綜述地面沉降對埋地燃氣管道的影響研究

上海煤氣第一管線工程有限公司 顧軍

我國城市化進程中，許多城市都面臨著顯著的地面沉降效應，大量的高密度建筑群已成為城市沉降的主要誘因。地面沉降會對地下管道產生破壞，進而導致埋地燃氣管道泄漏，威脅生命財產安全。研究城市地面沉降對埋地燃氣管道的影響，保證運行安全，具有重要的現實意義。本文詳細綜述了國內外埋地管道的受力研究現狀，以此為基礎，重點分析了沉降情況下埋地燃氣管道的受力特點與防護對策，指出了目前研究現狀中存在的問題，為進一步的研究提供了方向。

1 地面沉降與管道失效

地面沉降是在自然和人為因素作用下，由地殼表層土體壓縮而導致區(qū)域性地面標高降低的一種環(huán)境地質現象，具有進展緩慢、持續(xù)時間長、影響范圍廣、成因復雜和防治難度大等特點，主要分均勻沉降和不均勻沉降兩種。地面沉降嚴重影響資源利用、環(huán)境保護和經濟發(fā)展，對城市建設和人民生活構成巨大災害，是世界各地面臨的共同課題。

地面沉降成因主要有熔巖塌陷、地下資源開采和工程環(huán)境效應，城市地面沉降主要由于地下水開采與工程建設導致。隨著城市建設發(fā)展，高層建筑不斷增多，密集的高層建筑群等工程環(huán)境效應已成為城市地面沉降的主要誘因，國內以上海軟土地基為典型的土質地區(qū)沉降最為明顯，特別是 20世紀90年代以來，上海城市建設迅猛發(fā)展，中心城區(qū)年均沉降11.9 mm。長期的累計沉降易造成道路開裂、管線受損、建筑物傾斜或者開裂等，給城市居民帶來嚴重的不便，并造成巨大的經濟損失。眾多學者以此為背景對地面沉降的機理、預測等方面進行了大量研究。

敷設在軟體地基中的管道因沉降會產生各種變形，均勻沉降對管道影響不大，當發(fā)生不均勻沉降時，管道就有可能發(fā)生變形甚至破壞。管道失效形式多樣，在早期文獻中，Clarke系統地總結了管線的各種破壞類型與原因。Attewell等人提出了金屬管道功能失效的幾種形式：

(1)縱向彎矩引起橫向斷裂；

(2)環(huán)向彎矩引起縱向劈裂；

(3)熔斷、長期腐蝕引起孔洞或穿孔；

(4)管線接頭處發(fā)生泄露；

(5)引入連接點處發(fā)生泄露；

(6)直接沖擊引起損傷。

管道的破壞形式與材料、埋設情況、接頭形式、幾何尺寸等多種因素有關，其中地面沉降引起的管道破壞形式主要為縱向彎矩引起的橫向斷裂。

2 管道受力分析

研究管道的受力狀態(tài)，關鍵是確定管道與土體之間的相互作用力。軟土、填土地基屬于多相松散體，具有高壓縮性、粘彈塑性、低抗剪切度等特點。同時管道與土體之間存在相互作用耦合性、地基差異沉降致使土體運動存在不確定性，這都使得分析軟土地基中管道受力性狀變得十分復雜。

國內外對埋地管道的受力研究主要基于兩個方面的背景：

(1)地震引發(fā)的斷層對管道的屈服破壞；

(2)地面緩慢不均勻沉降引起的管道變形或者破壞。

地震引發(fā)的災害破壞作用明顯、危害大，故早期的研究大多以此為焦點：

O'Leary等人以彈簧代替管道周圍土壤對埋地管道受地震影響時的峰值應力進行了分析，得出剛度是地面震動的波長和頻率的函數。

Datta等人在埋地管道的地震響應方面進行了綜述，包括管土模型和地震激勵模型的建立，埋地管道響應的分析方法，在不同參數變量條件下埋地管道的抗震性能，以及在彎頭和十字接頭處地震引發(fā)的應力分析。

趙林等人回顧了埋地管線抗震研究的發(fā)展歷程，并提出了一種新的建模方法：管土相互作用分析模型。

呂培培研究了地震作用下跨越斷層埋地管道的受力問題，通過有限元軟件的模擬，分析比較了管道直徑、壁厚、埋深、管道周圍土體特性以及管道與斷層的交角等參數對跨斷層埋地管道動力響應的影響。

