改造道路下既有管道保护方案研究.pdf

1、第41卷第10 期2023年10 月文章编号：10 0 9-7 7 6 7（2 0 2 3）10-0 2 7 0-0 7Vol.41,No.10Journal of Municipal TechnologyOct.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.10.270改造道路下既有管道保护方案研究叶仕镇(苏交科华东（浙江)工程设计有限公司，浙江杭州3 10 0 3 0)摘要：随着汽车保有量的增长，对道路拓宽提升改造需求与日俱增，现状道路的改造缓解了交通压力且提高了路段安全系数，同时也对改造道路下既有管道设施的保护和利用提出了新的挑战。对某改造道路下现状尾水管道提出了钢

2、筋混凝土盖板涵、钢筋混凝土盖板和泡沫混凝土保护方案，通过理论计算和有限元计算模型分析，得出了泡沫混凝土保护方案综合造价较低、施工周期短以及对现状道路和沿线居民影响最小的结论，为类似管道工程实践和研究提供了参考。关键词：道路；管道保护；钢筋混凝土盖板涵；钢筋混凝土盖板；泡沫混凝土中图分类号：TU990.3Abstract:With the car growth,the demand for road improvement has been increased day by day.The reconstructionof existing roads relieves traffic pres

3、sure and improves the safety factor of road sections,while also poses new chal-lenges to the protection and utilization of existing pipeline facilities under the reconstructed roads.A protectionscheme of reinforced concrete cover culvert,reinforced concrete cover and foamed concrete was proposed for

4、 the ex-isting tail water pipeline under a certain reconstructed road.Through theoretical calculation and finite element cal-culation model analysis,it was concluded that the foamed concrete protection scheme has a lower comprehensivecost,short construction period and the minimal impact on existing

5、roads and residents along the line,which pro-vides reference for similar pipeline engineering practice and researchKey words:road;pipeline protection;reinforced concrete cover culvert;reinforced concrete cover plate;foamedconcrete文献标志码：AResearchon Protection PlanforExisting PipelinesUnderReconstruct

6、edRoadsYeShizhen(JSTI Group East China(Zhejiang)Engineering Design Co.,Ltd.,Hangzhou 310030,China)随着城市的不断发展，基础设施的建设和改造提升与日俱增，错综复杂的地下管网工程与道路提升改造工程之间的矛盾日趋严重，由于施工受现状场地、建筑房屋、水利设施、永农、道路保通等影响，采用钢筋混凝土满包的常规管道保护方案很难适用于现状道路下的既有管道。因此，选择安全、有效、工艺简便的管道保护方案至关重要。国内外学者对改造道路下既有管道保护方案进行了研究，纪广等 1 对既有管道采用了设置交汇井、外包钢套管、钢板

7、桩支护等方案进行保护，避免了大量的管线迁改，但所涉及的管道埋深较浅，施工条件好，不适用于埋深较大且为非开挖实施保护的管道。段含斌 2 针对新建公路、铁路遇油气管道时，分别采用3 4m宽的钢筋混凝土盖板和钢筋混凝收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 3作者简介：叶仕镇，男，工程师，学士，主要从事市政给水排水、城市综合管线以及海绵城市设计工作。引文格式：叶仕镇.改造道路下既有管道保护方案研究 .市政技术，2 0 2 3,41(10)）：2 7 0-2 7 6.（YESZ.Researchonprotectionplanforexistingpipelinesunder reconstructed

8、roadsJ.Journal of municipal technology,2023,41(10):270-276.)第10 期土盖板涵进行保护，相应方案主要对管道保护的施工工艺提出了更规范的要求，但对管道在保护措施下的变形未做具体研究。何剑平等 3 对既有给水管道采用了钢筋混凝土压板、注浆加固、混凝土方包、钢筋混凝土挡墙十盖板以及灌注桩十盖板的方案进行保护，从经济、环境效益等方面论述了各方案的利弊，但所涉及的管道埋深较浅，施工条件好，对于埋设较深且场地开挖受限的既有管道无法采纳。现有研究对于施工场地良好且管道埋设较浅的现状管道均有较为成熟的保护方案，但对于开挖受限的管道保护方案研究较为欠缺

