直埋式大口径玻璃钢管道安装技术措施①

李静琪 彭周岗 李忠江

(1.山东电力工程咨询院有限公司；2.金陵力联思树脂有限公司；3.南京新核复合材料有限公司)

直埋式大口径玻璃钢管道安装技术措施①

李静琪1彭周岗2李忠江3

(1.山东电力工程咨询院有限公司；2.金陵力联思树脂有限公司；3.南京新核复合材料有限公司)

介绍了大口径玻璃钢管道直埋安装时对管沟开挖与回填、地基处理、止推墩设置及变形控制等诸多方面的技术处理措施。

直埋式 大口径 玻璃钢管道 安装

直埋式大口径玻璃钢管道的安装技术处理措施，对于确保管路安全运营尤为重要。笔者针对较大口径(通常指大于DN2000mm)的玻璃钢管道在复杂地质条件下直埋安装时的经验性技术处理措施作了归纳、总结。

1 管沟开挖与回填

直埋式大口径玻璃钢管道较适宜的埋深是0.8～2.5m，建议最大埋深不超过6m，最小埋深不小于0.5m。对于穿越道路或存在沉降预期建筑物的玻璃钢管道，应加装钢套管、配置涵沟、外包混凝土。管沟每边的开挖宽度应不小于600mm，总开挖宽度应不小于管道直径加1 200mm。

管沟垫层应平整，过渡均匀。管道下建议采用沙垫层，以便为管线的各部分提供连续、均匀的支撑。如果管道下部为未开挖的非扰动土层，能防止沙子流失，适宜的沙垫层厚度为 300mm；如果管道下部为回填的碎石，受涨落潮的影响，可能造成沙子流失，建议浇注300mm 厚的素混凝土层，再铺设沙垫层，其最小厚度应不小于150mm。

回填材料可选用绝大多数的粗粒土壤(粘性土、砂土和沙子)。管道下部D/4 高度的垫层建议采用人工回填，且全部打夯，不能使用挖掘机等机械回填。回填时应从管道的两侧平衡回填，两边回填的高度差应不超过100mm。当回填深度超过D/2 管道或与顶部平齐时，剩余部分的回填才可使用机械进行操作。

如果D/2 管道高度以下全部采用沙垫层及沙子作为回填材料，回填层夯实后的普氏密度需达到70%以上；如果只在管道下面的垫层及下部D/4管道高度采用了沙子，则D/2管道以下的回填层夯实后的普氏密度需达到85%以上；如果只在管道下面的垫层采用了沙子或没有沙垫层，则D/2管道以下的回填层夯实后的普氏密度需达到90%以上。

每次回填及夯实的厚度应不超过500mm。如果打夯机的振动不会损坏管道，可以使用机械打夯机。打夯机的夯脚与管壁至少要保持一个脚掌的距离，以保证振动不会传到管道上。否则，则建议采用人工夯实。

2 止推装置

对于采用柔性连接的大口径埋地玻璃钢管道，当轴向推力大于土壤与玻璃钢管道之间的摩擦力时，应设置止推装置。止推装置必须满足以下条件：采用混凝土浇注，强度等级不低于C15；坐落在坚固的基础上，具有足够的承载区域，保证土壤推力满足承载要求；垂直穿过承载面中心的合成推力矢量。如果止推装置在水层以下安装或土壤不稳定，必须采取特别措施确保稳定性。

2.1 止推力

因内压形成的埋地玻璃钢管道弯头、直管末端、三通及大小头等各种形态的推力值计算可参考AWWA M45-2006 第7.1.1节的介绍。笔者仅介绍弯头处止推力的计算：

式中A——管道截面积，mm2；

p——考虑了水锤冲击压力的管内最大压力，MPa；

T——弯头处的推力，N；

Δ——弯头角度，(°)。

对于采用柔性接头的埋地玻璃钢管道，其轴向推力主要来自内压力和水锤冲击力。

2.2 玻璃钢管道与土壤间的摩擦力

埋地玻璃钢管道与土壤间摩擦力F的估算公式为：

F=π×Do×q×f×L

式中Do——管道外径，mm；

f——管道与土壤间的摩擦系数；

L——管道长度，mm；

q——管道上部的压力，MPa。

对粘土和粘质粉土，f的取值范围为：0.05～0.10(湿)，0.15～0.20(干)。对于砂土和砂质粉土，f的取值范围为：0.10～0.15(湿)，0.20～0.25(干)。

2.3 地质承载力

地质承载力与土壤的种类、稳定性和地下水位有关，不同地方的土壤千差万别，即使同一区域不同位置的土壤，其承载力相差也很大，不能简单引用，需进行详细、精准的地质勘探。常见土壤情况下的安全承载压力推荐值如下：

石块，硬土层 19.753MPa

石块(相当于好的砖土) 2.394MPa

石块(相当于最好的砖土) 1.436MPa

石块(相当于质量差的砖土) 479kPa

干土(总是干的) 383kPa

干土(相当干) 192kPa

干土(软) 96kPa

小碎石，粗沙，硬土 766kPa

沙(紧密，硬土 383kPa

沙(干) 192kPa

2.4 止推墩的位置和形式

对于大口径玻璃钢管道，不论是埋地管道还是地面管道，在弯头、 末端堵头或法兰、开孔直径超过D/2 的三通等处均需要设置止推墩。常见的单条管道弯头止推墩的结构如图1所示，单个管道直三通的止推墩结构如图2所示。

