直埋供熱管道固定墩的選型研究

鄒 虎

(唐山市熱力工程設計院，河北 唐山 063000)

1 固定墩現有樣式

當前，供熱管網規模隨著城市發展不斷擴大，直埋敷設仍是城市供熱管網的最主要敷設方式。直埋熱水管道固定墩隨著近年來集中供熱的發展,其設計樣式多種多樣,如圖1所示：經典的板式(見圖1a))，從板式發展來的倒T式(見圖1b))、板凳式(見圖1c))、板肋式(見圖1d))、十字式(見圖1e))，以及特殊用途的箱式(見圖1f))，如何設計選型才能安全、有效、經濟的達到設計預期目的,這是本文討論的主題，我們將從理論計算、施工組織、綜合效益三個方面來研究。

2 理論計算選型

根據CJJ/T 81城鎮供熱直埋熱水管道技術規程固定墩應進行抗滑移驗算和抗傾覆驗算。

2.1 抗滑移驗算

(1)

一般設計時，固定墩厚度經結構計算確定，固定墩的寬和高都是先由直埋供熱管道管徑、覆土深度、規劃給予管位附近是否有地下障礙等，根據經驗來初步確定，通過不斷試算調整最終確定固定墩墻板的高和寬。通常固定墩最小寬和高可初步由下式計算取整得來：

b>2R+L+1，

h>R+1。

其中，R為直埋保溫管直徑，m；L為直埋保溫管管間距，m；b，d，h分別為固定墩的寬、厚、高尺寸，m。

對經典的板式固定墩，由式(1)可以看出，由于接觸面較小，f1,f2,f3也較小，砂土EP/Ea≈9，在固定墩承受的推力T和管道埋深確定后，增大固定墩垂直管道方向的寬、高尺寸才是加大抗滑移系數K的最有效方法，同時也是最經濟的方法。

2.2 抗傾覆驗算

(2)

其中，Kov為抗傾覆系數；且σmax≤1.2f;X2為被動土壓力EP作用點至固定墩底面的距離,m；X1為主動土壓力Ea作用點至固定墩底面的距離,m；Gg為固定墩自重,N；G1為固定墩上部覆土重,N；σmax為固定墩底面對土壤的最大壓應力,Pa；f為地基承載力設計值,Pa；h1為固定墩頂面至地面的距離,m；h2為固定墩底面至地面的距離,m；H為管道中心線覆土深度,m；ρ為土密度,kg/m3，取為1 800；g為重力加速度,m/s2；φ為回填土內摩擦角(°)，砂土取30°。

在固定墩承受的推力T和管道埋深確定后，通過式(1)算出固定墩的寬、厚、高，再根據式(2)可以看出，KS，EP，Ea，X1，X2，T，h2，H都已固定，只有增加Gg，G1，d才能加大Kov，這就是固定墩出現底板的原因。其中，增設底板可同時加大Gg，G1，無疑效果是最佳的，而增加d固定墩厚度從式(2)看是事倍功半，效果次之。

所以，通常情況下設計固定墩，板式固定墩因受力明確、結構簡潔是最好的樣式；當無法加大固定墩寬度和高度時，倒T式固定墩可通過設置底板有效增加抗力；當倒T式固定墩也無法設置足夠底板滿足需求時，通過設置底板下墻板的板凳式、板肋式固定墩，能進一步利用土壤剪切力增加抗力。

3 施工組織選型

1)直埋供熱管線屬市政工程，除熱源廠進市區主管線在人煙稀少的城市郊區，其余主管線、一二次管網都在房屋、道路密集的市區內，有管徑大、埋深深、雙管并行站位多的特點。規劃管位一般在人行便道下，靠近道路一側從地表往下依次是行道樹、路燈電纜、雨水、通訊電纜、燃氣、給水和消防管道，另一側則是燃氣管道、通訊光纜、國防光纜等等各類管線，給工程施工帶來極大困難。管線上的固定墩，其寬度一般都比管溝寬，尤其是大推力固定墩體形巨大，施工時往往造成行道樹、給水、通訊電纜光纜暴露在外，需要支護和吊掛，道路上過往車輛帶來的震動極易引起溝槽靠近道路一側塌方，一旦砸斷其他管線引起的損失難以估量，若支護和吊掛又會給管道吊裝和管溝回填增加困難，所以從施工可行性和安全性角度出發，因地制宜認真選型是十分必要的。直埋管溝斷面圖見圖2。

2)固定墩長、寬、高的選擇：以在人行便道下DN1 000直埋供熱管線為例說明。鋼管外徑1 020 mm，保溫外徑1 155 mm，管間距500 mm，根據《城鎮供熱直埋熱水管道技術規程》4.1.3要求，DN1 000直埋供熱管線最小覆土深度1 300 mm,實際工程中因為供熱管線自身需要安裝放風和泄水進行排氣排污,沿管線縱向設計有向上或向下的坡度,并且為躲避各種橫穿供熱管線的障礙物,管頂覆土多在1 800 mm～2 200 mm區間,則:

