七月，时间都去哪儿啦
往期推荐阅读：
焊接弯头的曲率半径及其几何关系的确定方法0 引言
管道穿越某些不具备开挖条件的建筑物时，如大江大河、等级公路、铁路等，往往采用不开槽施工；遇有不可拆迁的建筑物，又不能避让的，不开槽施工亦常常被应用。不开槽施工常用顶管、水平定向钻等施工方法。
水平定向钻又称拉管，口径一般在DN1000及以内，国内穿闽江Q345B钢管[1]、河北南水北调配套穿邢清干渠[2]DN1200管道采用水平定向钻施工；笔者有幸参与本篇审稿专家设计的DN1400管道水平定向钻穿越。美国巴吞鲁日污水主管水平定向钻穿越DN1600HDPE管、德国阿姆河水平定向钻穿越DN1400钢管均属创纪录的管径[3]。受限于众所周知的原因，先揽瓷器活再借金刚钻已成为日常、或是空有枝干的大树，从施工安全性来讲，笔者不建议水平定向钻穿越管径DN1000以上的管道。
图1 盾构机模型（笔者摄于昆明水工厂）
图2 昆明水工厂生产的昆明地铁5号线φ6430盾构机
顶管可以理解为小盾构，在水利和市政行业大口径管道不开槽穿越的应用越来越广泛。为了施工安全，《给水排水工程顶管技术规程》（CECS 246:2008）一般要求做顶管井（工作井、接收井），如图3所示。
对于穿越大型河道的顶管设计，受河床深度、冲刷深度、地层连续性等因素影响，顶管中心高程往往较深，而顶管前后正常铺设的管子一般较浅；二者的高程差一般都在顶管井内衔接，否则井外的挖深大、挖方多，临时占地、支护、降水等费用增大，深基坑也易带来一系列的问题。
图3 顶管工作井俯瞰图1 顶管井内管道高程衔接
顶管井的空间狭小、深度大，在井内要实现顶管高程和两端埋地管的高程衔接问题，涉及弯管结构、转弯半径、角度、工作空间等因素。
1.1 弯管结构
水利工程常采用拼接式弯管（斜接弯管、虾米弯），以45°弯管为例，其结构如图4所示。
图4 45°弯管结构图
该弯管的基准角度α=11.25°，由3节组成，2个11.25°的端节、1个22.5°的中间节。
根据《工业金属管道施工规范》（GB 50235-2010，以下简称工业规范）第5.7.1条“……其内侧宽度不得小于50mm”、第6.0.2条“管道焊缝与弯管起弯点的距离不应小于管子外径，且不得小于100mm；”
《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB 50268-2008，以下简称市政规范）第5.3.6条“弯管起弯点至接口的距离不得小于管径，且不得小于100mm”等规定。
图4所示的斜接弯管结构中，内侧宽度为bi（b1、b2、b3）、起弯点至接口的距离F应满足：
bi≥50mmF≥D，且F≥100mm
内侧宽度b与弯管基准角度α、回转半径R有关，通过调整基准角度、回转半径很容易满足。在水利工程中，由于管径较大，如果F不小于1倍管径，要卷制较长的端节，整体焊接后运输也较困难，同时管件吨单价较直管道吨单价贵、投资增加。
鉴于《工业规范》为化工行业主编的规范，其管径一般不大；输油、输气管道管径也不大，如西气东输一期干线设计压力10MPa、管径为φ1016mm，陕西靖边~北京管径为φ660mm，轮南~上海φ1118mm[4]，二期工程靖边至上海复线为φ813mm[5]，哈萨克斯坦克阿管线管径为DN800[6]。
考虑到水利工程压力较低，因此建议F按200mm控制。基本与《市政规范》第5.3.9条“直管管段两相邻环向焊缝的间距不应小于200mm，并不应小于管节的外径。”吻合。
1.2 转弯半径（曲率半径）
建议不小于1.5倍管径，以2D为宜。考虑到井内的空间衔接，可选择更小一点的转弯半径，同时应适当提高局部水头损失的取值。
1.3 工作空间
《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB 50268—2008）第4.3.2条表4.3.2给出了钢管一侧的工作空间为700mm（1500＜D≤3000）。
该要求来源于《土方与爆破工程施工及验收规范》（GBJ 201—83，已被GB 50202部分替代）第三章“土方工程”的第3.5.3条表3.5.3金属管道一侧工作面宽度为800mm（1600＜D≤2500），修订为现在的700mm。在该工作空间内进行环缝的焊接、腋角支承部分回填等。
井内的管道一般采用钢管，《输气管道工程设计规范》（GB 50251-2015）第4.3.4条表4.3.4“沟底加宽裕量”中，对于土质管沟，沟底焊条电弧焊0.8~1.0m。
建议根据管径大小，按《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB 50268—2008）表4.3.2取值，如图5所示。
图5 顶管井工作空间示意图
1.4 高程衔接的几何关系
某一顶管工作井内高程衔接示意图如图6所示（井内仅示出管道中心线），工作井宽度L、高程差H已确定。
图6 顶管井管道衔接纵剖图
要保证工作空间，其中B按《市政规范》表4.3.2取值
同时b1要满足《给水排水工程顶管技术规程》（CECS 246:2008）第10.4.2条“l4—留在井内的管道最小长度，可取0.5m。”的要求，即
由拟定的回转半径R、弯管角度α可知各尺寸：
