地下空间多管线高精度定位控制

地下空间多管线高精度定位控制

贺玥淼

中国五冶集团有限公司 成都 610063

摘要：地下管线铺设施工常见于市政工程、公路工程及某些特定建筑工程中，是常见的分项工程之一，在管线铺设过程中，如果定位不准确，很容易造成管线内部应力过大，引起金属疲劳损伤，造成管线漏水，并进一步引发回填土湿陷下沉，造成建筑物沉降。本文在对规范进行综合考虑的基础上，结合工程案例的环境特点及工期要求，对管线定位控制的方法进行了归纳总结，提炼出多管线高精度控制的关键措施。

关键词 ：地下管线；定位控制；规范；精度

中图分类号 TU4

一、引言

随着城市的出现，人类居住环境日益拥挤，由此造成了一系列前所未有的公共设施以满足城市居民生活生产需求。而地下管线工程也伴随着其中应运而生。根据考古发现，古罗马城市建设过程中已经采用铅制地下管线采集排放生活污水，其中公元前6世纪左右兴建的伊达拉里亚下水道其主干道宽度超过4.8m，整个排水系统包括7个体系，并最终集中排放至马克西姆下水道，被誉为“罗马最令人瞩目的成就”，目前该地下管线系统仍在使用中。无独有偶，隋唐时代，随着我国社会经济的发展，城市化进一步加剧，出现了洛阳、长安等超大型城市，考古工作者在城市遗址中发现由砖石材料制成的排水管线，管线流经居民生活区及主要商业区，将收集的污水汇入明渠中排放。

而当人类步入工业社会之后，污水处理的需求变得更加多元化。例如，农业灌溉产生的污水由于农作物化肥等原因常富含氮、磷等化学物质；工业废水中则根据产品的不同而使得锂、汞等重金属含量较高；而城市居民区排放的生活污水则多含有各种氨基酸及蛋白质。有鉴于此，地下管网的设计也相对应地复杂化及多元化。例如，郑州市地下管廊共分为上、中、下三层结构，全长约为1989m[1]；太原市杨家堡污水处理厂则由初沉池至曝气池工艺管线、初沉池超越管线、退水渠、给水管、热力管等多种管道组成一个复杂的地下管网系统[2]；上海虹桥污水处理厂、北京市碧水污水处理长以及广东省佛山市城北污水处理厂等更是由于管线系统庞大复杂，需要事先采用BIM进行设计优化[3-5]，由此可见，对于地下管线工程而言，随着居民需求的不断增长，其管线种类日益增多、管线设计日益复杂将是不可避免的趋势。

在地下空间多层管线施工过程中，管线的定位往往是其过程中的重点和难点之一，管线安装偏差过大，可能导致其内部出现应力集中区域，并在施工扰动或后期运营振动的作用下形成裂纹，其一可能使得管线内污水通过裂纹流入土体内，造成水土污染；其二可能由于水体流入土体内，使得土体孔隙水压力增大，土体承载力下降，造成基础出现沉降，威胁建筑安全；其三可能使得土体内的污水倒流入管道并最终流入市政管网，造成二次污染的同时威胁到居民的用水安全。另外，即使只有一处管道在施工阶段定位出现偏差，可能造成其在运营阶段位移过大，并通过支架的刚性连结牵动其他管道出现较大位移，最终造成整个管网系统出现故障。因此，提高管网定位精度，避免安装时产生内部应力，是确保项目运营阶段的安全性及有效性的必要条件之一。

鉴于管道安装精确定位的重要性，国内外诸多专家进行了多项理论研究：黄玉盈等[6]通过弹性力学理论推导的方法，计算得出管道受力的基本微分方程，并根据实际工程所得出的数据推导得出管道与托管架之间的位置关系。Gu[7]利用差分方程迭代的方法综合考虑了管线铺设过程中周边环境的影响，并据此对比并讨论了管线铺设作业过程中各参数之间的关系。詹侃等[8]通过简化计算，将管道安装的大挠度非线性、两点边值问题简化为二维力学模型。甑国强等[9]将预铺设的管线简化为线弹性杆单元，并据此推导出二维模型。这些理论研究虽然从不同理论模型对管线安装进行了计算，并对所得结果进行了对比研究。但其推论过程中并未综合考虑现场安装措施、材料选择及施工成本，因此其结论对实际施工的指导作用有限。

本文立足于四川省某污水处理厂工程项目，综合考虑规范要求、施工环境、措施难易度以及施工成本，综合分析对比得出一套地下空间多管线高精度定位控制方案，以供现场作业人员和技术人员参考。

