一種新型電纜排管防護溝槽的應(yīng)用研究

許曉坡+申紅山+彭占勝+吳凱+尹超鵬

摘 要：目前電纜排管敷設(shè)主要采用砼包封型式，在保護電纜的同時，對后期維護造成不便。為了適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要文章提出一種新型預(yù)制防護溝槽，減少現(xiàn)場濕作業(yè)，縮短工作工期，便于安裝、拆卸和維護，是一種環(huán)保、節(jié)約新型的電纜敷設(shè)型式，通過理論分析和實驗驗證，確定了其結(jié)構(gòu)和材料，并在實際工程中予以應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：砼包封；預(yù)制裝配式；防護溝槽；電纜排管

中圖分類號：TM757 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）07-0144-03

Abstract： At present， the concrete encapsulation type is mainly adopted in cable pipe laying. While protecting the cable， it causes inconvenience to the later maintenance. In order to meet the needs of production development， this paper puts forward a new type of prefabricated trench， which can reduce the wet work on site， shorten the working period， and be easy to install， disassemble and maintain. It is a new type of cable laying which is environmentally-friendly and economical. Through theoretical analysis and experimental verification， the structure and materials are determined and applied in practical engineering.

Keywords： concrete encapsulation； prefabricated assembly； protective trench； cable pipe

引言

隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展和經(jīng)濟的增長，土地有效利用面積日趨緊張，城市用電密度增高，用電量日益增大。依靠架空線路供電已不能滿足城市用電的需求，目前城市電網(wǎng)大量采用地下電力電纜輸配電系統(tǒng)，大幅節(jié)約空間資源、土地資源和提高城市電網(wǎng)抵御冰雪、洪水、臺風(fēng)等自然災(zāi)害能力。根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》GB50217-2007相關(guān)條款，電纜敷設(shè)一般采用直埋敷設(shè)、排管敷設(shè)、電纜溝敷設(shè)、隧道敷設(shè)等形式；電纜敷設(shè)方式的選擇，應(yīng)根據(jù)環(huán)境特點、工程規(guī)模和電纜類型、數(shù)量等因素，以及滿足運行可靠、便于維護和技術(shù)經(jīng)濟合理的原則來確定。目前采用電纜排管型式敷設(shè)電纜在城市電網(wǎng)中占有相當(dāng)大的比例。

1 目前電纜排管敷設(shè)方式

1.1 電纜敷設(shè)保護方式現(xiàn)狀

電纜排管敷設(shè)適用于城市道路人行道下、電纜與各種道路交叉處、廣場區(qū)域及小區(qū)內(nèi)電纜條數(shù)較多、敷設(shè)距離長等地段。因敷設(shè)方式占地面積和空間少，受氣候和環(huán)境影響較小，安全性高，市容美觀，能承受較大的荷重，電纜敷設(shè)無相互影響，電纜施工簡單等因素，至今仍被廣泛應(yīng)用于城市電纜敷設(shè)中。

1.2 電纜排管敷設(shè)砼包封保護方式的缺點

城市地下管線敷設(shè)情況錯綜復(fù)雜，各類管線機械施工程度較高，管線施工作業(yè)對電力管線存在安全隱患，為確保電力電纜安全運行，常對排管進行澆筑鋼筋混凝土作為安全防護加固?，F(xiàn)狀排管一般區(qū)間長度為50-70米，電力排管采用澆筑鋼筋混凝土澆筑后為整體防護形式，局部受損后需整體更換區(qū)間段管線，需要較大施工作業(yè)場地現(xiàn)場施工，對管線周邊道路交通、居民生活、城市環(huán)境影響較大。

2 預(yù)制裝配式電纜排管防護溝槽的理論研究

為提高城市電纜的安全可靠性，加強城市電力管線安全防護，加快管線施工進度，減少搶修作業(yè)時間，從管線安全可靠性出發(fā)，調(diào)整排管安全防護結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式，提出“預(yù)制裝配式電纜排管防護溝槽”這一概念。

2.1 預(yù)制裝配式電纜排管防護溝槽社會效益分析

預(yù)制裝配式電纜排管防護溝槽與現(xiàn)澆施工工法相比，裝配式結(jié)構(gòu)有利于綠色施工，因為裝配式施工更能符合綠色施工的節(jié)地、節(jié)能、節(jié)材、節(jié)水和環(huán)境保護等要求，降低對環(huán)境的負面影響，遵循可持續(xù)發(fā)展的原則。

而且，裝配式結(jié)構(gòu)可以連續(xù)地按順序完成工程的多個或全部工序，從而減少進場的工程機械種類和數(shù)量，消除工序銜接的停閑時間，實現(xiàn)立體交叉作業(yè)，減少施工人員，從而提高工效、降低物料消耗、減少環(huán)境污染，為綠色施工提供保障。

2.2 預(yù)制裝配式電纜排管防護溝槽經(jīng)濟效益分析

預(yù)制裝配式電纜防護溝槽設(shè)計理念先進，兼容性強。構(gòu)件在工廠模數(shù)控制工業(yè)化生產(chǎn)，預(yù)制成型并運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進行裝配，可以最大程度地實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)、混凝土、新型材料的復(fù)合化施工。

