聚乙烯排污管道開槽施工下穿公路安全性評價分析

吳海鷹

(中機中聯工程有限公司，重慶400039)

0 引言

隨著高速公路路網建設的不斷完善，管道下穿公路進行埋設的工程現象越來越多[1,2]。管道下穿對既有公路的運營存在一定的安全隱患，目前已有相關規范僅從管道埋設位置、埋深、橫穿角度、凈距等方面進行了規定，而對公路影響較大的結構安全性分析并沒有統一規范的評價分析方法。本文將結合具體工程實例，對管道下穿公路的評價內容及各部分評價方法進行系統分析，為此類工程的安全性評價提供技術參考。

1 工程概況

本工程為一農村排污管道下穿地方公路，排污管道采用SN8級HDPE雙壁波紋管，污水管道設計規模為1 000 m3/d，管徑400 mm。原公路等級為三級公路，路面寬度7.5 m，路面結構為：12 cm填隙碎石底基層+20 cm水泥穩定級配碎石+5 cm普通瀝青混凝土AC-16C。管道覆土厚度1.78 m。

2 評價內容

管道下穿公路工程的安全評價應以所收集的相關工程集料為基礎，客觀、公正、科學地對工程的可行性和合理性進行評價[3]，一般主要包括:

1)合規性評價；

2)管道自身結構安全評價；

3)管道施工運營對公路安全影響評價；

4)施工方案、安全防護應急措施及運營期管理措施4個方面。其中合規性評價主要指依據相關規范對管道的穿越位置、角度、埋深、與其他結構物的凈距等進行規范性核查[4- 6]，本文主要從管道自身結構安全和管道施工運營對公路安全影響兩方面出發，提出比較合理的評價方法。

3 管道結構安全性分析

管溝回填之后，管道會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生破壞或者變形過大，均會對公路安全運營造成不良影響，所以有必要對管道的承載能力、變形率及穩定性進行驗算。

3.1 荷載計算

根據管道覆土厚度及公路等級計算各項荷載。

1)每延米管頂垂直土壓：

FSV,k=γsHsD1

(1)

其中，FSV,k為每延米管道上管頂的豎向土壓力標準值，kN/m；γs為回填土的重力密度，取18 kN/m3；Hs為管頂至設計地面的覆土厚度,m；D1為管道外徑,m。

2)活載：因為所涉及公路的公路等級為三級公路，根據《公路工程技術標準》[2]，取公路—二級車輛荷載重車標準，則單個輪壓對管頂的作用力為：

(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個車輪承擔的單個輪壓，Qvi,k=140 kN；ai為i個車輪的著地分布長度，0.2 m；bi為i個車輪的著地分布寬度，0.6 cm；H為自行車地面至管頂的深度；μd為動力系數，查表得：動力系數μd=1。

3)堆積荷載取10 kN/m2，與活載不同時使用，取二者中較大者。

由式(1)和式(2)計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 管道環截面變形驗算

根據CECS164:2004埋地聚乙烯排水管管道工程技術規程[3]可得：

(3)

其中，Wd,max為管道在荷載標準永久組合作用下的最大豎向變形量,m；Kd為管道變形系數，根據管道敷設基礎中心角2α按CECS164:2004埋地聚乙烯排水管管道工程技術規程表5.3.2選用，本項目中2α為120°，所以Kd取0.089；D1為變形滯后效應系數，根據管道胸腔回填密實度選取1.2～1.5，本項目回填土密實度要求較高，選取1.2；φq為可變荷載準永久值系數，取0.5；Sp為管材環剛度,kN/m2，本項目所用管材為SN8級，所以SP為8；Ed為管側土綜合變形模量,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)計算：

(4)

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

3.3 管道環截面強度驗算

根據CECS164:2004埋地聚乙烯排水管管道工程技術規程可得：

(5)

其中，σ為管壁環向彎曲拉應力,kN/m2；Df為形狀系數，與管材環剛度和回填密實度有關，本項目中取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為永久荷載分項系數，取1.27；γQ為可變荷載分項系數，取1.4；r0為管道計算半徑，取0.17；

由式(5)計算可得管道穿越處管壁環向彎曲拉應力為49.608 kN/m2=0.049 6 MPa，遠小于管材的抗拉強度16.0 MPa，滿足要求。

3.4 管道環截面壓屈失穩驗算

根據CECS164:2004埋地聚乙烯排水管管道工程技術規程，管壁截面的環向穩定性計算應符合式(6)的要求：

(6)

其中，Fcr,k為管壁失穩的臨界壓力標準值，kN/m2；Fvk為管頂在各項作用下的豎向壓力標準值,kN/m2；Ks為管道環向穩定性抗力系數，取2.0。

管頂在各項作用下的豎向壓力標準值按式(7)計算：

Fvk=γsHs+qvk

(7)

管壁失穩的臨界壓力按式(8)計算：

(8)

其中，vp為管材泊松比，取0.4。

計算可得Fcr,k=1 234.43 kN/m2。

綜上，經過驗算可得管道承載力、變形率及穩定性均滿足要求，所以本工程管道自身結構安全可靠。

4 管溝開挖對公路安全影響分析

本工程排污管道采用開槽施工，管溝開挖后對既有公路的穩定性會造成安全隱患，需進行分析驗算。

根據《工程地質手冊》，由土壓力等于0這一條件來確定管溝開挖時溝槽側壁允許自立高度，其計算公式如式(9)所示：

(9)

根據式(9)計算可得Hcr=6.6 m，但這一計算結果是基于室內試驗數據，所考慮工況較為理想，一般情況施工現場環境復雜，根據經驗為保障施工安全，溝槽開挖深度超過3 m時宜進行支護，此時應對支護結構的承載力和穩定性進行驗算[8]。

5 結語

本文通過對聚乙烯排污管道開槽施工下穿公路進行安全性評價，得出的主要結論為：

1)管道下穿公路安全評價主要包括4個方面：a.合規性評價;b.管道自身結構安全評價;c.管道施工運營對公路安全影響評價;d.施工方案、安全防護應急措施及運營期管理措施。

2)管道結構安全分析應根據管道覆土厚度及公路等級，驗算管道承載力、變形率及穩定性。

3)管道溝槽開挖對既有公路的安全影響主要通過對溝槽側壁穩定性和支護結構承載力及穩定性進行驗算而進行。