天然氣管道山體隧道穿越設計與施工

李 琳

中煤科工集團重慶設計研究院有限公司，重慶 400016

隨著我國天然氣管道建設規(guī)模的不斷擴大，大口徑管道在穿越大高程差、大坡度的山嶺地段時采用隧道穿越已逐漸成為管道設計和施工的可靠方法之一，在西氣東輸二線、中緬管道及中亞管道的建設中均有一定的應用。相較于管道順山勢敷設，隧道穿越有效地克服了高程和地形障礙，降低了管道施工難度，減少了對地表植被的破壞和水土流失，既利于施工，也滿足了環(huán)保的要求。由于管道途經(jīng)山區(qū)地形地貌的情況復雜多變，如何實現(xiàn)隧道穿越管道的快速高效安裝，并確保以后輸氣管道的安全運行，需要設計者重點關注。為此，探索分析大口徑輸氣管道山體隧道穿越的管道穩(wěn)定性校核、關鍵點應力分析和隧道施工參數(shù)等問題，確定合理的管道隧道穿越安裝關鍵技術參數(shù)，可為天然氣管道山體隧道穿越的精細化設計提供參考。

1 基本概況

某天然氣管道山區(qū)穿越段管道設計壓力10 MPa，規(guī)格為D916 mm×22 mm，采用直縫埋弧焊鋼管，鋼材等級為L555。管道安裝段水平長1663 m，實長1674.5m。穿越段地區(qū)等級為二級，屬剝蝕低山地貌，地形起伏較大，坡度25°～40°，高程260～640m。

隧道水平長1568 m，實長1575.9 m。隧道進口處位于北東向山脊的西側邊坡中段一小沖溝的溝頭部位，標高約431.44 m；出口位于北東向山脊的東側邊坡近坡腳處陡坎下，標高約262.78 m；洞身橫穿北東向山脊，洞身中部最大地面高程達632 m，最高點與進出口高差分別達211、370 m，最高處呈雙峰狀。

穿越地段淺表為第四系中更新統(tǒng)坡殘積粉質黏土，下覆基巖為震旦系下段變余長石石英砂巖間夾雜砂礫巖，大面積出露印支東早中期花崗巖。

2 穿越管道安裝設計

2.1 管道敷設方式

2.1.1 隧道內(nèi)管道敷設

隧道內(nèi)管道安裝在鋼筋混凝土支墩上，第一支墩中心距離進洞口洞門端墻中心20 m，隧道內(nèi)支墩間距18 m，最后一個預留支墩位置距出洞門端墻中心不小于20 m。為補償管道熱位移可設置鋼滑動支座。

支墩離管道焊縫間距大于1m，支墩頂面設預埋件，管道采用管卡固定，管道支墩及管卡處、固定墩處設置橡膠板，管道安裝構件進行防腐處理，如圖1所示。

圖1 管道支墩及管卡

2.1.2 隧道外管道敷設

為減少因溫度應力造成管道的變形和位移，在隧道洞口外設置錨固墩。隧道穿越段管道與線路管道的接口位置為錨固墩中心外5 m。根據(jù)現(xiàn)場地形情況，入口和出口端隧道內(nèi)外管道連接如圖2、圖3所示。

圖2 入口端隧道內(nèi)外管道連接示意

圖3 出口端隧道內(nèi)外管道連接示意

出洞口處管道外用橡膠板包裹，橡膠板與洞壁間用磚封堵。隧道洞門外管道按一般線路段要求敷設，管頂埋深不小于1.2 m，管道四周回填細土。管道在隧道進口洞門外10 m處設置帶2個彎頭的L形補償器，彎頭角度均為90°，補償器臂長20 m，補償器用固定墩與線路段隔斷。

2.2 管道強度和穩(wěn)定性校核

2.2.1 強度校核

結合工程地質情況，經(jīng)核算穿越段一般直管段壁厚為22 mm，熱煨彎管壁厚為27.5 mm。根據(jù)GB 50251-2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》要求進行強度校核，即當量應力不可超過最小屈服強度的90%。管道所受環(huán)向應力、軸向應力組合的當量應力校核計算步驟如下[1]：

（1）環(huán)向應力：內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應力按GB 50423-2007《油氣輸送管道穿越工程設計規(guī)范》中推薦公式計算：