其結(jié)構(gòu)體系靈活，可變性強，實現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)和填充體系的徹底分離，拆分成不同部品構(gòu)件進行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計生產(chǎn)，保證支撐體的耐久性和填充體的可變性，有利于標(biāo)準(zhǔn)化、大規(guī)模、重復(fù)性生產(chǎn)建造，同時有利于在實際使用時進行改動和調(diào)整，能夠最大程度地保證建筑整體性能。

預(yù)制構(gòu)件采用機械化方式進行生產(chǎn)加工，現(xiàn)場只需對構(gòu)件節(jié)點進行澆注，這樣的施工方式大大減少了現(xiàn)場工作量和施工難度，可同時進行交叉作業(yè)，節(jié)約工期，保證施工進度，節(jié)省投資，降低施工成本。

3 預(yù)制裝配式排管防護溝槽型式的確定

3.1 結(jié)構(gòu)型式的確定

由于預(yù)制構(gòu)件的形狀等不同而存在很大的差異。在拼裝構(gòu)件的形狀方面，當(dāng)前有底板現(xiàn)澆加預(yù)制板片拼裝、雙側(cè)對稱的正反L型預(yù)制構(gòu)件拼裝、U型預(yù)制結(jié)構(gòu)體加預(yù)制頂板拼裝、整體預(yù)制管節(jié)段拼裝、預(yù)應(yīng)力頂蓋節(jié)段與預(yù)應(yīng)力底座節(jié)段拼裝等。目前還未有一種確定的預(yù)制拼裝方法在國內(nèi)城市地下管線工程中得以應(yīng)用。通過數(shù)據(jù)和有限元分析及和實驗?zāi)M驗證，我們選定了底板現(xiàn)澆加預(yù)制板片拼裝、雙側(cè)對稱的正反L型預(yù)制構(gòu)件拼裝方法。endprint

該預(yù)制拼裝方式涉及到預(yù)制構(gòu)件二次設(shè)計、預(yù)制構(gòu)件模具設(shè)計與制作、預(yù)制設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用、預(yù)制件運輸與吊裝機械整合、拼裝設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用、拼裝工法等一系列技術(shù)和管理水平的提升。通過工廠車間中間試驗，該預(yù)制構(gòu)件工廠可預(yù)制，中間好運輸，現(xiàn)場易安裝。

3.2 構(gòu)件材料的選擇

在預(yù)制構(gòu)件材料選用方面，為提高城市電纜的安全可靠性，加強城市電力管線安全防護，加快管線施工進度，減少搶修作業(yè)時間。順應(yīng)建筑工業(yè)化發(fā)展方向，實屬資源節(jié)約型、環(huán)境友好型并符合國家節(jié)能、環(huán)保、節(jié)地等相關(guān)要求。

目前除了鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件外，大量新型復(fù)合型材料也應(yīng)用于工程中，結(jié)合傳統(tǒng)排管采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)特點進行了對比分析。

電纜排管主要采用水泥管、鋼管、硬質(zhì)聚乙烯管、玻璃纖維增強塑膠管等幾種材料。塑膠電纜管與水泥管、鋼管在機械強度性能、內(nèi)壁磨擦系數(shù)、耐腐蝕性能、絕緣性能等方面具有顯著優(yōu)點，經(jīng)比選，推薦采用塑膠電纜管。

3.3 電纜敷設(shè)形式的確定

為了解決電纜導(dǎo)體溫升隨負荷變化而變化導(dǎo)致的電纜線路熱脹冷縮問題，工程應(yīng)用中通常采取蛇形敷設(shè)電纜線路。蛇形敷設(shè)能夠有效吸收熱脹冷縮引起的電纜線路長度變化，防止電纜線路接頭、終端、金屬護層以及電纜附屬設(shè)施被損壞，保證電纜線路的安全運行。

目前電纜在排管內(nèi)敷設(shè)時，為解決以上問題，通常通過電纜工井布置尺寸大小，在工井內(nèi)預(yù)留電纜伸縮弧。由于單個電纜工井內(nèi)解決的電纜線路熱脹冷縮量極為有限，排管敷設(shè)時電纜工井井間距較近。結(jié)合預(yù)制裝配式排管防護溝槽構(gòu)造形式的靈活性，通過改變溝槽內(nèi)電纜保護管的固定形式，滿足電纜蛇形敷設(shè)的要求。

在工廠車間實驗?zāi)M驗證時，采用6米長作為一個蛇形敷設(shè)周期，電纜在防護溝槽垂直排列。通過分析和計算不同的導(dǎo)體溫度、蛇形弧幅值和蛇形長度對弧幅軸向推力大小的影響，提出了既節(jié)約空間又能限制軸向推力的蛇形弧幅和蛇形長度的推薦值。在實驗驗證中，我們采用管枕a和管枕b的不同組合，在防護溝槽的不同位置，實現(xiàn)蛇形敷設(shè)需要的波峰和波谷型式，滿足電纜蛇形敷設(shè)的要求。

