天然氣管道涉高速公路安全影響評(píng)價(jià)

康舒顏，吳志敏

(廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

隨著涉路工程項(xiàng)目建設(shè)需求的日益增加，涉路工程逐漸成為公路建設(shè)工程領(lǐng)域的重要控制性工程[1]?；洊|天然氣主干管網(wǎng)海豐-惠來(lái)聯(lián)絡(luò)線工程作為廣東省天然氣管網(wǎng)規(guī)劃的一部分，將在天然氣管網(wǎng)體系的建立中起到重要作用，是對(duì)天然氣管網(wǎng)的有力補(bǔ)充和優(yōu)化，有利于廣東實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，最大限度地發(fā)揮天然氣管網(wǎng)的輸氣、調(diào)配能力。

為保證本工程的質(zhì)量管理及涉路安全，需核查設(shè)計(jì)方案的可行性。本文針對(duì)天然氣管道穿越高速公路的特點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)方案中的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，主要分析套管結(jié)構(gòu)的受力強(qiáng)度和頂管施工引起的地面沉降是否符合規(guī)范要求，同時(shí)對(duì)套管施工的頂力進(jìn)行計(jì)算分析，為施工提供安全技術(shù)方面的支持與參考。

1 工程概況

粵東天然氣主干管網(wǎng)海豐-惠來(lái)聯(lián)絡(luò)線工程于LLHF099-LLHF100號(hào)樁頂管穿越S19興汕高速公路。天然氣管道采用頂進(jìn)施工的Ⅲ級(jí)鋼筋混凝土套管，穿越地區(qū)等級(jí)為三級(jí)，設(shè)計(jì)系數(shù)為0.5，穿越處管道設(shè)計(jì)壓力為9.2MPa。設(shè)計(jì)管道擬采用φ914×14.6mm L485M直縫埋弧焊鋼管，防腐采用3層PE常溫型加強(qiáng)級(jí)防腐層，鋼管外設(shè)鋼筋混凝土套管(1500×2000Ⅲ級(jí)DRCP)，其內(nèi)徑為1.5m、外徑為1.8m。穿越方向大致為西南～東北走向，穿越處管道與興汕高速公路交角為80°。采用泥水平衡頂管的方式施工，管道實(shí)長(zhǎng)140.8m，穿越水平長(zhǎng)度140.6m，鋼筋混凝土套管長(zhǎng)度92m，管道埋深為3.7～12.6m，最大覆土深度為10.8m，頂管穿越的地層巖性主要為粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化花崗巖。

2 套管結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 卸力拱矢高

天然氣管道的套管是鋼筋混凝土圓管，采用頂推法施工，其受力計(jì)算可以借鑒公路橋涵中圓管涵的相關(guān)理論。根據(jù)《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》，頂推法施工的涵管，其受力計(jì)算采用卸力拱理論，即土體自身具有一定的自承載能力，可以將洞室頂部的荷載向洞室的兩邊傳遞，當(dāng)滿足一定條件時(shí)會(huì)形成一種自承載結(jié)構(gòu)“卸力拱”。

根據(jù)施工設(shè)計(jì)圖紙，套管位于全風(fēng)化花崗巖層，內(nèi)摩擦角φ取28.6°，卸力拱跨長(zhǎng)為：

式中：D0—鋼筋混凝土套管外徑(m)。

卸力拱矢高的計(jì)算公式為：

式中：fkp—普式堅(jiān)固系數(shù)；

L0—卸力拱跨長(zhǎng)(m)。

套管側(cè)面外緣處的卸力拱矢高為：

本工程套管外徑為1.8m，通過(guò)計(jì)算可知卸力拱矢高為1.44m，套管邊緣處的卸力拱矢高為0.87m，為下一步計(jì)算提供依據(jù)。

2.2 車(chē)輛荷載附加應(yīng)力

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)，公路-I級(jí)和公路-II級(jí)汽車(chē)荷載采用相同的車(chē)輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值，車(chē)輛荷載如圖1所示。車(chē)道荷載橫向分布系數(shù)按設(shè)計(jì)車(chē)道數(shù)以及如圖2和圖3所示的車(chē)輛荷載布置進(jìn)行計(jì)算。

圖1 車(chē)輛荷載

圖2 車(chē)輛荷載橫向布置(單位：m)

圖3 車(chē)輛荷載布置的立面和平面

計(jì)算頂管上車(chē)輛荷載引起的豎向應(yīng)力時(shí)，車(chē)輪按其著地面積的邊緣向下呈30°角分布(后輪著地寬度及長(zhǎng)度為0.6m×0.2m)。當(dāng)幾個(gè)車(chē)輪的壓力擴(kuò)散線相重疊時(shí)，擴(kuò)散面積以最外邊的擴(kuò)散線為準(zhǔn)，其中覆土深度為天然氣管道管頂至土層表面的垂直距離，取最大值10.8m?？紤]高速載重車(chē)的實(shí)際情況，汽車(chē)荷載值按高速公路汽車(chē)荷載增加1.3的安全系數(shù)，取1 430kN；應(yīng)力擴(kuò)散面積標(biāo)準(zhǔn)值為459.3m2，計(jì)算得到車(chē)輛荷載附加應(yīng)力為3.11kN/m2。

