摘 要

針對(duì)塌陷區(qū)沉降對(duì)直埋熱水供熱管道的影響，對(duì)塌陷斷裂帶直埋熱水供熱管道進(jìn)行受力分析及穩(wěn)定性判定條件分析。推導(dǎo)塌陷區(qū)允許沉降量的計(jì)算式，對(duì)接近或達(dá)到允許沉降量時(shí)的安全措施進(jìn)行了探討。

 摘　要：針對(duì)塌陷區(qū)沉降對(duì)直埋熱水供熱管道的影響，對(duì)塌陷斷裂帶直埋熱水供熱管道進(jìn)行受力分析及穩(wěn)定性判定條件分析。推導(dǎo)塌陷區(qū)允許沉降量的計(jì)算式，對(duì)接近或達(dá)到允許沉降量時(shí)的安全措施進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：塌陷斷裂帶  沉降  直埋熱水供熱管道  穩(wěn)定性  安全措施

Stability and Safety Measures of Buried Heat-supply Pipeline in Subsidence Area

Abstract：Aimed at the effect of settlement in subsidence area on buried hot-water heat-supply pipeline，the stress analysis and stability judgment analysisof buried hot-water heat-supply pipeline in subsidence rupture zone are performed．The calculation formula of allowable settlement in subsidence area is dedueed．The safety measures taken when approaching and reaching the allowable settlement are discussed．

Key words：subsidence rupture zone；settlement；buried hot-water heat-supply pipeline；stability；safety measures

1　概述

河南省平頂山煤業(yè)集團(tuán)的一礦、三礦、四礦、五礦、六礦、七礦、九礦、十一礦等礦井，距坑口電廠最遠(yuǎn)也只有9km，特別是九礦與坑口電廠僅一墻之隔。在這片礦井密集區(qū)域內(nèi)，地下大面積被采空。煤炭行業(yè)把地下采過(guò)煤的區(qū)域稱(chēng)為采空區(qū)。地下被采空，采空區(qū)上方的地面會(huì)逐步或突然沉降，采空區(qū)上方的區(qū)域稱(chēng)為塌陷區(qū)。根據(jù)采煤厚度、采空區(qū)距地面的深度、采空區(qū)上方地質(zhì)構(gòu)造等情況，很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)塌陷區(qū)的塌陷時(shí)間或塌陷速度。若為這些礦井供熱，部分直埋供熱管道必然通過(guò)處于沉降過(guò)程中的塌陷區(qū)。在管道由非塌陷區(qū)進(jìn)入塌陷區(qū)(或由塌陷區(qū)進(jìn)入非塌陷區(qū))的過(guò)程中，塌陷斷裂帶兩側(cè)地面可能會(huì)逐步或突然形成落差[1]。因此，研究塌陷區(qū)沉降對(duì)塌陷斷裂帶直埋供熱管道的影響，具有十分重要的意義。本文對(duì)塌陷斷裂帶直埋熱水供熱管道(以下簡(jiǎn)稱(chēng)管道)穩(wěn)定性判定與安全措施進(jìn)行探討。

2　穩(wěn)定性判定

在正常情況下，管道自重(包括供熱介質(zhì)重量)加上部土壤重量等于管道下部土壤的支撐力，無(wú)論是有補(bǔ)償管道還是無(wú)補(bǔ)償管道，管道不會(huì)出現(xiàn)彎曲變形。然而，當(dāng)塌陷區(qū)發(fā)生沉降時(shí)，由于管道的連續(xù)性，塌陷斷裂帶的塌陷區(qū)一側(cè)部分管段將發(fā)生彎曲變形(見(jiàn)圖l)，并出現(xiàn)懸空現(xiàn)象，使得管道上部出現(xiàn)均布荷載，直至彎曲變形終止。當(dāng)塌陷區(qū)發(fā)生沉降時(shí)發(fā)生彎曲變形管段的受力分析見(jiàn)圖1。

 

圖中h——塌陷區(qū)地面沉降量，m

L——點(diǎn)A(塌陷斷裂帶所在位置)至點(diǎn)B(彎曲變形終止位置)的距離，m

M——點(diǎn)B處的彎矩，N·m

¦——彎曲變形管道承受的均布荷載，N／m

發(fā)生彎曲變形管段AB承受的均布荷載廠的計(jì)算式為：

¦=¦1+¦2    　　 　(1)

¦2=rgDchs         (2)

