[摘 要] 球墨铸铁管道以强度高、韧性好、抗腐蚀能力强、寿命长、安装方便等优点，在国际上广泛使用，已愈来愈广泛的应用于市政工程、水利工程中。随着云南省“五网”建设的实施，各种大直径球墨铸铁管道开始广泛用于引水管线工程中。本文以红河州蒙开个地区河库连通工程为例，对施工过程中大直径球墨铸铁管道的变形问题进行了研究，并提出了变形率控制措施，对类似工程具有借鉴价值。
[关键词] 球墨铸铁管道；变形分析；控制措施
1 工程概况
1.1工程简介
蒙开个地区河库连通工程是滇中引水的近期工程，是滇南中心城市水资源优化配置、统一调度的重点工程。工程主要任务是恢复和调整南洞供水，滇中引水工程建成供水前主要任务是向城镇生活和工业供水，兼顾农业灌溉；滇中引水工程建成供水后主要任务是解决滇中引水工程没有供水的农业灌溉的缺水问题，有效解决蒙开个经济区生态、生活和生产的用水需求，同时作为滇南中心城市的应急备用水源。
工程调水流量6m3/s，调水线路总长51.913km，通过三级提水经17个建筑物至蒙自市小东山水厂、四通水厂。其中，球墨铸铁管道共有三条，总长约27km，DN2000球墨铸铁管长18km，DN1000长9km，壁厚等级为K9级，设计压力1MPa。据查，DN2000大直径球墨铸铁管在云南省内为首次大规模使用。
1.2 DN2000球墨铸铁管道工程地质特征
本工程DN2000球墨铸铁管道大多处于高原盆地坝区湖积淤泥区，管道线路穿越了大庄盆地、草坝盆地、蒙自盆地等冲积、湖积盆地或沟谷，以松软的粘质粉土、淤泥质土、含砾粘土、细砂为主，厚度较大，地下水位高，含水丰富。基础存在承载力低、变形差异大、基坑涌水、开挖边坡不稳定等问题。
在上述地质情况下进行球墨铸铁管施工，如有不慎，措施不到位，容易造成管道的变形率超标。
2 球墨铸铁管特征及变形情况
2.1 球墨铸铁管性能指标（与钢管、灰口铸铁管比较）
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从上述各项性能指标中可以看出，球墨铸铁管各项性能已接近或者超越钢管，材料本身具有铁的本质、钢的性能。然而，根据延伸率指标，球墨铸铁管的塑性不如钢管，在实际施工过程中，球墨铸铁管受力容易变形、开裂。
2.2 DN2000球墨铸铁管参数
管道类型：T型承插柔性接头
管道级别：K9级（品级，k是指壁厚系数，品级越高壁厚越厚接受压力越大，有K8、K9、K10、K11、K12）；管件及配件级别K12级.
管道制造标准节长度：6米±30 mm
管道弯曲度≤8mm 端面应当与轴线垂直。
承口深度偏差：±5 mm 单根重量允许负偏差：≤4%
承口内径偏差：+3、-2 mm 插口外径偏差：+2、-3 mm
2.3 球墨铸铁管变形率计算公式
变形率＝[(A1－A2)/( A1＋A2)]×100%
式中：A1――直径最大值，mm；
A2――直径最小值，mm。
方法：测量最长轴和最短轴尺寸，用两把卷尺十字测量见下图：
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2.4变形率超标对球墨铸铁管使用的影响
根据规范，变形率≥2%时，球墨铸铁管变形率超标。由于球墨铸铁管（单根长6m）的连接方式为承插式，属于柔性连接，变形率超标严重，即椭圆度超标，原为圆型的管道变为椭圆型，两根椭圆型管道承插在一起，接头位置缝隙过大，橡胶圈无法填塞满，管道在通水过程中将会出现漏水现象。如何控制球墨铸铁的变形率，是球墨铸铁管道工程的质量控制要点。
3 球墨铸铁管变形率超标分析
红河州蒙开个地区河库连通工程DN2000球墨铸铁管工程从2016年3月20日施工，截止至目前已安装完成17.3km。通过施工过程的实践及探索，球墨铸铁管道变形率在开挖、安装、埋设过程中的影响因素有：制造偏差、运输和堆放不当、埋深过大、安装回填不规范及管顶覆土上部有外界压重等，现将几种主要因素简要分析描述如下：
3.1 管材运输、堆放原因
大口径的球墨铸铁管生产制造厂大多在北方，目前市场上使用较多的为新兴铸管和北台铸管。由于运输距离长，常采用的运输工具有火车、轮船、汽车，运载轮换中多次倒运。如不采取保护措施，进入工地现场的管道未下管安装变形率就已超标。
