图1 人工牵引敷设安装示意图
根据图1,人工牵引敷设安装管道光缆时,管道光缆与管壁或孔壁接触,受到抗拉力和抗压扁力。人工牵引敷设安装管道光缆受力示意图如图2所示(不考虑光缆与人手孔管井之间的摩擦及压力)。
图2中的T为人工牵引光缆的拉力,T1应不小于光缆受到摩擦力f(为了方便测算,假设受力相等),T2为对管壁的压力。当人弯腰抓住管道光缆时,管壁A处的受到的拉力和压扁力最小;当人站立抓住管道光缆时,管壁A处的受到的拉力和压扁力最大。根据力学原理及三角函数关系式,可以推动出,人工牵引管道光缆时,管道光缆受到张力的计算公式如公式(1)所示。
式中:T为管道光缆张力,单位N;W为光缆自重,单位N;L为管道段长(人孔间隔),单位m;f为管孔内壁摩擦系数;a为人手孔长度,单位m。b为施工人员握紧光缆与人手孔壁的水平净距,单位m。h为管孔至地面的高度,单位m。H为人握紧光缆时至地面的高度,单位m。
根据公式(1),管道光缆受到的张力与管道光缆自重、管道设计及施工人员站姿均有关。其中GB 50373-2019《通信管道与通道工程设计标准》中规定了的直线管道人孔间隔长不宜大于200m,弯曲管道人孔间隔不宜大于150m。而工程现网直线管道段长一般150m,弯曲管道段长短(一般小于50m,经过测量,张力小于直线管道,本次不考虑)。GB 50373-2019《通信管道与通道工程设计标准》中规定的管孔至上覆距离,即h等于300mm。GB 50373-2019《通信管道与通道工程设计标准》中规定的人手孔尺寸,如小号手孔为900mm×1200mm,即a等于1200mm。GB 50373-2019《通信管道与通道工程设计标准》也给出了管孔内壁摩擦系数参考值,但实际工程管道的摩擦系数比较大(管道建设后,易进入砂子等杂质),取值0.8。根据以上取值以及光缆自重,可以推算出,光缆在不同人手孔尺寸下敷设安装时,管道光缆抗拉力和抗压扁力如表1所示。
根据表1推算结果,可以看出随着光缆重量的增加,光缆的抗拉力和抗压扁力均在增加,在管道段长为150m时,576芯管道光缆敷设于手孔(700mm×900mm)时,抗压力已超标1000N(此受力距离较短,但此压力与YD∕T 901-2018《通信用层绞填充式室外光缆》中规定的限制1000N/100mm,因单位不同,不能直接进行比较,仅供参考)。另外,576芯管道光缆,采用人工牵引敷设安装时,一组施工人员不宜小于6人,但施工人员数量难以达到。因此机械牵引敷设大芯数光缆将成为施工人员首选的施工方法。
机械牵引敷设安装一般用光缆牵引机,替代施工人员牵引剩余的管道光缆,其余操作方式与人工牵引敷设安装要求一致,具有省时省人工特点。在敷设安装过程中,用光缆牵引力夹紧管道光缆牵引时会产生压扁力和拉力、管道光缆与管井和管孔壁的压扁力,其中管井的压力与光缆牵引机排放位置有关,与人工牵引敷设时的占位相似,离管井较近,可以忽略不计,在管孔壁的压扁力与人工牵引敷设安装的最小值相当,就不在赘述。因此,为了更好分析光缆牵引机时的光缆受力,调研收集了光纤牵引机技术参数如表2所示。
根据表2,可以看出不同厂家生产的光缆牵引机技术指标存在差别,在光缆外径小于30mm时,可能存在3000N或5000N两种光缆牵引力。同时结合表1的抗拉力推算结果,在直线管道敷设安装过程中,无论哪种光缆牵引力,均能满足光缆机械牵引的要求,但此机械牵引机的最大牵引力,有可能超过大芯数普通光缆的机械性能(允许拉伸力:短期最小3000N)。光缆在牵引过程中,光缆将受到的皮带张紧力的影响,根据JB/T 7512.3-2014 《圆弧齿同步带传动 第3部分:设计方法》中规定的同步带转向压轴力的计算公式如公式(2)所示。
式中Q为轴压力,单位N。P为功率,单位kW;V为速度,单位m/s;KF为矢量修正系数,取值1。根据表4中的功率和速度及公式(2),可以推算出牵引力在3000N情况下,轴压力为990N,最大牵引力在4200N和5000N情况下,轴压力均大于1000N(此时皮带长度大于100mm)。因此,大芯数普通光缆的敷设安装,若用机械牵引管道光缆,可能会存在压力过大,对大芯数普通光缆中的纤芯造成影响。
大芯数普通光缆进局时,一般需要通过爬梯敷设安装至机房内成端。光缆在敷设安装过程中,会存在自然下垂状态,会对光缆的抗拉伸力和抗压扁力有影响。光缆垂直敷设安装示意图如图3所示。
根据力学公式,可以推算在不同楼层下情况下,不同芯数的光缆在施工过程中顶点A处的抗压扁力如表3所示。同时结合YD∕T 901-2018《通信用层绞填充式室外光缆》中规定的光缆抗压扁力标准要求,可以推算出不同接触长下的抗压扁力如表3所示。
根据表3和表4数据,可以判断出:当接触长度为1mm时,均不能满足抗压扁力指标要求;当接触长度为2mm时,仅能满足敷设到2层机房;当接触长度为3mm时,576芯光缆能敷设安装至4层机房。因此,大芯数光缆引入机房成端时,还应考虑机房的楼层高度不宜过高。
通过以上分析,大芯数普通光缆在管道和局内施工过程中,可能存在敷设时受力超过光缆机械性能要求,对光纤会造成一定的影响,因此大芯数普通光缆设计时,需要考虑减轻光缆重量(若采用全干式或其他新型结构),提高大芯数光缆使用的可行性。