市政工程管道的结构设计

姜　涛

(上海市同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海　200092)

1　概述

市政管道分为给水管道和排水管道，前者包括输送原水的管道，输送经污水处理厂处理后可用于浇洒道路、绿化、洗车和厕所冲洗水的中水管道等。后者包括输送未经处理或初步处理的生活、生产污水管道，输送截流雨水的雨水管道和雨污合流管道。

城镇的给水、排水管道一般采用埋地敷设，不占用地面空间。因水体温度和环境温度产生的温差会使得管道产生纵向变形，除采用伸缩节、滑动支座和保温层外，一般也会要求输送水体的温度不大于40 ℃。

给水管道需要连接到民用、工用和公共设施的进水点，一般采用压力流管道系统，工作压力一般不小于0.5 MPa。排水管道考虑到节能和排放污水需要，一般采用重力流管道系统，遇到出口高程不能自流排放，则设置加压泵站提升水头。

管材的确定需要根据管道用途、埋置深度、抗震要求、地质条件和经济指标等情况进行综合考虑。目前给水排水管道形式主要有铸铁管、钢筋混凝土管、钢管、塑料管和其他复合结构管材。

管道的连接接头是管道系统的主要组成部分，压力管道在方向转变处、支管与主管连接处必须采用弯管、三通和四通等接头，不同管材间连接处也需采用相应接头。接头必须达到与管材同样的对外荷载支撑强度，并达到不低于0.5 MPa内压的抗渗要求。

管道接头从性能上有刚性接头和柔性接头两种形式。刚性接头属于固接连接，相邻管端不能产生转角和伸缩。柔性结构属于可动连接，相邻管端可有小量的转角和伸缩。一般的连接形式有：对接连接(如钢管的焊接连接和塑料管的热熔连接)、套筒连接、承插连接、卡箍连接和法兰连接。

2　埋地管道结构的分类

埋地管道根据是否由管、土共同作用支撑管顶荷载分为刚性管和柔性管。前者管腔结构中产生的弯矩、剪力等由管道自身的强度和刚度承担，管顶处的最大变形不大于1%。后者管顶处的变形大，管道产生横向变形，需要管腔两侧的土体产生抗力来平衡管顶荷载。

在GB 50332给水排水工程管道结构设计规范中，对埋地圆形管道，规定了按管道结构刚度及管周土体刚度的比值来判别属于刚性管还是柔性管，实际管道设计中通常按管材材质确定。划为刚性管的管材包括：水泥管、陶土管、钢筋混凝土管和铸铁管；划为柔性管的管材包括：钢管、塑料管。

重力流管道系统的管材需要承担外侧土压和地面荷载，压力管道系统的管材还需承担内侧水压，为此管道必须有足够的强度来抵抗作用其上的内外荷载。刚性管管材的支承强度采用3点法试验确定，实际测量的是管环的抗弯强度；柔性管管材以环刚度来反映管、土共同作用。厂家说明书一般也会给出管材相应的容许覆土深度和荷载标准。

压力管道管材必须提供管材的公称压力指标，它是管材系统长期内水压力下许可应用的额定指标。例如PE管的出厂试验压力必须大于1.5 PN，预应力混凝土的出厂试验压力必须达到1.5 PN～2 PN(根据管径大小而不同)。

3　埋地管道的结构设计计算

埋地管道的设计必须根据埋设场地的水文地质条件、埋设方法(开槽敷设、顶管、拖拉和沉管等)、管材材质和管槽回填土密实度等多种因素确定。

开槽敷设管道一般采用土弧基础，管道基础层及管底腋角部位必须用中粗砂或级配砂石回填密实。在管道腋角部位以下，刚性管和柔性管对回填土的密实度要求是一样的，基础层压实系数要求85%～90%，腋角部位压实系数要求95%。管底基础层密实度要求比腋角部位小一些，是为了管道埋设后管底可以压入基础层形成计算时假设的支承角。管侧回填土密实度，对刚性管和柔性管则有不同的密实度的要求。一般情况下，刚性管压实系数要求90%，柔性管压实系数要求95%。

对不开槽(顶管、拖拉等)施工形成的土弧基础是在原状土中形成的，施工过程中要尽量减少对其的扰动。

对刚性管道的结构设计，一般进行强度和裂缝计算，采用均布外部荷载简化图形。对柔性管道一般进行强度和变形计算，采用斯氏公式。

对于埋设于河底、岸边的管道，应保证管顶覆土高度满足抗浮要求，并按要求分层压实，做好防冲刷措施。覆土高度不满足时，应配置混凝土配重块或包封处理。在管道使用期间，由管理部门派人定期巡视，发现问题及时补救。

