【论文精选】大管径供热管道盾构穿越大型河流设计要点

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作 者： 李玉兴，马志骁，许国春

第一作者单位： 中国市政工程华北设计研究总院有限公司第一设计研究院

摘自《煤气与热力》2023年6月刊

参考文献示例

李玉兴，马志骁，许国春 .  大管径供热管道盾构穿越大型河流设计要点 ［J］.    煤气与热力， 2023，43（6） ：A04-A08.

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热力管道

1    概述

2017 — 2021 年，北方地区新建供热管网 8.4 × 10 ⁴   km 。 2021 年年末，全国城市集中供热面积 106.03 × 10 ⁸   m ² ，同比增长 7.30% 。随着我国供热技术的不断发展，特别是长输供热工程的兴起，大管径供热管道越来越多应用到供热工程中。在供热管道的设计中经常会有穿跨越大型河流的需求，由于大型河流宽度较大，对大管径 供热管道 的设计提出了更高的要求。盾构施工法作为暗挖穿越的一项重要施工方案，也越来越多应用到大型供热工程中。

本文结合工程实例，对 DN 1 400 mm 供热管道 穿越大型河流的施工方案进行比选，对最佳施工方案的设计要点进行分析。本文高程采用 1985 国家高程基准。

2    工程概况

山东某长输供热工程设计供、回水温度为 123 、 40 ℃，设计压力为 2.5 MPa 。 供热管道 规格为 DN 1 400 mm ，材质为 L290M 。供热管道中途需穿越祊河，穿越工程总平面图见图 1 。穿越段位于祊河三和水源工程拦河闸附近，拦河闸下游为水源工程消力池范围以及方马公路桥和鲁南高铁桥，上游为水源工程的蓄水河道。

图 1    穿越工程总平面图

按照山东省 DB37/T 3704 — 2019 《涉水建设项目防洪与输水影响评价技术规范》（以下简称《涉水规范》）要求，管道不应与水利工程岸线平行埋设，应尽量缩短穿跨越长度，宜与水流流向垂直。若因条件限制确实难以实现的，管道与水流流向夹角不宜小于 60 °。根据穿跨越段周边的环境条件，拦河闸下游的河面最窄，因此最优的穿跨越位置为拦河闸下游区域垂直穿跨越，穿跨越宽度约 175 m ，可采用围堰开挖直埋敷设、架空跨越、暗挖穿越。与当地河道管理部门沟通后得知，该处为三和水源工程并且有河道景观要求，不允许采用架空跨越，同时拦河闸下游为水源工程消力池范围，不允许任何形式的穿越。因此， 供热管道 只能从拦河闸上游采用暗挖形式穿越，且穿越位置与拦河闸须保证最小 200 m 的安全距离。在满足上述要求的基础上，选定一条最短的路由，穿越位置见图 1 ，穿越河面宽度约 450 m 。

3    施工方案比选

根据经验，暗挖穿越大型河流通常可采用顶管、盾构施工方案。

3.1   穿越长度

依据《涉水规范》规定，采用顶管施工方案时，顶管工作井距离堤防坡脚或河道、渠道、水库、湖泊岸线不宜小于 30 m 。根据现场情况，工作井设置在祊河堤防坡脚 30 m 以外，穿越长度最终确定为 644.5 m 。祊河东岸设置始发井，始发井口高程为 96.16 m 。西岸设置接收井，接收井口高程为 100.59 m 。

3.2   穿越深度相关规定

《涉水规范》规定：管顶高程宜低于相应设计洪（输）水冲刷线以下 1.5 m 。

CJJ/T 34 — 2022 《城镇供热管网设计标准》第 8.2.12 条规定：供热管道河底敷设时，应选择远离滩险、港口和锚地的稳定河床，埋设深度不应妨碍河道整治，并应保证管道安全。穿越非航道河流时，管道（管沟）的覆土深度应在稳定河床底 1 m 以下。

T/CECS 246 — 2020 《给水排水工程顶管技术规程》第 5.4.2 条规定：穿越江河水底时，管顶覆盖层最小厚度不宜小于外直径的 1.5 倍，且不宜小于 2.5 m 。

该工程的《防洪评价报告》中对该工程 50 a 一遇最大冲刷深度进行了推算：该工程现状河底高程为 89.69 m ， 50 a 一遇最大冲刷深度（现状河底至冲刷完成后冲刷线的垂直深度）为 1.45 m ，河底最低冲刷线高程为 88.24 m 。

