市政工程管道的結構設計

姜　濤

(上海市同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海　200092)

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。后者包括輸送未經處理或初步處理的生活、生產污水管道，輸送截流雨水的雨水管道和雨污合流管道。

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

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

管材的確定需要根據管道用途、埋置深度、抗震要求、地質條件和經濟指標等情況進行綜合考慮。目前給水排水管道形式主要有鑄鐵管、鋼筋混凝土管、鋼管、塑料管和其他復合結構管材。

管道的連接接頭是管道系統的主要組成部分，壓力管道在方向轉變處、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接頭。接頭必須達到與管材同樣的對外荷載支撐強度，并達到不低于0.5 MPa內壓的抗滲要求。

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，相鄰管端不能產生轉角和伸縮。柔性結構屬于可動連接，相鄰管端可有小量的轉角和伸縮。一般的連接形式有：對接連接(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　埋地管道結構的分類

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

在GB 50332給水排水工程管道結構設計規范中，對埋地圓形管道，規定了按管道結構剛度及管周土體剛度的比值來判別屬于剛性管還是柔性管，實際管道設計中通常按管材材質確定。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。

重力流管道系統的管材需要承擔外側土壓和地面荷載，壓力管道系統的管材還需承擔內側水壓，為此管道必須有足夠的強度來抵抗作用其上的內外荷載。剛性管管材的支承強度采用3點法試驗確定，實際測量的是管環的抗彎強度；柔性管管材以環剛度來反映管、土共同作用。廠家說明書一般也會給出管材相應的容許覆土深度和荷載標準。

壓力管道管材必須提供管材的公稱壓力指標，它是管材系統長期內水壓力下許可應用的額定指標。例如PE管的出廠試驗壓力必須大于1.5 PN，預應力混凝土的出廠試驗壓力必須達到1.5 PN～2 PN(根據管徑大小而不同)。

3　埋地管道的結構設計計算

埋地管道的設計必須根據埋設場地的水文地質條件、埋設方法(開槽敷設、頂管、拖拉和沉管等)、管材材質和管槽回填土密實度等多種因素確定。

開槽敷設管道一般采用土弧基礎，管道基礎層及管底腋角部位必須用中粗砂或級配砂石回填密實。在管道腋角部位以下，剛性管和柔性管對回填土的密實度要求是一樣的，基礎層壓實系數要求85%～90%，腋角部位壓實系數要求95%。管底基礎層密實度要求比腋角部位小一些，是為了管道埋設后管底可以壓入基礎層形成計算時假設的支承角。管側回填土密實度，對剛性管和柔性管則有不同的密實度的要求。一般情況下，剛性管壓實系數要求90%，柔性管壓實系數要求95%。

對不開槽(頂管、拖拉等)施工形成的土弧基礎是在原狀土中形成的，施工過程中要盡量減少對其的擾動。

對剛性管道的結構設計，一般進行強度和裂縫計算，采用均布外部荷載簡化圖形。對柔性管道一般進行強度和變形計算，采用斯氏公式。

對于埋設于河底、岸邊的管道，應保證管頂覆土高度滿足抗浮要求，并按要求分層壓實，做好防沖刷措施。覆土高度不滿足時，應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，發現問題及時補救。

管道連接采用柔性連接，可增強管道的變形能力和抗震能力。管道連接采用剛性連接，可通過管道自身強度和周邊土摩擦力抵抗內壓在轉向處引起的變形。可根據實際情況靈活選擇管道連接方式，如管線穿越建筑物時，在設置套管的同時采用柔性連接；管道不得不與墻體嵌固時，在墻外設置柔性接頭等。

對落差大的管段，管道工藝專業應采取管內、管外耗能措施，否則需判斷管內是否存在滿水和超高水頭情況，進而確定設計壓力，進行相應支墩和節點設計。

4　管材詳述

4.1　鋼管

給水排水工程管道使用的鋼管，要求強度等級不低于Q235，質量標準符合現行《碳素結構鋼》和《低合金高強度結構鋼》規定的要求，并宜采用鎮靜鋼。一般采用焊接連接和法蘭連接。鋼管的焊接材料應符合以下要求：焊條質量符合現行《碳鋼焊條》和《低合金鋼焊條》規定的要求；選用的焊絲和焊劑應當與鋼管管材力學性能相適應。管道內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防腐材料必須符合有關衛生標準，確保對人體無害。

4.2　預應力混凝土管

預應力混凝土管按成型工藝可分為：管芯纏絲預應力混凝土管、振動擠壓預應力混凝土管和預應力鋼筒混凝土管。一般采用膠圈密封承插式柔性連接。要求管體混凝土強度等級不得低于C40，預應力鋼絲采用高強度碳素鋼絲，直徑不得小于4 mm，鋼筒用鋼板厚度不得小于1.5 mm。材料的抗拉強度和彈性模量等力學指標，應符合《混凝土結構設計規范》和《普通碳素結構鋼和低合金結構鋼薄鋼板技術條件》規定的要求。內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。

4.3　塑料管

塑料管主要包括：PVC管、PE管和RPMP管。一般用于壓力管時為實壁管，用于重力流管時為結構壁管，其質量需滿足國家規范對相應管材的要求。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　開槽埋管

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

開槽埋管過程中應注意隨挖隨埋，減少基底暴露時間，避免下部和周邊土體變形、擾動。若遇超挖或軟弱土層，可采用級配砂石換填、拋石擠淤和水泥土攪拌樁等方法進行處理，確保管基穩定。

施工前應依據建設單位提供地質勘查報告和物探資料，對管槽開挖影響范圍內的地下管線、周邊建構筑物進行標注、分析，重點區域制定專項方案，以避免或降低施工影響。

5.2　頂管施工

目前我國的頂管施工已然發展成熟，頂管機類型很多，性能各異。因地下水對土的性質影響很大，頂管機根據有無地下水分為兩大類：敞開式和平衡式。地下水位以下多數土層都不太穩定，一般需要采用平衡式頂管機。頂管施工時應注意對周邊管線、建構筑物和路面的保護，避免大角度偏移，重要地段要用遲凝泥漿置換觸變泥漿，嚴格控制出泥量，不可超量出泥。頂管結束后應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，應根據實際工程條件選用。拖拉管材宜選用PE，HDPE平壁管，采用熱熔接頭，其材質及性能應符合有關標準的規定。定向拖拉施工中的護壁泥漿應根據地質條件配置，定向拖拉前應摸清附近管線和建、構筑物情況，注意觀測和預備必要的保護措施。管道回拉定位后，必須進行泥漿置換。鉆機入土造斜段的入土角不宜超過10°，出土角按導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20°。管道與檢查井墻接頭處應設置遇水膨脹橡膠止水圈，防止漏水。

6　結語

在進行市政給水排水管道結構設計過程中，設計人員應綜合考慮多種因素，從管道材質選擇、施工方式、埋置深度和轉彎節點等多方面著手，制定合理方案，從而確保管道工程的順利建設和結構質量，維護管網系統的正常運行，為城市建設貢獻自己的力量。