4 110千伏排管直線段防護溝槽相關(guān)計算

設(shè)計資料如下：

溝頂活荷P1=20（KN/m^2）；覆土厚度ht=1000～3000（mm）；溝內(nèi)水位Hw=840（mm）；容許承載力R=100（KN/m^2）；溝長度H=10000（mm）；溝寬度B=1500（mm）；溝壁高度h0=840（mm）；底板外伸C1=0（mm）；底板厚度h1=160（mm）；頂板厚度h2=160（mm）；墊層厚度h3=100（mm）；溝壁厚度h4=160（mm）；地基承載力設(shè)計值R=100（KPa）；溝槽敷設(shè)位置規(guī)劃道路人行道/綠化帶，地下水位-2000mm，溝頂部區(qū)最小覆土1000mm時：

4.1 地基承載力驗算

（1）底板面積AR1=（H+2*h4+2*C1）*（B+2*h4+2*C1）=（10+2*.16+2*0）*（1.5+2*.16+2*0）=18.78（m^2）

（2）頂板面積AR2=（H+2*h4）*（B+2*h4）=（10+2*.16）*（1.5+2*.16）=18.78（m^2）

（3）溝頂荷載Pg=P1+ht*18=20+1*18=38（KN/m^2）

（4）溝壁重量CB=25*（H+2*h4+B）*2*H0*h4=25*（10+2*.16+1.5）*2*.84*.16=79.43（KN）

（5）底板重量DB1=25*AR1*h1=25*18.78*.16=75.12（KN）

（6）頂板重量DB2=25*AR2*h2=25*18.78*.16=75.12（KN）

（7）溝全重G=CB+DB1+DB2+Fk1=79.43+75.12+75.12+0=229.67（KN）

（8）單位面積水重Pwg=（H*B*Hw*10）/AR1=（10*1.5*.84*10）/18.78=6.709（KN/m^2）

（9）單位面積墊層重Pd=23*h3=23*.1=.122（KN/m^2）

（10）地基反力R0=Pg+G/AR1+Pwg+Pd=38+229.67/18.78+6.709+.122=57（KN/m^2）

R0=57（KN/m^2）

4.2 溝整體抗浮驗算

地下水位在底板以下，不需驗算

4.3 溝局部抗浮驗算

地下水位在底板以下，不需驗算

4.4 荷載計算

（1）溝內(nèi)水壓Pw=rw*H0=10*.84=8.4（KN/m^2）

（2）溝外土壓Pt：

溝壁頂端Pt2=[Pg+rt*（ht+h2）]*[Tan（45-？/2）^2]=[38+18*（1+.16）]*[Tan（45-30/2）^2]=19.6（KN/m^2）

溝壁底端Pt1=[Pg+rt*（ht+h2+H0）]*[Tan（45-？/2）^2]=[38+18*（1+.16+.84）]*[Tan（45-30/2）^2]=24.66（KN/m^2）

溝底荷載qD=Pg+（Fk1+CB）/AR2=38+（0+79.43）/18.78=42.22（KN/m^2）

4.5 紹溝槽的整體抗浮驗算

抗浮全重Fk=G+ht*AR2*16+Fkt（抗浮時覆土容重取16KN/m^3）=229.67+3*18.78*16+0=950（KN）

總浮力Fw=AR2*（Hd+h1）*10=18.78*（2+.16）*10=406（KN）

Fk=950（KN）>Kf*Fw=466.9（KN）整體抗浮驗算滿足要求

5 結(jié)束語

建筑工業(yè)化是未來發(fā)展的趨勢，通過預(yù)制裝配技術(shù)整合各項材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)技術(shù)，加強對其分析和研究，在提高結(jié)構(gòu)性能的同時，提升建筑行業(yè)工業(yè)化技術(shù)水平，在實踐中不斷積累設(shè)計經(jīng)驗，從而有助于我國建筑行業(yè)的深入發(fā)展。

預(yù)制裝配式工法減少了鋼筋加工場、混凝土攪拌場、模板、材料等設(shè)施、設(shè)備的堆放場地，現(xiàn)場施工的作業(yè)面積較小，可減少部分前期拆遷、道路恢復(fù)等費用，其產(chǎn)生的社會效益和經(jīng)濟效益是顯著的。

在未來的幾十年里，我國將把發(fā)展的焦點轉(zhuǎn)向城鄉(xiāng)建設(shè)中，新型裝配式結(jié)構(gòu)體系目前還存在很多問題，我國與國際先進水平也仍具有差距，但從長遠來看，它是符合產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向的，隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，環(huán)境壓力不斷增大，人力成本不斷提高，可持續(xù)發(fā)展深入人心，建筑工業(yè)進程在我國將不可逆轉(zhuǎn)，預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系是建筑工業(yè)化的重要實現(xiàn)方式，將得到進一步的研發(fā)和推廣應(yīng)用。

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