二、相关规范要求

为避免管道安装施工定位出现错误，导致相关质量及安全事故并造成严重后果，施工管理人员必须充分认识管线高精度定位控制的重要性，深入了解管道施工相关规范、标准及文件要求：

（1）《给排水管道工程施工及验收规范》GB50268-2008[10]第5.3.1条：对首次采用的钢材、焊接材料、焊接方法或焊接工艺，施工单位必须在施焊前按设计要求和有关规定进行焊接试验，并应根据试验结果编制焊接工艺指导书。

（2）《工业金属管道工程施工规范》GB50235-2010[11]第6.1.1条：管道安装应具备下列条件：1.与管道有关的土建工程已检验合格，满足安装要求，并已办理交接手续。2.与管道连结的机械已找正合格，固定完毕。3.管道组成件及管道支撑件等已检验合格。4.管子、管件、阀门等，内部已清理干净，无杂物。对管内有特殊要求的管道，其质量已符合设计文件的规定。

（3）《现场设备、工业管道焊接工程施工规范》GB50236-2011[12]第5.0.10条：工程产品施焊前，应根据焊接工艺评定报告编制焊接工艺规程，用于指导焊工施焊和焊后热处理工作。

三、项目概况及质量控制难点

项目占地约205亩，作为补齐宜宾高新区工业污水处理短板的重要工程，高捷园第二污水处理厂及配套设施项目的设计处理规模10万吨/天，臭气处理采取生物滤池除臭工艺，尾气采用有组织排放及相关智能化污水基础设施设备，建成后可为晶硅光伏产业发展提供污水处理要素保障。其中管线工程共计分为道路、电力管沟、加药管沟、生产管线、排泥管线、曝气管线、臭氧管线、废水放空回流、雨水管线、中水管线、给水消防管线11种分项工程，管线材质种类、管线标高、管径大小错综复杂，施工难度大。综合归纳，项目存在以下质量控制难点：

（1）回填量大，根据现场勘探及周边已有地质勘察资料，构成场地的地层为：第四系全新统冲积层（Q4al）淤泥、粉质黏土、粉砂，下伏侏罗系上统蓬莱镇组（J3p）砂质泥岩、砂岩。场地为新近土回填，根据设计标高，场区需要进行大面积回填，回填最大厚度约为19.0m。

（2）管线复杂，本项目包含粗格栅、事故池及提升泵房、细格栅、曝气沉砂池、调节池、水解酸化池、AO生化池、中间提升水池及泵房+磁混凝沉淀池、反硝化深化滤池、臭氧催化氧化池、紫外线消毒渠及接触消毒池、出水计量明渠、厂区中水回用泵房、污泥脱水间、加药间等关联给排水工程的设备房。地下共有7层管线，且兼有刚性和柔性管道，抗变形性能差，对管道精确定位要求高。

（3）工期紧张，项目合同工期为140天，包含建筑工程，装饰工程，防水工程，暖通、电气、给排水、自控安装工程，设备调试时间以及预运营时间，时间极为紧张，因此要求管线安装时务必做到一次性成活，避免由于安装质量问题导致返工。

（4）地基承载力要求高，本项目包含水池、沉淀池等蓄水设施，对地基构成较大压力。如果由于管线破损导致液体外溢至地基土体内，可能造成不均匀沉降，导致结构破坏，形成安全隐患。

四、控制措施

（1）材料选择

一般而言，柔性管在安装过程中较容易发生位置偏移，但柔性管的抗变形能力强于刚性管。另外，在运营过程中，柔性管本身能够吸收一部分振动能，因此，在材料的选用上应当倾向于选用柔性管，但也要根据设计用途及用量综合考虑材料成本、抗腐蚀性等相关因素。

表1展示了本项目所选取的管线类别及材料参数，由表中可以看到，本项目除排水管采用钢筋混凝土管之外，其他管道均采用柔性管道。对于刚性管道，在安装定位过程中应首先加设定位枕梁（见图1），枕梁应采用抗变形能力强的材料（如混凝土）进行制作。为避免安装管道过程中由于重力导致管道下沉，枕梁基座的宽度应不小于管道外径的2倍。安装过程中应当遵守先定位、后安装的原则，先根据测量放线结果安设定位枕梁，枕梁排布间距应不大于5m，枕梁安设完成后应由测量人员进行复核，确认所有枕梁位置无误后逐段安装刚性管道。

表1 管线类别及相关材料参数

图1 刚性管道及定位枕梁安装示意图

（2）定位措施

项目采用激光定位器以确保管道之间的连接实现精准定位，其工作示意图见图2。具体方法为：（1）设定激光定位器的容许值为设计或规范误差容许值；（2）将接收器与发射器分别固定在待连接的两个管道端部，每个管道不少于3组接收器或发射器，且均匀排布；（3）开始管道对接，如接收器和发射器之间的误差超过容许值机器开始报警，经过调节使得3组定位装置的偏差均在容许范围内后方可开始管道连接，以确保管道安装的精准定位。

