供热管道直埋敷设技术在湿陷性黄土地区的应用.doc

供热管道直埋敷设技术在湿陷性黄土地区的应用中国工程检测网（）摘要本文阐述了供热管道直埋敷设的管道构造，以及在湿陷性黄土地区的应用，提出了在湿陷性黄土地区直埋敷设的应用问题及解决的一些措施。关键词供热管道直埋敷设湿陷性黄土应用直埋敷设供热管道（含生活用热水、采暖热水）在北欧国家（如瑞典、丹麦、芬兰等）从保温管的制造、工程项目的设计、施工安装，至管网运行监控管理都有较为成熟悉的经验。我国也于二十世纪七十年代开展了供热管道的直埋敷设及安装制造等研究，但受当时材料的限制，保温材料采用吸湿性较强的膨胀珍珠岩，虽然对其进行了热沥青憎水处理，也无法满足要求，故此项工作在取得一定的试验数据后，结束了试验工作。改革开放以后，国外的新技术、新工艺陆续在国内被引进消化。国外先进直埋敷设技术在我国北方采暖地区，得以推广应用。80年代末，国内一些设计院和国外保温管厂家合作，先后在东北哈尔滨、牡丹江等地进行了直埋供热管敷设设计与施工。这种利用聚氨酯硬质泡沫塑料导热系数低，吸湿率小，闭孔率高等优点的工厂化预制保温管直埋敷设技术，很快就在我国广大采暖地区得到了推广。它具有投资省（较地沟管敷节省造价30%），施工便利，工期短（缩短一半以上），占地少，运行监督费用低等传统供热管道无法比拟的优点，迅速的成为供热管道敷设首选技术方案。在短短的十数年间，在东北和华北地区，特别是在大中型城市供热管网工程中，几乎全为直埋敷设。目前在我国采用的直埋敷设预制保温管按其生产制造工艺，大致可分为以下几种：1、二步法管中管。此种管型基本是最初由北欧国家引进行预制管或国内引进生产线及一部分国内厂家仿制产品，可生产全系列预制保温管道。是目前应用最多的预制保温管。其管道构造如图所示。国家已制定了行业标准高密度聚乙烯外护管聚氨酯预制直埋保温管CJ/T114-2000neqEN253：1994。2、一步法管中管。此工艺是由石化部门生产的输油管线转化而来。它是将保护管壳吹拉与发泡工序合二为一进行的。由于受管保护壳挤出头间隙厚度的限制以及发泡机喷注能力的影响，目前只能生产DN400以下管道，且外保护壳厚度、钢管和保温层、保温层和保护壳之间的抗剪切能力均不能达到国家标准的要求（详见区域供热1994.5Pg3）3、手工（半机械）缠绕玻璃钢管壳预制保温管。此种方法因多是在管道安装施工现场制造，环境温度无法控制，产品质量不稳定，随厂家而异。因其价格较前两种生产管道有较大的价格优势，对小型管网仍有很大吸引力。目前为适应国内高温热水及蒸汽管道的要求，已有厂家成功的开发出二步法复合保温预制管。为此类管道直埋敷设提供了基础。直埋敷设供热管道在湿陷性黄土地区应用较全国北方其它采暖地区要滞后一些，其主要原因是：、直埋敷设供热管道输送热媒介质水本身是导致黄土湿陷的主要原因，一但因管道泄漏，有可能造成敷设地段湿陷，发生事故。影响地面既有建筑（构筑）物。2、外部其它原因造成敷设地点湿陷，造成供热管道受损。3、供热管道属压力管道，特别是供热运行时管道处于内压力（也叫一次应力，由输送媒介压力构成）、热胀应力（也叫二次应力，由输送媒介温升构成）的合成应力之下。管道在土壤中受输送温升媒介影响，作热运动，当上述两种现象发生，有可能产生管道纵向失稳，易产生破坏。（力学模型为细长压杆）。4、受时间的限制，在湿陷性黄土地区建筑规范GBJ25-90中第3.5.14条中规定“热力管道及其进口装置宜明设。当埋地敷设时必须设置管沟，.。”，同时在城市热力网设计规范CJJ34-90中也作出规定“城市热力网设计除执行本规范外,.,尚应遵守现行的.,湿陷性黄土地区建筑规范TJ25，.的有关标准、规范的规定。”近几年来，湿陷性黄土地区供热管网设计和施工人员结合以往在湿陷性黄土地区其它管网敷设的经验，除采用了许多适合本地区特点的工程处理技术外，还在本地城市供热管网应用和推广了直埋敷设管网技术，使直埋敷设供热管网技术逐步得以推开。