頂管工程套管內供熱管道允許布置長度分析

宣旭寧

中國市政工程華北設計研究總院有限公司 天津 300074

引言

隨著城鎮集中供熱規模的擴大，供熱管道在穿越道路、河流、溝渠等復雜情況時，傳統的開挖直埋方式實施難度較大，特別是大管徑管道。為解決此難題，非開挖頂管施工技術得以廣泛應用，有效解決了開挖施工對城鎮建、構筑物的破壞和造成的交通擁堵等問題。然而對于套管（常用鋼筋混凝土管道）內保溫管的工作狀態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重量的條件下，對頂管工程套管內供熱管道允許布置長度進行了分析。

1 套管內管道安裝形式

保溫管平置于套管內，可近似為架空狀態（見圖1），由圖1可知，兩端與套管外管道采用小角度、大倍數彎管連接，套管外管道直埋敷設。彎管處因受土壤束縛，位移量較小，可近似為錨固狀態。管道運行時，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 傳統校核方法

以管道保溫層不受擠壓為條件，須管道熱伸長量不大于套管內允許熱伸長量，即

α——線膨脹系數，K-1

t1——循環最高溫度，℃

t0——安裝溫度，℃

套管內管道允許長度（即拱起后弧長）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，套管內徑為1000～1800mm[2]。在ΔL等于ΔLmax條件下采用傳統分析法計算結果，見表1。

表1 采用傳統分析法計算結果

由表1可知，套管內保溫管允許布置長度較短；實際工程項目中，非開挖頂管長度往往較大，傳統校核方法得出的結論難以滿足工程的實際需要。

3 改進校核方法

3.1 改進校核方法思路

應考慮在運行階段管道內充滿介質時，介質重量對套管內管道穩定性的影響，尤其是對于大管徑管道。例如規格500管道注水前1.25kN/m，注水后3.15kN/m；規格1200管道注水前5.46kN/m，注水后15.61kN/m；對于規格為500～1 200mm的供熱管道，注水后的單位長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引起的拱起問題，進而可擴大套管內管道允許布置長度?；谝陨戏治觯岢鲆环N改進的校核方法，來確定套管內保溫管的允許布置長度范圍。

3.2 套管內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]。鑒于套管內空間有限，管道自由膨脹受限，將保溫管外護層與套管內壁接觸時的拱起高度極限作為控制條件，見表2。由于預制直埋保溫管及管件成品為“三位一體式結構”[4]，可認為保溫管外護管與工作管熱膨脹可同步進行。

表2 套管內管道拱起高度極限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B處軸向力Fa分解，分為軸向力F2和徑向力F1兩個分力。

徑向力F1與B點反作用力互相平衡。

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

即：

在管道拱起后，若要保證套管壁對保溫管外護層和保溫層不產生擠壓，需滿足F3≤0，即：

由此可知，當布置長度大于Lmin，在保溫管重量影響下，保溫管自重足以克服Fup作用，套管壁不對保溫管外護層和保溫層產生擠壓破壞。在此條件下，將F3設定為0，H取表2中的極限值時計算出套管內保溫管（以規格500～1200為例）允許布置長度Lmin，計算結果見表3。

表3 套管內管道允許布置長度Lmin

由表1、3的結算結果可知，相比傳統校核方法，改進后的校核方法，套管內保溫管允許布置長度明顯擴大。考慮到非開挖頂管施工深度一般較深，套管內保溫管常常位于低點，一般不易放空管內介質；檢修時一般會關閉分段閥門，待管道逐漸冷卻后，再進行放空操作，管道的受熱膨脹影響也較弱。由此可知新的校核方法，計算所得的允許布置長度與工程實際情況較符合。

4 結束語

采用新的校核分析方法，可見保溫管內的介質自重增強了管道的縱向穩定性，有效抵抗了管道因受熱膨脹形成的自拱效應。套管內保溫管允許布置長度的擴大，使得非開挖頂管技術得以廣泛應用，為在復雜地下管網情況的管道施工提供了新的技術措施。為保證管道的安全運行，建議在檢修期間頂管處保溫管內介質不進行放空，盡量保證滿液狀態。同時也需要對套管內保溫管的特殊工作狀態，做長期的跟蹤監測試驗，以此來驗證新的校核分析方法的合理性。