市政聚乙烯管道施工纵向伸缩变形控制探讨

成 强

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000）

聚乙烯（PE）管具有质量较轻、强度较大、耐腐蚀性强、水流阻力较小、安装操作方便等优点，已被广泛应用于市政各专业管网工程。由于聚乙烯PE 管为柔性管道，其管道强度和刚度有所不足，受温度影响纵向伸缩性大，不利于管道安装。兰州定连片区经十二路等十七条路道路工程中给水管道工程、中水管道工程、污水管道工程、燃气管道工程采用聚乙烯管道，在施工过程中出现各专业聚乙烯管道均出现受温度影响产生管道纵向伸缩的问题。为此，本文结合施工现场经验，就聚乙烯PE 管道在环境温度变化时纵向伸缩变形控制措施进行探讨。

1.工程实例介绍

兰州定连片区经十二路等十七条道路工程建设于甘肃省兰州市榆中县，该地区夏季昼夜之间的温差较大，该道路工程地下综合管道中的供水管道工程、中水管道工程、雨水管道工程、污水管道工程、燃气管道工程、热力管道工程、电力管道工程、电信管道工程。其中的给水管道工程、中水管道工程、污水管道工程、燃气管道工程都是采用聚乙烯材料。在进行施工的过程中，发现了聚乙烯管道严重温变和纵向伸缩性对管道的安装造成影响。热熔连接合格的三通、四通由于其温变纵向的伸缩特性被拉到了阀门井套管一侧，在进行试压时连接处会出现渗漏等情况。为此我们仔细翻阅了市政聚乙烯PE 管道的资料，模拟理论计算找到问题的控制办法。

2.理论计算分析

2.1 管道纵向温度变形计算

聚乙烯PE 管道由施工环境温度变化产生的纵向变形量参考下式计算：

式中： ΔL —由温差产生的纵向变形量（m）；

Cp—聚乙烯管材线膨胀系数（m/m℃）；

L—管段长度（m）；

Δt—管道安装环境最大温度差（℃）。兰州取25℃。

按施工现场抽检给水管段长度50m 计算聚乙烯管道纵向位移为 100mm，这个伸缩长度当管道纵向连接好PE 管件受力时，接口处容易拉开导致漏水。

2.2 聚乙烯PE 管件管壁环向应力计算

式中：Df—管道的形状系数；

Ep—管材的弹性模量（MP a）；

γG—永久荷载分项系数，取1.27；

qsv,k—管顶单位面积竖向土压力标准值（ N/mm2）；

Qγ—可变荷载分项系数，此处为管顶地面荷载分项系数，取1.40；

qvk—地面作用传递至管顶的压力标准值（ N/mm2）；

D1—管材的外径（mm）；

D0—管道计算直径，即管道外径减壁厚；

Ed—管侧土的综合变形模量（MP a）；

Kd—竖向压力作用下管道的竖向变形系数；

SN—管道的刚度等级;

Ip—管壁纵向截面单位长度截面惯性矩（ mm4/mm）

按施工现场抽检给水PE 三通DN200*DN200 管径计算，最大弯曲应力为1446.5N。

2.3 管道纵向受力计算

市政用聚乙烯PE 管道的纵向承载力主要包括安装环境温度改变所导致的管道纵向力和对于管壁与土体之间的摩擦力。管道纵向力的计算公式表示为：

式中：—温度应力（MP a）；

A—管道横截面积（m2）；

其中：

式中：E—管材弹性模量（MPa）；

检测本工程给水聚乙烯PE 管道外径315mm，壁厚25mm，以此算得管道纵向力为：61237.63N。由上述计算结果明显得知聚乙烯PE 管道受到由温度变化引起的管道纵向力明显大于三通处管道最大弯曲应力。三通受到聚乙烯PE 管道受到由温度变化引起的管道纵向力拉伸，在管道试压过程中由于受到管内水压力而容易脱开漏水。现场实际安装过程中我们考虑对已安装管段及时覆土，减少温度变化并增加管道与回填土摩擦力。