3.1.1多层码放运输
DN2000球墨铸铁管单根管节重约7.1吨，自重较大，运输过程中多层码放，上部管道对底部管道施加了压力，致使下部管道发生变形。此外，在更换交通工具吊运中，“重吊重放”，外力打击造成变形。
3.1.2堆放不当
DN1600mm以上的球墨铸铁管属于大口径球管，由于直径较大，自身重力大，圆形的管道放置在平整的地面上只有一条线的承载受力区，长时间放置，容易对管轴线下部管道造成挤压，进而使整根管道发生竖向变形。
3.2 埋深过大
3.2.1现场实测数据分析
K9级DN2000球墨铸铁管道回填完成后，通过实测不同埋深情况下的管道变形率，对于埋深大于4m的球墨铸铁管道，变形数值较大，变形率已接近或超过规范允许的2%：
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球墨铸铁管在下管安装前，所有管道须经过检测，变形率小于1%方可下管安装。安装回填完成后，进入管内，采用卷尺或激光测厚仪测水平向、垂直向以及两个斜向的承插口内径，详见上表数值，经计算，变形率如下：
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说明：埋深小于4m的球墨铸铁管道，实测的变形率整体在1%以内。
通过实测数据分析，K9级DN2000球墨铸铁管的变形率与埋深成正相关关系，当埋深≥4m时，其变形率已接近规范偏差允许值2%。
3.2.2 DN2000球管允许埋深计算及埋设条件要求
一、计算公式
依据球墨铸铁管设计方法ISO10803-1999中的第6部分（外荷载的设计）中的相关部分，球管的埋深由以下公式计算：
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二、不同壁厚级别DN2000球管允许埋深参考值
经过引用上述公式，通过理论计算，不同壁厚级别DN2000球管最大允许埋深参考值如下：管子径向最大极限变形率按3%计。
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3.2.3分析结论
经过现场实测和理论分析，对于DN2000球墨铸铁管，埋深对变形率的影响结论如下：
（1）球管的埋深和变形率数值成正相关关系，当不同壁厚级别球管埋深达到一定数值时，变形率将会超过2%；在确保球管压重足够大（满足不浮管要求）的情况下，应尽量减小管道埋深。
（2）管壁厚级别越高，变形率越小，所能承受的埋深越大。
3.3管顶覆土上部有外界压重
3.3.1现场实测数据及分析
下丫口段球管回填完成后，未采取保护措施，施工车辆直接从回填后的原地面通过，造成球管变形，变形率大于2%，实测数据如下：
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经采取机械配合人工清除管顶覆土和管两侧砂垫层后，用千斤顶顶撑管道，重新回填夯实后，实测数据如下：
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3.3.2结论
在球墨铸铁管道施工过程中，除管顶本身需要的压重外，由于施工方面的原因，额外添加了外界荷载，致使压力过大，造成球墨铸铁管道发生变形。如在管道回填后的原地面上堆放土方、机械设备行走等。
4 球墨铸铁管变形率控制措施
根据以上球墨铸铁管变形情况的描述和原因分析，对于大直径的球墨铸铁管，在实际施工过程中，为切实保障管道结构安全，保证球墨铸铁管道在运行中变形率不超标，杜绝承插口漏水现象的产生，采取的措施主要归纳如下：
4.1运输堆放保护措施
1、对于大直径的球墨铸铁管，无论采取什么交通工具运输，宜单层码放运输，多层码放必须采取隔离保护措施，上层管道的自重不传递至下层管道上。在起吊过程中，应“轻拿轻放”，严禁受到外力打击。
2、长距离运输的管道，单根管道的两个管口采用“十字对撑”或者“米子对撑”，防止管道因为自重变形严重。
