李 芳

（尉犁縣水利綜合服務(wù)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(kāi)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(zhì)、水文等多方面因素。尉犁縣墩闊坦鄉(xiāng)農(nóng)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(tài)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(jīng)濟(jì)合理地處理與這些障礙物的交叉關(guān)系到工程項(xiàng)目的最終實(shí)施效果，作為農(nóng)飲工程的控制性工程對(duì)保證管網(wǎng)安全平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。

1 工程概況

項(xiàng)目區(qū)地處塔里木河中游及孔雀河上游沖積平原交匯處，地勢(shì)平坦，土地肥沃，地形總趨勢(shì)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(xiāng)公路、鄉(xiāng)村道路進(jìn)行鋪設(shè)。

尉犁縣墩闊坦鄉(xiāng)農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程基于現(xiàn)狀供水管網(wǎng)，提出經(jīng)濟(jì)合理的改建方案，統(tǒng)籌進(jìn)行改擴(kuò)建聯(lián)網(wǎng)工程設(shè)計(jì)。工程供水范圍為尉犁縣墩闊坦鄉(xiāng)5 個(gè)行政村和喀爾曲尕鄉(xiāng)3 個(gè)行政村，解決8697 人、1901 戶的飲水問(wèn)題，設(shè)計(jì)日供水規(guī)模為794.02 m3/d。

2 管道穿跨越工程設(shè)計(jì)施工方案

2.1 跨河工程

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)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(hào)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(shí)，由于河道寬度較寬，難度較大，需對(duì)工程管道跨河方案進(jìn)行比選。

2.1.1 輸水管采用頂管法直接從河底穿過(guò)（方案一）

輸水管道用頂管法（鋼管擠壓頂進(jìn)）直接從河底穿過(guò)，其型式等同于倒虹吸管。

（1）適用條件

具有用材料少、節(jié)省勞動(dòng)力、工程造價(jià)低、施工難度小、施工安全方便、地基承載力要求相對(duì)低等優(yōu)點(diǎn)，但水頭損失較大，施工質(zhì)量要求高。

（2）管道斷面形狀

由水力計(jì)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?？缭胶拥罆r(shí)將其埋在河床沖刷深度以下即可，由《新疆維吾爾自治區(qū)內(nèi)陸河一塔里木河干流防洪工程可行性研究報(bào)告》可知，該處沖刷坑計(jì)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(duì)供水管道的影響，在河床表面下10 m 深處埋設(shè)鋼套管方式，輸水管道從鋼管內(nèi)穿過(guò)，并在鋼套管及輸水管兩端設(shè)置砼鎮(zhèn)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(zhì)以及回填土的摩擦力對(duì)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(zhèn)墩。

2.1.2 利用交通橋橋體結(jié)構(gòu)來(lái)布設(shè)輸水管線（方案二）

擬利用現(xiàn)有橋梁底梁側(cè)面做支架以架設(shè)管道通過(guò)河流，支架為直角三角形，兩直角邊長(zhǎng)分別為450 mm 和700 mm，材料用角鐵材料，整體進(jìn)行焊接而成，在長(zhǎng)為700 mm 的直角邊上，鉆φ20 圓孔，后期用螺桿進(jìn)行支架與橋梁的加固。對(duì)于跨河管道作保溫處理，管道外圍套φ250 鋼套管及聚氨酯發(fā)泡保溫材料。設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）支架結(jié)構(gòu)形式確定

支架結(jié)構(gòu)初定為三段角鋼圍焊成一個(gè)三角形框架，之后錨固于梁板上，具體的結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。

圖1 三角鋼架結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1 所示，橫撐長(zhǎng)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(jì)算可知單位長(zhǎng)度水重為0.2723 kN，單位長(zhǎng)度PVC 管自重為0.0165 kN，故單位長(zhǎng)度荷載總計(jì)為0.29 kN，荷載作用點(diǎn)位于支架橫撐的中點(diǎn)位置。

（2）輸水管最大支撐間距計(jì)算

利用支架來(lái)架設(shè)輸水管道，除了要考慮鋼架對(duì)輸水管道的有效支撐外還需考慮在大橋上穿孔對(duì)大橋的影響，所以在布設(shè)鋼架時(shí)，須合理的布置支架的間距，首先不能太疏，造成單個(gè)支架的荷載過(guò)大，對(duì)支架處橋梁的局部穩(wěn)定不利;其次間距亦不能過(guò)密，橋梁處穿過(guò)多、過(guò)密的孔洞，于大橋的整體穩(wěn)定性不利。參考同類工程，間距取作5 m。

（3）角鋼抗拉彎計(jì)算

這是一個(gè)拉彎構(gòu)件強(qiáng)度與剛度計(jì)算的問(wèn)題，單向受彎，故作用在一個(gè)主平面內(nèi)截面強(qiáng)度可參照式（1）計(jì)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(fā)展系數(shù)；Wnx為截面抵抗矩。

經(jīng)驗(yàn)算，當(dāng)采用圖1 的結(jié)構(gòu)形式時(shí)，角鋼支架以5 m 為間距，此時(shí)支架應(yīng)采用70×50×6 的不等肢角鋼。

（4）螺栓抗拉計(jì)算

鋼支架與梁之間還需要螺栓加以錨固，所以還需對(duì)螺栓的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行校核，計(jì)算公式見(jiàn)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(yīng)力（與螺栓的等級(jí)、材質(zhì)有關(guān)），經(jīng)計(jì)算，擬采用直徑為12 mm 的普通c 級(jí)螺栓（4.6～4.8 級(jí)）作為錨固螺栓。