综上，对于顶管、盾构施工方案，套管管顶（或隧道顶）覆土深度取以上相关要求的最大值，即套管管顶（隧道顶）在最低冲刷线下的埋深不小于套管（或隧道顶）外直径的 1.5 倍。

3.3   地质情况

地质勘察报告显示，穿越土层为中风化石灰岩，属较硬岩，岩体基本质量等级为 IV~III 级，灰岩存在岩溶裂隙，裂隙较小。始发井地质从上到下依次为素土、中粗砂、泥岩、中风化石灰岩，接收井地质从上到下依次为素土、粉质黏土、中风化石灰岩。

3.4   施工方案

①方案 1

双管顶管方案采用泥水加压平衡顶管法施工工艺，双管水平布置，间距 3.2 m 。顶管长度为 644.5 m 。套管管顶在最低冲刷线下的埋深为 5.2 m ，满足套管外直径 1.5 倍的要求并考虑约 0.5 m 的裕量。方案 1 横断面布置见图 2 。图 2~4 中数值相应的单位为 mm 。始发井为矩形结构，长 14 m ，宽 12 m ，采用钻爆法施工，深度 21.2 m 。接收井为矩形结构，长 14 m ，宽 9 m ，采用咬合桩施工，岩石段采用机械破碎和爆破法开挖出渣，深度 16.7 m 。

图 2    方案 1 横断面布置

②方案 2

双隧道盾构方案采用泥水加压平衡盾构法施工工艺，双管水平布置，间距 4.0 m 。盾构隧道长度为 644.5 m 。隧道顶部在最低冲刷线下的埋深为 5.8 m ，满足隧道外直径 1.5 倍的要求并考虑约 0.5 m 的裕量。方案 2 横断面布置见图 3 。始发井为矩形结构，长 16 m ，宽 12 m ，采用钻爆法施工，深度 22.1 m 。接收井为矩形结构，长 16 m ，宽 9 m ，采用咬合桩施工，岩石段采用机械破碎和爆破法开挖出渣，深度 17.7 m 。

图 3    方案 2 横断面布置

③方案 3

单隧道盾构方案采用泥水加压平衡盾构法施工工艺，双管水平布置。盾构隧道水平长度为 644.5 m 。隧道顶部在最低冲刷线下的埋深为 9.7 m ，满足隧道外直径 1.5 倍的要求并考虑约 0.5 m 的裕量。方案 3 横断面布置见图 4 。始发井为矩形结构，长 12 m ，宽 12 m ，采用钻爆法施工，竖井深度 28.6 m 。接收井为矩形结构，长 12 m ，宽 9 m ，采用咬合桩施工，岩石段采用机械破碎和爆破法开挖出渣，竖井深度 24.2 m 。

图 4    方案 3 横断面布置

3.5   施工方案比选

①施工难度与工程量

方案 1 为顶管方案，长距离岩石顶进，非常容易出现卡管情况，导致顶进失败，风险极高。方案 2 为盾构方案，盾构技术成熟、安全可靠，能够适应长距离掘进及各种地质条件，风险小。方案 3 同样为盾构方案，但隧道断面大，土体开挖量及管片工程量大。

方案 1 竖井深度最小，施工难度最小。方案 2 竖井深度适中，施工难度适中。方案 3 竖井深度最大，施工难度最大。

方案 1 安装管道时，在 供热管道 下方设置托管滑车，采用回拖方案将供热管道拖进套管内，套管与供热管道之间的空腔采用喷砂填充，施工空间比较小。方案 2 与方案 1 的安装管道方案相同，施工空间适中，但喷砂量比方案 1 大。方案 3 满足隧道内焊接条件，管道安装工期短，有检修空间，但管道支座受力会传递到隧道主体，影响隧道安全，且混凝土工程量大。

②工期

方案 1 总体工期为 300 d ，工期适中。方案 2 总体工期为 330 d ，工期最长。方案 3 总体工期为 285 d ，工期最短。

③投资

方案 1 总投资为 5 925 × 10 ⁴   元，投资最少。方案 2 总投资为 7 091 × 10 ⁴   元，投资适中。方案 3 总投资为 8 293 × 10 ⁴   元，投资最高。

④比选结果

综合比较 3 种施工方案，方案 1 虽然投资最低，但长距离岩石顶进卡管的风险极高，易导致顶管失败。方案 3 虽然工期最短，满足了检修空间，但投资最高，施工方案也最复杂。综合考虑安全性、经济性，采用方案 2 。

