宣旭寧

中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 天津 300074

引言

隨著城鎮(zhèn)集中供熱規(guī)模的擴(kuò)大，供熱管道在穿越道路、河流、溝渠等復(fù)雜情況時(shí)，傳統(tǒng)的開挖直埋方式實(shí)施難度較大，特別是大管徑管道。為解決此難題，非開挖頂管施工技術(shù)得以廣泛應(yīng)用，有效解決了開挖施工對(duì)城鎮(zhèn)建、構(gòu)筑物的破壞和造成的交通擁堵等問題。然而對(duì)于套管（常用鋼筋混凝土管道）內(nèi)保溫管的工作狀態(tài)和受力情況暫未有專門的研究。本文在考慮管道自重及介質(zhì)重量的條件下，對(duì)頂管工程套管內(nèi)供熱管道允許布置長(zhǎng)度進(jìn)行了分析。

1 套管內(nèi)管道安裝形式

保溫管平置于套管內(nèi)，可近似為架空狀態(tài)（見圖1），由圖1可知，兩端與套管外管道采用小角度、大倍數(shù)彎管連接，套管外管道直埋敷設(shè)。彎管處因受土壤束縛，位移量較小，可近似為錨固狀態(tài)。管道運(yùn)行時(shí)，因受熱膨脹，在軸向力作用下，管道存在沿軸向法線方向凸出，使管道彎曲的傾向。

圖1 非開挖供熱管道安裝形式

圖2 管道受熱膨脹拱起后的受力分析

2 傳統(tǒng)校核方法

以管道保溫層不受擠壓為條件，須管道熱伸長(zhǎng)量不大于套管內(nèi)允許熱伸長(zhǎng)量，即

α——線膨脹系數(shù)，K-1

t1——循環(huán)最高溫度，℃

t0——安裝溫度，℃

套管內(nèi)管道允許長(zhǎng)度（即拱起后弧長(zhǎng)）Lt為：

拱起形成圓弧的半徑R為：

式中R——拱起形成的圓弧的半徑，m

采用鋼筋混凝土管道作為套管， 套管規(guī)格為1 0 0 0 ～1 8 0 0 m m，壁厚為1 0 0 ～1 8 0 m m，套管內(nèi)徑為1000～1800mm[2]。在ΔL等于ΔLmax條件下采用傳統(tǒng)分析法計(jì)算結(jié)果，見表1。

表1 采用傳統(tǒng)分析法計(jì)算結(jié)果

由表1可知，套管內(nèi)保溫管允許布置長(zhǎng)度較短；實(shí)際工程項(xiàng)目中，非開挖頂管長(zhǎng)度往往較大，傳統(tǒng)校核方法得出的結(jié)論難以滿足工程的實(shí)際需要。

3 改進(jìn)校核方法

3.1 改進(jìn)校核方法思路

應(yīng)考慮在運(yùn)行階段管道內(nèi)充滿介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)重量對(duì)套管內(nèi)管道穩(wěn)定性的影響，尤其是對(duì)于大管徑管道。例如規(guī)格500管道注水前1.25kN/m，注水后3.15kN/m；規(guī)格1200管道注水前5.46kN/m，注水后15.61kN/m；對(duì)于規(guī)格為500～1 200mm的供熱管道，注水后的單位長(zhǎng)度重量約為注水前的2.51～2.86倍。重量的增加可有效抵抗管道因熱伸長(zhǎng)引起的拱起問題，進(jìn)而可擴(kuò)大套管內(nèi)管道允許布置長(zhǎng)度。基于以上分析，提出一種改進(jìn)的校核方法，來確定套管內(nèi)保溫管的允許布置長(zhǎng)度范圍。

3.2 套管內(nèi)管道的拱起高度極限

一般情況下，在頂管施工中套管一般采用管徑大于800mm的鋼筋混凝土管道[3]。鑒于套管內(nèi)空間有限，管道自由膨脹受限，將保溫管外護(hù)層與套管內(nèi)壁接觸時(shí)的拱起高度極限作為控制條件，見表2。由于預(yù)制直埋保溫管及管件成品為“三位一體式結(jié)構(gòu)”[4]，可認(rèn)為保溫管外護(hù)管與工作管熱膨脹可同步進(jìn)行。

表2 套管內(nèi)管道拱起高度極限mm

3.3 管道受力分析

①管道受力類型

②管道受力分析

將點(diǎn)B處軸向力Fa分解，分為軸向力F2和徑向力F1兩個(gè)分力。

徑向力F1與B點(diǎn)反作用力互相平衡。

③點(diǎn)F受力分析：管道形成拱形，在點(diǎn)F形成合力。F2、F’2在點(diǎn)F處形成向上的合力；保溫管重量（均布荷載）與套管壁對(duì)管道的作用力F3形成向下的合力，即：

即：

在管道拱起后，若要保證套管壁對(duì)保溫管外護(hù)層和保溫層不產(chǎn)生擠壓，需滿足F3≤0，即：

由此可知，當(dāng)布置長(zhǎng)度大于Lmin，在保溫管重量影響下，保溫管自重足以克服Fup作用，套管壁不對(duì)保溫管外護(hù)層和保溫層產(chǎn)生擠壓破壞。在此條件下，將F3設(shè)定為0，H取表2中的極限值時(shí)計(jì)算出套管內(nèi)保溫管（以規(guī)格500～1200為例）允許布置長(zhǎng)度Lmin，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 套管內(nèi)管道允許布置長(zhǎng)度Lmin

由表1、3的結(jié)算結(jié)果可知，相比傳統(tǒng)校核方法，改進(jìn)后的校核方法，套管內(nèi)保溫管允許布置長(zhǎng)度明顯擴(kuò)大?？紤]到非開挖頂管施工深度一般較深，套管內(nèi)保溫管常常位于低點(diǎn)，一般不易放空管內(nèi)介質(zhì)；檢修時(shí)一般會(huì)關(guān)閉分段閥門，待管道逐漸冷卻后，再進(jìn)行放空操作，管道的受熱膨脹影響也較弱。由此可知新的校核方法，計(jì)算所得的允許布置長(zhǎng)度與工程實(shí)際情況較符合。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用新的校核分析方法，可見保溫管內(nèi)的介質(zhì)自重增強(qiáng)了管道的縱向穩(wěn)定性，有效抵抗了管道因受熱膨脹形成的自拱效應(yīng)。套管內(nèi)保溫管允許布置長(zhǎng)度的擴(kuò)大，使得非開挖頂管技術(shù)得以廣泛應(yīng)用，為在復(fù)雜地下管網(wǎng)情況的管道施工提供了新的技術(shù)措施。為保證管道的安全運(yùn)行，建議在檢修期間頂管處保溫管內(nèi)介質(zhì)不進(jìn)行放空，盡量保證滿液狀態(tài)。同時(shí)也需要對(duì)套管內(nèi)保溫管的特殊工作狀態(tài)，做長(zhǎng)期的跟蹤監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，以此來驗(yàn)證新的校核分析方法的合理性。