式中¦1——單位長(zhǎng)度管道的自重(包括供熱介質(zhì)的重量)，N／m

¦2——單位長(zhǎng)度管道上方土壤重量，N／m

r——土壤密度，kg／m3

g——重力加速度，m／s2

Dc——預(yù)制直埋保溫管外殼的外直徑，m

hs——設(shè)計(jì)管頂覆土深度，m

點(diǎn)B處彎矩M的計(jì)算式為：、

 

式中E——鋼材的彈性模量，Pa

I——管段形心慣性矩，m4

Dout——鋼管的外直徑，m

Din——鋼管的內(nèi)直徑，m

點(diǎn)A至點(diǎn)B距離L的計(jì)算式為：

 

點(diǎn)A處管道截面承受彎曲應(yīng)力sA的計(jì)算式為：

 

式中sA——點(diǎn)A處管道截面承受的彎曲應(yīng)力，Pa

忽略由熱脹冷縮產(chǎn)生的二次應(yīng)力，彎曲變形管段的穩(wěn)定性判別式為：

 

式中sdf——彎曲應(yīng)力及由內(nèi)壓產(chǎn)生的一次應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力，Pa

sny——內(nèi)壓產(chǎn)生的一次應(yīng)力，Pa

p——管道設(shè)計(jì)壓力，Pa

sall——鋼材在計(jì)算溫度下的基本許用應(yīng)力，Pa

式(7)可作為當(dāng)塌陷區(qū)地面出現(xiàn)沉降時(shí)，判定發(fā)生彎曲變形管段是否穩(wěn)定的判別式，也可作為計(jì)算塌陷區(qū)允許沉降量的計(jì)算式。

3　允許沉降量計(jì)算

由式(7)可得到塌陷區(qū)允許沉降量hall的計(jì)算式為：

 

分別計(jì)算塌陷區(qū)為農(nóng)田、道路情況下的允許沉降量。農(nóng)田下土壤密度按1000kg／m3計(jì)算，路面下土壤密度按l450kg／m3計(jì)算。由于管道周?chē)吧喜康纳翱上驊铱諈^(qū)流動(dòng)，因此管道上部砂層的高度不計(jì)入覆土深度。砂層以上的覆土深度按0.5m計(jì)算，預(yù)制直埋保溫管的高密度聚乙烯外殼外直徑比鋼管外直徑大0.15m。

當(dāng)計(jì)算溫度為l30℃時(shí)，Q2351、Q2358鋼材的彈性模量E為2×1011Pa，許用應(yīng)力sall為ll8.5×106Pa。將以上已知數(shù)據(jù)代入式(8)，可得農(nóng)田、道路塌陷區(qū)允許沉降量ht,all、hL,all，的計(jì)算式分別為：

 

式中ht,all——農(nóng)田塌陷區(qū)允許沉降量，m

¦t——農(nóng)田塌陷區(qū)發(fā)生彎曲變形管段承受的均布荷載，N／m

hL,all——道路塌陷區(qū)允許沉降量，m

¦L——道路塌陷區(qū)發(fā)生彎曲變形管段承受的均布荷載，N／m

塌陷區(qū)為農(nóng)田時(shí)，發(fā)生彎曲變形管段承受的均布荷載．廠的計(jì)算式為：

¦t=500g(Dout+0.15)+250gpD2in+3900gpDout(Dout-Din)    (11)

塌陷區(qū)為道路時(shí)，發(fā)生彎曲變形管段承受的均布荷載¦L的計(jì)算式為：

¦L=725g(Dout+0.15)+250gpD2in+3900gpDout(Dout-Din)    (12)

由式(9)～(12)可計(jì)算得到，不同規(guī)格管道在設(shè)計(jì)壓力分別為1.6、2.5MPa下，農(nóng)田、道路塌陷區(qū)的允許沉降量(見(jiàn)表l)。

 

4　安全措施

由式(7)可知，當(dāng)Din、Dout、p、E、sall一定時(shí)，提高發(fā)生彎曲變形管段穩(wěn)定性的安全措施是減輕勻布荷載。由式(1)、(2)可知，勻布荷載與管頂覆土深度、土壤密度有關(guān)。CJJ／T 81-98《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》對(duì)覆土深度有要求，不得隨意減小覆土深度。我們采取的安全措施是將管道周?chē)吧喜康幕靥钌皩舆m當(dāng)增厚，一方面可降低土壤密度，另一方面當(dāng)塌陷區(qū)發(fā)生沉降時(shí)，管道周?chē)吧喜康纳翱上驊铱展艿老虏苛鲃?dòng)，填充懸空區(qū)域，以降低管道承受的均布荷載。