采用的主要工程技术有：1、合理处理管道基础和焊口。供热管道虽是压力管道但其联接多采用焊接，特别是大中型供热管道，规定各管道焊口必须按一定要求进行焊口100%无损探伤，使焊口跑、冒、滴、漏现象得以扼制。在甘肃省地方标准甘肃省热水热网直埋敷设技术规程DBJ25-66-96中还特别规定将焊缝质量按级焊缝处理，大大加强了管道焊口质量的控制。并且规定在湿陷性黄土地区进行管基处理时，应适当增加灰土夯实层，素土夯实系数也应达到一定数值，使由管道泄、漏水引起的地基湿陷影响降低。管槽处理详见图所示：2、合理选择直埋敷设管道运行应力水平和敷设埋深。当发生局部地段湿陷时使管道有一定抗纵向失稳的能力。对安装温升较高的管段，慎用无补偿冷安装工艺。如采用加设弹性补偿元件（设置波纹补偿器、“L”、“P”型弯等）减缓应力相对集中。当管径DN500mm时，覆土厚度1m，即可防止产生纵向失稳。管径DN500mm时，应通过计算来确定覆土厚度。3、在重点地段（如敷设管径DN500、敷设地点周围有较重要的建筑）宜设置集中或区域报警措施，防患于未然。当敷设地区有泄漏及发生时，在尚未引起湿陷时，就进行防治，使事故损失降到最低。4.管网运行期间，在管网敷设地段，管网两侧2M范围之内严禁施工开挖，以防止侧向失稳。从九十年代中期起，我国湿陷性黄土地区一批大中型城市已在城市集中供热管网中采用了直埋敷设技术，大大节约了资金和土地占用，其社会效益和经济效益非常显著。笔者曾参加了“兰州市第二热电厂供热管网工程”的设计工作。该工程于1984年由国家计委立项，总概算造价3.4亿元，其中管网造价8700万元，管网敷设方案采用地沟，最大地沟横断面36007200，最大供热长度7.3km，最大供热管径DN900。管网敷设地带地基多数具有自重（非自重）湿陷性。由于该工程主要解决兰州城中地区冬季采暖小锅炉燃煤烟气污染，原管网敷设方案采用地沟方式，占地面积大，施工周期长，大型管沟相应对地基要求较高，特别是原道路修建未考虑供热管位，大型管沟穿越市区又几乎不可能。采用管沟深埋设技术，又使工程造价陡增数倍，该管网方案经政府主管部门组织有关人员数次论证，终未能实施。进入九十年代后，我工程小组结合国内其它城市供热管网敷设经验，通过考察调研对管网地沟敷设方案进行了修改和调整，结合工程实际，提出了湿陷性黄土地区采用直埋敷设技术，并由甘肃省建设专家委员会牵头，组织专家进行了技术论证，在此基础我工程小组编制了兰州市第二热电厂供热管网工程设计统一技术措施，综合应用了上述几种工程处理手法，使兰州市“二热”供热管道工程得以实施。该管网采用直埋敷设技术后较采用地沟的直接工程费减少1500万元，其它如减少用地及经常维修费用均不计在内。由于直埋管网保温效果好，仅此一项就可使“二热”供热管网增加供热面积30万平方米。该工程已被甘肃省建委向建设部申报重点技术实施示范工程。甘肃省暖通空调学术委员会为指导甘肃省地区直埋敷设技术的发展和应用，主编了甘肃省热水热网直埋敷设技术规程（DBJ25-66-96）总之一项新技术、新工艺的采用和推广，应有科学求实态度，充分发挥：“科学是第一生产力”的作用，采用适当的、并符合本地区工程特点的技术，为我所用，以达到高效、优质、创新的目的。应冷静、客观地对以往的实践进行实事求是的科学分析、研究，继而加强科研力度，以促进供热管道直埋技术的进一步提高和完善。随着国民经济的发展，科学技术的进步，采用管道输送各种介质的范围及领域越来越广，距离越来越远。输送管道的设计、施工、维护等有它的特殊性，它和地形、地质、输送的介质、管材等有着密切的关系。在长距离管道安装中，由于各方面的因素，采用直埋的方法最为普遍，而直埋管道的基础对不同地基、土质也有着不同的要求。不良地质主要有：软粘土、杂填土、冲填土、膨胀土、红粘土、泥炭质土、岩溶、湿陷性黄土等。