（5）螺栓抗剪計(jì)算

輸水管是架設(shè)在鋼支架上并通過(guò)螺栓來(lái)承受其重量，所以還需對(duì)螺栓的抗剪能力進(jìn)行校核，計(jì)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(yīng)力（與螺栓的等級(jí)、材質(zhì)有關(guān)），經(jīng)計(jì)算，采用直徑為12 mm的普通c 級(jí)螺栓（4.6～4.8 級(jí)）作為錨固螺栓滿足抗剪要求。

（6）輸水管保溫層厚度計(jì)算

類比相近地區(qū)的保溫做法，在本工程中采用6 cm 的聚氨酯發(fā)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(hù)，供水安全性較低；方案二工程投資低，供水安全性高，維護(hù)方便，但對(duì)橋體的安全承載產(chǎn)生一定影響，并且該樞紐目前還未通過(guò)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(jiàn)表1。

表1 管網(wǎng)跨河方案對(duì)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(tài)渠、洪溝（干涸）等交叉建筑物，經(jīng)統(tǒng)計(jì)共45 處。

2.2.1 穿越灌溉渠道

采用鋼管擠壓頂進(jìn)的方案，為了防止以后外部荷載對(duì)供水管道的影響，本次設(shè)計(jì)在渠道底板面下3.0 m 深處埋設(shè)鋼套管方式，輸水管道從鋼管內(nèi)穿過(guò)，并在鋼套管及輸水管兩端設(shè)置混凝土鎮(zhèn)墩。

2.2.2 穿干排、生態(tài)渠、洪溝（干涸）

采取破渠開(kāi)挖，從渠底穿過(guò)，管道盡可能埋深而不裸露在外，可采用開(kāi)挖回填管溝方式進(jìn)行過(guò)渠，并在輸水管兩端設(shè)置鎮(zhèn)墩。

2.2.3 水面穿越工程

水面主要是塔里木河生態(tài)渠放水而形成的，工程施工時(shí)應(yīng)避開(kāi)放水時(shí)段，在水位降下去后再施工。施工時(shí)管道深埋而不裸露在外，采用開(kāi)挖回填管溝方式通過(guò)水面穿越處，并在輸水管兩端設(shè)置鎮(zhèn)墩。

穿越干排及水面時(shí)應(yīng)先排水形成干地后施工。在基坑開(kāi)挖后，為便于管道基礎(chǔ)及鎮(zhèn)墩混凝土施工，本工程采用開(kāi)挖排水溝明排和水泵抽水相結(jié)合辦法進(jìn)行施工。在基坑內(nèi)側(cè)布置排水溝，在低洼處布置集水坑，用水泵自集水坑內(nèi)抽取集水，排至基坑外圍。

2.3 穿越堤防工程

本項(xiàng)目工程中，管道沿線有5 處生態(tài)渠放水形成的水面寬度過(guò)長(zhǎng)，管道通過(guò)此處時(shí)由于水量過(guò)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(jìn)入堤防內(nèi)側(cè)避開(kāi)海子后再穿越堤防回到原設(shè)計(jì)路線。

穿越塔河防洪堤工程與塔里木河流域管理局協(xié)調(diào)，采用鋼管擠壓頂進(jìn)方案，避免對(duì)堤防的破壞。為了防止以后外部荷載對(duì)供水管道的影響，本次設(shè)計(jì)在堤防坡腳線下3.0 m 深處埋設(shè)鋼套管方式，底部輸水管與兩岸輸水管的銜接坡度應(yīng)緩于1∶2.0，輸水管道從鋼管內(nèi)穿過(guò)，并在鋼套管及輸水管兩端設(shè)置砼鎮(zhèn)墩。

2.4 跨路工程

本項(xiàng)目工程中，管網(wǎng)管道過(guò)各種道路共計(jì)74 次，其中穿鄉(xiāng)村柏油道路19 次，管網(wǎng)穿鄉(xiāng)村公路（砂石路面）55 次，考慮到項(xiàng)目區(qū)屬寒冷地區(qū)，采取開(kāi)挖回填管溝方式進(jìn)行過(guò)路，并埋設(shè)鋼套管，在鋼套管及輸水管兩端設(shè)置鎮(zhèn)墩。

2.4.1 管道穿越鄉(xiāng)級(jí)柏油路

主要穿鄉(xiāng)村柏油路，與公路部門協(xié)調(diào)，跨柏油路的管道是鋼管擠壓頂進(jìn)的方案，減少對(duì)柏油路面破壞。為了防止以后外部荷載對(duì)供水管道的影響，本次設(shè)計(jì)在路面下1.5 m 深處埋設(shè)鋼套管方式，輸水管道從鋼管內(nèi)穿過(guò)，并在鋼套管及輸水管兩端設(shè)置砼鎮(zhèn)墩。

2.4.2 穿鄉(xiāng)村砂石路

穿砂石路（鄉(xiāng)村內(nèi)部道路）時(shí)均采用大開(kāi)挖形式，為了防止以后外部荷載對(duì)供水管道的影響，本次設(shè)計(jì)埋深在路面下1.5 m 以下，在溝底依管徑的大小鋪設(shè)不同直徑的鋼套管，管道兩端設(shè)置砼鎮(zhèn)墩，從而保護(hù)管道安全運(yùn)行，管道鋪設(shè)完畢，應(yīng)盡快將路面恢復(fù)。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前我國(guó)處于大力興建各類管道工程階段，在長(zhǎng)輸管道穿跨越方案的選擇方面，應(yīng)在通盤考慮工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的基礎(chǔ)上采取安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、方便施工和維護(hù)管理及費(fèi)用較低的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)兼顧水利部門要求、防洪施工季節(jié)對(duì)工期影響要求等因素，在滿足各部門要求下選擇最優(yōu)穿越方案和施工工藝以獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。