铁路集装箱中心站通信管道选材方案研究

吴 彦

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

2004年初国务院批准的《中长期铁路网规划》中明确提出，全国将建设18个集装箱中心站。在铁路集装箱中心站中，通信管道除覆盖常规铁路站场、建筑物之间外，还覆盖了集装箱堆场等大型机械作业场所和集卡等重载交通工具通行道路。本文将根据集装箱中心站通信管道的需求，对镀锌钢管、PVC管、PVC-U管、HDPE、玻璃钢夹砂管等管材性能进行比较分析，对不同应用环境下的通信管道选材进行研究。

1 铁路集装箱中心站对通信管材的要求

铁路集装箱中心站通信管道工程与普通市政通信管道的区别:在集装箱箱场未成形前即需要预埋管道，各专业交叉施工多，重型机械设备多，管道在初步回填后面临重型设备多次碾压，箱区铺面成型后重压荷载大。因此，铁路集装箱中心站通信管道对管材的要求是：管材抗压强度大、对光电缆无腐蚀性、管口和管孔内壁的光滑性好、密闭性能好、运输及施工方便，经济实用，使用年限长。

2 影响管材选择的因素

2.1 静荷载

作用于通信管道上的力主要分为两种：静荷载与活荷载。管道的静荷载可分为垂直压强和水平压强，其中垂直压强与管道的埋深、形状和结构有关。

静荷载简单计算方法如下：

Pj=P路面+P填土+P自重=Σ（ni×ki×γ×h×L）+P自重

其中：

ni：超载系数（路面取1.1，回填土取1.2，混凝土取1.1）；

ki：回填土的集中系数（粘土取1.2，砂土取1.1）；

γ：单位体积的容重（花砖取1 700，混凝土取2 400，钢筋混凝土取2 500，地下水位以上回填土取1 800，地下水位以下回填土取2 000）；

h：路面或填土或混凝土的厚度；

L：构件断面外缘的宽度。P管材自重=ρ×t

其中：

ρ：管材体积密度；t：管材厚度。在实际计算中，因管材自重较轻，相对计算结果可忽略不计。

当管材埋深为0.7时，作用于管道上的静荷载

当管道埋深为1.2时，作用于管道上的静荷载

2.2 活荷载

管道的活荷载指各种机动车辆在管道上方的路面行驶时，通过土壤传至管道的荷重。活荷载对管道的作用力示意如图1所示。

活荷载计算公式为：Ph=nΣG/ab

其中：

n：荷载系数（覆土大于25 cm小于50 cm取1.2，覆土小于25取1.4，覆土大于50 cm取1）；

G：汽车后轮总荷重（可按汽车总载重量的3/4进行计算）；

a：压力扩散面的宽度；

b：压力扩散面的长度；

活荷载在道路中压力的分布角一般取30°～45°，此处取30°。

a= 2×H×tg30°+汽车轮距（×2）+后轮着地宽度+汽车间距

b=2×H×tg30°+后轮着地长度

注：上述公式中，（×2）中表示两辆汽车并列行驶情况；汽车轮距一般取1.8，后轮着地宽度取0.6，汽车间距取1.3，后轮着地长度取0.2。

当两辆集装箱卡车并列行驶时，且管道埋深为0.7 m时：

（汽车为15级汽车时，

当两辆集装箱卡车并排通过箱区道路，且管道埋深为1.2 m时：

（假设两辆集装箱卡车均装卸40英尺高柜且满载，满载重量按30 t计算

Ph=2× 30×0.75×9.8 kN/10.91103 m2

=40.42 kN/m2=0.412 kgf/cm2）

2.3 管壁的弯曲应力（管道埋深≥0.5 m时）

其中：

σ：弯曲应力（MPa）；

K1：管道在静荷载作用下的弯矩系数，一般取0.132；