直段是两个反弯的衔接，l要大于外径D（直段两相邻环向焊缝的间距不应小于管节的外径，且不小于500mm）。
则顶管井宽度L（图6中F1=F2）：
试算转弯半径R、弯管角度α，满足上述条件即完成顶管井内顶管高程和地埋高程的衔接，GateAPP 4.0中的计算截图如图7所示。
（a） GateAPP 4.0计算截图
（b） 图形验证
图7 GateAPP 4.0 计算截图2 施工误差的弯管角度
假若施工单位做好顶管井后，发现出管和入管的平面轴线差了t，如图8所示，这样B、C点的角度由平面角度变成了空间角。
图8 顶管工作井俯瞰图
暂不考虑B、C点圆角的因素，将图6、图8的井内单线放在一起，同时为了表达效果，高程差H和轴线差t均进行了处理，如图9所示。
图9（b）俯视图中，AB是水平的，因此AB是平行于主视图的投影平面的，其在主视图的投影是真实长度（当然，其在主视图是水平的，也平行于俯视图的投影平面，a'b'=a'b'），CD也是如此。对于BC，无论主视图、俯视图均不与相对应视图的投影平面平行，因此两个视图中的长度均不是其真实长度，B、C两处的夹角为空间角。
（a）主视图 ，（b）俯视图
图9 顶管工作井内管到单线图
求空间角的作图一般采用旋转法，以投影平面内真实长度为旋转轴。以BCD为例，图9（a）中，c'd'为CD的真实长度，以c'd'做旋转轴。过B点在两个视图中分别做CD的垂线，分别交CD的延长线于e'、e'；过b'点做b'c'的垂线，截取b'f'=b'e'，连接c'f'，则c'f'是BC的真实长度；以c'd'为轴旋转，b'点的轨迹均在与c'd'垂直的面，该面与图9（a）主视图的投影平面的交线为b'e'；以c'为圆心，c'f'为半径做圆，交该平面于g'点，这样就把空间的bcd转到主视图的投影平面上了，则α为C点空间角的真实角度。
（1）下部C点弯管角度
为保持视图清晰，将与平面图对应的线条调成灰色，如图10所示（注意各尺寸的对应关系）。
a、过B做B'B⊥BC，并使BB'=t，连接B'C，则CB'为BC的真实长度；
b、过B做铅垂线EF（⊥CD）；
c、以C点为圆心，以B'C为半径做弧，交铅垂线EF与B'，连接B'C，则B'CD夹角则为C点弯角，记为α。
图10 下部弯管角度画法
（2）上部B点弯管角度
与下部C点弯管角度方向方法相同，如图11所示。
a、过C做C'C⊥CB，并使CC'=t，连接BC'，则BC'同样为BC的真实长度；
b、过C做铅垂线EF（⊥AB）；
c、以B点为圆心，以BC'为半径做弧，交铅垂线EF与C'，连接BC'，则ABC'夹角则为B点弯角，记为β。
图11 上部弯管角度画法图9中，ABC和BCD的投影角度是相同的，因此，B、C点空间角相同，即α=β。（3）各尺寸的几何关系
、
此处的空间角度为碎数，必须放样，也不好凑整。（4）施工偏差的处理如果出现施工偏差，要想保证图6中的各几何关系，角度为α的弯管需要更换为空间角度的弯管。虽然出现施工偏差，依然能够使用原来角度α的弯管，只是图6中的几何关系发生了变化，包括：夹角α的大小，斜直管段长度，上弯管与埋地直管道的连接环缝的位置或下弯管与顶管直管道连接环缝的位置。
期待：顶管井内利用弯管的高程衔接（下）
参考文献：
[1]焦广宇,陈杨,曹良等.供水管道水平定向钻穿越航道关键技术研究——以闽江水平定向钻穿越工程为例[J].安全与环境工程,2023,30(01):46-55.DOI:10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.20211513.
[2]马晓未,刘屹,李爽.水平定向钻在输水管道穿越保沧干渠工程中的应用[J].水科学与工程技术,2023(01):36-40.DOI:10.19733/j.cnki.1672-9900.2023.01.12.
[3]张宝强,江勇,曹永利等.水平定向钻管道穿越技术的最新发展[J].油气储运,2017,36(05):558-562.
[4]梁爱玉.适应“西气东输”工程需要调整焊管和管线板带钢生产结构[J].钢管,2001(03):44-46.
[5]李鹤林,冯耀荣,霍春勇等.关于西气东输管线和钢管的若干问题[J].中国冶金,2003(04):39-43.DOI:10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.2003.04.010.
[6]王钢,王文博,王瑾.中亚—俄罗斯地区钢管标准问题探讨——以克阿管线钢管供货标准磋商为例[J].焊管,2021,44(02):43-46.DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2021.02.009.
本期审稿专家：李孟，高级工程师，工学硕士，毕业于南京航空航天大学，青岛市水利设计院机电设计院副院长，主要从事水工金属结构和输水管道设计，负责完成了高密亚行贷款项目，专业负责完成了八河水库、南寨水库等大中型水库的除险加固。请记得：点赞
在看
分享
关注
行于致远，期待与您一行……
关注远山金属结构
关注编辑
撰稿/远山 审校/李孟 责任编辑/远山
远山，专注于金属结构和回填钢质管道的相关结构计算远山，专注于快速生成钢闸门主要受力构件的计算书远山GateAPP 4.0，专注于高效设计
©远山金属结构
