水平定向鉆法敷設(shè)聚乙烯管道施工荷載下受力分析

文湘禹

（廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710）

1 工程概況

廣東清遠(yuǎn)某園區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目，6 個園區(qū)約80.7 km2范圍的市政污水管網(wǎng)建設(shè)，其中非開挖管道鋪設(shè)全長約4.35 km，管道材料采用1.25 MPa 的聚乙烯實壁排污管，管徑≤600 mm。管道穿越時，沿線分布有街道綠化帶、公路、建筑物、河流以及民房。在管道穿越施工中，管道埋深作業(yè)尤為重要且受力非常復(fù)雜，在地面不開挖的條件下埋設(shè)管道，又要實現(xiàn)不破壞環(huán)境、不影響交通、施工周期短、施工安全性好等目標(biāo)。為此，決定采用水平定向鉆法敷設(shè)聚乙烯管道，埋設(shè)深度為3.0～6.5 m。

2 聚乙烯管的物理性能

聚乙烯管材輕質(zhì)化特征突出，單位質(zhì)量較小，有利于高效開展運(yùn)輸工作，僅由人工完成布管作業(yè)即可，省去了探傷、防腐等其他工作。聚乙烯具有蠕變性與應(yīng)力松弛的特性，其強(qiáng)度是時間函數(shù)，僅對管材的力學(xué)性能數(shù)據(jù)展開分析，并不能從中剖析具有高度參考價值的信息，對實際施工的指導(dǎo)意義不強(qiáng)。事實上，在描述聚乙烯管物理力學(xué)性能時，尤為重要的是長期靜壓強(qiáng)度、耐快速裂紋擴(kuò)展、耐慢速裂紋增長3 個方面。

雖然聚乙烯管強(qiáng)度低，但具有較強(qiáng)的耐久性，主要得益于其耐腐蝕、抗震、抗劃痕等方面的優(yōu)勢。同時，聚乙烯管道斷裂延長率較高，決定了管材具有突出的柔韌性。將聚乙烯管作為市政管網(wǎng)工程中的管材，可以提高施工的便捷性，降低質(zhì)量問題的發(fā)生概率，減輕質(zhì)量問題的嚴(yán)重程度。

3 聚乙烯管道施工荷載下的受力分析

水平定向鉆進(jìn)技術(shù)是現(xiàn)階段市政管網(wǎng)施工中較為主流的技術(shù)形式[1，2]，其中，聚乙烯管道受力分析是采用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行管道敷設(shè)工程設(shè)計、施工時的一項重要內(nèi)容，也是選擇鉆機(jī)設(shè)備和管材的主要依據(jù)。縱觀現(xiàn)狀，水平定向鉆法敷設(shè)聚乙烯管道施工中，聚乙烯管是優(yōu)質(zhì)管材，能夠滿足承受施工過程中的牽拉力，抵抗管道內(nèi)外的腐蝕，承受管內(nèi)壓力與管外靜、動荷載，且具有良好的流體流通性能，施工人員需要根據(jù)管材特性以及現(xiàn)場作業(yè)條件合理應(yīng)用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)，充分發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢，將管道敷設(shè)到位[3]。

3.1 穿越曲線的分析

3.1.1 影響因素

穿越曲線的影響因素主要體現(xiàn)在兩方面：（1）客觀因素。包括施工范圍內(nèi)的公路、建筑物、河道的寬度和深度、地下管線等現(xiàn)場分布情況，現(xiàn)場的地質(zhì)條件及水文條件等。（2）主觀因素。主要指的是設(shè)計參數(shù)，是人為層面的因素，包含出入土點(diǎn)的位置及角度、管材質(zhì)及特性、彈性敷設(shè)管段曲率半徑等，可根據(jù)實際施工要求調(diào)整，以減小對施工的不良影響。

3.1.2 穿越曲線的設(shè)計思路

在測量放樣出具體的穿越位置后，需要進(jìn)一步考慮設(shè)計參數(shù)，其會對管道理想化穿越曲線帶來直接的影響。假定某穿越目標(biāo)寬度為50 m，管徑為400 mm，在此條件下設(shè)計理想穿越曲線，具體如下：

1）曲率半徑。穿越管材的質(zhì)量是重點(diǎn)考慮的因素[4]，聚乙烯管允許曲率半徑至少需達(dá)到公稱直徑的25 倍。倘若鉆桿外徑為66.68 mm，那么，結(jié)合管道彈性敷設(shè)曲率半徑的設(shè)計要求，可以確定其鉆桿的最小曲率半徑，即80.02 mm。當(dāng)穿越管道采用聚乙烯管時，則要求聚乙烯管外徑達(dá)到200 mm，最小曲率半徑為80.2 mm。