图2 激光定位器工作原理示意图

（3）联动系统

为避免管道位置偏差，加强管道系统的整体性，本项目在管网分布集中及上部荷载较大等薄弱区域采用网架将各管道连结起来（见图3），连结件中部采用弹簧等隔震装置，一方面确保了整个管网系统的稳定性，另一方面也避免了试运行过程中，某一组管网产生较大振动造成基础不均匀沉降。

图3 网架连结装置示意图

（4）分层回填

对于多层管道系统，应在下部管道安装及时回填，并分层压实以提高承载力，如现场暂不具备回填条件的，应当用固化土或水泥砂浆对管道接地处进行加固，避免由于自重出现沉降。下层管道铺设及回填完成后，应静置1天，待回填土形变结束后方可进行上层管道的施工，施工之前，应对底部土体取样送试验室进行检测判断是否满足管道施工要求。

（5）施工顺序

正式施工前，项目采用BIM软件对管道系统进行建模，识别碰撞点，并对不同类别的管线赋以不同颜色进行标注（见表2）。施工开始后，根据表2对进场管线材料刷漆，避免施工班组出现安装错误。施工组织排布遵循先无压管后有压管、先大管后小管、先动力性管道（曝气管）后一般性管道、先深埋管道后浅埋管道等安装顺序进行施工。

表2 管线类别及颜色识别

（6）成本分析

为确保项目多管线高精度定位控制各项措施的可行性，必须对方案所涉及的经济成本进行分析，其中不同管线材料的规格及其所对应的单价见表3。从EPC项目限额设计分析，多管线高精度定位控制方案所选取的各项材料价格成本可控，因此在经济角度具有可执行性。

表3 管线材料单价表

五、结束语

（1）地下空间管线施工的定位问题是确保工程质量的重点和难点，一旦定位出现偏差，不仅可能造成管道渗漏，进而引起返工造成工期延误，也同样可能造成地基承载力下降，造成建筑物不均匀沉降，对项目安全性产生威胁。

（2）地下空间多管线高精度定位控制宜从材料选择、定位措施、联动系统、分层回填、施工顺序以及成本分析六个方面进行综合把控。施工前应当采用BIM建模对图纸进行优化，施工过程中多借助定位枕梁、激光定位系统等高精度定位仪器确保安装精度。同时，对于多层管道施工，可以采用网架联动系统加强管网系统的整体稳定性。

（3）地下管线施工之前，应当按照图纸设计要求及规范相关条文做好技术方案及安全预案，并对操作人员进行交底。施工过程中应当严格按照方案执行，施工完成后应当由专业测量人员对安装精度进行复核，对于不满足要求的部分，应当及时返工，确保整体安装精度达标。

六、参考文献

[1]王魁, 王浩, 张达. 多层地下管廊使用阶段受力与变形数值模拟[J]. 城市住宅, 2017, 24(1):3.

[2]王栋伟. 杨家堡污水处理厂老旧管线改造工程探讨[J]. 山西建筑, 2018, 044(024):103-104.

[3]罗晨皓, 汪洪涛, 吴文高. BIM技术在浅埋式地下污水处理厂实施阶段的应用[J]. 中国市政工程, 2019(2):5.

[4]陈舒豪, 常彪, 霍佳天. BIM技术在大型全地埋式污水处理厂施工中的综合应用[J]. 工程建设与设计, 2018(1):4.

[5]李新文, 胡乖爽. BIM技术在佛山地埋式污水处理厂施工中的发展与应用分析[J]. 陕西水利, 2021(7):4.

[6]黄玉盈, 朱达善. 海洋管线铺设时的静力分析[J]. 海洋工程, 1986, 004(001):35-49.

[7] Gu Y . ANALYSIS OF PIPELINE BEHAVIOURS DURING LAYING OPERATION[J]. 中国海洋工程：英文版, 1989(4):10.

[8]詹侃, 陆仁华. 海底管道在铺设过程中的二维静态分析[J]. 海洋工程, 1991(4):7.

[9]甄国强,胡宗武. 铺设过程中海底管道的静态分析[J]. 水动力学研究与进展：A辑, 1993, 8(3):6.

[10]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50268-2008《给排水管道工程施工及验收规范》[S].中国计划出版社,2008

[11]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50235-2010《工业金属管道工程施工规范》[S].中国计划出版社,2010

[12]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50236-2011《现场设备、工业管道焊接工程施工规范》[S].中国计划出版社,2011