中俄東線黑龍江盾構穿越工程管道牽引過程中管道狀態(tài)分析

任文明，詹勝文，冉洽聞，任 軍，霍錦宏

1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000

2.中國石油管道局工程有限公司東南亞項目經(jīng)理部，河北廊坊 065000

20世紀90年代，為實現(xiàn)油氣資源的多元化戰(zhàn)略，中國與俄羅斯開展了包括中俄東線項目在內(nèi)的油氣源合作談判。經(jīng)過二十多年的艱苦努力，中俄東線天然氣合作項目正式確立。中俄東線的氣源來自俄羅斯，自黑龍江省黑河市入境，最終進入上海市。黑龍江盾構穿越工程為中俄東線進入中國的第一個盾構工程，是連接俄羅斯西伯利亞力量管道和中俄東線的控制性工程，該盾構穿越一部分在中國境內(nèi)，一部分在俄羅斯境內(nèi)，穿越工程由中俄兩國共同投資，中俄雙方均高度關注此工程。

1 管道穿越方案及施工難點

1.1 穿越方案的確定

由于本工程為跨境盾構工程，工程設計遵循了中俄雙方標準，俄方業(yè)主全程參與本工程的FEED、施工圖設計。中俄雙方在穿越方式、隧道設計參數(shù)、管材、試壓、管道防腐等方面經(jīng)歷了十幾輪技術談判才最終商定雙方都認可的方案，即采用盾構方式穿越黑龍江，隧道內(nèi)徑2.44 m，始發(fā)井內(nèi)徑16 m，接收井內(nèi)徑12 m，隧道內(nèi)安裝D1 420 mm管道，管道設計壓力10MPa，管道焊接采用自動焊。

隧道縱斷面線形為：先從中方始發(fā)豎井出發(fā)，以4%坡度下坡前進167 m，再以曲率半徑2 200 m的圓弧平滑過渡前進88 m，然后水平掘進704 m，再以曲率半徑2200m的圓弧平滑過渡上坡前進88m，最后以4%坡度上坡前進78 m，到達俄方接收豎井，見圖1。

圖1 隧道縱斷面

穿越山體的盾構隧道內(nèi)管道安裝一般采用架空或覆土形式，即先在隧道內(nèi)進行布管、焊接、防腐補口，而后將管道就位于管道支座上，由此完成隧道內(nèi)管道的安裝[1-10]。而對于頂管隧道，其內(nèi)徑一般較小，不具備隧道內(nèi)布管、焊接作業(yè)空間，管道通常采用滾輪支座，在隧道另一側采用牽引的方法來完成管道安裝[11-13]。由于本工程為小斷面盾構隧道，隧道內(nèi)徑只有2.44 m，然而又需要在隧道內(nèi)安裝一根D1 420 mm大口徑輸氣管道，管道外側剩下不到0.5 m的空間，對于該工況采用常規(guī)的管道安裝方法很難實現(xiàn)，因而采用頂管隧道的牽引方法來完成管道的安裝。

在對采用牽引方法完成管道安裝的方案進行進一步設計時，進行了兩個方案比選：一是采用傳統(tǒng)的頂管隧道曾用過的滾輪支座發(fā)送方案；二是采用本工程的方案，即先在始發(fā)井內(nèi)完成管道自動焊接，而后通過在隧道底板上鋪設輕型鋼軌，借助管道發(fā)送小車（兼作運營期的管道支座）發(fā)送管道，同時在接收井側進行管道牽引的方式實現(xiàn)管道的安裝就位[14-15]。方案一考慮到管片錯臺、滾輪支座傳到管片具有的較大集中力、長距離牽引易引起管道偏轉(zhuǎn)等不利因素，最終推薦采用方案二進行施工。

1.2 施工難點分析

本工程隧道斷面小，隧道縱向有下坡、曲線和上坡段，管道在通過隧道曲線段時，由于D1420mm管道自身剛度大，管道支座有可能懸空，由此導致傳給相鄰管道支座的力有可能陡然變大；如果懸空量太大，疊加施工誤差，管道發(fā)送小車就有可能脫軌，造成管道一次牽引失敗。本工程面臨的最大問題就是：管道一旦拖入隧道后，如果發(fā)生問題，就需要人員進入維修，由于管道外側剩下不到0.5 m的空間，工人和施工機具不具備進入條件，因而無法開展維修作業(yè)，其造成的工程后果就是對每根管道進行割管，重新焊接，以備進行第二次管道牽引，這就必然造成工程費用的無為增加，嚴重影響工期。因此，必須保證管道牽引過程的安全、穩(wěn)定，以確保管道一次牽引成功?；诜桨付嬖谏鲜龉こ虇栴}，就需要設計、施工人員詳細了解管道能否在隧道內(nèi)拖動，管道與隧道的相對位置關系，牽引過程中管道的應力狀況、位移狀態(tài)，小車輪軌是否存在脫空情況等，以便指導管道安裝施工的順利進行。

2 計算參數(shù)

管道規(guī)格為D1 420 mm×33.4 mm，材質(zhì)K65，管道跨距28 m。管道發(fā)送小車質(zhì)量3 t，小車車輪與軌道的摩擦系數(shù)為0.05，管道在牽引狀態(tài)時假定為多跨連續(xù)梁。隧道內(nèi)徑2.44 m，隧道鋪底混凝土層厚度300 mm，隧道橫斷面見圖2。軌道頂?shù)叫≤嚿暇墸ㄐ≤囍芯€處）的距離為288 mm，軌道中心線的距離為1 180 mm，小車采用3組輪對，共6個車輪，車輪縱向間距為350 mm，小車結構見圖3。

