水流法敷設(shè)光纜技術(shù)的研究與應(yīng)用

 

　　隨著國內(nèi)人力成本的逐步提升，在通信工程中人工牽引光纜、光纜接頭熔接等工作的費(fèi)用已越來越高，通過機(jī)械化設(shè)備替代人工進(jìn)行高效、安全的通信建設(shè)將是未來中國光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)所需的發(fā)展方向。目前國內(nèi)通信干線大量采用的氣流法敷設(shè)光纜技術(shù)以及某些城市城域網(wǎng)、接入網(wǎng)所采用的氣吹微管微纜技術(shù)即是一種敷設(shè)速率高、單次敷設(shè)距離長的技術(shù)，其原理是通過氣吹機(jī)的機(jī)械推力和空壓機(jī)的高壓氣流使光纜在管道中前進(jìn)。本文介紹的水流法敷設(shè)光纜技術(shù)原理與氣流法相似，僅是將空壓機(jī)替換為水壓機(jī)，從而利用高壓水流使光纜以懸浮狀態(tài)向前輸送。水流法敷設(shè)光纜可比氣吹方式單次敷設(shè)距離更長，節(jié)約更多工地轉(zhuǎn)移耗費(fèi)時間以及接頭熔接成本等。在某些適用場景下，水流法敷設(shè)光纜是比氣吹法布放更為高效和經(jīng)濟(jì)的施工模式。

　　一、 技術(shù)原理

　　水流法敷設(shè)設(shè)備可采用與氣吹法相同的吹纜機(jī)(圖1)，但水流對光纜的浮力與氣流相比更大，水壓機(jī)提供高速水流在光纜表面形成向前拖曳力，與氣吹機(jī)對光纜的機(jī)械推力共同作用使光纜前進(jìn)。光纜端頭可加裝與管道內(nèi)徑相近的傘狀端帽，水流作用在傘狀端帽上產(chǎn)生向前拉力，起到額外增加機(jī)械作用力與節(jié)約水流量的效果(使用傘狀端帽敷設(shè)1km光纜需0.6m3水，而不加傘狀端帽敷設(shè)1km光纜則需1.5m3水)。在有湖、河等水源的地區(qū)采用此施工方式可明顯提高光纜敷設(shè)效率。與氣吹法敷設(shè)不同的是，水流敷設(shè)對管道坡度要求較高，

　　由于水的重力影響，管道海拔每升高10m會導(dǎo)致管中水壓降低1bar，但若采取從地勢高向地勢低的地方敷設(shè)，水的重力作用會使單次敷設(shè)距離更長。而在低于0℃施工環(huán)境下也應(yīng)避免使用水敷設(shè)法，否則管道中殘留水結(jié)冰后可能損傷光纜(圖2)。

　　水的密度較空氣大，光纜在水中所受浮力作用效果比氣吹法敷設(shè)時更為明顯，而光纜所受管道內(nèi)壁摩擦阻力也相應(yīng)更小。

　　管道中光纜其等效重力Fn=W·l—ρ水πD2/4·l·g，光纜受管壁摩擦阻力Ff=μ·Fn。

　　W——光纜單位長度重力，l——光纜長度，ρ水——水的密度，D——光纜外徑，μ——管壁摩擦系數(shù)。

　　由此公式可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光纜密度大于水的密度時，水的浮力可降低光纜等效重力Fn，從而減小光纜與管道之間的摩擦阻力Ff。同時水可起潤滑作用，降低管壁摩擦系數(shù)μ，從而產(chǎn)生高于人工牽引和氣吹法的單次敷設(shè)距離。當(dāng)單位長度內(nèi)光纜重量與水的重量相當(dāng)時，光纜可在水中處于懸浮狀態(tài)而與管道內(nèi)壁幾乎無摩擦阻力，單次敷設(shè)距離可達(dá)最大。而當(dāng)光纜密度小于水的密度時，其浮力可能使光纜與管道上壁摩擦，反而會使光纜所受阻力增加。以長飛GYTA規(guī)格參數(shù)為例(表1)，光纜密度均略大于水的密度。