3、运输至现场的管道，管道底部应采用柔性材料进行铺垫，增大管道堆放受力区，减小挤压。圆形管道，从生产运输至使用，无法避免不发生变形，进入现场的球管，下管前若变形率超过1%，使用千斤顶进行现场校圆，方法示意图如下：
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4.2优化设计，减小埋深
1、相对于其他管道，球墨铸铁管并不是埋深越大越好。想反，在确保管顶压重足够，不发生浮管的条件下，应减小管顶的覆土厚度。对于K9级DN2000球墨铸铁管，埋深为2.0m左右较为适宜，同时根据:“3.2.2”的计算，理论埋深宜不大于4m。
2、在球墨铸铁管道设计中，应根据地形条件，以球管埋深要求为原则，合理确定管道轴线高程。在施工过程中，尽可能优化设计，减小埋深。
3、地形起伏较大、高程突变明显的管线，由于受地形限制，无法按照球管最佳埋深原则确定管道高程，致使部分位置管道埋深较大，可采用的措施如下：
（1）管顶覆土区域采用空管道进行填充。如下图所示：
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采用废弃的旧管道埋置于管顶上部覆土区域，间接减小埋深。
（2）提高埋深大处球墨铸铁管的壁厚级别，使埋深与球墨铸铁管壁厚级别匹配。具体需要采用的球墨铸铁管壁厚级别详见“3.2.2”表二。
4.3采取措施，避免对管道顶部直接产生额外压重或外界荷载
1、管线下穿公路
球墨铸铁管道多埋设于地形平整的区域，与其他建筑物交叉处多，常见的为管线需要下穿各种等级的公路。蒙开个地区河库连通工程DN2000球墨铸铁管线与机耕道路、乡村道路、县道等各级别的公路交叉处约50余处。
由于乡村道路、县道等公路车辆行驶频率高、动荷载大，下穿公路不宜采用塑性较低的球墨铸铁管，采用混凝土钢制包管。
机耕道路动荷载较小，采取工程措施减小传递至球墨铸铁管道的路面荷载，保证管道变形不超标。具体方案示意如下：
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2、临时便道与管线交叉
在实际施工过程中，若施工临时便道无法避开管线范围，必须采取临时保护措施，常用的有简易桥，详见下图。
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3、管顶覆土的碾压
球墨铸铁管道管顶的覆土必须碾压密实，且有压实度要求。蒙开个地区河库连通工程球墨铸铁管道回填土压实度大于90%。
为满足回填土压实度要求，必须对回填土进行碾压。同时考虑到碾压会对管道施加过大的荷载，存在管道严重变形的风险，故回填土的碾压工艺必须考虑对球管变形的影响。
采用振动荷载小的机械设备，以最大限度减小球管变形率为原则，经过回填碾压试验，蒙开个地区河库连通工程回填碾压施工参数如下：
（1）基础面至管底粗砂填筑施工参数为：挖掘机配合人工铺料，铺料厚度为25cm、振动冲击夯夯实遍数为3遍。
（2）管底至管顶200mm以上粗砂（原状土）填筑施工参数为：挖掘机配合人工铺料，铺料厚度为50cm、振动冲击夯夯实遍数为5遍。
（3）管顶200mm以上至回填1m高度原状土填筑施工参数为：装载机配合人工铺料，铺料厚度为100cm、装载机碾压遍数为2遍。
4、不宜堆放自重较大的物品
为防止球墨铸铁管道发生变形，不宜增加球墨铸铁管的压重，回填完成的管道地面线上不宜堆放弃土、材料、设备等自重较大的物品。
5 结语
蒙开个地区河库连通工程通过采取了变形率控制措施，现场检测结果表面，安装回填完成的球墨铸铁铁管变形率均控制在规范允许范围内，确保了工程质量，同时提高了球管一次安装合格率，避免了工程返工。该工程实践可为其他类似工程提供参考。
参考文献
[1] ZXB/T 0202-2013 球墨铸铁给排水管道工程施工及验收规范技术要求 中国铸造协会2013.
[2] GB/T 13295-2013 水及燃气用球墨铸铁管、管件和附件 中国国家标准化管理委员会2013.
[3] GB50268-2008 给排水管道工程施工及验收规范
[4] DN2000球管允许埋深计算及埋设条件要求 新兴铸管股份有限公司研究院 2016.