當(dāng)塌陷區(qū)接近或達(dá)到允許沉降量時(shí)，點(diǎn)A處的管道將出現(xiàn)失穩(wěn)，必須采取安全措施降低當(dāng)量應(yīng)力。安全措施的具體方法為：將管段AB上方的覆土挖走，將土壤荷載卸載。再?gòu)狞c(diǎn)A向塌陷斷裂帶非塌陷區(qū)一側(cè)開(kāi)挖一段距離到達(dá)點(diǎn)C，并將管段翻下部掏空，以緩解管段AB的彎曲變形，以便較好地應(yīng)對(duì)下一次沉降，將管段下部懸空部分填實(shí)后回填至沉降后地面高度。在實(shí)際操作中我們關(guān)心的是如何確定塌陷斷裂帶非塌陷區(qū)一側(cè)開(kāi)挖長(zhǎng)度。采取安全措施時(shí)管段的受力分析見(jiàn)圖2。

 

式中¦¢——管段CB承受的均布荷載，N／m

L1——塌陷斷裂帶非塌陷區(qū)一側(cè)開(kāi)挖長(zhǎng)度，m

管段BC被挖開(kāi)后，點(diǎn)c處管道截面承受的彎曲應(yīng)力最大，點(diǎn)A處管道截面承受的彎曲應(yīng)力大幅降低。點(diǎn)C處管道彎曲截面承受彎曲應(yīng)力聽(tīng)的計(jì)算式為：

 

式中sC——點(diǎn)C處管道截面承受的彎曲應(yīng)力，Pa

由式(13)得：

 

由于采取安全措施前后彎曲管段受力情況類(lèi)似，將式(5)中¦替換成¦¢，將L替換成L+L1，得到L1，的計(jì)算式為：

 

由式(15)可知，L1越大sC越小，說(shuō)明塌陷斷裂帶非塌陷區(qū)一側(cè)開(kāi)挖長(zhǎng)度越長(zhǎng)，點(diǎn)C處管道彎曲截面承受的彎曲應(yīng)力越小，但工程費(fèi)用將增大。

我們將sC與sall相同確定為采取安全措施的目標(biāo)經(jīng)濟(jì)值，將式(4)代入式(15)，并根據(jù)已知參數(shù)：E為2×1011Pa，sall為ll8.5×106Pa，可得到塌陷斷裂帶非塌陷區(qū)一側(cè)經(jīng)濟(jì)開(kāi)挖長(zhǎng)度Le的計(jì)算式：

Le=(4.5577×107h2D2out) 0.25-L      (16)

式中Le——塌陷斷裂帶非塌陷區(qū)一側(cè)經(jīng)濟(jì)開(kāi)挖長(zhǎng)度，m

采用前面計(jì)算方法，分別計(jì)算出農(nóng)田、道路塌陷區(qū)對(duì)應(yīng)的上，并將表1數(shù)據(jù)代入式(16)，可計(jì)算得不同規(guī)格管道在不同設(shè)計(jì)壓力下農(nóng)田、道路塌陷斷裂帶非塌陷區(qū)一側(cè)經(jīng)濟(jì)開(kāi)挖長(zhǎng)度Le,t、Le,L，見(jiàn)表2。

 

5　結(jié)論

①本文對(duì)塌陷區(qū)斷裂帶直埋供熱管道的穩(wěn)定性判定條件僅限于直埋熱水供熱管道，對(duì)于鋼套鋼結(jié)構(gòu)的直埋蒸汽供熱管道，穩(wěn)定性判定式的推導(dǎo)與本文的推導(dǎo)過(guò)程基本相同，但直埋蒸汽供熱管道的形心慣性距應(yīng)為內(nèi)管與外管疊加在一起的復(fù)合慣性距。

②對(duì)于塌陷斷裂帶直埋熱水供熱管道，在滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范規(guī)定及校核計(jì)算的前提下，宜適當(dāng)降低管道上部荷載。管道周?chē)吧喜康纳皩右诉m當(dāng)增厚，當(dāng)塌陷區(qū)沉降量接近或達(dá)到允許沉降量時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取安全措施，保證塌陷斷裂帶管段的穩(wěn)定。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]高百爭(zhēng)，張國(guó)強(qiáng)，吳偉遜．煤礦塌陷區(qū)架空敷設(shè)供熱管道安全可靠研究[J]．煤氣與熱力，2008，28(12)：Al6-Al9．

 

本文作者：楊儀濤  高百爭(zhēng)  王  進(jìn)

作者單位：中國(guó)平煤神馬集團(tuán)陽(yáng)光物業(yè)有限公司

  中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院