2.4 聚乙烯PE 管道由于受环境温度变化的伸缩变形而产生的摩擦力与管壁周围覆土层荷载成正比，计算式如下：

式中：f—管侧摩阻力（N）；

μ—摩擦系数，与管材及土层性质有关 ；

N—管道上正应力（aP）；

d—管材外径（m）；

L—管道计算长度（m）。

式中：γ—管道周围土层的重力密度（kN/m3）；

z—管道中心线至地面的高度（m）。

聚乙烯PE 管道埋深0.5m 管道长度100m 时，计算可以得出其摩擦力系数约为248688N。聚乙烯PE 管道的纵向力与管壁一周摩擦力的方向正好相反，如果只是考虑了聚乙烯PE 管道所受到的温度应力和管壁一周摩擦阻力的关系，则可以认为聚乙烯PE 管道在温度应力下所受合力公式为：

当聚乙烯PE 管道长100m 时，根据计算结果，由温度变化使管道伸缩而产生的管道纵向力小于市政聚乙烯PE 管道受到的管壁摩擦力。聚乙烯PE 管道温度变化所产生的管道纵向伸缩变形被管壁与周围土层的摩擦力所限制。但在工程施工过程中，安装工人对聚乙烯PE 管道不熟悉，未能及时覆土。由于聚乙烯PE 管道一般采用热熔或电熔方式连接，所以连接合格的聚乙烯PE 管道可以认为是整体，聚乙烯PE 管道与PE 三通等管件的连接处成为薄弱点，当温差较大时，聚乙烯PE 管道与PE 三通等管件的连接处由于聚乙烯PE 管道纵向的温差伸缩性而被拉或顶在阀门井室的套管处，在管道试压时由于管内压力增大而断裂，严重时甚至管道试压之前直接断裂。

3.应对措施

基于上述聚乙烯PE 管道收缩位移的原因分析，结合现场施工经验。提出以下五种施工措施：

3.1 管道及时覆土

基于上述理论计算结果，管顶及时覆土增加的管道与土壤摩擦力大于温度变化引起的应力。此外，管顶覆土避免太阳直射，防止管道受热伸长。

3.2 选择气温较低时安装

由于聚乙烯管道受热膨胀伸长后温度降低时又会收缩，而聚乙烯管道最终埋在地下低温环境，所以安装管道时选择早晚气温较低时间段或一年内气温较低的春秋季节，聚乙烯PE 管道处于收缩状态。施工现场合理安排工序，可有效防止聚乙烯管道受高温膨胀。

3.3 安装管道纵向伸缩器

聚乙烯PE 管道的纵向伸缩器就是基于对管道轴向尺寸的变化进行补偿而产生的一种连接。在对施工进行安装时，根据聚乙烯PE 管段的长度、其管道和沟槽土质特性等可以选择伸缩器，安装在聚乙烯PE 管道和PE 三通之间的位置很好地避免了因为温差较小而易产生的纵向位移和容易被破坏的地方，从而有效地防止了温度变化时聚乙烯PE 管道的纵向和横向伸缩所导致的管道产生变形和运动，降低了漏损的风险。

3.4 管内注水降温

管道安装完成后及时向管内注水可减少受热膨胀的管段长度，即减少管道受热膨胀长度，降低管道纵向与其连接三通等管件处产生的力矩。并为后面管道试压工序提前做准备。但是减少管道热膨胀长度管段有限，仅为已安装完成并方便注水的管段，如果已安装完成不方便注水的管段较长，此方法效果较差。

3.5 采用锚固装置

在聚乙烯PE 管道上隔段设置锚固装置，增加锚固装置与聚乙烯PE 管道外壁摩擦力，以限制聚乙烯PE 管道由于受到温度变化引起的纵向伸长与收缩距离，降低聚乙烯PE 管道与三通等管件连接处受到纵向力产生的影响。

4.结语

以聚乙烯PE 管道与PE 三通等管件接口处弯曲应力为衡量标准，通过对聚乙烯管道温度变化下纵向变形量和土壤摩擦力的理论计算以及现场施工经验，提出管道及时覆土、安装管道伸缩器、选择气温较低时安装、管内注水降温、采用锚固限制等措施可有效防止或减轻聚乙烯PE 管道温差收缩变形。综合分析上述措施，安装伸缩器、采取锚固措施均会增加额外费用，管内注水给后续管道安装带来不便，并且无法封堵的管段较长时伸缩量减少不明显。对于施工方、业主方，管顶及时覆土无疑是最经济、便利的措施。