直埋供热管道固定墩的选型研究

邹 虎

(唐山市热力工程设计院，河北 唐山 063000)

1 固定墩现有样式

当前，供热管网规模随着城市发展不断扩大，直埋敷设仍是城市供热管网的最主要敷设方式。直埋热水管道固定墩随着近年来集中供热的发展,其设计样式多种多样,如图1所示：经典的板式(见图1a))，从板式发展来的倒T式(见图1b))、板凳式(见图1c))、板肋式(见图1d))、十字式(见图1e))，以及特殊用途的箱式(见图1f))，如何设计选型才能安全、有效、经济的达到设计预期目的,这是本文讨论的主题，我们将从理论计算、施工组织、综合效益三个方面来研究。

2 理论计算选型

根据CJJ/T 81城镇供热直埋热水管道技术规程固定墩应进行抗滑移验算和抗倾覆验算。

2.1 抗滑移验算

(1)

一般设计时，固定墩厚度经结构计算确定，固定墩的宽和高都是先由直埋供热管道管径、覆土深度、规划给予管位附近是否有地下障碍等，根据经验来初步确定，通过不断试算调整最终确定固定墩墙板的高和宽。通常固定墩最小宽和高可初步由下式计算取整得来：

b>2R+L+1，

h>R+1。

其中，R为直埋保温管直径，m；L为直埋保温管管间距，m；b，d，h分别为固定墩的宽、厚、高尺寸，m。

对经典的板式固定墩，由式(1)可以看出，由于接触面较小，f1,f2,f3也较小，砂土EP/Ea≈9，在固定墩承受的推力T和管道埋深确定后，增大固定墩垂直管道方向的宽、高尺寸才是加大抗滑移系数K的最有效方法，同时也是最经济的方法。

2.2 抗倾覆验算

(2)

其中，Kov为抗倾覆系数；且σmax≤1.2f;X2为被动土压力EP作用点至固定墩底面的距离,m；X1为主动土压力Ea作用点至固定墩底面的距离,m；Gg为固定墩自重,N；G1为固定墩上部覆土重,N；σmax为固定墩底面对土壤的最大压应力,Pa；f为地基承载力设计值,Pa；h1为固定墩顶面至地面的距离,m；h2为固定墩底面至地面的距离,m；H为管道中心线覆土深度,m；ρ为土密度,kg/m3，取为1 800；g为重力加速度,m/s2；φ为回填土内摩擦角(°)，砂土取30°。

在固定墩承受的推力T和管道埋深确定后，通过式(1)算出固定墩的宽、厚、高，再根据式(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，这就是固定墩出现底板的原因。其中，增设底板可同时加大Gg，G1，无疑效果是最佳的，而增加d固定墩厚度从式(2)看是事倍功半，效果次之。

所以，通常情况下设计固定墩，板式固定墩因受力明确、结构简洁是最好的样式；当无法加大固定墩宽度和高度时，倒T式固定墩可通过设置底板有效增加抗力；当倒T式固定墩也无法设置足够底板满足需求时，通过设置底板下墙板的板凳式、板肋式固定墩，能进一步利用土壤剪切力增加抗力。

3 施工组织选型

1)直埋供热管线属市政工程，除热源厂进市区主管线在人烟稀少的城市郊区，其余主管线、一二次管网都在房屋、道路密集的市区内，有管径大、埋深深、双管并行站位多的特点。规划管位一般在人行便道下，靠近道路一侧从地表往下依次是行道树、路灯电缆、雨水、通讯电缆、燃气、给水和消防管道，另一侧则是燃气管道、通讯光缆、国防光缆等等各类管线，给工程施工带来极大困难。管线上的固定墩，其宽度一般都比管沟宽，尤其是大推力固定墩体形巨大，施工时往往造成行道树、给水、通讯电缆光缆暴露在外，需要支护和吊挂，道路上过往车辆带来的震动极易引起沟槽靠近道路一侧塌方，一旦砸断其他管线引起的损失难以估量，若支护和吊挂又会给管道吊装和管沟回填增加困难，所以从施工可行性和安全性角度出发，因地制宜认真选型是十分必要的。直埋管沟断面图见图2。

2)固定墩长、宽、高的选择：以在人行便道下DN1 000直埋供热管线为例说明。钢管外径1 020 mm，保温外径1 155 mm，管间距500 mm，根据《城镇供热直埋热水管道技术规程》4.1.3要求，DN1 000直埋供热管线最小覆土深度1 300 mm,实际工程中因为供热管线自身需要安装放风和泄水进行排气排污,沿管线纵向设计有向上或向下的坡度,并且为躲避各种横穿供热管线的障碍物,管顶覆土多在1 800 mm～2 200 mm区间,则:

