灘涂區大口徑柔性管道基礎及回填設計淺析

徐震 孔維耀

上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 200092

引言

為滿足現代工業生產及城市建設中運輸、通信及交通等需求，需敷設地下管道進行能源輸送、給水排水、纜線裝納等。地下管道常需穿越沼澤、河塘、出海口附近的軟土地基，而軟土地基條件差，管道的基礎設計和回填質量尤為關鍵，一旦管道結構發生破壞［1，2］，不僅影響工程安全運行，也會引發嚴重的次生災害（如爆炸、污染物泄露等），造成城市癱瘓。

本文以某排水管道工程為例，分析闡述了灘涂區大口徑柔性管道基礎及回填的設計與應用，為類似管道工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

上海市某污水處理廠永久排放管工程，總長度約7.44km，以高位井為界分為陸域部分和水域部分，陸域部分由三段組成，分別為主江堤內開挖段、頂管穿主江堤段、主江堤外開挖段。其中，主江堤外開挖段位于新吹填的灘涂區內，總長度為3.25km，見圖1。

圖1 主江堤外開挖段排放管平面布置示意Fig.1 Plane layout of discharge pipe in excavation section outside main river embankment

該段排放管為2根DN2400，采用耐腐蝕性能較好的離心澆筑球墨鑄鐵管，管中心距為4.40m，管道內底標高為-4.40m～-6.40m，管頂覆土為6.95m～8.95m，管道典型斷面見圖2。

圖2 管道基礎結構斷面Fig.2 Section of pipe foundation structure

本工程所在場地屬潮坪地貌類型，根據地勘報告，管道開挖深度及影響深度范圍內土層的有關參數見表1。擬建場地淺部地下水屬潛水類型，年平均地下水水位埋深離地表面0.1m～1.6m。根據水文地質勘查資料及勘察報告，⑦層為承壓含水層。

表1 土層物理力學指標Tab.1 Computation parameters of soil

2 管道基礎設計

按照規劃，該段管道所在的灘涂區為應急渣土消納區，待排放管施工完成后會不斷進行大面積渣土回填，回填的高度近3.0m，DN2400的管道口徑較大，而渣土回填的范圍、時間、高度等因素均不確定，會導致管道完工后發生較大的不均勻沉降，從而引起管道發生結構性破壞。如考慮管道采用頂管方式施工，則管道至少需埋設在壓縮模量很大的土層中，否則仍會產生較大的不均勻沉降，從安全性和經濟性角度考慮，頂管方式不適宜本段管道工程。

若采用傳統大開挖埋管方式施工（簡稱“直埋”），雙管共溝槽，人工土弧基礎，溝槽兩側按照規范要求進行回填，根據《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結構設計規程》（CECS142：2002）［3］及《給水排水管道工程施工及驗收規范》（GB 50268—2008）［4］，計算結果見表2。由表2可知，按照規范［4］進行設計，管道的豎向直徑變形率（＞2%）和管道環向彎曲拉應力（大于抗拉強度）均不能滿足規范［4］要求。同時，后期的渣土堆載引起管道的沉降量大，且堆載的隨意性勢必造成較大的不均勻沉降，直接影響日后的正常使用。

基于灘涂淤泥軟基和日后堆載的特點，需要對埋管進行特殊處理，方能滿足規范［4］要求的強度、剛度和沉降要求，設計中采用了管槽基礎＋樁基的結構形式（簡稱“管槽”）。管槽凈寬8.40m，凈高3.70m，壁厚0.50m，底板厚0.60m，內部埋設管道，管道四周回填中粗砂；為了防止管道由于完工后大面積回填土導致不均勻沉降，管槽基礎下設置樁基，用于承載上部回填渣土的荷載。同樣，按照規范［3］進行管道結構計算，其中，管側回填土壓實系數按95%取用，溝槽兩側原狀土可以認為是管槽基礎，剛度較大。如表2所示，管道豎向直徑變形率為1.30%（＜2.0%）、管道環向彎曲拉應力（小于抗拉強度）均能滿足規范［4］要求。