管道连接采用柔性连接，可增强管道的变形能力和抗震能力。管道连接采用刚性连接，可通过管道自身强度和周边土摩擦力抵抗内压在转向处引起的变形。可根据实际情况灵活选择管道连接方式，如管线穿越建筑物时，在设置套管的同时采用柔性连接；管道不得不与墙体嵌固时，在墙外设置柔性接头等。

对落差大的管段，管道工艺专业应采取管内、管外耗能措施，否则需判断管内是否存在满水和超高水头情况，进而确定设计压力，进行相应支墩和节点设计。

4　管材详述

4.1　钢管

给水排水工程管道使用的钢管，要求强度等级不低于Q235，质量标准符合现行《碳素结构钢》和《低合金高强度结构钢》规定的要求，并宜采用镇静钢。一般采用焊接连接和法兰连接。钢管的焊接材料应符合以下要求：焊条质量符合现行《碳钢焊条》和《低合金钢焊条》规定的要求；选用的焊丝和焊剂应当与钢管管材力学性能相适应。管道内外防腐材料可采用水泥砂浆和涂料，输送饮用水的给水管道的内防腐材料必须符合有关卫生标准，确保对人体无害。

4.2　预应力混凝土管

预应力混凝土管按成型工艺可分为：管芯缠丝预应力混凝土管、振动挤压预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管。一般采用胶圈密封承插式柔性连接。要求管体混凝土强度等级不得低于C40，预应力钢丝采用高强度碳素钢丝，直径不得小于4 mm，钢筒用钢板厚度不得小于1.5 mm。材料的抗拉强度和弹性模量等力学指标，应符合《混凝土结构设计规范》和《普通碳素结构钢和低合金结构钢薄钢板技术条件》规定的要求。内外防腐材料可采用水泥砂浆、混凝土和涂料，若采用水泥砂浆、混凝土需配置抗裂钢丝网。

4.3　塑料管

塑料管主要包括：PVC管、PE管和RPMP管。一般用于压力管时为实壁管，用于重力流管时为结构壁管，其质量需满足国家规范对相应管材的要求。一般采用热熔连接或承插式柔性连接，自身防腐或采用涂层防腐。

5　管道施工

5.1　开槽埋管

一般情况下，管槽开挖深度未超过3 m时，采用放坡开挖；超过3 m时，采用土钉墙、钢板桩、型钢桩、灌注桩、SMW工法桩等支护开挖。管槽开挖深度未超过3 m时，采用明沟加集水坑方式降水；超过3 m时，采用井点降水。

开槽埋管过程中应注意随挖随埋，减少基底暴露时间，避免下部和周边土体变形、扰动。若遇超挖或软弱土层，可采用级配砂石换填、抛石挤淤和水泥土搅拌桩等方法进行处理，确保管基稳定。

施工前应依据建设单位提供地质勘查报告和物探资料，对管槽开挖影响范围内的地下管线、周边建构筑物进行标注、分析，重点区域制定专项方案，以避免或降低施工影响。

5.2　顶管施工

目前我国的顶管施工已然发展成熟，顶管机类型很多，性能各异。因地下水对土的性质影响很大，顶管机根据有无地下水分为两大类：敞开式和平衡式。地下水位以下多数土层都不太稳定，一般需要采用平衡式顶管机。顶管施工时应注意对周边管线、建构筑物和路面的保护，避免大角度偏移，重要地段要用迟凝泥浆置换触变泥浆，严格控制出泥量，不可超量出泥。顶管结束后应采用水泥砂浆加固减阻泥浆。

5.3　拖拉施工

拖拉(定向钻)施工一般有定向钻孔拖拉法和二程式拖拉法，应根据实际工程条件选用。拖拉管材宜选用PE，HDPE平壁管，采用热熔接头，其材质及性能应符合有关标准的规定。定向拖拉施工中的护壁泥浆应根据地质条件配置，定向拖拉前应摸清附近管线和建、构筑物情况，注意观测和预备必要的保护措施。管道回拉定位后，必须进行泥浆置换。钻机入土造斜段的入土角不宜超过10°，出土角按导向钻杆及拖拉管材允许曲率半径较大值确定，一般不宜超过20°。管道与检查井墙接头处应设置遇水膨胀橡胶止水圈，防止漏水。

6　结语

在进行市政给水排水管道结构设计过程中，设计人员应综合考虑多种因素，从管道材质选择、施工方式、埋置深度和转弯节点等多方面着手，制定合理方案，从而确保管道工程的顺利建设和结构质量，维护管网系统的正常运行，为城市建设贡献自己的力量。