圖2 隧道橫斷面

圖3 小車結構

3 計算模型

管道在隧道內(nèi)拖動時，從4%的下坡段前進了167m，而后通過豎截面曲線段（曲率半徑R=2200m）88 m，之后再進入水平直線段，以上三段是對管道受力狀態(tài)進行分析的重點。選擇管道從進入豎截面曲線起點位置，至拖出豎截面曲線終點位置后進入水平直線段28 m這一段來進行分析。而管道從水平直線段拖到出口豎截面曲線段，與管道進入進口豎截面曲線段時的受力模式基本一致，因而不再單獨分析。理論分析模型如下。

管道采用梁單元模擬，管道發(fā)送小車采用只受壓支座模擬。管道拖動計算時，管道在樁號范圍K0+000～K0+077.8內(nèi)為管道初始計算狀態(tài)（見圖4），管道在樁號范圍K0+000～K0+197.8內(nèi)為管道終點計算狀態(tài)（見圖5）。從K0+077.8拖動至K0+197.8的過程中，按照每進尺1 m作為一個計算狀態(tài)，整個過程共分為60個計算狀態(tài)（見圖6）。

圖4 管道在4%坡度時的初始計算模型

圖5 管道終點計算模型（管道通過4%坡度后再經(jīng)過豎截面曲線段后進入直線段28 m）

圖6 管道全過程60個狀態(tài)計算模型（管道通過4%坡度后再經(jīng)過豎截面曲線段后進入直線段28 m）

4 管道在牽引通過豎截面曲線段時的狀態(tài)分析

選擇管道從進入豎截面曲線起點位置，至拖出豎截面曲線終點位置后進入水平直線段28 m這一段來進行重點分析，管道狀態(tài)計算范圍示意如圖7所示。

圖7 管道狀態(tài)計算范圍

在進行管道設計狀態(tài)計算時，管道從直線4%坡度進入豎截面曲線段和水平直線段時，管道模型全部采用4%坡度斜直線模型，通過回歸計算每一個計算點到設計線形的高程差，而后對管道進行強制位移頂升至設計狀態(tài)位置，由此模擬管道牽引過程。

4.1 小車所受的反力狀態(tài)

管道拖動通過豎截面曲線段時，單個小車所受的反力在豎截面曲線段是變化的，在剛由直線段進入豎截面曲線時，前端小車反力逐漸增大，第二個小車反力逐漸減小，第三個小車反力逐漸增大。前端小車進入豎截面曲線35 m時，達到最大，如圖8所示。第一個小車最大反力為308.22kN，第三個小車最大反力為515.97 kN，第二個小車反力也基本達到最小值50.69 kN。再繼續(xù)前拖，小車反力略有減小。在設計線形下，小車的最大反力值為515.97 kN，小于其設計承載能力800 kN，滿足設計要求。

圖8 小車反力為最大值時的工況示意

小車的最小反力出現(xiàn)在剛進入豎截面曲線段時，第二個小車反力逐漸減小，當前端小車進入豎曲線41 m時達到最小，為40.2 kN，如圖9所示。拖動全過程中，小車最小反力大于0，因此在整個拖拉過程中，管道支座不存在脫空現(xiàn)象。

圖9 小車反力為最小值時的工況示意

4.2 管道的應力、變形狀態(tài)

（1）管道的應力狀態(tài)。管道在拖動過程中最大拉應力為83.7 MPa，最大壓應力為-83.7 MPa，管道應力小于K65管材的屈服強度（555 MPa）。因此，管道在豎截面曲線段拖拉過程中滿足強度設計要求。

（2）管道的變形狀態(tài)。在管道從豎截面曲線起點拖拉至豎截面曲線終點，再進入水平直線段28 m的過程中，管道最大向上變形位于4%坡度斜直線端側的豎截面曲線的四分之一處，最大向上位移變形2.3 cm；最大向下位移變形位于從豎截面曲線進入水平直線段后，在水平直線上距離豎截面曲線終點約10 m處，最大向下變形2.0 cm。

根據(jù)隧道橫斷面圖，管道頂與隧道內(nèi)壁的距離為16 cm，則管道在拖拉進入豎截面曲線段過程中，管道頂部距離隧道內(nèi)壁的最小凈空h=16-2.3=13.7 cm。因此，管道在設計線形條件下，在正常拖拉過程中，管道不會和隧道拱頂碰撞，管道能夠正常拖拉前進。管道向下最大變形為2.0 cm，小于軌道高度，因此在管道拖拉過程中，管道不會觸地，可以順利拖拉。

5 結束語

在小斷面盾構隧道內(nèi)（隧道內(nèi)徑2.44 m）首次安裝大口徑D1 420 mm輸氣管道是本項目面臨的一大挑戰(zhàn)，并且管道采用自動焊、機械化補口，這在以往管道工程建設中是沒有遇到過的。通過方案比較，本項目提出了在始發(fā)井內(nèi)管道自動焊接，通過在隧道底板鋪設輕型鋼軌，采用管道發(fā)送小車（兼作運營期的管道支座），在接收井側牽引管道安裝就位的新型管道安裝方案。

通過對管道牽引過程的管道狀態(tài)分析，明確了在管道牽引過程中管道支座不會懸空，管道應力在設計允許范圍內(nèi)，管道變形不會導致管道觸頂、觸地，管道可以順利拖拉，為管道安裝施工提供了科學依據(jù)和技術支持。事實證明此管道安裝方案是可行的，本項目于2018年10月5日成功完成管道牽引，管道一次安裝就位，為中俄東線天然氣管道工程按期投產(chǎn)奠定了基礎。