農飲工程管道穿跨越工程設計施工方案研究

李 芳

（尉犁縣水利綜合服務中心，新疆 尉犁 841500）

0 引言

管道穿跨越河流、鐵路、公路等障礙物方式通常分為穿越和跨越兩種方式。穿越主要有大開挖、定向鉆、隧道、頂管等方式，跨越主要有桁架、懸索等方式[1]。穿跨越方式的選擇涉及到地形、地質、水文等多方面因素。尉犁縣墩闊坦鄉農村飲水安全鞏固提升工程涉及到一處跨河工程，45 處穿渠道、排渠、生態渠、洪溝等交叉建筑物，1 處穿越堤防和74 處跨越道路工程。如何經濟合理地處理與這些障礙物的交叉關系到工程項目的最終實施效果，作為農飲工程的控制性工程對保證管網安全平穩運行至關重要。

1 工程概況

項目區地處塔里木河中游及孔雀河上游沖積平原交匯處，地勢平坦，土地肥沃，地形總趨勢為西南高，東北低，總地形坡降1/2000～1/4000，海拔高程在904 m～908 m 之間，管道主管線沿尉犁縣城至喀爾曲尕鄉公路、鄉村道路進行鋪設。

尉犁縣墩闊坦鄉農村飲水安全鞏固提升工程基于現狀供水管網，提出經濟合理的改建方案，統籌進行改擴建聯網工程設計。工程供水范圍為尉犁縣墩闊坦鄉5 個行政村和喀爾曲尕鄉3 個行政村，解決8697 人、1901 戶的飲水問題，設計日供水規模為794.02 m3/d。

2 管道穿跨越工程設計施工方案

2.1 跨河工程

項目區內管道跨河有一處，位于烏斯曼引水樞紐下游消能處，管道樁號67+519 處，樞紐下游消能池寬約120 m，樞紐寬約70 m。管道跨河時，由于河道寬度較寬，難度較大，需對工程管道跨河方案進行比選。

2.1.1 輸水管采用頂管法直接從河底穿過（方案一）

輸水管道用頂管法（鋼管擠壓頂進）直接從河底穿過，其型式等同于倒虹吸管。

（1）適用條件

具有用材料少、節省勞動力、工程造價低、施工難度小、施工安全方便、地基承載力要求相對低等優點，但水頭損失較大，施工質量要求高。

（2）管道斷面形狀

由水力計算可知，跨越塔里木河管道管徑D=250 mm，為PE 管材，工作壓力為10 kg/cm2。跨越河道時將其埋在河床沖刷深度以下即可，由《新疆維吾爾自治區內陸河一塔里木河干流防洪工程可行性研究報告》可知，該處沖刷坑計算深度為4.83 m，為了保證輸水安全，將輸水干管埋在樞紐下游消能池底板以下10 m。

（3）工程布置

為了防止后期外部荷載對供水管道的影響，在河床表面下10 m 深處埋設鋼套管方式，輸水管道從鋼管內穿過，并在鋼套管及輸水管兩端設置砼鎮墩。

由于本工程管道埋藏在河床底，一方面溫度變化小，另一方面河床質以及回填土的摩擦力對輸水管的軸向力積聚有一定的消散作用，故只在彎管處布置鎮墩。

2.1.2 利用交通橋橋體結構來布設輸水管線（方案二）

擬利用現有橋梁底梁側面做支架以架設管道通過河流，支架為直角三角形，兩直角邊長分別為450 mm 和700 mm，材料用角鐵材料，整體進行焊接而成，在長為700 mm 的直角邊上，鉆φ20 圓孔，后期用螺桿進行支架與橋梁的加固。對于跨河管道作保溫處理，管道外圍套φ250 鋼套管及聚氨酯發泡保溫材料。設計步驟如下：

（1）支架結構形式確定

支架結構初定為三段角鋼圍焊成一個三角形框架，之后錨固于梁板上，具體的結構形式見圖1。

圖1 三角鋼架結構示意圖

如圖1 所示，橫撐長0.5 m，支架高0.7 m，支架斜撐的豎直角為36°，PVC 管徑為250 mm。

由計算可知單位長度水重為0.2723 kN，單位長度PVC 管自重為0.0165 kN，故單位長度荷載總計為0.29 kN，荷載作用點位于支架橫撐的中點位置。

（2）輸水管最大支撐間距計算

利用支架來架設輸水管道，除了要考慮鋼架對輸水管道的有效支撐外還需考慮在大橋上穿孔對大橋的影響，所以在布設鋼架時，須合理的布置支架的間距，首先不能太疏，造成單個支架的荷載過大，對支架處橋梁的局部穩定不利;其次間距亦不能過密，橋梁處穿過多、過密的孔洞，于大橋的整體穩定性不利。參考同類工程，間距取作5 m。