式中：σh為環(huán)向應力，MPa；D為管外徑，取916mm；δ為鋼管壁厚，取22mm；p為設計壓力，MPa。

經(jīng)計算，∑σh=208.18 MPa。

許用應力計算公式為[σ]=F準σs

式中：[σ]為許用應力，MPa；F為強度設計系數(shù)，根據(jù)GB 50251-2015規(guī)定的管道通過地區(qū)等級取值；準為焊縫系數(shù)，取值1.0；σs為鋼管的最小屈服強度，MPa。經(jīng)計算，[σ]=277.5 MPa，因此∑σh＜[σ ]，滿足要求。

（2）軸向應力：內(nèi)壓與溫度變化產(chǎn)生的軸向應力按GB 50423-2007的要求進行計算[2]：

當管段軸向變形受約束時：

（3）彈性敷設產(chǎn)生的彎曲應力：

式中：Es為鋼材的彈性模量，取2.05×105MPa；μ為鋼材的泊桑比，取0.3；α為鋼材的線脹系數(shù)，取1.2×10-5m/（m·℃）；t1為管道安裝閉合時的環(huán)境溫度，取8℃；t2為管道輸送介質在穿越處的溫度，取40.1℃；Ds為鋼管外徑，mm；R為管道彈性敷設曲率半徑，R=1000 Ds。

經(jīng)計算，管道軸向變形受約束時，σa=82 MPa；彈性敷設產(chǎn)生的彎曲應力σb=102.5 MPa。按最大應力疊加，總軸向應力∑σa=σa+σb=184.5 MPa，小于[σ]，滿足要求。

（4）當量應力：穿越管段計算各單項應力后，核算當量應力σe=∑σh-∑σa≤0.9 σs。經(jīng)計算，σe=∑σh-∑σa=195 MPa＜0.9 σs=499.5 MPa，滿足要求。

2.2.2 剛度校核

根據(jù)GB 50423-2007有關規(guī)定，穿越管段選用鋼管的徑厚比不應大于100。經(jīng)計算，D916 mm×22 mm的鋼管徑厚比為41.6，遠遠小于100。因此，穿越段鋼管的剛度滿足規(guī)范要求。

2.2.3 抗震校核

結合地勘報告，場地所在區(qū)域抗震設防烈度小于6度，設計基本地震加速度值為0.05 g，動反應譜特征周期為0.35 s，設計地震分組為第一組。

根據(jù)GB 50470－2008《油氣輸送管道線路工程抗震技術規(guī)范》的規(guī)定，當大中型穿越管道位于地震動峰值加速度≥0.1 g的地區(qū)時應進行抗震校核[3]，本隧道所在場地50年超越概率5%的地震動峰值加速度為0.05 g，不需進行抗震校核。

2.3 敏感段應力靜態(tài)分析

管道在壓力荷載、機械荷載及熱負荷等作用下，在整個管道或某些局部區(qū)域產(chǎn)生不同性質的應力。天然氣管道應力校核主要參考ASME B31.8-2014，對管道敏感段應力分析主要包括靜態(tài)分析和動態(tài)分析。在靜態(tài)分析過程中，主要計算操作工況下的管道位移和約束反力，避免管道因過大位移而從支墩滑落，并校核管道在持續(xù)工況和膨脹工況下的應力，判定管道在設計條件下是否具有足夠的柔性，保證其在應力許用范圍內(nèi)。

2.3.1 操作工況

在穿越管道閉合安裝溫度不低于8℃，管道運行溫度40.1℃，工作壓力10 MPa條件下，根據(jù)規(guī)范要求計算管道各關鍵節(jié)點的位移和約束力。通過應力分析，穿越管道關鍵節(jié)點的位移如表1所示。在操作工況下，管道各節(jié)點將受到施加在上面的約束力作用，各關鍵節(jié)點的受力情況如表2所示。

表1 管道關鍵節(jié)點的位移

2.3.2 持續(xù)工況

為校正管道的力學性能，對管道在持續(xù)載荷下的受力進行分析，如圖4所示。經(jīng)分析，在持續(xù)載荷下，管道各節(jié)點的應力均在許用應力范圍內(nèi)，其中應力最大點（見圖4中高亮處）的計算應力值為228990.7 kPa，占許用應力的55.4%。

