免费下载论文：
大管径长输供热管道穿跨越河流方案设计
闫勇琦
（北京优奈特能源工程技术有限公司， 北京 100020）
双碳目标下，以煤炭为主的传统能源地区，将面临主体性产业替换的严重冲击。为强化大气污染防治，落实煤炭消费总量控制目标，新建、改建、扩建用煤项目，应当实行煤炭的等量或者减量替代。2021年末，全国城市蒸汽集中供热能力11.88×104 t/h，同比增长14.80%。热水集中供热能力59.32×104 MW，同比增长4.78%。对于供热行业，利用长输热网，以远离城区的热电厂作为热源的热电联产集中供热，成为替代区域燃煤锅炉房供热的有效手段。
本文结合工程实例，对大管径长输供热管道穿跨越河流的方案设计进行介绍。
某集中供热项目，新建DN 1 000 mm长输供热管道，总长度约16 km，设计供、回水温度为130、70 ℃，设计压力1.6 MPa，近期供热面积500×104 m2，远期供热面积1 000×104 m2。长输管网自某热电厂至城区现状管网接驳点，沿途需穿（跨）越国道、省道、高架桥、河流，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。
在一般地形条件下，供热管道敷设采取埋地敷设方式。通过公路、铁路、河流等特殊地段时，需要采取穿越、跨越的敷设方式。目前，常见穿越方式有开挖穿越、定向钻穿越、钻爆隧道穿越、盾构隧道穿越、顶管穿越、夯管穿越等，常见跨越方式有架空跨越、桁架跨越、拱桥跨越、悬索跨越等。
① 开挖穿越
开挖穿越最为常用，利用挖掘机对河流进行开挖，管道埋地敷设。优点是施工简单、成本较低。缺点是施工期间妨碍交通、破坏环境、安全性差。主要适用于季节性河流穿越。
② 顶管穿越
顶管穿越是利用顶管装置将套管从工作井内穿过土层顶进至接收井内，进而实施保温管道穿越。优点是工期较短、机械化程度较高、不受季节影响、安全性较好等。缺点是投资较高，穿越长度较长时方向难以控制。主要适用于一般河流穿越。
③ 架空跨越
架空跨越是常用的跨越河流方式之一，在河道中沿管道走向敷设混凝土支墩，然后将管道敷设在支墩上。优点是施工难度低、稳定性较好、技术成熟，在国内得到了广泛应用。缺点是架空跨越方式需要在河床中安装支墩，易影响河道排洪。
④ 桁架跨越
桁架跨越是架空跨越的升级方案，通常采用空间钢结构跨越河流，然后将管道敷设在钢结构之上。优点是整体刚度大、稳定性较好、技术比较成熟。缺点是除耗钢量比较大外，还需要在河床中安装支撑钢结构的支墩，易影响河道排洪。
⑤ 拱桥跨越
拱桥跨越是将管道本身做成圆弧形或抛物线形拱，将两端放置于受推力的基座上，管道从架空跨越的受弯变成拱形跨越的受压。优点是受力合理、美观、节省材料、便于施工。缺点是对施工质量要求高、投资较高、工期较长、维护工作量较大。适用于80~100 m中等跨度的河流。
经现场实地踏勘，穿跨越位置的河流上方存在高架桥，河流两侧存在既有建筑，河道底部存在其他重要管线，且河道下方地质为卵石层和硬质岩层，河道的现状条件十分复杂，开挖穿越、顶管穿越、桁架跨越、拱桥跨越均不适合。综合考虑施工期间交通、环境、安全性、经济性等因素以及该地区同类在建工程，该项目采用架空跨越方案。
跨河位置现状见图1。河流为非通航河流，现状桥梁上方约6 m存在斜向交叉高架桥一座。河底有1条DN 2 200 mm输水管道。供热管道跨河支墩的布置应考虑河水冲击的影响且不影响排洪，同时应避开高架桥支墩和输水管道。跨河供热管道基本平行于桥梁，位于高架桥以下。
供热管道规格为D1020×12，管材为Q235B。架空供热管道采用90 mm厚管壳式离心玻璃棉保温层。考虑室外环境和施工质量等因素，为确保跨河供热管道寿命，外护管未采用0.5 mm厚镀锌钢板，而是采用1 mm厚乳白色彩钢板作为保护层。
① 最大允许跨距
a.按强度条件确定
按强度条件确定的最大允许跨距Lmax，in的计算式为［1］329：
将已知参数代入式（1），可计算得到按强度条件确定的最大允许跨距为19.32 m。
b.按刚度条件确定
按刚度条件确定的最大允许跨距Lmax，st的计算式为［1］329：
将已知参数代入式（2），可计算得到按刚度条件确定的最大允许跨距为20.92 m。
由计算结果可知，按强度条件确定的最大允许跨距为19.32 m，按刚度条件确定的最大允许跨距为20.92 m。因此，架空供热管道的最大允许跨距不超过19.32 m。
② 安装高度
CJJ/T 34—2022《城镇供热管网设计标准》第8.2.12条第3款规定：供热管道架空跨越不通航河流时，管道保温结构下表面与30年一遇的最高水位的垂直净距不应小于0.5 m。