湿陷性黄土地区在我国土地面积中占相当大的比例，在这种土质中敷设管道，对地基的处理有着特殊的要求。本文着重介绍湿陷性黄土地区管道基础的处理与施工的几种方法。1湿陷性黄土的分布在我国，黄土和黄土状土广泛分布在华北、西北等地，且地层多、厚度大。在这些地区，一般气候干燥、降雨量少，蒸发量大，属于干旱、半干旱气候类型。黄土分布地区年平均降水量在250500mm之间。黄土在自重或一定荷重作用下受水浸湿后其结构迅速破坏而发生显著的附加下沉，以至在其上的建筑物遭到破坏。这是黄土的一种特殊性质。我国湿陷性黄土分布约占黄土分布面积的60，大部分在黄河中游地区。由于各地黄土堆积环境、地理和气候条件不同，致使其在堆积黄土的物理、力学性质等方面都具有明显的差别，湿陷性有自西向东、自北向南逐渐减弱的规律。2管道地基处理由于湿陷性黄土的特性，在湿陷性黄土地区管道发生事故的主要原因是地基的不均匀沉降。因此管道对地基强度、稳定性及不均匀沉降有极为严格的要求。21影响地基的几个因素(1)强度及稳定性。当地基的抗剪强度不足以支撑上部结构的自重及附加荷载时，地基就全产生局部或整体剪切破坏。(2)压缩及不均匀沉降。当地基由于上部结构的自重及附加荷载作用而产生过大的压缩变形时，特别是超过管道所能允许的不均匀沉降时，则会引起管道过量下沉，接口开裂，影响管道的正常使用。(3)地震造成的地基土震陷以及车辆的振动和爆破等动力荷载可能引起地基土失稳。(4)地基渗漏量或水力比降超过容许值时，会发生水量损失或因潜蚀和管涌而可能导致管道破坏。当管道的天然地基存在上述四类问题之一或几个时，应采取适当的地基处理措施，以确保管道的安全正常运行。在确定管道基础处理方案时，可根据工程的具体情况对几种处理方法进行技术、经济以及施工进度等方面的比较。合理的地基处理一定是技术可靠，经济合理，又能满足工程进度的要求。22湿陷性黄土地基的处理方法为了保证湿陷性黄土地基上管道的安全和正常使用，在绝大多数情况下都必须考虑地基处理，湿陷性黄土地基处理的目的是消除黄土的湿陷性，同时提高地基的承载能力。管道的地基处理不同于其它建筑物地基的处理，管道地基处理主要是全部或部分消除其湿陷性。对非自重湿陷性黄土地基，如基础下地基处理厚度达到压缩层下限，或达到饱和的自重压力与附加压力之和等于或小于该土层的湿陷起始压力，就可以认为地基的湿陷性全部消除。对自重湿陷性黄土地基，由于地基的湿陷量和湿陷变形与自重湿陷性土层的厚度、浸水面积有关，而与压缩层厚度无关，所以必须处理基础地面以下的全部自重湿陷性黄土层。在非自重湿陷性黄土地基上，对级湿陷性黄土一般不需要地基处理。对于级处理厚度为1015m，如处理厚度小于10m时，湿陷性仍要危及构筑物或管道安全。对于级湿陷性黄土，处理厚度为1020m，级应为2.03.0m。此外，应根据土层的湿陷性系数的分布情况，湿陷性黄土层的厚度及管径、管材、介质等具体情况，适当增加或减少处理厚度。湿陷性黄土层的管道基础处理方法很多，常用的方法有土或灰土垫层、砂或砂垫层、强夯法、重锤夯实法、桩基础、预浸法等。各种处理方法都有它的适用范围，局限性和优缺点。由于管线长，工程地质条件千变万化，而且机具、材料等条件也会因地区不同而有较大差别。因此，对每一具体线段都要进行细致分析，从地基条件、处理要求(包括处理达到的各项指标、处理范围)、工程费用、材料、机具等诸多方面进行考虑，以确定合适的地基处理方法。221灰土垫层灰土垫屋常被用于非自重湿陷性黄土地区管道基础的处理。一般适用于处理14m厚的软弱土层。管道的基础是条形基础，作用于地基上的力也比其它建筑物小，而且是基槽开挖后埋入地下，表面的软弱土一部分已被去掉，所以在管道施工中常用灰土(或素土)垫层来处理湿陷性地区的管道基础，以提高承载力，减少沉降力。灰土垫层是将基础下面一定范围内的弱土层挖去，用一定体积比配合的灰土在最优含水量情况下分层回填夯实或压实。(1)承载力的确定。