9、。因此，笔者以某改造道路下既有管道保护工程为例，对钢筋混凝土盖板涵保护方案、钢筋混凝土盖板保护方案和泡沫37559375硬行路 路西肩肩ELSf本路基中心线/现状尾水管道10017003500（改造后道路）20025059人非隔行行行机离车道动护道车栏18SG木现状尾水管道11001.700叶仕镇：改造道路下既有管道保护方案研究用提供参考。1工程概况某改造道路现状全长约为58 0 m，双向2 车道，二级公路标准，路基标准断面宽度为15.5m。改造后道路为双向6 车道，一级公路标准,路基标准断面宽度为3 5.0 m，道路距两侧房屋距离为2.7 4 9.59 m。根据现场勘察、原管道设计以及物探资

10、料，项目范围内距路基中心线以西约1117 m处埋地敷设DN1800尾水管道，材质为钢管，管道位置如图1所示。管道基本情况见表1。1550（现状道路）753001150车道271混凝土 4 保护方案进行分析，并对有、无保护措施下管道变形进行校核计算，再对3 种管道保护方案经济效益进行对比，相关结论可为现状管道的保护利30075行硬主车车道现状高程200行中行车分车道带道个个路基中心线设计高程一路路肩肩1150行车道东59250200行隔非人车离机行道护动道个栏车图1管道位置示意图（cm）Fig.1 Pipeline location diagram性高、强度低、固结时间长等特点,将其作为路基基表

11、1管道基本情况Tab.1 Basic information of pipeline直径/壁厚/管道在现状道路下覆土管道在改造后道路下覆土厚度/mmmmm最大值最小值平均值最大值最小值平均值180018根据地勘资料,在工程范围内组成地基土的地层主要有全新统中组冲湖积层和下卧软土层等。表部冲湖积层为硬壳层，岩性为黏土、粉质黏土，厚度为0.8 7.0 m,以下多为海相淤泥质土,部分相变为软塑状粉质黏土和松散一稍密状粉质黏土，其埋深厚度/m条件对地基工程的地质条件影响较大。软土分布在地基土压缩层范围内，软土层具有含水量高、压缩12.013.415.7312.313.405.81础时易产生过量沉降、不

12、均匀沉降、路堤失稳以及桥头跳车等现象。市放技术272Journal of Municipal Technology第41卷横向支撑Toot2管管道保护方案现状尾水管道位于道路西侧绿化带内，道路拓宽后位于行车道和非机动车道下方，现状尾水管道埋深较大，现状两侧房屋较近，且道路下敷设了其他管线，迁改条件受限。同时，考虑现状尾水管道位于软土层，道路施工过程中路床开挖、地基处理、管道上方原状土的扰动、土体变形，路床压实的震动荷载、大型施工机械、车辆、材料、临时堆土等产生的集中应力,均对现状尾水管道接头造成一定的破坏。因此，结合路面结构设计对以下3 种管道保护方案进行分析。2.1钅钢筋混凝土盖板涵保护方案

13、现状尾水管道上方土体开挖卸载后设置尺寸为3.7mx2.8m（宽高）的钢筋混凝土盖板涵,其可将管道上方土压力、路床压实的震动冲击荷载、施工机械荷载和汽车荷载隔离开来，以保护管道的安全。考虑现状尾水管道埋深较大，场地受房屋和道路保通需求，因此采用拉森钢板桩进行支护开挖。钢筋混凝土盖板涵保护方案如图2 所示。2.2钢筋混凝土盖板保护方案考虑钢筋混凝土盖板可抵消现状尾水管接头部位的冲击荷载，同时结合改建后路面结构方案，拟西人行道和非机动车道侧4.850m（平均设计高程）9m长拉森IV型钢板桩横向支撑SLS9600,4003003000002-1.876m立01800300300500100111000

14、100图2 钢筋混凝土盖板涵保护方案示意图Fig.2 Protection scheme of reinforced concrete cover culvert定管道上方道路挖除土层厚度约为1.46 m，开挖宽度为管道两侧各1.5m，由底部至路面设置50 cm厚砂砾垫层+3 0 cm厚钢筋混凝土盖板+3 4cm厚水泥稳定碎石底基层+2 0 cm厚水泥稳定碎石基层+12 cm厚沥青面层。钢筋混凝土盖板保护方案如图3 所示。12cm厚沥青面层20cm厚水泥稳定碎石基层34cm厚水泥稳定碎石底基层C30钢筋混凝土盖板防渗土工布砂砾垫层AAAAA014200-0122009m长拉森IV型钢板桩2.9