该项目防洪评价报告要求，供热管道保温结构下表面与50年一遇的最高水位的垂直净距不应小于0.5 m。与CJJ/T 34—2022相关规定相比，防洪评价报告要求更加严格。结合河岸两侧直埋供热管道敷设深度，该项目跨河部分架空供热管道的保温结构下表面安装高度在50年一遇最高水位以上1.1 m，不影响河道排洪能力［2］。
③ 补偿方案
自然补偿方案：采用两侧河岸设置方形补偿段+河道内设置固定支架方式。这种方式具有施工难度低、造价低等优点，但需要有合适的空间布置方形补偿段。由于河岸两侧存在既有建筑物，又紧邻国道，没有布置方形补偿段的空间。因此，自然补偿方案不适用于该项目。
有补偿方案：采用两侧河岸设置补偿器、固定支座+河道内设置导向支架、滑动支架的方式。这种方式的优点是施工时能够最大限度降低对道路交通、既有建筑的影响，因此该项目采用有补偿方案。在项目实施过程中，应注意优化设计施工方案，减小两侧河岸固定支座的深度，降低施工难度和成本，降低对道路交通、既有建筑的影响。
④ 管道布置
综合计算结果和现场条件，跨河支墩的最大合理跨距取15 m，跨河部分架空供热管道的保温结构下表面安装高度在50年一遇最高水位以上1.1 m。管道布置见图2，图中尺寸数值相应的单位为m。补偿器A负责吸收两固定支座间供热管道位移，补偿器B负责吸收固定支座外侧直埋供热管道位移。
① 直埋管道应力验算
根据CJJ/T 81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》，对工作管直管段内压、热胀应力的当量应力变化范围应进行验算。根据供热管道规格、设计供回水温度、设计压力、钢材许用应力等，可计算得到供水管道的当量应力变化范围为342 MPa，小于3倍许用应力，因此管道允许进入锚固。
② 位移量
西岸固定支座G1与东岸固定支座G2间供热管道长145 m，其中架空管道长100 m，直埋管道长45 m。由于直埋管道较短且考虑最不利情况，近似认为西岸固定支座G1与东岸固定支座G2间供热管道均为架空管道。
a.直埋管道位移量
根据CJI/T 81—2013依次计算管道屈服温差、管道单位长度摩擦力、直管段过渡段长度，最后计算直埋管道位移量。钢材屈服极限最小值取235 MPa，最小摩擦系数取0.2，最大摩擦系数取0.4。受篇幅所限，本文仅分析管道位移量计算过程，对于涉及的中间计算参数直接给出计算结果或判定结果。
当t1-t0≤Δty或L≤Lmin，整个过渡段处于弹性状态工作时，直埋管道位移量ΔL的计算式为：
当t1-t0>Δty且L>Lmin，管道中部分进入塑性状态时，直埋管道位移量ΔL的计算式为：
对于设计布置的管段长度L，当大于直管段过渡段最大长度Lmax时，取Lmax。由于固定支座外侧直埋管道为长直管段，长度远大于Lmax，因此L取Lmax。经计算，供水管Lmax为360 m，回水管Lmax为253 m。
对供水管道进行判定，计算供水直埋管道位移量采用式（4）、（5）。对回水管道进行判定，计算回水直埋管道位移量采用式（3）。
b.架空管道位移量
架空管道位移量ΔLo的计算式为［1］282：
将已知参数代入相应计算式，可计算得到直埋管道位移量、架空管道位移量。考虑1.2的富裕系数后的计算结果见表1。
③ 补偿器选型
补偿器采用轴向外压波纹管补偿器，设计压力取2.0 MPa，架空管道摩擦系数为0.1。补偿器额定补偿量见表2。
④ 固定支座选型
固定支座推力取供回水管道固定支座推力的较大值，并考虑1.2的富裕系数。根据选型结果，西岸固定支座G1受推力为800 kN，东岸固定支座G2受推力为2 300 kN。参考17R410图集《热水管道直埋敷设》，常规固定支座一般采用船式，体积尤其是深度较大，受限于两岸场地，船式固定支座不具备实施性。因此，采用混凝土管沟式固定支座，将补偿器和固定支座放置在管沟中，回填中粗砂配重。根据结构计算，西岸管沟长度为15 m，东岸管沟长度为30 m，管沟矩形断面尺寸（深×宽）为1.9 m×3.8 m。这种布置方式能减小沟槽开挖深度，有利于施工安全，对周围环境影响较小，便于后期检修。
对于跨越河道供热管道，需要在河道两侧设置安全围挡，避免无关人员进入造成安全事故，并结合城市景观进行优化，将城市景观与安全措施有机结合。管道出入河岸处采用柔性防水套管，减小管道位移对河岸防护提的影响。
声明：本文著作权（版权）归《煤气与热力》杂志社所有，严禁任何微信号及媒体未经授权许可随意转载。PS: 当然欢迎大家转发到朋友圈！
更多论文请登录煤气与热力杂志官方网站，免费注册会员阅读电子期刊。阅读步骤：登录http://www.gasheat.cn/→页面右上角注册会员→注册成功后点击《煤气与热力》→期刊索引→点击某期期刊封面即可阅读当期文章。