表2 管道關鍵節(jié)點的約束力

圖4 持續(xù)工況管道應力分布模型

2.3.3 膨脹工況

由于管道溫度變化而使管道承受膨脹應力的作用，可造成管道的變形。對管道溫度變化造成的膨脹應力進行分析，結果如圖5所示，在膨脹工況下，管道二次應力最大點（見圖5中高亮處）的計算應力為264313.3 kPa，占許用應力的85.0%。

圖5 膨脹工況管道應力分布模型

對穿越管道進行應力分析，管道在操作工況、持續(xù)工況、膨脹工況的應力均在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，管道結構設計合理。

3 隧道施工參數(shù)設計

3.1 隧道內(nèi)凈空尺寸

隧道斷面采用直墻圓拱形斷面，其結構設置主要考慮隧道內(nèi)滿足出渣、通風、襯砌施工以及管道安裝、檢修和施工的要求。通常，隧道尺寸由隧道底板、隧道支墩、縱斷面、揚拱確定，本工程隧道內(nèi)管道布置如圖6所示，隧道內(nèi)凈空高4000 mm。穿越管道安裝在鋼筋混凝土支墩上，支墩置于穩(wěn)定土層或基巖上。

圖6 管道布置及隧道內(nèi)凈空尺寸

3.2 隧道斷面支護型式

初期支護根據(jù)圍巖類型可采用噴射混凝土、掛網(wǎng)噴射混凝土、錨桿噴射混凝土等方式，見表3[4-5]。本工程對隧道初期支護采用準22水泥砂漿錨桿+準6鋼筋網(wǎng)+準22鋼筋格柵+C25噴混凝土的組合支護方式，圍巖局部破碎時增設超前管棚或超前小導管注漿等預加固措施。

初期支護、仰拱封閉及回填完工后，采用自行式液壓襯砌臺車進行二次襯砌。二次襯砌采用先施工邊墻及拱部，然后施工底板的工序。隧道洞身超前開挖開始進行襯砌，由進、出口兩端相向且向隧道中部逐段推進。邊墻、頂拱一次澆筑成型，不良地質地段根據(jù)監(jiān)控量測情況先行襯砌，確保安全。

表3 不同圍巖類型噴射方法

3.3 隧道縱向坡度

根據(jù)管道穿越段的巖層界面變化情況，管道走廊通道使用期間僅留有限的空間，保證檢修時行人需要，故可采用單面坡形式。隧道縱向坡度設置主要考慮隧道施工、管道安裝、排水等因素[6-7]。為滿足排水的需要，隧道縱向坡度設計最小值不小于0.3%；為便于隧道施工和管道安裝，本工程隧道縱向坡度設計為10.15%。

4 結論

某大口徑天然氣管道穿越山體隧道工程設計上確定了隧道斷面為直墻圓拱形、管道敷設在鋼筋混凝土支墩上穿越的技術方案。在嚴格執(zhí)行現(xiàn)行規(guī)范的同時，需充分關注管道穿越山體隧道設計的關鍵點，才能為整個工程的順利實施起到良好的控制作用，確保管道安裝的安全和可操作性?，F(xiàn)將本項目設計過程中獲得的經(jīng)驗總結如下，以期為同類工程提供借鑒。

（1）為保證穿越隧道的管道安全，在隧道內(nèi)和隧道外分別采取不同的管道敷設安裝方式，即隧道洞口外設置錨固墩支撐管道，洞內(nèi)設置鋼筋混凝土支墩支撐管道。

（2）對穿越隧道的管道強度、剛度和抗震進行校核，確保在滿足管道設計參數(shù)條件下，管道的穩(wěn)定性符合設計規(guī)范要求。

（3）對穿越隧道的管道不同工況下的應力、位移和約束力校核，得到各關鍵節(jié)點上的應力分析情況，確定了管道的應力敏感區(qū)，驗證了設計的管道各節(jié)點應力均在規(guī)定范圍內(nèi)。

（4）隧道施工參數(shù)方面主要從隧道結構尺寸、斷面支護、縱向坡度方面加以考慮，以充分滿足管道施工和安全運行的需要。