经过人工压实(或夯实)的37灰土垫层，当压实系数控制在097及干土重度不小于145150kN/m3时，其容许承载力可达300kPa以上。对于28灰土，当压实系数控制在097及干土重度不小于148155kN/m3时，其容许承载力可达300kPa。(2)灰土垫层材料配比。灰土中石灰用量在一定范围内，其强度随灰土用量的增大而提高，但当超过一定限值后，强度则增加很小?/cc不良地质条件下给水管道基础处理与施工 2006-7-19 0:06:00 | By: rockheart 摘要：管道输送是一种较为安全的运输手段，但在不同的地质条件下设计、施工管道有着不同的技术要求。介绍了在湿陷性黄土地区地基处理的几种方法以及灰土及砂垫层处理方法。 关键词：不良地质条件 湿陷性黄土 管道施工 管道地基 处理方法 0前言 随着国民经济的发展，科学技术的进步，采用管道输送各种介质的范围及领域越来越广，距离越来越远。输送管道的设计、施工、维护等有它的特殊性，它和地形、地质、输送的介质、管材等有着密切的关系。在长距离管道安装中，由于各方面的因素，采用直埋的方法最为普遍，而直埋管道的基础对不同地基、土质也有着不同的要求。不良地质主要有：软粘土、杂填土、冲填土、膨胀土、红粘土、泥炭质土、岩溶、湿陷性黄土等。湿陷性黄土地区在我国土地面积中占相当大的比例，在这种土质中敷设管道，对地基的处理有着特殊的要求。本文着重介绍湿陷性黄土地区管道基础的处理与施工的几种方法。 1湿陷性黄土的分布 在我国，黄土和黄土状土广泛分布在华北、西北等地，且地层多、厚度大。在这些地区，一般气候干燥、降雨量少，蒸发量大，属于干旱、半干旱气候类型。黄土分布地区年平均降水量在250500 mm之间。黄土在自重或一定荷重作用下受水浸湿后其结构迅速破坏而发生显著的附加下沉，以至在其上的建筑物遭到破坏。这是黄土的一种特殊性质。我国湿陷性黄土分布约占黄土分布面积的60，大部分在黄河中游地区。 由于各地黄土堆积环境、地理和气候条件不同，致使其在堆积黄土的物理、力学性质等方面都具有明显的差别，湿陷性有自西向东、自北向南逐渐减弱的规律。 2管道地基处理 由于湿陷性黄土的特性，在湿陷性黄土地区管道发生事故的主要原因是地基的不均匀沉降。因此管道对地基强度、稳定性及不均匀沉降有极为严格的要求。 21影响地基的几个因素 (1)强度及稳定性。当地基的抗剪强度不足以支撑上部结构的自重及附加荷载时，地基就全产生局部或整体剪切破坏。 (2)压缩及不均匀沉降。当地基由于上部结构的自重及附加荷载作用而产生过大的压缩变形时，特别是超过管道所能允许的不均匀沉降时，则会引起管道过量下沉，接口开裂，影响管道的正常使用。 (3)地震造成的地基土震陷以及车辆的振动和爆破等动力荷载可能引起地基土失稳。 (4)地基渗漏量或水力比降超过容许值时，会发生水量损失或因潜蚀和管涌而可能导致管道破坏。 当管道的天然地基存在上述四类问题之一或几个时，应采取适当的地基处理措施，以确保管道的安全正常运行。在确定管道基础处理方案时，可根据工程的具体情况对几种处理方法进行技术、经济以及施工进度等方面的比较。合理的地基处理一定是技术可靠，经济合理，又能满足工程进度的要求。 22湿陷性黄土地基的处理方法 为了保证湿陷性黄土地基上管道的安全和正常使用，在绝大多数情况下都必须考虑地基处理，湿陷性黄土地基处理的目的是消除黄土的湿陷性，同时提高地基的承载能力。 管道的地基处理不同于其它建筑物地基的处理，管道地基处理主要是全部或部分消除其湿陷性。对非自重湿陷性黄土地基，如基础下地基处理厚度达到压缩层下限，或达到饱和的自重压力与附加压力之和等于或小于该土层的湿陷起始压力，就可以认为地基的湿陷性全部消除。对自重湿陷性黄土地基，由于地基的湿陷量和湿陷变形与自重湿陷性土层的厚度、浸水面积有关，而与压缩层厚度无关，所以必须处理基础地面以下的全部自重湿陷性黄土层。 在非自重湿陷性黄土地基上，对级湿陷性黄土一般不需要地基处理。