15、00400,600内填细砖C30钢筋混凝土300300管道下方原状土C20素混凝土垫层5002.900100100100行车道侧东底部填筑砂砾垫层00S4800(所）SLS91500D1500-1.876m立01800现状尾水管道（钢管）图3 钢筋混凝土盖板保护方案示意图Fig.3 Protection scheme of reinforced concrete cover plate第10 期2.3泡沫混凝土保护方案考虑泡沫混凝土具有轻质、整体性好、强度高、自稳性好以及流动性高、低弹减震性好、耐久性好、环保性好、施工简单便捷和无需压实等优点，同时结合改建后路面结构方案，拟定管道上方道路挖除土

16、层厚度约为1.9 6 m，开挖宽度为管道两侧各1.5m，4.850m（平均设计高程）叶仕镇：改造道路下既有管道保护方案研究12cm厚沥青面层20cm厚水泥稳定碎石基层西一人行道和非机动车道侧273由底部至路面设置3 0 cm厚砂砾垫层+10 0 cm厚泡沫混凝土+3 4cm厚水泥稳定碎石底基层+2 0 cm厚水泥稳定碎石基层+12 cm厚沥青面层。行车道侧考虑道路结构的不均匀沉降，泡沫混凝土填筑采用台阶搭接处理。泡沫混凝土保护方案如图4所示。34cm厚水泥稳定碎石底基层行车道侧东100cm厚泡沫混凝土防渗土工布砂砾垫层00S000100S底部填筑砂砾垫层4800(G)SLS915001500/

17、500D1500-1.876m01800现状尾水管道（钢管）图4泡沫混凝土保护方案示意图Fig.4 Protection scheme of foamed concrete3管管道保护方案计算校核3.1无保护措施下管道变形计算3.1.1管道最不利荷载分析道路路基承受路基自重和汽车轮重2 种荷载，在路基上部靠近路面结构的一定深度范围内，路基土主要受车辆荷载的影响；而在路基某一深度Z.处，当车辆荷载引起的垂直应力与路基自重引起的垂直应力相比所占比例较小，仅为1/10 1/5时，Z。深度范围即为路基工作区 5。在工作区范围内的路基受支承路面结构和车轮荷载影响较大，在工作区范围外的路基受支承路面结构和

18、车轮荷载影响较小，可以忽略不计。该工程施工完成后，穿越处工作区深度计算公式为：KnP式中：Za为路基工作区深度，m;K为轮载应力计算参数,取值0.5;n为自重应力与轮载应力的比值,取值510;P 为一侧轮重荷载，一级公路采用汽-超2 0 进行验收,取值7 0 kN;为路基土重度,取值18 kN/m。根据n值的不同,路基工作区深度范围为2.13 2.69m。该工程管道覆土深度均大于2.6 9 m,车轮荷载对管道几乎无影响。同时，道路施工完成后管道覆土变化较小，因此无保护措施时管道变形验收主要考虑土压力荷载、施工期间加载的影响,结合路面结构方案和道路施工工艺，施工期间管道最不利点覆土厚度为10.8

19、 5m。3.1.2管道压力荷载计算不开槽、顶进施工的管道管顶竖向土压力标准0.51070=2.69 m。(1)18市放技术274Journal of Municipal Technology值计算公式为 6 ：Fsv.k=C s,Di=1.998 18.81 2.896 1.836=199.828kN/m;(2):=D 1+tan(45-号2=1.836 1+an 45 _ 30 2=2.896 m;(3)H10.851-exp(-2KaLlC;=2Kal=1.998。式中：H为管道最不利点覆土厚度，取值10.8 5m；s为回填土重度，取值18.8 1kN/m；C,为不开槽施工土压力系数；为管