　　二、 技術(shù)優(yōu)勢

　　鑒于水流法敷設(shè)光纜的技術(shù)原理，與傳統(tǒng)人工布放方式或使用高壓氣流的氣流法敷設(shè)方式相比，水敷纜技術(shù)有其更為高效和安全的應(yīng)用優(yōu)勢?，F(xiàn)階段國內(nèi)光網(wǎng)絡(luò)通信建設(shè)絕大部分選用在HDPE或PVC管道中布放光纜，大中型城市由于城市規(guī)劃而幾乎不再采用直埋或架空方式敷設(shè)，故管道光纜布放技術(shù)的更新與優(yōu)化顯得更為重要。水敷纜技術(shù)在某些施工場景下是一種對氣吹敷設(shè)光纜技術(shù)的升級，現(xiàn)有傳統(tǒng)氣吹施工企業(yè)的設(shè)備和技術(shù)經(jīng)驗亦可適用于水敷纜施工，在施工現(xiàn)場可根據(jù)環(huán)境靈活選擇氣吹法或水敷法進(jìn)行布放。

　　1、 敷設(shè)效率高

　　由于空氣密度較小，對光纜浮力有限，大芯數(shù)的光纜進(jìn)行氣吹施工時氣流無法拖浮起光纜，光纜在管道中摩擦阻力較大，氣吹敷設(shè)效果較差。而使用水敷纜方式時光纜在管道中大部分處于懸浮狀態(tài)，與管道內(nèi)壁接觸面積小，所受摩擦反向阻力小。與氣吹法光纜前進(jìn)狀態(tài)不同，氣吹布放時光纜沿氣流方向前進(jìn)，在管道有起伏轉(zhuǎn)彎處時光纜均會與管壁發(fā)生摩擦，從而造成較大的阻力妨礙其前進(jìn)，而采取水流法敷設(shè)光纜時，水流可在管道和光纜之間產(chǎn)生一定的緩沖，使光纜與管壁摩擦力減小，光纜在管道中更易過彎，損失能量小故而最大敷設(shè)距離更長。依目前施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計，水敷纜方式單次敷設(shè)距離至少可為同等條件下氣吹法布放長度的兩倍。在管道條件良好和水源充足的區(qū)域，水敷纜單次布放距離可達(dá)到3-10km，極大的降低了施工設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)所耗費(fèi)的時間，增大單日施工總量，加快工程進(jìn)度。且在野外施工環(huán)境中，水壓機(jī)比空壓機(jī)體積、重量小，具有更易于轉(zhuǎn)運(yùn)和施工的優(yōu)勢。

　　2、 施工成本低

　　單位空間內(nèi)形成相同壓力所需水比空氣的體積小，產(chǎn)生同樣水壓所需能量比產(chǎn)生相同氣壓要少，作為水敷纜動力源之一的水壓機(jī)比氣吹方式使用的空壓機(jī)要省油，節(jié)約了施工成本。同時水流法敷設(shè)無需氣吹施工中為保證管道中溫濕度而采用的水分離器、冷卻器等設(shè)備，節(jié)省了設(shè)備成本。而技術(shù)工人采用設(shè)備進(jìn)行高速、長距離光纜敷設(shè)比傳統(tǒng)人工布放節(jié)省更多人力成本。通過水敷法單次長距離敷設(shè)光纜可增加光纜單盤配盤長度，減少光纜接頭接續(xù)工作量，即可節(jié)省通信工程中光纜接續(xù)的人工費(fèi)，也可減少信號接頭損耗，提高鏈路通信質(zhì)量。

　　3、 施工安全性高

　　氣吹敷設(shè)時由于空壓機(jī)工作原理，其輸出的高壓空氣會高于環(huán)境溫度約20℃，對管道抗壓和抗老化等性能提出很高要求，高溫環(huán)境下管道可能出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象。光纜在管道轉(zhuǎn)彎、起伏處高速前進(jìn)時也會由于摩擦產(chǎn)生高溫，高分子材料管道在溫度升高時會發(fā)生一定軟化，從而導(dǎo)致管壁摩擦系數(shù)增加。而采用水流法敷設(shè)時即可將管道爆裂幾率將至最低，也可降低光纜光學(xué)與力學(xué)性能在高溫下?lián)p耗的風(fēng)險。水作為一種清潔能源，在光纜輸送過程中不會產(chǎn)生任何破壞施工現(xiàn)場環(huán)境的污染物。光纜隨管道中水流懸浮前進(jìn)，與傳統(tǒng)人工布放過程中的野蠻施工現(xiàn)象相比，其安全系數(shù)有很大提高，即使在光纜前端加裝傘狀端帽，其徑向拉力也是沿光纜均勻分布且基本處于恒定，短期拉力不會出現(xiàn)較大的峰值。水流在通過管道時會排出管道內(nèi)積存的雜物，光纜不會由于前端遇阻、后端推送力過大而產(chǎn)生折彎風(fēng)險。

