李靜琪 彭周崗 李忠江

(1.山東電力工程咨詢院有限公司；2.金陵力聯(lián)思樹脂有限公司；3.南京新核復(fù)合材料有限公司)

直埋式大口徑玻璃鋼管道安裝技術(shù)措施①

李靜琪1彭周崗2李忠江3

(1.山東電力工程咨詢院有限公司；2.金陵力聯(lián)思樹脂有限公司；3.南京新核復(fù)合材料有限公司)

介紹了大口徑玻璃鋼管道直埋安裝時對管溝開挖與回填、地基處理、止推墩設(shè)置及變形控制等諸多方面的技術(shù)處理措施。

直埋式 大口徑 玻璃鋼管道 安裝

直埋式大口徑玻璃鋼管道的安裝技術(shù)處理措施，對于確保管路安全運營尤為重要。筆者針對較大口徑(通常指大于DN2000mm)的玻璃鋼管道在復(fù)雜地質(zhì)條件下直埋安裝時的經(jīng)驗性技術(shù)處理措施作了歸納、總結(jié)。

1 管溝開挖與回填

直埋式大口徑玻璃鋼管道較適宜的埋深是0.8～2.5m，建議最大埋深不超過6m，最小埋深不小于0.5m。對于穿越道路或存在沉降預(yù)期建筑物的玻璃鋼管道，應(yīng)加裝鋼套管、配置涵溝、外包混凝土。管溝每邊的開挖寬度應(yīng)不小于600mm，總開挖寬度應(yīng)不小于管道直徑加1 200mm。

管溝墊層應(yīng)平整，過渡均勻。管道下建議采用沙墊層，以便為管線的各部分提供連續(xù)、均勻的支撐。如果管道下部為未開挖的非擾動土層，能防止沙子流失，適宜的沙墊層厚度為 300mm；如果管道下部為回填的碎石，受漲落潮的影響，可能造成沙子流失，建議澆注300mm 厚的素混凝土層，再鋪設(shè)沙墊層，其最小厚度應(yīng)不小于150mm。

回填材料可選用絕大多數(shù)的粗粒土壤(粘性土、砂土和沙子)。管道下部D/4 高度的墊層建議采用人工回填，且全部打夯，不能使用挖掘機等機械回填?；靥顣r應(yīng)從管道的兩側(cè)平衡回填，兩邊回填的高度差應(yīng)不超過100mm。當回填深度超過D/2 管道或與頂部平齊時，剩余部分的回填才可使用機械進行操作。

如果D/2 管道高度以下全部采用沙墊層及沙子作為回填材料，回填層夯實后的普氏密度需達到70%以上；如果只在管道下面的墊層及下部D/4管道高度采用了沙子，則D/2管道以下的回填層夯實后的普氏密度需達到85%以上；如果只在管道下面的墊層采用了沙子或沒有沙墊層，則D/2管道以下的回填層夯實后的普氏密度需達到90%以上。

每次回填及夯實的厚度應(yīng)不超過500mm。如果打夯機的振動不會損壞管道，可以使用機械打夯機。打夯機的夯腳與管壁至少要保持一個腳掌的距離，以保證振動不會傳到管道上。否則，則建議采用人工夯實。

2 止推裝置

對于采用柔性連接的大口徑埋地玻璃鋼管道，當軸向推力大于土壤與玻璃鋼管道之間的摩擦力時，應(yīng)設(shè)置止推裝置。止推裝置必須滿足以下條件：采用混凝土澆注，強度等級不低于C15；坐落在堅固的基礎(chǔ)上，具有足夠的承載區(qū)域，保證土壤推力滿足承載要求；垂直穿過承載面中心的合成推力矢量。如果止推裝置在水層以下安裝或土壤不穩(wěn)定，必須采取特別措施確保穩(wěn)定性。

2.1 止推力

因內(nèi)壓形成的埋地玻璃鋼管道彎頭、直管末端、三通及大小頭等各種形態(tài)的推力值計算可參考AWWA M45-2006 第7.1.1節(jié)的介紹。筆者僅介紹彎頭處止推力的計算：