图1 弯头止推墩结构

图2 直三通止推墩结构

2.5 止推墩与管路的不均匀沉降

对大口径玻璃钢管道而言，消除不均匀沉降是保障管路安全的必要措施。当止推墩坐落在桩基上时，止推墩的沉降量非常小，此时，管路的沉降量将大于止推墩的沉降。此时，管沟的基础应有足够的承载力，以达到严格控制管路沉降量的目的。

当止推墩下部不打桩时，止推墩的沉降量将远大于管路的沉降量。此时，应将较大体积的止推墩与包裹管道部分分隔开来，以达到止推墩的沉降不会带动管道沉降的目的。

需要特别指出的是：如果两条并排管道间的距离没有超过止推墩止推方向的宽度，则两个弯头的止推墩有可能会合并到一起，此时止推墩的体积和重量会非常巨大，大多数的基础难以提供足够的支撑力，通常需要对合并后的止推墩采取打桩的处理措施。

因此，当管线的功能性、使用性、稳定性比较重要，而管沟地基承载能力不强，具有较大的不确定性，同时又没有较好的技术措施来解决止推墩与管线的沉降不均匀时，最好的解决方案是管道基础整体打桩。

3 支墩总阻力的计算

水平向弯头支墩总阻力的计算公式为：

式中A——管道截面积，mm2；

G——整个支墩的重量，kN；

h1——支墩顶在设计地面以下深度，m；

h2——支墩底在设计地面以下深度，m；

L——支墩长度，m；

p——考虑了水锤冲击压力的管内最大压力，MPa；

T——支墩水平总阻力，kN；

γs——支墩后背处的土壤重度，kN/m3；

μ——支墩与土壤间的摩擦系数，μ=0.3；

φ——土壤等效内摩擦角，(°)；

Δ——弯头角度，(°)。

4 地基

根据GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》,玻璃钢管道直埋的自然地基土壤可以分为人工填土(冲填土、杂填土、素填土)、粘性土(粘土、粉性粘土)、粉土、砂土(粉沙、细沙、中沙、粗沙、砾沙)、碎石土(圆砾或角砾、卵石或碎石、漂石或块石)及岩石等。

根据地基结构的形成方式，地基可分为以下3种：

a. 未经开挖、回填等方式扰动过的原土。对于该结构类型的管沟基础，合理的回填材料、回填方式及压实普氏密度达到 90%以上后，管线通常不会发生较大的不均匀沉降。

b. 经开挖后回填并压实的垫土层。对于该结构类型的管沟基础，由于不同区段存在压实程度差异，自然沉降时间不足，管沟基础会进一步发生沉降。如果压实工程管理合格，差异性不会太大，沉降的方式主要表现为整体沉降，不均匀沉降量相对较小。

大口径埋地玻璃钢管道采用双O形圈承插连接，每个管道接头具有不超过 20mm 的补偿功能，其最大偏转角为 0.5°。因此，对于12m长的标准管，当最大沉降发生在(或靠近)管道中部时，尚能通过偏转、伸缩进行调整；但如果最大沉降发生在玻璃钢管道接头附近时，则接头有可能因偏转角度大或拉出而影响密封。

c. 既有未扰动的原土，又有经开挖后回填并压实的垫土层。对于该种结构的管沟基础，如果回填区域比例比较大，或开挖区与非开挖区的地质承载能力差异性较大，则建议采用打桩的处理措施。如果非开挖区域占大部分，且地质承载能力强，则建议在开挖区域多采用短管，通过增加柔性接头数量的方法来解决不均匀沉降的问题，同时为防止沉降量过大而将承插接口拉出，建议采用带锁紧的O形圈连接方式。

无论是哪种土壤性质或结构类型的管沟基础，都需要解决止推墩沉降与管线沉降的差异问题，而这才是设计人员需要着重考虑的问题。

5 变形控制

为保证大口径玻璃钢管道的长期运行寿命及采用O形圈式连接柔性接头的密封性，进行直埋时，均应避免管道初始变形过大以及地基的不均匀沉降。埋地玻璃钢管道的初始变形应不大于5%D。玻璃钢管道的初始变形与围绕管道周围土壤的压缩模量、管初始刚度及回填方式有关。管道刚度与管周土体刚度的比值α的计算公式为：

式中Ed——管侧土的变形综合模量，MPa；

Ep——管道的环向弯曲弹性模量，MPa；

r——管道半径，mm；

t——管道壁厚，mm。

当α≥1时，为刚性管道；当α<1时，为柔性管道。

大口径玻璃钢管道通常属于柔性管道范畴，其回填土的压缩弹性模量应不低于4.5MPa。

双O形圈式柔性接头虽然可以有一定的偏转角度，但插口与承口之间的最大间隙通常不超过3.0mm，随直径增大，可偏转角度减小，除非不均匀沉降量及发生的地点可以精确预测，否则，很难保证O形圈柔性接头的密封性能。

6 支撑和标示

阀门以及大型设备(单位长度上的重量超过了管道加内部介质的重量)下部应浇注钢筋混凝土支墩，并将阀门或设备固定在支墩上，这样在支撑重量的同时可抵制由于开动或关闭阀门造成的扭矩和旋动。

对于埋地管道，应将其走向、位置、距离在地表上标明，以利于检修和防止大型不明车辆通过。必要时，可以通过建立隔离带来进行保护。

7 结束语

从管沟开挖及回填方法、止推装置形态、地基处理、变形控制以及支撑和标示等诸多方面介绍了直埋式大口径玻璃钢管道的安装技术措施，可为同业工程建设人员的施工提供技术指导和借鉴。

李静琪，(1982-)，工程师，从事核电设备监理工作。

联系人李忠江，(1965-)，高级工程师，从事复合材料设计工作，njxhlzj@163.com。

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