4    方案 2 设计要点

4.1   整体设计

方案 2 纵断面布置见图 5 。竖井内管道将两岸直埋供热管道与隧道内供热管道相连接，在竖井内供热管道竖直安装，采用架空敷设。

图 5    方案 2 纵断面布置

为避免供热管道对隧道产生较大局部荷载，增大隧道设计难度，隧道内不设置支吊架，采用喷砂填充方案。隧道上部留出 400 mm 高的通气层，防止发生事故时高压热水或蒸汽对隧道主体造成破坏。

隧道内供热管道采用单根 9 m 长度规格的预制直埋保温管，管道在始发井内完成焊接、无损检测、保温补口后，将保温管放置在托管滑车的弧形板上（不与保温管的工作管焊接），采用托管滑车将保温管拖进隧道中，托管滑车以 9 m 间隔均匀布置。隧道与供热管道之间的空腔采用喷砂填充，密实度不小于 90% 。

4.2   弯头应力计算

方案 2 可采用自然补偿、补偿器补偿 2 种方式。弯头应力采用俄罗斯有限元管道应力计算软件（ START ）进行计算。应力计算对象为供水管，安装温度为 10 ℃。弯头外直径为 1 420 mm ，壁厚为 20 mm ，材质为 L290M ，弯头曲率半径为 2 100 mm 。水平管段均受摩檫力。计算工况：管系温度为 123 ℃，内压为 2.5 MPa 。一次许用应力为 138 MPa 。热胀应力范围限值（本文称为二次许用应力）按 CJJ/T 34 — 2022 《城镇供热管网设计标准》附录 B 的相关计算式计算，计算结果见表 1 。

表 1    自然补偿方式弯头最大应力、二次许用应力

①自然补偿方式

自然补偿方式管系简化模型见图 6 。为保证竖井内管道稳定，在竖直管道上侧设置导向滑动支架，竖直管段未设支架。支架均设置侧导向板保证管道的热位移均沿 x 轴方向。对于隧道内供热管道，受力模型简化为空间限位的架空敷设，摩擦系数按 0.4 计算。管系两端为自由端。自然补偿方式管系计算模型见图 7 。由于实际管系计算模型中的限位架非常多，因此文中的计算模型仅为示意图。

图 6    自然补偿方式管系简化模型

图 7    自然补偿方式管系计算模型（软件截图）

自然补偿方式弯头最大应力见表 1 。由表 1 可知，管系中各位置弯头最大一次应力小于一次许用应力，各位置弯头最大二次应力均大于二次许用应力。因此，自然补偿方式不可行。

②补偿器补偿方式

在自然补偿方式的基础上，补偿器补偿方式在竖直管段中间位置增设复式拉杆型波纹管补偿器。为防止供热管道热位移偏向一侧竖井，导致补偿器损坏，在始发井、接收井下侧弯头处均设置轴向限位导向滑动支架。补偿器补偿方式管系简化模型见图 8 。补偿器补偿方式管系计算模型见图 9 。补偿器采用软件中内置的复式拉杆型波纹管补偿器模块。

图 8    补偿器补偿方式管系简化模型

图 9    补偿器补偿方式管系计算模型（软件截图）

补偿器补偿方式弯头最大应力见表 2 。由表 2 可知，管系中各位置弯头最大一次应力、最大二次应力均小于相应许用应力。因此，补偿器补偿方式可行。

表 2    补偿器补偿方式弯头最大应力

4.3   其他设计

为便于穿越管段的检修以及事故应急处置，在穿越管段两侧分别设置关断阀。

为了竖井周边人员及巡检人员的安全，始发井、接收井上部封闭，每个竖井各设置 2 部楼梯，其中一部楼梯上部建设 1 间工作间，可在工作间内通过楼梯进入竖井。工作间内设置通风机，通风管道深入至竖井底部，满足检修时竖井内的通风需求。竖井内设置潜水泵，定期排出井内积水。竖井内设置照明系统以及气体检测等生命保障系统，保障检修人员的生命安全。

5    结语

近年来，随着众多以盾构方案穿越大型河流的管道工程的成功建设，盾构法施工已成为管道穿越大型河流的一项重要手段。在进行施工方案比选时，应根据当地的地质情况，对施工方案进行技术经济性比较，选择一种安全、经济、可行的施工方案。

（本文责任编辑：贺明健）

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