20、顶上部土层压力传递至管顶处的影响宽度,m;D为管道外径,m;为管侧土的内摩擦角,取值3 0;Ka为管顶以上原土的主动土压力系数与内摩擦系数的乘积,取值0.19。3.1.3管道径向变形计算管道在外荷载作用下的径向变形计算公式为：ZKWDAX=8EI+0.061E.Dm1.5 0.105 466.713 103 1.836382.06 10124.86 10-7+0.061 21071.83632.924 10-m;式中：Z为管道变形滞后系数,取值1.5;K为基床系数，取值0.10 5；W为作用在单位管道长度上的总竖向荷载，取值46 6.7 13 kN/m;Dm为管道的平均直径，m；E为钢材的弹性

21、模量,N/m;E.为土壤变形模量,N/m;Sn为管道公称壁厚，m;I为单位管道长度截面惯性矩,m/m。3.2有保护措施下管道变形模型计算3.2.1计算模型笔者采用MidasGTSNX软件建立管道有限元计算模型,模型尺寸为6 0 mx500mx11m，模拟对象为道路拼宽改造、现状尾水管道及其保护措施。土体、道路路基、混凝土加固等采用六面体十四面体实体单元模拟，面层、现状尾水管道采用板单元模拟。混凝土构件采用弹性本构关系进行计算分析;土体采用修正摩尔-库伦本构关系进行计算分析。采用结构化网格划分技术对模型进行网格划分，共计232104个单元，10 9 0 7 8 个节点。模型的边界条件为顶面为自由

22、面，两侧水平约束，底面为竖向和水平第41卷向约束。三维模型如图5所示。1-exp(-2 0.19.2.89620.19(4)(5)I=%=4.86107。12a)整体模型b)拼宽改造道路与尾水管道位置关系(6)c)尾水管道模型图5三维模型图Fig.5 3D model3.2.2计算参数计算模型中土层主要参数见表2。表2 土层主要参数Tab.2Main parameters of soil layer弹性模量/土层泊松比MPa(kN/m)填土层10黏土层15淤泥质黏土层10粉质黏土层203.2.3模拟工况道路改造对管道的安全性影响计算步骤如下：地应力平衡阶段；既有管道保护措施十道路改造施工；运营

23、通车。为保证结果的安全性，路面加载按照施工十运营的包络值取值，该次模拟施工和运营期的加载值为3 0 kPa。重度/黏聚力/内摩擦角/kPa（）0.3818.50.3218.70.4018.10.3019.31040124610151216第10 期3.2.4结果分析对于穿越公路的无套管管段、有套管管段以及埋深较大的管段,均应按无内压状态验算在外力作用下的变形，其水平方向直径变形量不应大于钢管外径的3%7 ，否则应要求复核。现状尾水管道外径为1836mm，其水平方向直径变形量不应大于55.0 8 mm，为了安全起见，水平方向直径变形量控制值应为30mm。考虑到现状尾水管道的运营重要性，并留有一定

24、的安全系数，取全段受影响管道最大、最小水平变形量，得到水平变形极差值作为评价依据。1)钢筋混凝土盖板涵保护方案：对现状尾水管道上部土层支护开挖后做钢筋混凝土盖板涵保护后，管道几乎不受土压力和汽车荷载以及施工期间荷载作用，道路拼宽改造几乎不会对管道产生影响。2)钢筋混凝土盖板保护方案：对现状尾水管道做钢筋混凝土盖板保护后，受施工以及加载影响，管道受压,竖直方向直径减小,水平方向直径增大。管道最大水平变形量为0.2 0 3 mm，最小水平变形量为-4.590mm,所以现状尾水管道水平方向变形量 水平变形极差4.8 0 mm控制值3 0 mm,即在该保护措施下道路改造不会对管道产生明显影响，满足规范

25、要求。3)泡沫混凝土保护方案：对现状尾水管道做泡沫混凝土保护后管道水平方向变形量如图6 所示。受施工以及加载影响，管道受压，竖直方向直径减小，水平方向直径增大。管道最大水平变形量为0.18 9 mm，最小水平变形量为-4.0 40 mm，所以现状尾水管道水平方向变形量 水平变形极差4.2 3 mm控制值30mm，即在该保护措施下道路改造不会对管道产生明显影响，满足规范要求。Tab.4 Comparison of economic benefits of pipelines under different protection schemes保护方案土石方开挖回填量/m钢筋混凝土盖板涵保护方案3

