(yíng)造成不良影響，所以有必要對(duì)管道的承載能力、變形率及穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1 荷載計(jì)算

根據(jù)管道覆土厚度及公路等級(jí)計(jì)算各項(xiàng)荷載。

1)每延米管頂垂直土壓：

FSV,k=γsHsD1

(1)

其中，F(xiàn)SV,k為每延米管道上管頂?shù)呢Q向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；γs為回填土的重力密度，取18 kN/m3；Hs為管頂至設(shè)計(jì)地面的覆土厚度,m；D1為管道外徑,m。

2)活載：因?yàn)樗婕肮返墓返燃?jí)為三級(jí)公路，根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[2]，取公路—二級(jí)車輛荷載重車標(biāo)準(zhǔn)，則單個(gè)輪壓對(duì)管頂?shù)淖饔昧椋?/p>

(2)

其中，qvk為輪壓傳遞到管頂處的豎向壓力,kN/m2；Qvi,k為車輛的i個(gè)車輪承擔(dān)的單個(gè)輪壓，Qvi,k=140 kN；ai為i個(gè)車輪的著地分布長(zhǎng)度，0.2 m；bi為i個(gè)車輪的著地分布寬度，0.6 cm；H為自行車地面至管頂?shù)纳疃?；μd為動(dòng)力系數(shù)，查表得：動(dòng)力系數(shù)μd=1。

3)堆積荷載取10 kN/m2，與活載不同時(shí)使用，取二者中較大者。

由式(1)和式(2)計(jì)算可得本工程管道所受土壓力FSV,k=9.74 kN/m，活載qvk=16.82 kN/m2。

3.2 管道環(huán)截面變形驗(yàn)算

根據(jù)CECS164:2004埋地聚乙烯排水管管道工程技術(shù)規(guī)程[3]可得：

(3)

其中，Wd,max為管道在荷載標(biāo)準(zhǔn)永久組合作用下的最大豎向變形量,m；Kd為管道變形系數(shù)，根據(jù)管道敷設(shè)基礎(chǔ)中心角2α按CECS164:2004埋地聚乙烯排水管管道工程技術(shù)規(guī)程表5.3.2選用，本項(xiàng)目中2α為120°，所以Kd取0.089；D1為變形滯后效應(yīng)系數(shù)，根據(jù)管道胸腔回填密實(shí)度選取1.2～1.5，本項(xiàng)目回填土密實(shí)度要求較高，選取1.2；φq為可變荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)，取0.5；Sp為管材環(huán)剛度,kN/m2，本項(xiàng)目所用管材為SN8級(jí)，所以SP為8；Ed為管側(cè)土綜合變形模量,kN/m2，取500。

埋地管道在外力作用下，其豎向的變形率應(yīng)小于管道直徑允許變形率的5%，管道豎向直徑變形率按式(4)計(jì)算：

(4)

由式(3)和式(4)計(jì)算可得管道穿越處的管道環(huán)截面變形值及變形率分別為5.7 mm和1.7%，滿足規(guī)范變形率小于5%的要求。

3.3 管道環(huán)截面強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)CECS164:2004埋地聚乙烯排水管管道工程技術(shù)規(guī)程可得：

(5)

其中，σ為管壁環(huán)向彎曲拉應(yīng)力,kN/m2；Df為形狀系數(shù)，與管材環(huán)剛度和回填密實(shí)度有關(guān)，本項(xiàng)目中取4.8；EP為管材短期彈性模量，取758 kN/m2；y0為管壁中性軸至管材外壁距離，取0.17 m；γG為永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.27；γQ為可變荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.4；r0為管道計(jì)算半徑，取0.17；

由式(5)計(jì)算可得管道穿越處管壁環(huán)向彎曲拉應(yīng)力為49.608 kN/m2=0.049 6 MPa，遠(yuǎn)小于管材的抗拉強(qiáng)度16.0 MPa，滿足要求。

3.4 管道環(huán)截面壓屈失穩(wěn)驗(yàn)算

根據(jù)CECS164:2004埋地聚乙烯排水管管道工程技術(shù)規(guī)程，管壁截面的環(huán)向穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)符合式(6)的要求：

(6)

其中，F(xiàn)cr,k為管壁失穩(wěn)的臨界壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；Fvk為管頂在各項(xiàng)作用下的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2；Ks為管道環(huán)向穩(wěn)定性抗力系數(shù)，取2.0。

管頂在各項(xiàng)作用下的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值按式(7)計(jì)算：

Fvk=γsHs+qvk

(7)

管壁失穩(wěn)的臨界壓力按式(8)計(jì)算：

(8)

其中，vp為管材泊松比，取0.4。

計(jì)算可得Fcr,k=1 234.43 kN/m2。

綜上，經(jīng)過(guò)驗(yàn)算可得管道承載力、變形率及穩(wěn)定性均滿足要求，所以本工程管道自身結(jié)構(gòu)安全可靠。

4 管溝開(kāi)挖對(duì)公路安全影響分析

本工程排污管道采用開(kāi)槽施工，管溝開(kāi)挖后對(duì)既有公路的穩(wěn)定性會(huì)造成安全隱患，需進(jìn)行分析驗(yàn)算。

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》，由土壓力等于0這一條件來(lái)確定管溝開(kāi)挖時(shí)溝槽側(cè)壁允許自立高度，其計(jì)算公式如式(9)所示：

(9)

根據(jù)式(9)計(jì)算可得Hcr=6.6 m，但這一計(jì)算結(jié)果是基于室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所考慮工況較為理想，一般情況施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)為保障施工安全，溝槽開(kāi)挖深度超過(guò)3 m時(shí)宜進(jìn)行支護(hù)，此時(shí)應(yīng)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)聚乙烯排污管道開(kāi)槽施工下穿公路進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，得出的主要結(jié)論為：

1)管道下穿公路安全評(píng)價(jià)主要包括4個(gè)方面：a.合規(guī)性評(píng)價(jià);b.管道自身結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià);c.管道施工運(yùn)營(yíng)對(duì)公路安全影響評(píng)價(jià);d.施工方案、安全防護(hù)應(yīng)急措施及運(yùn)營(yíng)期管理措施。

2)管道結(jié)構(gòu)安全分析應(yīng)根據(jù)管道覆土厚度及公路等級(jí)，驗(yàn)算管道承載力、變形率及穩(wěn)定性。

3)管道溝槽開(kāi)挖對(duì)既有公路的安全影響主要通過(guò)對(duì)溝槽側(cè)壁穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力及穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算而進(jìn)行。