表2 管道結構計算結果Tab.2 Calculation results of pipeline structure

3 管槽基礎回填設計

3.1 回填參數確定

規范［3］針對球墨鑄鐵管在準永久組合作用下的最大豎向變形給出了具體算法，管道基礎是人工土弧基礎，表2中管道豎向變形均是基于該前提條件下計算所得，但本段管道采用的是管槽基礎＋樁基的基礎形式，規范［3］中的算法不能完全匹配該種基礎形式。混凝土管槽的剛性約束區別于埋地管的土層約束，管底的回填厚度和槽內不同區域的回填密實度是影響管道受力和變形的控制性指標。借助有限元方法，建立數值模型來模擬柔性管道管槽回填，分析管道的變形和受力特性，確定合適的回填參數。

管槽回填基底厚度和分區回填示意如圖3所示。其中，h為管底回填厚度，根據經驗，h不宜小于200mm，A區為管道基礎范圍，B區為管道兩側范圍，C區為管頂以上500mm管道兩側范圍，D區為管頂以上500mm管道上部范圍，均采用中粗砂回填，基礎中心角為120°。方案選取了不同基底厚度和區域密實度，組成多組對比，見表3。

1.計算模型的建立

本工程采用Plaxis2D軟件進行模擬計算，土體采用M-C本構模型，總應力指標、土層信息見表1。管道、管槽和樁基采用線彈性本構。荷載采用線性均布荷載。對管道的開挖、埋設和溝槽回填的施工過程進行模擬，共分為4個施工步驟：

（1）建立模型，劃分網格，賦予材料屬性，加入樁基，初始地應力平衡；

（2）溝槽開挖，加入管槽基礎和A區回填土；

（3）加入管道和B、C、D區回填土，并回填至管頂以上500mm；

（4）加入后期回填渣土（以超載形式），模型計算域為50m×20m，平面應變模型，分析模型的豎向底部采用全自由度約束，側面采用側向約束。

2.計算結果分析

針對表3中的不同回填方案，分別進行了有限元數值模擬，計算模型均一致，僅A～D四個回填區域的壓實系數不同，體現為模型參數壓縮模量不同，其中：壓實系數95%的壓縮模量為7MPa，壓實系數90%的壓縮模量為5MPa，壓實系數85%的壓縮模量為3MPa。各個方案的主要計算結果見表3，圖5為方案1-1的有限元數值計算結果。

圖4 方案1-1有限元計算結果Fig.4 Scheme1-1finite element calculation results

根據計算結果可以得到：

（1）各個方案均能滿足規范［4］要求，管道豎向直徑變形率有限元計算值約為規范［3］法計算值的0.4倍，管道豎向直徑變形率與管道四周回填土的壓縮模量有很大關系，規范［3］建議值偏保守；

（2）管槽中柔性管道管底回填厚度（h）一般不宜小于200mm，管槽基礎剛度較大，而柔性管道剛度較小，當管道與管槽之間回填土變薄時，雖然管道豎向變形極值均有減小，但管道豎向直徑變形率增大，最大彎矩和最大拉應力亦增大，容易出現應力集中現象，從而導致管道破壞；

（3）管槽中柔性管道管底回填厚度可以取管徑的0.2倍，當回填厚度大于0.2倍管徑，隨著回填厚度增加，管道豎向變形極值均呈增加趨勢，管道豎向直徑變形率也會增大，最大彎矩和最大拉應力亦會增大，同時，管道溝槽的挖深也增大，經濟性也變差了；

（4）管槽中柔性管道基礎、兩側和管頂以上范圍（圖3中A～D區）的壓實系數越高，對管道的變形和受力越有利，但與一般柔性管道溝槽回填不一樣的是，管頂以上500mm管道上部范圍的壓實系數宜和兩側保持一致。

3.2 管槽回填方案

根據計算結果分析，針對本工程管槽的回填可以按照設計要求進行：1）管道基礎范圍（A區）采用中粗砂回填，壓實系數95%，管底回填厚度500mm；2）管道基礎中心角取120°；3）管道兩側范圍（B區）采用中粗砂回填，壓實系數95%，分層回填密實，壓實后每層厚度100mm～200mm；4）管頂以上500mm范圍（C區和D區）采用中粗砂回填，最大顆粒徑小于40mm，壓實系數90%，為保證受力均勻，上覆200mm厚鋼筋混凝土板；5）采用素土回填，壓實系數不小于90%或按道路要求。

4 結語

通過分析，提出了一種適用于灘涂區大口徑柔性管道的管槽基礎，解決軟基后期堆載管道敷設難題。經過多參數計算分析，并與《給水排水管道工程施工及驗收規范》（GB50268—2008）進行了對比，總結了管槽基礎各個分區范圍的回填要求，為類似管道工程提供借鑒和參考。