对于级处理厚度为1015 m，如处理厚度小于10 m时，湿陷性仍要危及构筑物或管道安全。对于级湿陷性黄土，处理厚度为1020 m，级应为2.03.0 m。此外，应根据土层的湿陷性系数的分布情况，湿陷性黄土层的厚度及管径、管材、介质等具体情况，适当增加或减少处理厚度。 湿陷性黄土层的管道基础处理方法很多，常用的方法有土或灰土垫层、砂或砂垫层、强夯法、重锤夯实法、桩基础、预浸法等。各种处理方法都有它的适用范围，局限性和优缺点。 由于管线长，工程地质条件千变万化，而且机具、材料等条件也会因地区不同而有较大差别。因此，对每一具体线段都要进行细致分析，从地基条件、处理要求(包括处理达到的各项指标、处理范围)、工程费用、材料、机具等诸多方面进行考虑，以确定合适的地基处理方法。 221灰土垫层 灰土垫屋常被用于非自重湿陷性黄土地区管道基础的处理。一般适用于处理14 m厚的软弱土层。管道的基础是条形基础，作用于地基上的力也比其它建筑物小，而且是基槽开挖后埋入地下，表面的软弱土一部分已被去掉，所以在管道施工中常用灰土(或素土)垫层来处理湿陷性地区的管道基础，以提高承载力，减少沉降力。 灰土垫层是将基础下面一定范围内的弱土层挖去，用一定体积比配合的灰土在最优含水量情况下分层回填夯实或压实。 (1)承载力的确定。经过人工压实(或夯实)的37灰土垫层，当压实系数控制在097及干土重度不小于145150 kN/m3时，其容许承载力可达300 kPa以上。对于28灰土，当压实系数控制在097及干土重度不小于148155 kN/m3时，其容许承载力可达300 k Pa。 (2)灰土垫层材料配比。灰土中石灰用量在一定范围内，其强度随灰土用量的增大而提高，但当超过一定限值后，强度则增加很小，并且有逐渐减小的趋势。19灰土只能改善土和压实性能，28和37灰土一般作为最优含灰率，但与石灰的等级有关，通常应以CaO+MgO所含总量达到8左右为最佳。 灰土中土不仅作填料用，而且参与化学作用，尤其是土中的粘粒或胶粒具有一定活性和胶结性。含量越多，灰土强度越高，土粒粒径不得大于15 mm。灰土垫层的施工，应严格按有关规程进行。 (3)灰土的质量检验。一般采用环刀取样，测定其干土重度。质量标准可按压实系数确定，一般为093095。管道基础压实系数一般采用095，不得小于090。 (4)灰土垫层的厚度与湿陷变形的关系。垫层具有一定的厚度才能使湿陷量最大的上部土层的湿陷性消除，并由垫层扩散到天然黄土层的附加力减少到某种程度，使浸入后的湿陷量减少。垫层的宽度则以沟槽宽度为依据，对于孔洞、沟涧、墓穴及其它回填土、淤土地区，垫层处理范围要扩大。 222素土垫层 素土垫层是先挖去基坑下的部分或全部软弱土，然后回填素土分层夯实，处理级非自重湿陷性黄土，管径不大的管道基础常采用素土垫层。 素土垫层的土料一般以粘性土为宜，填土必须在无水的管沟(基坑)中进行。夯(压 )实施工时，应使土的含水量接近于最佳含水量，填土的夯(压)实应分层进行，多层虚铺的厚度可参照灰土垫层的虚铺厚度。 223砂和砂石垫层 当管道的不透水性基础与软土层相接触时，在荷载的作用下，软弱土地基中的水被迫从基础两侧排出，基底下的软弱土不易固结，形成较大的孔隙水压力，还可能导致由于地基强度降低而产生塑性破坏的危险。砂垫层和砂石垫层材料透水性大，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，可以使基础下面的孔隙水压力迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结和提高其强度，避免地基土塑性破坏。因此湿陷性黄土地基处理也可采用砂和砂石垫层。 砂垫层的厚度一般根据垫层底面处的自重应力与附加应力之和不大于同一标高处软弱土层的容许承载力来计算。 czR 式中c-垫层底面处土的自重应力，kPa； z-垫层底面处土的附