　　4、 管道利用率高

　　在使用氣流法布放時須注意光纜在管道中的占空比大小，因為當(dāng)管道占空比較大時，氣流難以在光纜與管道之間間隙前進(jìn)，且容易形成反向氣阻，但管道占空比較小時，光纜又會在管道中呈螺旋扭曲狀，不僅會使光纜所受摩擦阻力增大，且有導(dǎo)致光纜前后速度不一致而在管道中折斷的風(fēng)險。水流法敷設(shè)光纜對光纜占空比的限制要小很多，因為與氣流相比，水流單位體積重量較大故相同速度下水流的動能更高，在狹小縫隙內(nèi)仍可向前流動。當(dāng)占空比較小時光纜在水流中輸送更為穩(wěn)定，不會產(chǎn)生像氣吹法那樣在管道中抖動、扭曲的現(xiàn)象。故在現(xiàn)有管道中進(jìn)行水流法光纜敷設(shè)時，其可實現(xiàn)的最大芯數(shù)高于氣吹法或人工敷設(shè)等其他施工方式，能起到提高管道資源利用效率的效果。

　　5、 維護(hù)、升級快捷

　　在長途干線等長距離路由場景下，如涉及維護(hù)或升級業(yè)務(wù)須更換光纜，采取人工牽引方式難度極大。而在氣流法和水流法兩種可行方法中，通過水流法移除已有光纜的施工效率更高。

　　三、 技術(shù)應(yīng)用

　　2009年我國川氣東送管道工程浙江湖州段已成功應(yīng)用水流法敷設(shè)光纜技術(shù)，該工程是為監(jiān)測管道天然氣輸送情況而進(jìn)行光纜敷設(shè)，在布放天然氣管道時即同溝布放了通信管道。施工地點(diǎn)為浙江省湖州水網(wǎng)地區(qū)，現(xiàn)場有充足水源供調(diào)用。該項目共敷設(shè)光纜7公里，施工段管道由于地質(zhì)原因影響，管道有較多轉(zhuǎn)彎及過河塘狀況，采用定向鉆開掘的管道也無法保證起伏弧度和轉(zhuǎn)彎半徑等滿足氣吹法敷設(shè)光纜施工條件。在這種情況下，施工方采取了水流法敷設(shè)光纜的創(chuàng)新技術(shù)，在管道條件復(fù)雜的情況下完成了單次最長距離1640米的光纜敷設(shè)。該工程的竣工及驗收標(biāo)志著水流法敷設(shè)光纜技術(shù)可為國內(nèi)水源豐富地區(qū)通信建設(shè)所用，是一種施工效率高且能適用于管道條件較差情況下的新型施工方法(圖3)。

　　小結(jié)

　　水流法敷設(shè)光纜技術(shù)是一項高效、節(jié)能、安全性高的光纜布放工藝，在施工場景合適的情況下，水敷法能取得遠(yuǎn)勝于氣吹法的敷設(shè)效果。在骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)以及接入網(wǎng)層面，水敷纜技術(shù)均能在復(fù)雜管道情況下完成光纜布放，解決困難施工場景下的光纜敷設(shè)難題。鑒于此技術(shù)與氣流法敷設(shè)原理相似，目前國內(nèi)氣吹施工隊伍即能快速掌握并應(yīng)用水敷法技術(shù)，施工和設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)實際施工環(huán)境特點(diǎn)，針對性選擇光纜布放形式。

　　作者簡介：劉暢(1987---)，男，碩士，主要從事光纜布放技術(shù)方面的研究。