管沟底宽=2×1 155+500+2×250=3 310 mm；

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

管沟上口宽(放坡系数0.33)=3 310+2×(3 150～3 560)×0.33=5 390 mm～5 660 mm；

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

从以上数据不难看出在固定墩截面范围内，必然会和两侧管道发生交叉，其中有的路灯电缆、小管径燃气和给水管道可以在取得管理单位同意后，通过局部改线腾出施工空间，而其他管线尤其是城市给水、燃气主干管和国防通讯电缆、光缆无法改线。

通过我们多年的工程实践总结，认为固定墩的宽度最大以不超过两侧障碍物之间的宽度为宜；因为两侧管线部位都是回填土，如果沟槽太深会引起塌方，所以固定墩总高度不能太高，一般以2 000 mm～4 000 mm为宜，固定墩处沟槽深度控制在5 000 mm以内；固定墩长度方向与管沟方向相同，一般不存在障碍，所以不受限制。简单来说就是固定墩越矮、越窄，越有利于施工。

3)固定墩形状的选择。板式、箱式因为结构简单，现场绑筋、支模、浇筑混凝土容易，工期短、安全性高，深受施工单位欢迎；板肋式、板凳式、十字式因为形状复杂，沟槽深度大，开挖后需现场检测土壤抗剪强度，绑筋支模时间长，敞开时间长容易塌方，不可测因素较多，施工难度大；倒T式的施工难度和工期居于二者之间。

4 综合效益选型

1)现在评价工程效益的好坏已不仅限于工程自身，还要必须考虑市容、卫生、交通等其他方面，尤其是环保、安全意识深入人心的今天，比如渣土外运时路面清理不及时就会立即接到市容管理部门的罚单，一起人身伤亡事故就会吞噬项目的大部分利润，甚至有的项目只能夜间开挖下管焊接，白天必须先回填晚上再挖，所以一个项目要综合考虑设计、施工、市政管理等多方面，才会取得良好的综合效益。

2)例如某供热工程DN1 000管道，规划红线管位在人行便道下，管顶覆土2 260 mm，某处固定墩推力2 900 kN，原设计为倒T式，底板7 000 mm×5 000 mm×1 000 mm(长×宽×高)，墙板5 000 mm×1 800 mm×900 mm(宽×高×厚)，需要修槽放坡加局部支护。后因国防光缆障碍无法处理改为箱式固定墩10 000 mm×3 200 mm×4 000 mm(长×宽×高)，与沟同宽，不需要另外增加放坡支护，但是使用材料大幅增加。事后我们对两种形式固定墩成本做了对比如表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.节省部分：

节约工期2.5 d，一个项目组大约20人，按工序分批进场、出场平均每日出场10人，每人日平均工资按205元算，人工费节省约2.5×10×205=5 125元。

节省开挖面积(以便道面积计算)。

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

市政占地费1元/(d·m2)，节省33.3×2.5×1=83.25元。

节省道路挖掘修复收费(河北省城市道路挖掘修复收费标准)。

彩色环保便道砖:33.3 m2×243元/m2=8 091.9元。

石质路缘石: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。

合计:17 615.7元。

总计节省费用5 125+83.25+17 615.7-16 631.4=6 192.55元。

3)此例中箱式固定墩虽然用料比倒T式固定墩多，但节省用工和市政费用，总费用不仅没增加还略有节约，特别适用于Z形弯臂长不够和规避通常方法无法绕过的障碍等工况。此种固定墩因不方便维护检修，只在特殊地段考虑使用。我们认为直埋供热管道固定墩的选型，应具体问题具体分析，综合考虑理论计算、工程特点和现在建筑市场变化的要求。在城市郊区等场地不受限制、障碍少的地区，沟槽开挖时能充分放坡保证安全的，应以理论计算选型为主，小推力的选板式，大推力的选板式、倒T式和十字式，推力特别大的选板凳式；而在道路旁边或市区内等操作面狭窄、工期要求紧地区，以理论计算同时兼顾施工的可操作性，固定墩宜选倒T式；在障碍物多、支撑困难的特别狭窄地段可选箱式等特殊样式固定墩，可降低施工难度缩短工期。

5 结语

固定墩的设计，应综合考虑理论计算、工程特点和现在建筑市场变化的要求选用固定墩的样式，才能达到整个工程的最佳综合效益。