管溝底寬=2×1 155+500+2×250=3 310 mm；

管溝最小深度=200+1 155+(1 800～2 200)=3 150 mm～3 560 mm；

管溝上口寬(放坡系數0.33)=3 310+2×(3 150～3 560)×0.33=5 390 mm～5 660 mm；

固定墩寬>2×1 155+500+1 000取4 000 mm，高>1 150+1 000取2 500 mm。

從以上數據不難看出在固定墩截面范圍內，必然會和兩側管道發生交叉，其中有的路燈電纜、小管徑燃氣和給水管道可以在取得管理單位同意后，通過局部改線騰出施工空間，而其他管線尤其是城市給水、燃氣主干管和國防通訊電纜、光纜無法改線。

通過我們多年的工程實踐總結，認為固定墩的寬度最大以不超過兩側障礙物之間的寬度為宜；因為兩側管線部位都是回填土，如果溝槽太深會引起塌方，所以固定墩總高度不能太高，一般以2 000 mm～4 000 mm為宜，固定墩處溝槽深度控制在5 000 mm以內；固定墩長度方向與管溝方向相同，一般不存在障礙，所以不受限制。簡單來說就是固定墩越矮、越窄，越有利于施工。

3)固定墩形狀的選擇。板式、箱式因為結構簡單，現場綁筋、支模、澆筑混凝土容易，工期短、安全性高，深受施工單位歡迎；板肋式、板凳式、十字式因為形狀復雜，溝槽深度大，開挖后需現場檢測土壤抗剪強度，綁筋支模時間長，敞開時間長容易塌方，不可測因素較多，施工難度大；倒T式的施工難度和工期居于二者之間。

4 綜合效益選型

1)現在評價工程效益的好壞已不僅限于工程自身，還要必須考慮市容、衛生、交通等其他方面，尤其是環保、安全意識深入人心的今天，比如渣土外運時路面清理不及時就會立即接到市容管理部門的罰單，一起人身傷亡事故就會吞噬項目的大部分利潤，甚至有的項目只能夜間開挖下管焊接，白天必須先回填晚上再挖，所以一個項目要綜合考慮設計、施工、市政管理等多方面，才會取得良好的綜合效益。

2)例如某供熱工程DN1 000管道，規劃紅線管位在人行便道下，管頂覆土2 260 mm，某處固定墩推力2 900 kN，原設計為倒T式，底板7 000 mm×5 000 mm×1 000 mm(長×寬×高)，墻板5 000 mm×1 800 mm×900 mm(寬×高×厚)，需要修槽放坡加局部支護。后因國防光纜障礙無法處理改為箱式固定墩10 000 mm×3 200 mm×4 000 mm(長×寬×高)，與溝同寬，不需要另外增加放坡支護，但是使用材料大幅增加。事后我們對兩種形式固定墩成本做了對比如表1，表2所示。

表2 固定墩材料表

表1 固定墩用工表

a.增加部分：倒T式固定墩26 550.6元，箱式固定墩43 182元，箱式比倒T形高出16 631.4元。

b.節省部分：

節約工期2.5 d，一個項目組大約20人，按工序分批進場、出場平均每日出場10人，每人日平均工資按205元算，人工費節省約2.5×10×205=5 125元。

節省開挖面積(以便道面積計算)。

(5.2+0.5×2-3.2)×(7.2+0.5×2+4.74×0.3×2)=3×11.1=33.3 m2。

市政占地費1元/(d·m2)，節省33.3×2.5×1=83.25元。

節省道路挖掘修復收費(河北省城市道路挖掘修復收費標準)。

彩色環保便道磚:33.3 m2×243元/m2=8 091.9元。

石質路緣石:11.1 m×93元/m=1 032.3元。

回填土深0 m～1 m:33.3 m2× 82元/m2=2 730.6元。

回填土深1 m～2 m:33.3 m2×173元/m2=5 760.9元。

合計:17 615.7元。

總計節省費用5 125+83.25+17 615.7-16 631.4=6 192.55元。

3)此例中箱式固定墩雖然用料比倒T式固定墩多，但節省用工和市政費用，總費用不僅沒增加還略有節約，特別適用于Z形彎臂長不夠和規避通常方法無法繞過的障礙等工況。此種固定墩因不方便維護檢修，只在特殊地段考慮使用。我們認為直埋供熱管道固定墩的選型，應具體問題具體分析，綜合考慮理論計算、工程特點和現在建筑市場變化的要求。在城市郊區等場地不受限制、障礙少的地區，溝槽開挖時能充分放坡保證安全的，應以理論計算選型為主，小推力的選板式，大推力的選板式、倒T式和十字式，推力特別大的選板凳式；而在道路旁邊或市區內等操作面狹窄、工期要求緊地區，以理論計算同時兼顧施工的可操作性，固定墩宜選倒T式；在障礙物多、支撐困難的特別狹窄地段可選箱式等特殊樣式固定墩，可降低施工難度縮短工期。

5 結語

固定墩的設計，應綜合考慮理論計算、工程特點和現在建筑市場變化的要求選用固定墩的樣式，才能達到整個工程的最佳綜合效益。