2）入/出土角。以穿越路線周邊的地質(zhì)條件均良好為前提，要求此時的入土角為9°、出土角為6°。

3）理想穿越曲線。結(jié)合前述所設(shè)計的參數(shù)確定理想穿越曲線，聚乙烯管道理想穿越曲線如圖1 所示。圖1 中，h 為穿越深度，m；L1為入土直管段水平長度，m；L2為入土端彈性敷設(shè)曲線水平長度，m；L3為水平直管段長度，m；L4為出土端彈性敷設(shè)曲線水平長度，m；L5為出土端直管段水平長度，m；L 為穿越長度，m。

圖1 聚乙烯管道理想穿越曲線

3.2 受力分析

3.2.1 管道回拖力的分析

為滿足聚乙烯管道水平定向鉆進(jìn)的穩(wěn)定性要求，在受力分析時重點(diǎn)考慮其在穿越期間的回拖力，根據(jù)此方面的數(shù)據(jù)進(jìn)一步確定管道穿越長度。

現(xiàn)階段，回拖力計算方法較多，例如，卸荷拱土壓力計算法、絞盤計算法。在設(shè)計中，聚乙烯管穿越時的管道曲率半徑較小，通常為400～600 mm，此時需要充分分析管道穿越過程中受到的絞盤力。根據(jù)該特點(diǎn)，認(rèn)為絞盤計算法在回拖力設(shè)計中具有可行性，其更加貼近于實際作業(yè)情況。而拖拉長度的計算并無統(tǒng)一的公式，加之受到現(xiàn)場條件的影響，需要結(jié)合工程實際條件做出判斷。根據(jù)現(xiàn)階段的技術(shù)規(guī)程，認(rèn)為拖拉長度≤300 m 較為合適。

回拖力指的是在管道回拖時多項力所形成的組合力（包含摩擦阻力、絞盤效應(yīng)力、流體阻力、彎曲時管道剛度產(chǎn)生的阻力等）。聚乙烯管最大拖拉力需要滿足水平定向鉆法管道穿越工程方面的技術(shù)規(guī)范，聚乙烯管承受的最大拖拉力不應(yīng)大于式（1）計算出的數(shù)值。

式中，F(xiàn) 為最大拖拉力，N；D 為管道外徑，mm；SDR 為標(biāo)準(zhǔn)尺寸比例；Dn為管道公稱直徑，mm。

以外徑為200 mm 的SDR11 聚乙烯管為例，根據(jù)式（1）展開計算可以得到最大拖拉力F。而對于實際的回拖力有特定的公式用于計算，需選定參數(shù)，經(jīng)計算后獲得。在穿越管道回拖時，最大回拖力不可取最大拖拉力計算值。同時借助公式反算，目的在于確定回拖長度。

3.2.2 管道徑向穩(wěn)定性分析

徑向屈曲失穩(wěn)校核公式見式（2）：

式中，ps為泥漿壓力，MPa，取泥漿靜壓力的1.5 倍；Fd為穿越管道可承受的極限外壓力，MPa；pyp為穿越管道段設(shè)計系數(shù)，取0.6。

在市政管網(wǎng)施工中，水平定向鉆進(jìn)深度普遍不太深，通?？砂凑?0 m 的深度校核。聚乙烯管材的基礎(chǔ)參數(shù)見表1。

由表1 可知，該管材滿足要求。由此說明不存在徑向屈曲失穩(wěn)的異常狀況，聚乙烯管的穩(wěn)定性得到保障。

表1 聚乙烯給排水管基礎(chǔ)參數(shù)表

聚乙烯管材屬彈性材料，在分析其彈性變形臨界壓力時不可按照GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》中的數(shù)據(jù)選取，穿越管段所能承受的極限外壓力也無法從中選取具有可行性的數(shù)據(jù)。由此可以進(jìn)一步得知，在聚乙烯管道徑向屈曲失穩(wěn)的計算與分析中，要使用正確的方法校核最后的數(shù)據(jù)。在具體工程實例中，聚乙烯管穿越深度主要集中在3～6.5 m，在聚乙烯管穿越河流地段時，深度達(dá)到17.6 m，但無論何種深度，該穿越管段均可以維持穩(wěn)定的狀態(tài)，實際運(yùn)行中未出現(xiàn)異常狀況。

3.3 綜合分析

在市政管網(wǎng)中小型穿越工程施工中，聚乙烯管具有縮短穿越長度、提高施工效率、降低成本的應(yīng)用優(yōu)勢，因此，發(fā)展前景廣闊。

4 結(jié)語

通過計算分析得到了本文所述的一些結(jié)論，但對于聚乙烯管穿越河道深層、公路以及建筑物等條件下，聚乙烯管材受到的應(yīng)力及應(yīng)變規(guī)律研究僅僅是進(jìn)行了初步探索，且單從管道外部荷載導(dǎo)致的力學(xué)因素和管道的抗力與時間方面來說，需專業(yè)人士進(jìn)一步對復(fù)雜條件下的聚乙烯給排水管展開數(shù)值模擬，并在聚乙烯管材的應(yīng)變率不同的基礎(chǔ)上，借助試驗的方法分析其靜荷載受力情況。