（3）角鋼抗拉彎計算

這是一個拉彎構件強度與剛度計算的問題，單向受彎，故作用在一個主平面內截面強度可參照式（1）計算：

式中：N 為截面軸向拉力；A 為截面面積；Mx為截面最大彎矩；γx為塑性發展系數；Wnx為截面抵抗矩。

經驗算，當采用圖1 的結構形式時，角鋼支架以5 m 為間距，此時支架應采用70×50×6 的不等肢角鋼。

（4）螺栓抗拉計算

鋼支架與梁之間還需要螺栓加以錨固，所以還需對螺栓的抗拉強度進行校核，計算公式見式（2）：

式中：N 為截面軸向拉力；Ae為螺栓的有效截面面積；ftb為螺栓的許用抗拉應力（與螺栓的等級、材質有關），經計算，擬采用直徑為12 mm 的普通c 級螺栓（4.6～4.8 級）作為錨固螺栓。

（5）螺栓抗剪計算

輸水管是架設在鋼支架上并通過螺栓來承受其重量，所以還需對螺栓的抗剪能力進行校核，計算公式（3）如下：

式中：Q 為截面最大剪力；Ae為螺栓的有效截面面積；fvb為允許用抗剪應力（與螺栓的等級、材質有關），經計算，采用直徑為12 mm的普通c 級螺栓（4.6～4.8 級）作為錨固螺栓滿足抗剪要求。

（6）輸水管保溫層厚度計算

類比相近地區的保溫做法，在本工程中采用6 cm 的聚氨酯發泡保溫材料。

2.1.3 跨河方案比選

方案一工程投資最高，施工難度較大，不易維護，供水安全性較低；方案二工程投資低，供水安全性高，維護方便，但對橋體的安全承載產生一定影響，并且該樞紐目前還未通過安全鑒定。綜上所述，推薦方案一作為管道跨越塔里木河的輸水線路方案。見表1。

表1 管網跨河方案對比表

2.2 跨渠、溝、水面工程

穿渠工程主要指管道穿越灌溉渠道、排渠、生態渠、洪溝（干涸）等交叉建筑物，經統計共45 處。

2.2.1 穿越灌溉渠道

采用鋼管擠壓頂進的方案，為了防止以后外部荷載對供水管道的影響，本次設計在渠道底板面下3.0 m 深處埋設鋼套管方式，輸水管道從鋼管內穿過，并在鋼套管及輸水管兩端設置混凝土鎮墩。

2.2.2 穿干排、生態渠、洪溝（干涸）

采取破渠開挖，從渠底穿過，管道盡可能埋深而不裸露在外，可采用開挖回填管溝方式進行過渠，并在輸水管兩端設置鎮墩。

2.2.3 水面穿越工程

水面主要是塔里木河生態渠放水而形成的，工程施工時應避開放水時段，在水位降下去后再施工。施工時管道深埋而不裸露在外，采用開挖回填管溝方式通過水面穿越處，并在輸水管兩端設置鎮墩。

穿越干排及水面時應先排水形成干地后施工。在基坑開挖后，為便于管道基礎及鎮墩混凝土施工，本工程采用開挖排水溝明排和水泵抽水相結合辦法進行施工。在基坑內側布置排水溝，在低洼處布置集水坑，用水泵自集水坑內抽取集水，排至基坑外圍。

2.3 穿越堤防工程

本項目工程中，管道沿線有5 處生態渠放水形成的水面寬度過長，管道通過此處時由于水量過于集中形成了海子，施工排水措施不可取，故管道需穿越塔里木堤防進入堤防內側避開海子后再穿越堤防回到原設計路線。

穿越塔河防洪堤工程與塔里木河流域管理局協調，采用鋼管擠壓頂進方案，避免對堤防的破壞。為了防止以后外部荷載對供水管道的影響，本次設計在堤防坡腳線下3.0 m 深處埋設鋼套管方式，底部輸水管與兩岸輸水管的銜接坡度應緩于1∶2.0，輸水管道從鋼管內穿過，并在鋼套管及輸水管兩端設置砼鎮墩。

2.4 跨路工程

本項目工程中，管網管道過各種道路共計74 次，其中穿鄉村柏油道路19 次，管網穿鄉村公路（砂石路面）55 次，考慮到項目區屬寒冷地區，采取開挖回填管溝方式進行過路，并埋設鋼套管，在鋼套管及輸水管兩端設置鎮墩。

2.4.1 管道穿越鄉級柏油路

主要穿鄉村柏油路，與公路部門協調，跨柏油路的管道是鋼管擠壓頂進的方案，減少對柏油路面破壞。為了防止以后外部荷載對供水管道的影響，本次設計在路面下1.5 m 深處埋設鋼套管方式，輸水管道從鋼管內穿過，并在鋼套管及輸水管兩端設置砼鎮墩。

2.4.2 穿鄉村砂石路

穿砂石路（鄉村內部道路）時均采用大開挖形式，為了防止以后外部荷載對供水管道的影響，本次設計埋深在路面下1.5 m 以下，在溝底依管徑的大小鋪設不同直徑的鋼套管，管道兩端設置砼鎮墩，從而保護管道安全運行，管道鋪設完畢，應盡快將路面恢復。

3 結語

當前我國處于大力興建各類管道工程階段，在長輸管道穿跨越方案的選擇方面，應在通盤考慮工程地質和水文地質的基礎上采取安全可靠、技術先進、方便施工和維護管理及費用較低的設計方案，同時兼顧水利部門要求、防洪施工季節對工期影響要求等因素，在滿足各部門要求下選擇最優穿越方案和施工工藝以獲得最佳經濟效益和社會效益。