水流法敷設光纜技術的研究與應用

 

　　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用已越來越高，通過機械化設備替代人工進行高效、安全的通信建設將是未來中國光網(wǎng)絡建設所需的發(fā)展方向。目前國內(nèi)通信干線大量采用的氣流法敷設光纜技術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即是一種敷設速率高、單次敷設距離長的技術，其原理是通過氣吹機的機械推力和空壓機的高壓氣流使光纜在管道中前進。本文介紹的水流法敷設光纜技術原理與氣流法相似，僅是將空壓機替換為水壓機，從而利用高壓水流使光纜以懸浮狀態(tài)向前輸送。水流法敷設光纜可比氣吹方式單次敷設距離更長，節(jié)約更多工地轉移耗費時間以及接頭熔接成本等。在某些適用場景下，水流法敷設光纜是比氣吹法布放更為高效和經(jīng)濟的施工模式。

　　一、 技術原理

　　水流法敷設設備可采用與氣吹法相同的吹纜機(圖1)，但水流對光纜的浮力與氣流相比更大，水壓機提供高速水流在光纜表面形成向前拖曳力，與氣吹機對光纜的機械推力共同作用使光纜前進。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，起到額外增加機械作用力與節(jié)約水流量的效果(使用傘狀端帽敷設1km光纜需0.6m3水，而不加傘狀端帽敷設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效率。與氣吹法敷設不同的是，水流敷設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，水的重力作用會使單次敷設距離更長。而在低于0℃施工環(huán)境下也應避免使用水敷設法，否則管道中殘留水結冰后可能損傷光纜(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時更為明顯，而光纜所受管道內(nèi)壁摩擦阻力也相應更小。

　　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距離。當單位長度內(nèi)光纜重量與水的重量相當時，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，單次敷設距離可達最大。而當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、 技術優(yōu)勢

　　鑒于水流法敷設光纜的技術原理，與傳統(tǒng)人工布放方式或使用高壓氣流的氣流法敷設方式相比，水敷纜技術有其更為高效和安全的應用優(yōu)勢?，F(xiàn)階段國內(nèi)光網(wǎng)絡通信建設絕大部分選用在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，故管道光纜布放技術的更新與優(yōu)化顯得更為重要。水敷纜技術在某些施工場景下是一種對氣吹敷設光纜技術的升級，現(xiàn)有傳統(tǒng)氣吹施工企業(yè)的設備和技術經(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行布放。

　　1、 敷設效率高

　　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。與氣吹法光纜前進狀態(tài)不同，氣吹布放時光纜沿氣流方向前進，在管道有起伏轉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，而采取水流法敷設光纜時，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到3-10km，極大的降低了施工設備轉運所耗費的時間，增大單日施工總量，加快工程進度。且在野外施工環(huán)境中，水壓機比空壓機體積、重量小，具有更易于轉運和施工的優(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比氣吹方式使用的空壓機要省油，節(jié)約了施工成本。同時水流法敷設無需氣吹施工中為保證管道中溫濕度而采用的水分離器、冷卻器等設備，節(jié)省了設備成本。而技術工人采用設備進行高速、長距離光纜敷設比傳統(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，也可減少信號接頭損耗，提高鏈路通信質量。

　　3、 施工安全性高

　　氣吹敷設時由于空壓機工作原理，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。光纜在管道轉彎、起伏處高速前進時也會由于摩擦產(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，從而導致管壁摩擦系數(shù)增加。而采用水流法敷設時即可將管道爆裂幾率將至最低，也可降低光纜光學與力學性能在高溫下?lián)p耗的風險。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，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，因為當管道占空比較大時，氣流難以在光纜與管道之間間隙前進，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，且有導致光纜前后速度不一致而在管道中折斷的風險。水流法敷設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)有管道中進行水流法光纜敷設時，其可實現(xiàn)的最大芯數(shù)高于氣吹法或人工敷設等其他施工方式，能起到提高管道資源利用效率的效果。

　　5、 維護、升級快捷

　　在長途干線等長距離路由場景下，如涉及維護或升級業(yè)務須更換光纜，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、 技術應用

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

　　水流法敷設光纜技術是一項高效、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，水敷法能取得遠勝于氣吹法的敷設效果。在骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)以及接入網(wǎng)層面，水敷纜技術均能在復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難題。鑒于此技術與氣流法敷設原理相似，目前國內(nèi)氣吹施工隊伍即能快速掌握并應用水敷法技術，施工和設計人員應根據(jù)實際施工環(huán)境特點，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方面的研究。