K2：管道在活荷载作用下的弯矩系数，一般取0.076；

R0：管厚中心半径 R0=r+（R-r）/2（cm）；

W：单位管长的管壁截面系数（cm3/cm）；

I：单位管长在管壁截面惯性矩（cm4/cm）；

δ：管壁厚度（cm）。

2.4 管道在荷载作用下的直径变形率（上限5%）

其中：

E：管材的弹性模量（MPa）；

K1：管道在静荷载作用下，管道垂直方向直径变形的计算系数；

K2：管道在活荷载作用下，管道垂直方向直径变形的计算系数。

3 集装箱中心站通信管材的不同应用环境

1）管道敷设在绿化带内

当管道敷设在绿化带内时，管道上方主要承受的是静荷载，通信管材埋深为0.7 m。

2）管道敷设在箱区道路下，与道路垂直

因箱区道路铺面结构层厚约80 cm，此时管材上方承受静荷载与活荷载（取活荷载重量为30 t），通信管材埋深≥1.2 m。

3）管道敷设在箱区道路下，与道路平行

结合箱区平面布置总图，集装箱与箱区道路距离在1.5 m左右，此时可将管道敷设在两者之间，这时管材承受的主要是静荷载，管材埋深≥1.5 m计算。

4）管道敷设在箱区集装箱堆场正下方

管道敷设在箱区集装箱正下方时，管道上方主要考虑承受道路及集装箱满载静荷载，通信管材埋深≥1.5 m（箱区铺面结构层厚度1.2 m）。

4 管材的弯曲应力及直径变形率计算

目前，市场上可供作为通信管道的材料主要包括镀锌钢管、PVC管、PVC-U管、HDPE、玻璃钢夹砂管，其主要特性如表1所示。

表1 通信管道材料的特性

PVC管材柔韧性有限,脆性大，难以满足集装箱箱区的荷载要求；玻璃钢夹砂管虽然强度最大，但价格最贵，本文不推荐。而PVC-U和HDPE管作为新型管材产品，已在各种建设项目中普遍采用，本文将主要针对PVC-U管、HDPE管进行比选。

考虑我国对柔性管的变形计算都采用Spangler推导的依何华公式，在实际应用中，管道的直径变形率ε按不超过5%控制。根据此标准对管道敷设在不同环境下直径变形率进行计算。

4.1 PVC-U管材

PVC-U管材（PVC-U φ110管材厚度为3.5 mm，φ160管材厚度5 mm）在不同埋深情况下的弯曲应力及直径变形率计算结果如表2所示。

从表2可以看出，在PVC-U管材与道路方向垂直或位于集装箱堆场正下方时，管材直径变形率不满足要求，其余情况均满足。

表2 RVC-U管材的弯曲应力及直径变形率计算

4.2 HDPE管材

HDPE管材（HDPE φ110管材厚度为5.3 mm，HDPE φ160管材厚度为7.7 mm）在不同埋深情况下的弯曲应力及直径弹性变形率计算结果如表3所示。

从表3可以看出，当HDPE管材位于集装箱堆场正下方时，管材直径变形率不能满足要求，其余情况均满足。

表3 HDPE管材的弯曲应力及直径弹性变形率计算

5 通信管道材料的选择

综合考虑PVC-U与HDPE管造价及在不同埋深条件下的弯曲应力及直径变形率，在铁路集装箱中心站，当通信管道敷设在绿化带或与道路平行敷设时,可以采用PVC-U管材，降低工程造价；当通信管道敷设在集装箱箱区堆场正下方或与道路垂直敷设时,为稳妥起见,宜采用镀锌钢管。

6 结束语

在铁路集装箱中心站中，通信管道由于工程规模较大，因此，有必要追踪通信管道材料的更新换代，选择最佳性价比的管道材料应用于工程实际，有效地节省工程投资。

[1]江苏省邮电规划设计院．管道埋深及荷载计算.

[2]高复栋．埋地硬聚氯乙烯排水管道设计施工中的若干问题[J].特种结构．1999（3）：1-8.