式中A——管道截面積，mm2；

p——考慮了水錘沖擊壓力的管內(nèi)最大壓力，MPa；

T——彎頭處的推力，N；

Δ——彎頭角度，(°)。

對于采用柔性接頭的埋地玻璃鋼管道，其軸向推力主要來自內(nèi)壓力和水錘沖擊力。

2.2 玻璃鋼管道與土壤間的摩擦力

埋地玻璃鋼管道與土壤間摩擦力F的估算公式為：

F=π×Do×q×f×L

式中Do——管道外徑，mm；

f——管道與土壤間的摩擦系數(shù)；

L——管道長度，mm；

q——管道上部的壓力，MPa。

對粘土和粘質(zhì)粉土，f的取值范圍為：0.05～0.10(濕)，0.15～0.20(干)。對于砂土和砂質(zhì)粉土，f的取值范圍為：0.10～0.15(濕)，0.20～0.25(干)。

2.3 地質(zhì)承載力

地質(zhì)承載力與土壤的種類、穩(wěn)定性和地下水位有關(guān)，不同地方的土壤千差萬別，即使同一區(qū)域不同位置的土壤，其承載力相差也很大，不能簡單引用，需進行詳細、精準的地質(zhì)勘探。常見土壤情況下的安全承載壓力推薦值如下：

石塊，硬土層 19.753MPa

石塊(相當于好的磚土) 2.394MPa

石塊(相當于最好的磚土) 1.436MPa

石塊(相當于質(zhì)量差的磚土) 479kPa

干土(總是干的) 383kPa

干土(相當干) 192kPa

干土(軟) 96kPa

小碎石，粗沙，硬土 766kPa

沙(緊密，硬土 383kPa

沙(干) 192kPa

2.4 止推墩的位置和形式

對于大口徑玻璃鋼管道，不論是埋地管道還是地面管道，在彎頭、 末端堵頭或法蘭、開孔直徑超過D/2 的三通等處均需要設(shè)置止推墩。常見的單條管道彎頭止推墩的結(jié)構(gòu)如圖1所示，單個管道直三通的止推墩結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 彎頭止推墩結(jié)構(gòu)

圖2 直三通止推墩結(jié)構(gòu)

2.5 止推墩與管路的不均勻沉降

對大口徑玻璃鋼管道而言，消除不均勻沉降是保障管路安全的必要措施。當止推墩坐落在樁基上時，止推墩的沉降量非常小，此時，管路的沉降量將大于止推墩的沉降。此時，管溝的基礎(chǔ)應(yīng)有足夠的承載力，以達到嚴格控制管路沉降量的目的。

當止推墩下部不打樁時，止推墩的沉降量將遠大于管路的沉降量。此時，應(yīng)將較大體積的止推墩與包裹管道部分分隔開來，以達到止推墩的沉降不會帶動管道沉降的目的。

需要特別指出的是：如果兩條并排管道間的距離沒有超過止推墩止推方向的寬度，則兩個彎頭的止推墩有可能會合并到一起，此時止推墩的體積和重量會非常巨大，大多數(shù)的基礎(chǔ)難以提供足夠的支撐力，通常需要對合并后的止推墩采取打樁的處理措施。

因此，當管線的功能性、使用性、穩(wěn)定性比較重要，而管溝地基承載能力不強，具有較大的不確定性，同時又沒有較好的技術(shù)措施來解決止推墩與管線的沉降不均勻時，最好的解決方案是管道基礎(chǔ)整體打樁。

3 支墩總阻力的計算

水平向彎頭支墩總阻力的計算公式為：

式中A——管道截面積，mm2；

G——整個支墩的重量，kN；

h1——支墩頂在設(shè)計地面以下深度，m；

h2——支墩底在設(shè)計地面以下深度，m；

L——支墩長度，m；

p——考慮了水錘沖擊壓力的管內(nèi)最大壓力，MPa；

T——支墩水平總阻力，kN；

γs——支墩后背處的土壤重度，kN/m3；

μ——支墩與土壤間的摩擦系數(shù)，μ=0.3；

φ——土壤等效內(nèi)摩擦角，(°)；

Δ——彎頭角度，(°)。

4 地基

根據(jù)GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》,玻璃鋼管道直埋的自然地基土壤可以分為人工填土(沖填土、雜填土、素填土)、粘性土(粘土、粉性粘土)、粉土、砂土(粉沙、細沙、中沙、粗沙、礫沙)、碎石土(圓礫或角礫、卵石或碎石、漂石或塊石)及巖石等。

