沉管設計在中亞輸氣管道上的成功應用

宋天旭 王建訪 劉袆（中國石油天然氣管道工程有限公司線路室，河北 廊坊 065000）

中亞天然氣管道烏茲別克斯坦段起自土克曼斯坦-烏茲別克斯坦邊境，止于烏茲別克斯坦-哈薩克克斯坦邊境，采用X70級管材，管徑1067mm，設計壓力9.81MPa，采用雙線間距16m并行敷設。沿線地貌以沙漠、沙丘、農(nóng)田、荒漠段為主，在樁號ZA0493-ZA0601n之間為有大量新月形沙丘的沙漠地段，通過對此地段進行現(xiàn)場挖試，發(fā)現(xiàn)砂土的安息角小，管溝成型極其困難，塌方嚴重。采用沉管下溝的方式，不但管道可以達到設計埋深，而且可以有效避免施工隱患[1]。

1 沉管設計方案

由于新月形沙丘地段在施工時管溝開挖成型比較困難，地基承受溝上的動載荷較差，采用大型機械組合下溝時，在中亞天然氣管道施工時，成功采用了雙側沉管法進行管道下溝，其施工作業(yè)帶如圖1所示：

圖1.新月形沙丘地段雙側沉管施工作業(yè)帶

照片1.新月形沙丘地段雙側沉管下溝作業(yè)

管溝開挖時，在平直地段采用兩臺單斗挖掘機在管道兩側同時進行開挖，管溝開挖過程中管道下的沙土在管道的重力壓力以及單斗側面的推力的作用下將塌落到溝底，挖掘機從側下方將溝內(nèi)的沙土挖出，同時管道不斷沉入溝底，直至達到設計埋深，挖掘機邊后退，邊進行開挖。在縱向坡度較大的地段，為防止開挖過程中在彎管兩側管道由于彎管下沉而拱起，從而產(chǎn)生應力使管道無法沉入溝底的現(xiàn)象，此時采用四臺單斗挖掘機在彎管處向兩側分別開挖，挖掘機從側下方將沙土挖出，直至達到設計深度，兩組挖掘機分別向后退，向兩側分別開挖[2]。新月形沙丘地段雙側沉管下溝如照片1所示。

二、雙側沉管管道下溝受力分析

1.1 力學模型的建立

中亞天然氣管道工程烏國沙漠段Φ1067×15.9mm的管道沉管下溝，如圖2所示。

在力學上把管道的這種受力狀態(tài)簡化為懸臂梁受均布載荷的模型進行受力分析，如圖3所示。

1.2 受力計算

所用外伸梁端撓度公式及B點最大應力的計算公式為[3]：

其中，f：撓度，mm

q：均布載荷，N/mm2

I:截面對中性軸慣性矩，mm4

E：彈性模量，N/mm2

σ：應力，MPa

M：截面彎矩，KN.m

W:抗彎截面模量，mm3

由式（1）、（2）、（3）經(jīng)過計算得出B點的最大受力為：

D：鋼管外徑，1067mm；

t:鋼管壁厚，15.9mm；

d：鋼管內(nèi)徑，D-2t；

E：彈性模量X70鋼，2100000N/mm2；

F施工：撓度為2400mm；

L施工：管溝內(nèi)懸空段總長59m

圖2.管道沉管下溝示意圖

圖3.簡化為懸臂梁受均布載荷示意圖

由上式計算表明：直徑為1067mm，壁厚15.9mm的X70鋼制管道在B截面危險點的應力為391.69MPa，遠小于X70鋼管允許應力（0.9倍屈服強度），滿足規(guī)范要求。

2 雙側沉管施工技術要求

雙面沉管法是指在管溝的中心線上進行組裝焊接、防腐完畢后，然后采用挖掘機在管道的兩側同時進行管溝開挖[4]。管溝在開挖的過程中，由于管底被掏空，管子以自身重量開始下沉，直到整個管段完全沉到管底，達到設計要求的深度。雙側沉管法的流程如圖4所示：

圖4.雙側沉管施工流程圖

2.1 施工前準備

需要采用沉管施工的新月形沙丘地段在施工前，從測量放線、布管、焊接等要做好充足的準備，特別是測量放線和管道組裝焊接一定要按照設計圖紙要求位于設計線位的中心，并在管道下溝前進行復查，這是保證沉管作業(yè)后管道位于設計線位的關鍵。

2.2 管溝深度的控制

管溝深度設計要求最小為2.1m，而在沉管作業(yè)的過程中難免會有些地方出現(xiàn)大量沙子滑進管溝、淤沙，為使管溝能達到設計要求，現(xiàn)場在開挖時超挖10cm-20cm，同時管道在下溝時測量人員要隨時對溝進行測量，發(fā)現(xiàn)不合格的地方，應立即整改。否則沉管下溝后很遠，溝邊沙子不斷滑向溝底，回頭處理將比較困難。

2.3 電火花檢漏及防腐補傷

管道在沉管下溝的過程中，除了防止管道受力變形外，還應該重點關注挖掘機對管道外防腐層或者管道母材的損傷。中亞天然氣管道工程在新月形沙丘地段施工時，挖機與管道的平行間距不小于1.5米，同時挖機斗齒與管底間距不小于0.5米，有效的保證了挖機對管道及外防腐層的機械損傷。在沉管下溝過程中，管道下面的防腐層接觸溝底之前，專業(yè)人員要對管段的懸空部分進行電火花檢漏，對檢測出的漏點進行標記。專業(yè)人員應對有破損的防腐層進行補傷處理，并再次進行電火花檢漏，直到檢測合格為止。

3 結語

沉管設計在在中亞管道的成功運用，解決了沙丘地帶管溝開挖的實際困難，與以往大開挖的設計相比，不僅節(jié)約了工程成本，而且加快了工程建設周期，值得在今后管在道線路工程設計中應用和推廣。

[1]胡國強，熊新強，尚增輝等.沙漠地段天然氣管道施工技術[J].石油規(guī)劃設計，2005,16（6）：19-21.

[2]周廣合，肖勝軍，陳曉霞.沉管法在大口徑長輸管道工程中的應用[J].石油工程建設，2009,35(6)：45-47.

[3]建筑結構靜力學計算手冊編寫組.建筑結構靜力學書冊。北京：中國建筑工業(yè)出版社，1975.

[4]李虞庚等.天然氣長輸管道工程設計.北京：石油大學出版社，1995.