張坤通過彈性地基梁模型的假設，對埋地管道存在活斷層載荷的情況下的受力進行分析，并提出了活斷層載荷作用下最大應變計算方法。

隨著社會的發(fā)展，地下水開采和城市建設導致的地面不均勻沉降效應逐漸凸顯，受地面沉降的影響，地下管道會發(fā)生不同程度的變形甚至破壞。特別是敷設于軟土地基中的管道，經常出現的土壤差異沉降會導致管道存在附加荷載或者應力集中，這樣不僅會影響管道工程的正常使用，而且還可能發(fā)生管道斷裂等失效事故。

一些學者通過對埋地管道的受力分析，得出了管道撓度、彎矩、轉角、應力等變化情況。

Daines等人研究了壓力管道在土壤和車輛荷載下的二次應力。

Kim等人通過有限元方法，分三種情況研究了回填土深度與沉陷寬度對管道沉降和應力的影響。

張小趁在直埋供熱管道直管的應力分析中，將直埋管道直管段作為柱殼處理，首次在理論上獲得了曲線坐標下直埋供熱管道直管段的應力解析解。

Limura針對三種不同的管道：埋地管道、裸露管道、以及介于兩者之間的部分，一方面，通過傳統的有限元方法，建立彈性地基梁模型，模擬出管道的應力分布；另一方面依據文克爾彈性地基梁公式，推導出了已知沉降情況下的應力求解公式。通過對比分析，進行了模型的簡化和公式的修正，最后得出簡化的應力計算公式。

劉全林在研究地埋管與土相互作用分析模型中指出地埋管與土的相互作用問題可歸結為界面處接觸應力的確定，在對地埋管道的受力特性及變形性能分析計算中必須考慮管土相互作用問題。并建立了埋地管道與土的相互作用分析組合模型。

劉蘭蘭以天然氣分輸站閥室為研究對象，通過現場應力與沉降測試，得出管道實際受力情況，通過應力分析軟件 CAESAR對管道進行受力模擬，綜合分析了不均勻情況下管系的應力水平與沉降情況，并提出了相應的改進措施。

3 管道受力模型及數值模擬

3.1 管道受力模型

隨著計算機和有限元技術的進步，管道受力模型也不斷發(fā)展。根據地面差異沉降下管道與土體受力特征，較為常見管道受力模型有三種：彈性地基梁模型、土彈簧模型和非線性接觸模型。

彈性地基梁模型是一種靜力分析模型，主要考慮土體最終位移對管線的作用。假設前提如下：

(1)管線為梁模型；

(2)管線周圍土體均勻分布。

根據文克爾假設，地基任一點所受的壓力強度只與該點得地基變形成正比，而壓力強度不影響該點以外的變形。彈性地基梁的地基反力與沉降成正比。該理論模型簡單明了，易于手算，被工程界廣泛接受，并被我國及美國輸油(氣)抗震規(guī)范所采用。

土彈簧模型來源于地下結構土結相互作用分析簡化模型，它的主要原理是將管線周圍土體簡化為一系列的等效彈塑性彈簧，彈簧的剛度和自由度由填覆土質和沉降形式決定。此模型雖可以模擬土壤與管道的三維作用，卻不能模擬兩者間的接觸非線性特點，而且不能較理想地模擬土壤與管道間的非線性摩擦。

對于非線性接觸模型，現階段仍處于不斷的研究和探索中，因此沒有明確的定義。近年來對于埋地管道的受力分析的研究表明，管土作用實質是兩個物體相互接觸的問題，受土壤的變形特性和管道結構的剛度的影響。但由于管道結構的剛度和土壤的相對剛度的影響，導致整個受力問題成為一個非常復雜的非線性問題，使計算難度大大增加，因此管土相互作用需要一個精度更高，狀態(tài)更完整的模型來進行描述。隨著接觸理論的發(fā)展，利用理論分析和數值手段相結合建立管土相互接觸的非線性模型成為一種更合理的解決方案。

3.2 管道受力的數值模擬

對于管道的受力分析，由于影響因素較多，計算復雜，普通的手算方法無法得出其精確解，因此有必要利用有限元方法對管道進行受力分析，得出滿足一定條件下的數值解，對實際工程問題的解決具有重要意義。利用數值方法對管道應力進行研究，關鍵是建立正確的管土受力模型，針對埋地管道真實的受力狀態(tài)通過建模分析進行真實還原。

目前在埋地管道應力分析方面比較常用的軟件有ANSYS、ABAQUS等，ANSYS是應用最廣泛的受力分析軟件，ABAQUS可以較好模擬管土接觸非線性的特點，在埋地管道受力分析中發(fā)揮了重要作用。國內一些研究者通過軟件模擬分析方法取得了研究成果：