2.3 頂管荷載

根據(jù)普氏卸荷拱理論，進(jìn)行頂管施工時(shí)，由于天然氣管道上部的土層形成了卸荷拱，上部土壓力不能直接等同于覆土重力計(jì)算，需考慮卸荷拱效應(yīng)。當(dāng)實(shí)際覆土深度H≥(2.0～2.5)h0時(shí),可在土層中形成卸荷拱，因此當(dāng)采用卸荷拱理論計(jì)算時(shí)，要提前進(jìn)行驗(yàn)算判斷是否滿足要求[2]。

由于套管頂部地層為粉質(zhì)黏土，且穿越興汕高速公路實(shí)際最大覆土深度為10.8m，H≥2.5h0=3.6m，故采用卸荷拱理論進(jìn)行計(jì)算，其中土的重度根據(jù)工程地質(zhì)情況取18.4kN/m3。

套管管頂?shù)拇怪蓖翂毫?qiáng)度為：

σ土=γ土×h0=18.4×1.44=26.5kPa

式中：γ土—土的重力密度(kN/m3)。

套管承受的荷載：

=39.3kN/m

根據(jù)《混凝土和鋼筋混凝土排水管》(GB/T 11836-2009)第4.1條，型號(hào)為DRCPⅢ1500×2000鋼筋混凝土套管的破壞荷載為203kN/m。通過(guò)上述計(jì)算得出套管所承受的總荷載為42.41kN/m，由此可見(jiàn)套管所承受的總荷載小于規(guī)范要求的鋼筋混凝土套管破壞荷載，頂管穿越既有高速公路段的套管強(qiáng)度滿足要求。

2.4 改擴(kuò)建施工套管

考慮高速公路擴(kuò)建施工時(shí)可能使用振動(dòng)壓路機(jī)等重型機(jī)械，對(duì)擴(kuò)建施工時(shí)的套管進(jìn)行受力分析。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，路基施工時(shí)壓路機(jī)噸位一般不大于32t，本文以32t振動(dòng)壓路機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算參數(shù)：工作質(zhì)量32t；前輪分配質(zhì)量21t；后輪分配質(zhì)量11t；壓路機(jī)輪寬為2m。

由于原有路基兩側(cè)擴(kuò)建，下穿高速公路擴(kuò)建段最小覆土深度1.6m，建成后最大覆土深度11.1m，以上覆土深度均已考慮清表厚度(30cm)，分別對(duì)壓路機(jī)在覆土深度1.6m和11.1m兩種作業(yè)工況下進(jìn)行分析。考慮壓路機(jī)振動(dòng)時(shí)振動(dòng)荷載最大值為靜載的1.5倍，計(jì)算頂管上壓路機(jī)荷載引起的豎向應(yīng)力時(shí)，車(chē)輪按其著地面積的邊緣向下呈30°角度分布。

表1 各下穿套管頂面壓路機(jī)荷載附加應(yīng)力

(1)工況1:

P≥P土+P車(chē)=1.6×18.4+22.48=51.92kN/m2

(2)工況2:

P≥P土+P車(chē)=11.1×18.4+2.11=206.35kN/m2

改擴(kuò)建施工期間套管受力W：

式中：W—套管受力(kN/m)；

D0—套管外徑(m)；

P土—作用于管道的土壤垂直荷載(kN/m2)；

P車(chē)—管頂承受汽車(chē)的荷載(kN/m2)；

μ0—土壤彈性抗力系數(shù)。

=158.05kN/m

根據(jù)《混凝土和鋼筋混凝土排水管》(GB/T 11836-2009)第4.1條，型號(hào)為DRCP Ⅲ1500×2000的鋼筋混凝土套管破壞荷載為203kN/m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，改擴(kuò)建施工期間套管受力強(qiáng)度為158.05kN/m，在改擴(kuò)建施工期間套管強(qiáng)度可滿足要求。

3 路基路面沉降影響分析

頂管施工過(guò)程中，前方土體受到擠壓呈向上向前的移動(dòng)趨勢(shì)，頂進(jìn)速度控制不當(dāng)易產(chǎn)生地表面隆起，如果超挖或泥水開(kāi)挖導(dǎo)致管道外壁與土體之間形成一定的空隙，則周?chē)涟l(fā)生塌落，可能產(chǎn)生地面沉降甚至坍塌，將對(duì)高速公路正常運(yùn)營(yíng)造成嚴(yán)重的影響。因此，對(duì)頂管穿越施工可能引起的地面沉降進(jìn)行分析非常必要，可根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的控制措施。計(jì)算頂管穿越施工引起地面沉降的主要方法有經(jīng)驗(yàn)法和解析法。

