大管径供热管道顶管穿越铁路补偿方案分析

参考文献示例：

闫勇琦，孙广，孙亚杰，等. 大管径供热管道顶管穿越铁路补偿方案分析［J］. 煤气与热力，2024，44（9）：A14-A18.

采用热电联产集中供热取代燃煤锅炉房，能够实行煤炭的等量或者减量替代，是强化大气污染防治、落实煤炭消费总量控制目标的重要举措。根据住房和城乡建设部《城乡建设统计年鉴2022》，2012—2022年全国城市集中供热规模逐年递增，其中供热总量增加13.3×10⁸ GJ，管道长度增加33.3×10⁴ km，集中供热面积增加59.41×10⁸ m²。本工程为秦皇岛市某热电联产集中供热项目。

供热管道最大规格为DN 1 000 mm，一级管网设计供水温度为120 ℃，回水温度为60 ℃，设计压力为1.6 MPa，沿途穿越国道、省道、铁路、河流等。供热管道主要采用无补偿冷安装直埋敷设方式，在特殊路段采用自然补偿或有补偿方式，穿越铁路方案由铁路管理部门确定并实施。

经铁路管理部门确定，供热管道穿越铁路采用顶管方案，铁路两侧地势平坦开阔且不存在地上障碍物，工作坑至接收坑距离100 m，顶管施工完成后将供热管道布置在顶管中，顶管与供热管道之间的空隙喷砂填实。供热管道平面图和断面图见图1、2，图2中标高的单位为m。

DN 1 000 mm预制直埋保温管钢管外直径为1 020 mm，壁厚为14 mm；外护管外直径为1 155 mm，壁厚为14 mm。一级管网设计供水温度为120 ℃，回水温度为60 ℃，设计压力为1.6 MPa。按冷安装的方式设计，工作管材质为Q235B，供水管道设计温度较高，将供水管道作为研究对象。补偿方案包括无补偿冷安装方案、有补偿方案和自然补偿方案。CJJ/T 81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》条文说明第5.5.1条指出，弹性抗弯铰解析计算法适用于80°~120°弯管，本工程存在3°小角度弯管，CJJ/T 81—2013附录C中的弹性抗弯铰解析计算法显然不适用，因此本文采用Start-Prof管道柔性与应力分析软件（版本04.85 R6）对3种方案建模并进行有限元分析，计算各节点应力水平。土壤温度取10 ℃，安装温度取10 ℃，顶管穿越段供热管道考虑消力拱。根据CJJ/T 81—2013第5.1.1条，管道的应力验算应采用应力分类法，并应符合下列规定：一次应力的当量应力不应大于钢材的许用应力，一次应力和二次应力的当量应力变化范围不应大于3倍钢材的许用应力。本工程设计供水温度120 ℃，根据100 ℃和150 ℃许用应力，采用插值法计算出设计工况一次应力的当量应力的许用值为123.8 MPa，设计工况一次应力和二次应力的当量应力变化范围的许用值为371.4 MPa^［1］。CJI/T 81—2013没有给出对二次应力的当量应力的要求，因此对二次应力不作讨论。

该方案采用4个角度为3°、曲率半径为30D（D为管道公称直径）、壁厚为16 mm的弯管连接顶管穿越段和直埋段供热管道，无补偿冷安装方案管道布置见图3，分析模型按照图3建立。节点2~5为顶管穿越段，节点1~2、节点5~6分别为下返、上返段，节点1、节点6外侧为直埋段。顶管施工完成后，将工作坑回填至原地面。软件计算结果见表1。表1中，锚固点为直埋段管道开始进入锚固状态的点。节点1、节点6与两侧锚固点距离为360 m。节点1-a、1-b指对应的埋地管道侧焊口，1-max指大半径弯管上一、二次应力的当量应力变化范围最大的点。节点2~6以此类推。

可见，管道整体应力水平较高，节点1、节点6的一、二次应力的当量应力变化范围超过许用值，因此不推荐该方案。

该方案在方案1的基础上增加补偿器，将工作坑、接收坑改造成补偿器井，补偿器采用直埋免维护型套筒补偿器，布置于补偿器井内，有补偿方案管道布置见图4。补偿器公称直径为DN 1 000 mm，设计压力为2.5 MPa，设计温度为150 ℃，10 ℃时处于正常状态，补偿量为400 mm。分析模型按照图4建立，节点2~5为顶管穿越段，节点1~2、节点5~6分别为下返、上返段，节点1、节点6外侧为直埋段。顶管施工完成后补偿器井不回填。软件计算结果见表2。表2中，锚固点、节点1-a、1-b、1-max等节点的含义与表1相同。节点1、节点6与两侧锚固点距离为360 m。

可见，管道整体应力水平较方案1低，满足要求。

此方案采用π形弯组合式弯头补偿方式，利用弯头转向代替小角度大曲率半径弯管连接顶管穿越段和直埋段管道，弯头采用90°预制直埋保温弯头，弯曲半径为4D、壁厚为16 mm。自然补偿方案管道布置见图5，轴测图见图6，图5、6中距离、标高的单位为m。分析模型按照图5建立，节点5~6为顶管穿越段，节点1~4、节点7~10为90°弯头组成的π形弯，利用90°弯头转向找坡，节点1、节点10外侧为直埋段，90°弯头处设置膨胀垫。顶管施工完成后将工作坑回填至原地面。软件计算结果见表3。表3中，锚固点、节点1-a、1-b等节点编号的含义与表1相同。节点1-max至10-max指弯头上一、二次应力的当量应力变化范围最大的点。节点1、节点10与两侧锚固点距离为360 m。

可见，管道整体应力水平较方案2低，满足要求。应力水平较低主要原因是设置膨胀垫增加了弯头的柔性，有利于管道应力的释放。

方案1应力验算未通过，以下仅对比方案2有补偿方案和方案3自然补偿方案。

①　技术性分析

两个方案技术上均可行。方案3的应力水平较低，弯头设置膨胀垫，保护了弯头外护层的安全^［2］。方案2的施工工期较长、难度较大，本工程地下水位较高，补偿器井进水可能导致管道的保温失效、焊口破坏。补偿器是管网运行的风险点，进一步增加运行维护的成本。因此从工程施工、运行安全的角度出发推荐方案3自然补偿方案。

②　经济性分析

回水管道设计温度较低，采用无补偿冷安装，其中需要4个预制直埋保温弯管。工程造价中不包含顶管顶进施工部分。对于供水管道：方案2、3采用的预制直埋保温管规格相同。两方案工程用量及工程造价见表4、5，工程量对应图1中节点①~节点⑥。

可见，两方案工程造价相差不大。经技术经济性综合对比，本工程补偿方案采用方案3自然补偿方案。

对大管径供热管道顶管穿越铁路的补偿方案进行对比，补偿方案包括方案1无补偿方案、方案2有补偿方案和方案3自然补偿方案。对管道进行应力分析，管段整体应力水平排序由高到低依次为方案1、方案2、方案3，其中方案1的整体应力水平较高，个别节点应力超标。方案2和方案3均满足应力要求。方案2、方案3的工程造价相差不大，在技术上均可行。从工程施工、运行安全的角度出发，采用方案3。

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