胡明祎利用ANSYS軟件對跨越斷層的埋地管道地震反應進行了數值模擬，討論了有效計算區(qū)的確定方法，模型單元及狀態(tài)實現，非線性分析實現等問題。

楊俊濤應用ABAQUS有限元軟件對靜載荷沖擊荷載作用下管道的力學響應進行了計算，探討了各種受力影響因素對管道力學性狀的影響。

任艷榮利用ABAQUS軟件建立了管土作用的有限單元模型，通過模擬海床土體與海底管道間的相互作用，得到了管道沉降量與管重間的關系。

柳春光綜合考慮了材料非線性，幾何非線性以及管土接觸非線性，利用ANSYS軟件建立三維薄殼有限元模型來模擬沉陷情況下的埋地管線受力和變形，較好地模擬了管線的破壞過程。

李其鵬介紹了有限元軟件ABAQUS及其在管土相互作用分析的數值模擬中的原理和軟件實現，系統分析了土體模型及其力學本構關系。

陳國華利用ABAQUS軟件對地基差異沉降下埋地管道力學性狀進行分析，得出應力最大部位出現在地面管道和埋地管道相連接的相貫區(qū)。

4 埋地燃氣管道受力特點及防護對策

4.1 燃氣管道受力特點

燃氣具有易燃、易爆等特點，燃氣管道一旦發(fā)生事故，后果將非常嚴重。因此，對燃氣管道的受力分析應予以重視?，F役燃氣管道多為埋地鋼制管道，其受力情況與水管、供熱管相似，受力分析方法與計算模型大致相同。但是燃氣管道又存在其自身特點：燃氣管道存在內壓，特別是高壓燃氣管道壓力可達4.0 MPa以上，對管道本身的受力有一定影響；燃氣管道對埋深有一定要求。其分析方法與普通管道受力存在區(qū)別，在建立模型時，要綜合考慮多種因素對埋地燃氣管道的受力影響。

4.2 埋地燃氣管道防護對策

對于建筑周圍和建筑物內的燃氣管道引入管段，多采用柔性軟管代替鋼管，增加管道伸縮量，避免漏氣等事故的發(fā)生。這種方法也是目前燃氣行業(yè)研究人員普遍采用的防護對策。

對于埋地管道的防護，主要以觀測埋地管道附近的建筑物以及道路的沉降情況從而人為預測管道變形。如果管道周圍建筑物或者道路沉降差超過一定范圍，就可以大致預測埋地燃氣管道受到了不同程度的損害，此時應當及時開挖并對管道進行應力釋放；當建筑物發(fā)生明顯差異沉降、道路出現嚴重裂縫，表明管道損害嚴重，應立即對燃氣管道斷氣并進行詳細檢修，必要時對燃氣管道進行淺埋并嚴密監(jiān)測。

目前針對燃氣管道受力與防護方面的研究：

朱小明研究了不同地面沉降形式對燃氣管道的破壞作用，利用隨機介質力學方法，得到了單元下沉盆地及單元水平位移表達公式，并給出了先預測、再施工的天然氣管道防護方案。

張昊針對不均勻沉降造成的燃氣管道變形，利用CAESAEⅡ計算鋼管允許變形的最小曲率半徑，進而確定管道軸向允許彎曲變形量，并給出了管道沉降監(jiān)布置的推薦間距和報警原則。

陳雪琴分析了車輛荷載、土體自重及其疊加壓力對對埋地燃氣管道的受力影響，給出了計算公式，并制定了相應的補償措施。

趙京生對北京昌平區(qū)某小區(qū)的調查發(fā)現，燃氣泄漏隱患位置多集中在立管三通分流處和水平燃氣管道變徑彎頭處，計算了其預補償量，采用波紋管對管道進行結構補償。并設計了一種燃氣管道狀態(tài)自動監(jiān)測系統，通過分布式數據采集技術和通信技術，對管道的結構變化進行實時監(jiān)控。

5 小結

高層建筑引起的地面沉降對埋地燃氣管道產生嚴重影響，研究埋地燃氣管道受力及沉降防護，對保證管道運行安全具有重要的現實意義。

管道受力研究在理論分析和模型建立方面，逐漸發(fā)展成熟，而針對埋地燃氣管道的研究，相比一般管道，受制于其受力的特殊性和實驗條件的不完善，故研究還不夠深入，這就使得埋地燃氣管道防護的理論支撐不足，因而防護措施不完善。結合埋地燃氣管道受力特點，研究管道的安全性，對于提高防護能力，制定正確的防護措施具有重要意義。