圖4 Peck地面沉降槽

目前工程界常采用Peck提出的地面沉降橫向分布估算公式[3]：

Smax=vl/2.5i

式中：Sx—地面沉降量(m)；

x—離頂管軸線的水平距離(m)；

Smax—管道軸線上方的最大地面沉降量(m)；

i—地面沉降槽寬度系數(shù)(m)；

vl—管道單位長(zhǎng)度的土體損失量(m2)。

η取值根據(jù)管道所處層位的土體性質(zhì)來(lái)確定，相同條件下，土質(zhì)越好，η越小[4]。自穩(wěn)性差、易流失的土取大值。i的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：H—頂管埋置深度(m)；

φ—土的內(nèi)摩擦角。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，本工程管道穿越地層主要為全風(fēng)化花崗巖，土體損失率η取2%，內(nèi)摩擦角φ為28.6°，取覆土深度最大處計(jì)算路面沉降量，結(jié)果如下：

Smax=vl/2.5i=0.051/(2.5×7.88)=2.59mm

同樣對(duì)埋深3.7m管道(管道頂部距興汕高速公路邊溝埋深處)進(jìn)行計(jì)算，本工程路面最大沉降量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 路面最大沉降量計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算,當(dāng)管道埋置深度為3.7m時(shí)，穿越施工引起的地面最大沉降為10.79mm；當(dāng)管道埋置深度為12.6m時(shí)，穿越施工引起的地面最大沉降為2.59mm。

根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS 246：2008)第13.2.4條：頂管造成的地面沉降量不應(yīng)超過(guò)下列規(guī)定：公路小于或等于20mm。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本文穿越處路基路面沉降量均小于規(guī)定的20mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)路面的沉降影響較小，保證施工期間路基路面沉降量控制在允許范圍內(nèi)。

4 施工頂力影響分析

根據(jù)《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》(GB 50424-2015)第8.2.2條規(guī)定,頂進(jìn)力按下式計(jì)算:

式中：F—施工頂進(jìn)力(kN)；

D0—鋼筋混凝土套管外徑(m)；

L—頂管穿越長(zhǎng)度(m)；

fk—觸變泥漿減阻管壁與土的平均摩阻力(kN/m2)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和施工方案，頂管機(jī)外徑為1.812m，頂管穿越長(zhǎng)度為92m。以最大覆土深度10.8m(路基頂面右側(cè))為例，由于頂管穿越不同地層，覆土深度與土的重度取值分為兩段。頂進(jìn)方式為泥水平衡頂管[5]，采用上述規(guī)范表8.2.2-2中泥水平衡式迎面阻力公式進(jìn)行計(jì)算。

=548.96kN

式中：Dg—頂管機(jī)外徑(m)；

Hs—覆土深度(m)；

γ土—土的重力密度(kN/m)。

根據(jù)工程概況和資料，D0取1.8m，L取92m，fk取10kN/m2。

施工頂進(jìn)力為：

=5202.48+548.96=5751.44kN

根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS 246-2008)第8.1.1條規(guī)定，鋼筋混凝土管頂管傳力面允許的最大頂力按下式計(jì)算：

式中：Fdc—鋼筋混凝土管道允許頂進(jìn)力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；

φ1—混凝土材料受壓強(qiáng)度折減系數(shù)；

φ2—偏心受壓強(qiáng)度提高系數(shù)；

φ3—材料脆性系數(shù)；

φ5—混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整系數(shù)；

γQd—頂力分項(xiàng)系數(shù)；

fc—混凝土受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)；

Ap—管道的最小有效傳力面積(mm2)。

本文根據(jù)實(shí)際情況φ1取0.9、φ2取1.05、φ3取0.85、φ5取0.79、γQd取1.3。經(jīng)計(jì)算，鋼筋混凝土管道允許頂進(jìn)力標(biāo)準(zhǔn)值為：

=6 415.9kN>F=5 751.44kN

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，粵東天然氣頂管施工頂進(jìn)力小于規(guī)范的管道允許頂力值，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)粵東天然氣主干管網(wǎng)海豐-惠來(lái)聯(lián)絡(luò)線工程與S19興汕高速公路交叉，埋深天然氣管道采用鋼管外設(shè)鋼筋混凝土套管(1 500×2 000Ⅲ級(jí)DRCP)。經(jīng)計(jì)算分析，頂管穿越既有高速公路和高速公路改擴(kuò)建施工期間混凝土套管結(jié)構(gòu)受力強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

(2)粵東天然氣管道埋置深度為3.7～12.6m。經(jīng)計(jì)算分析，頂管穿越施工引起的地面最大沉降量滿足規(guī)范要求。施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)措施和路面沉降監(jiān)測(cè)，也可按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范布置沉降觀測(cè)網(wǎng)。

(3)套管頂部距離公路邊溝底面最小值為1.9m，套管頂部距離公路路面最大值為10.8m。經(jīng)計(jì)算分析，粵東天然氣頂管施工頂進(jìn)力小于規(guī)范的管道允許頂力值，符合相關(guān)規(guī)范要求。

(4)針對(duì)本文天然氣管道頂管施工的特點(diǎn)，建議頂管施工期間對(duì)興汕高速公路路面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，頂管施工期間至少按1次/d觀測(cè)路面沉降，直至頂管施工完成。同時(shí)建議編制相關(guān)的應(yīng)急預(yù)案。