根據(jù)地基結(jié)構(gòu)的形成方式，地基可分為以下3種：

a. 未經(jīng)開挖、回填等方式擾動過的原土。對于該結(jié)構(gòu)類型的管溝基礎(chǔ)，合理的回填材料、回填方式及壓實普氏密度達到 90%以上后，管線通常不會發(fā)生較大的不均勻沉降。

b. 經(jīng)開挖后回填并壓實的墊土層。對于該結(jié)構(gòu)類型的管溝基礎(chǔ)，由于不同區(qū)段存在壓實程度差異，自然沉降時間不足，管溝基礎(chǔ)會進一步發(fā)生沉降。如果壓實工程管理合格，差異性不會太大，沉降的方式主要表現(xiàn)為整體沉降，不均勻沉降量相對較小。

大口徑埋地玻璃鋼管道采用雙O形圈承插連接，每個管道接頭具有不超過 20mm 的補償功能，其最大偏轉(zhuǎn)角為 0.5°。因此，對于12m長的標準管，當最大沉降發(fā)生在(或靠近)管道中部時，尚能通過偏轉(zhuǎn)、伸縮進行調(diào)整；但如果最大沉降發(fā)生在玻璃鋼管道接頭附近時，則接頭有可能因偏轉(zhuǎn)角度大或拉出而影響密封。

c. 既有未擾動的原土，又有經(jīng)開挖后回填并壓實的墊土層。對于該種結(jié)構(gòu)的管溝基礎(chǔ)，如果回填區(qū)域比例比較大，或開挖區(qū)與非開挖區(qū)的地質(zhì)承載能力差異性較大，則建議采用打樁的處理措施。如果非開挖區(qū)域占大部分，且地質(zhì)承載能力強，則建議在開挖區(qū)域多采用短管，通過增加柔性接頭數(shù)量的方法來解決不均勻沉降的問題，同時為防止沉降量過大而將承插接口拉出，建議采用帶鎖緊的O形圈連接方式。

無論是哪種土壤性質(zhì)或結(jié)構(gòu)類型的管溝基礎(chǔ)，都需要解決止推墩沉降與管線沉降的差異問題，而這才是設(shè)計人員需要著重考慮的問題。

5 變形控制

為保證大口徑玻璃鋼管道的長期運行壽命及采用O形圈式連接柔性接頭的密封性，進行直埋時，均應(yīng)避免管道初始變形過大以及地基的不均勻沉降。埋地玻璃鋼管道的初始變形應(yīng)不大于5%D。玻璃鋼管道的初始變形與圍繞管道周圍土壤的壓縮模量、管初始剛度及回填方式有關(guān)。管道剛度與管周土體剛度的比值α的計算公式為：

式中Ed——管側(cè)土的變形綜合模量，MPa；

Ep——管道的環(huán)向彎曲彈性模量，MPa；

r——管道半徑，mm；

t——管道壁厚，mm。

當α≥1時，為剛性管道；當α<1時，為柔性管道。

大口徑玻璃鋼管道通常屬于柔性管道范疇，其回填土的壓縮彈性模量應(yīng)不低于4.5MPa。

雙O形圈式柔性接頭雖然可以有一定的偏轉(zhuǎn)角度，但插口與承口之間的最大間隙通常不超過3.0mm，隨直徑增大，可偏轉(zhuǎn)角度減小，除非不均勻沉降量及發(fā)生的地點可以精確預(yù)測，否則，很難保證O形圈柔性接頭的密封性能。

6 支撐和標示

閥門以及大型設(shè)備(單位長度上的重量超過了管道加內(nèi)部介質(zhì)的重量)下部應(yīng)澆注鋼筋混凝土支墩，并將閥門或設(shè)備固定在支墩上，這樣在支撐重量的同時可抵制由于開動或關(guān)閉閥門造成的扭矩和旋動。

對于埋地管道，應(yīng)將其走向、位置、距離在地表上標明，以利于檢修和防止大型不明車輛通過。必要時，可以通過建立隔離帶來進行保護。

7 結(jié)束語

從管溝開挖及回填方法、止推裝置形態(tài)、地基處理、變形控制以及支撐和標示等諸多方面介紹了直埋式大口徑玻璃鋼管道的安裝技術(shù)措施，可為同業(yè)工程建設(shè)人員的施工提供技術(shù)指導(dǎo)和借鑒。

李靜琪，(1982-)，工程師，從事核電設(shè)備監(jiān)理工作。

聯(lián)系人李忠江，(1965-)，高級工程師，從事復(fù)合材料設(shè)計工作，njxhlzj@163.com。

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0254-6094(2017)01-0107-04

2016-03-30，

2016-09-01)