26、8.87钢筋混凝土盖板保护方案5.47泡沫混凝土保护方案13.28从表4可以看出，钢筋混凝土盖板涵保护方案综合造价最高，基坑开挖对现状房屋基础影响较大，施工周期最长；钢筋混凝土盖板保护方案综合造价最低，施工周期较长；泡沫混凝土保护方案综合造价较高，施工周期短，对现状道路和沿线居民影响最小。叶仕镇：改造道路下既有管道保护方案研究保护方案无保护措施方案钢筋混凝土盖板涵保护方案钢筋混凝土盖板保护方案泡沫混凝土保护方案从表3 可以看出，在有，无保护措施下管道变形量均满足规范要求，其中钢筋混凝土盖板涵的保护效果最好，泡沫混凝土的保护效果次之，钢筋混凝土盖板的保护效果最差。4经济效益分析不同保护方案下管道

27、经济效益对比见表4。表4不同保护方案下管道经济效益对比工程量钢筋质量/kg混凝土体积/m支护长度/m571.064.0662.031.445.375结论1)改造道路下既有管道采用钢筋混凝土盖板涵、钢筋混凝土盖板和泡沫混凝土保护方案均满足规范要求，在管道保护措施下，道路改造不会对现状管道产生明显影响。2753.2%+o.184.9%0.165-0.51E2.5%-1.57313.6%20-7-92-2.63C14.433.33E5.0%-4.04c图6 泡沫混凝土保护方案下现状尾水管道水平方向变形量示意图Fig.6 Diagram of horizontal deformation of tai

28、lwater pipe underfoam concrete protection scheme3.3管道变形结果分析不同保护方案下管道变形结果对比见表3。表3 不同保护方案下管道变形结果Tab.3 Pipeline deformation results under differentprotection schemes规范值控制值 绝对值相对值55.083029.2455.083055.083055.0830总造价/元绝对值相对值5422433519322547管道变形量/mm6.9134.801.1354.231.00088.0900.7591.000市放技术276Journal of

29、Municipal Technology2)钢筋混凝土盖板保护方案的管道水平变形极差为4.8 0 mm，泡沫混凝土保护方案的管道水平变形极差为4.2 3 mm，由此可见，泡沫混凝土保护方案下的管道水平方向变形量更小，保护效果更好。3)通过三维有限元数值计算分析可知，泡沫混凝土保护方案下，道路改造施工以及道路开通后车辆荷载引起现状尾水管道形成水平方向变形量较小，满足GB502532014输油管道工程设计规范 7 相关规定。4)当现状管道埋深较大，周边施工条件有限，不宜采用大开挖的形式对管道进行保护时，可采用钢筋混凝土盖板和泡沫混凝土作为现状非开挖管道的保护措施。5)经综合比较，最终确定采用安全度

30、较高、施工方便快捷、无需大型机械振捣压实、工程投资较少的泡沫混凝土保护方案。经监测，实施完成路段管道基本无变形，路基也相对稳定，可为同类型工程实践和研究提供参考与借鉴参考文献【1纪广，柯友青，曹一多，等.市政管道施工中既有管线保护技术应用研究 J.施工技术,2 0 2 0,49(13)：10 6-10 8.（JIG,KEYQ，CAO Y D,et al.Application research of existing pipeline protec-tion construction technology in municipal pipeline constructionJ.Construc

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39、 J.环境工程学报，2 0 2 2,16（12)：3 8 57-3 8 6 3.(HAO X D,LI J,ZHANG Y N,et al.Analysis on the path andapplciable conditions of carbon neutrality in wastewater treat-ment industryJ.Chinese journal of environmental engineering,2022,16(12):3857-3863.)39 HAO X D,LIJ,MARK C M,et al.Energy recovery from wastew-ater:heat over organicsJ.Water research,2019,161:74-77.其他作者：王艳艳，女，在读硕士研究生，主要研究方向为污水处理与资源化。白萌，女，在读硕士研究生，主要研究方向为污水处理与资源化。杨传玺，男，在读博士研究生，主要研究方向为环境风险应急管控及污染处置。王晓霞，女，副教授，博士，主要研究方向为污水脱氮除磷。李荣，男，高级工程师，硕士，主要从事市政给水排水设计工作。王士东，男，工程师，硕士，主要从事生态环境管理工作。