大口徑長輸管道交叉穿越已建管道安全性分析

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.06.008

摘" " 要：隨著長輸油氣管道建設(shè)進(jìn)程的日益加快，新建管道交叉穿越已建管道的情況日益增多。為研究新建管道交叉穿越已建管道的施工安全性，以某項目新建大口徑天然氣管道交叉穿越已建管道為例，介紹了交叉穿越施工方案；采用理論分析方法計算了已建管道最大允許懸空長度，為新建管道交叉穿越已建管道的施工作業(yè)提供了理論依據(jù)；利用數(shù)值模擬方法分析了管溝基坑開挖后及回填后，已建管道的受力和位移狀態(tài)。結(jié)果表明，當(dāng)交叉穿越施工處管溝的開挖寬度為5 m時，已建管道懸空長度滿足安全要求；管溝基坑開挖后及回填后已建管道承受的最大MISES應(yīng)力均小于管道許用應(yīng)力，且已建管道的位移量也滿足規(guī)范要求。該方法對于分析類似新建管道交叉穿越已建管道的施工安全性具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：大口徑；長輸管道；交叉穿越；已建管道；安全性分析

Abstract：With the accelerating process of long-distance oil and gas pipeline engineering， there are more and more cases of new pipelines crossing in-service pipelines. To study the safety of new pipelines crossing the in-service ones， a detailed introduction to the crossing engineering plan was offered with a newly constructed natural gas pipeline crossing in-service ones as an example. Theoretical analysis was used to calculate the maximum allowable suspended length for the in-service pipelines， providing a theoretical basis for the new pipelines crossing the in-service ones; Numerical simulation was applied to analyze the stress and displacement status of in-service pipelines after tunnel excavation and backfilling. The results show that when the excavation width of the cross crossing is 5 m， the suspended length of the in-service pipeline meets the safety requirements. After tunnel excavation and backfilling， the maximum MISES stress borne by the in-service pipeline is less than the allowable stress of the pipeline， and the displacement of the in-service pipeline meets the regulatory requirements. This method is of reference value for analyzing the safety of similar new pipeline crossing in-service pipeline engineering.

Keywords：slarge diameter; long-distance pipeline; crossing; in-service pipeline; safety analysis

隨著海外LNG資源進(jìn)入國內(nèi)的通道進(jìn)一步拓展，沿海LNG接收站新建、擴(kuò)建工程加快建設(shè)，長輸管道建設(shè)持續(xù)推進(jìn)，“全國一張網(wǎng)”的管網(wǎng)布局加速形成。據(jù)統(tǒng)計“十三五”時期累計建成長輸管道4.6 × 104 km，全國天然氣管道總里程達(dá)到約11 × 104 km。新建長輸管道交叉穿越已建管道的情況越來越多，分析研究新建管道交叉穿越已建管道施工方案及其安全性具有重要的實踐意義[1-3]。

1" " 工程概況

國內(nèi)某新建長輸管道項目，管徑為1 422 mm，材質(zhì)為X80M鋼，設(shè)計壓力為10 MPa。該項目在天津市武清區(qū)與中俄管道（在役）和錦鄭管道（建成未投用）存在多處交叉穿越，交叉情況明細(xì)分別見表1和表2。

2" " 交叉穿越施工方案

2.1" " 施工流程

新建管道交叉穿越已建管道施工流程為：施工準(zhǔn)備→人工開挖探坑→設(shè)置警示標(biāo)識→打鋼板樁→管溝開挖→已建管道、光纜保護(hù)→穿管作業(yè)、連頭作業(yè)→管溝回填→地埋恢復(fù)→設(shè)標(biāo)志樁。

2.2" " 管溝開挖

管溝開挖示意見圖1。

1）管溝開挖寬度d為5 m。已建管道兩側(cè)5 m范圍內(nèi)采用人工開挖。

2）在交叉穿越點鋼板樁兩側(cè)，沿已建管道方向設(shè)置標(biāo)識樁。

2.3" " 管溝和已建管道支護(hù)

管溝和已建管道支護(hù)示意見圖2。

1）穿越管溝兩側(cè)，距離已建管道兩側(cè)2 m處，采用拉森Ⅳ型鋼板樁支護(hù)。

2）管溝兩側(cè)鋼板樁上設(shè)一道長40 m的腰梁；穿越范圍內(nèi)每間距5 m設(shè)一道橫撐，橫撐為?325 mm × 6 mm鋼管。

3）距離已建管道兩側(cè)2 m的鋼板樁空隙處采用槽鋼擋土，防止坍塌。

4）已建管道懸空段下方設(shè)置管托支撐，管托支撐間距5 m。支撐采用5 t機械千斤頂，千斤頂根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整高度，千斤頂與已建管道之間設(shè)置墊木，墊木與已建管道之間使用弧面板、膠皮，以及楔形木塊進(jìn)行固定，確保達(dá)到支撐目的。

2.4" " 穿管

管溝開挖完成后，新建管道的預(yù)制管從已建管道下方穿越通過，保證兩條管道凈間距≥1倍已建管道的管徑。穿越時用2臺吊管機將預(yù)制管吊起，向前移動，首先使管道一端從已建管道下方通過；行走一段距離后，因吊點影響，新建管道與已建管道、光纜較近，此時改變吊點位置使之位于已建管道的兩側(cè)，從而使預(yù)制管能夠在已建管道下方移動，利用牽引繩將新建管道按要求吊裝到位。

穿管施工時，已建管道的最大應(yīng)力和應(yīng)變主要發(fā)生在懸空段與埋地段相交接區(qū)域，當(dāng)已建管道連頭焊縫存在缺陷時，應(yīng)力集中部位更容易引起管道失效[3]。因此，新建管道穿越位置盡量避開已建管道焊口連接處，且新建管道環(huán)焊縫距離已建管道正下方≥2 m，快速通過，盡量減少已建管道和光纜的暴露時間。

3" " 已建管道懸空長度安全性分析

長輸管道交叉穿越已建管道時，管溝開挖使已建管道局部處于懸空狀態(tài)。由圖2可知，交叉角度越小，管溝開挖后已建管道懸空長度越長。如懸空長度過長可能對已建管道的安全運行造成影響[4]。

3.1" " 已建管道允許懸空長度計算

管道自身具有一定的強度，允許在其強度范圍內(nèi)產(chǎn)生一定的變形量，變形量不超過允許值則認(rèn)為管道是安全的[5]。施工中開挖管段的允許懸空長度參考《現(xiàn)役管道的不停輸移動推薦作法》（SY/T 0330—2004）中的公式進(jìn)行計算。

式中：LS為管道最大懸空長度，mm；D為管道外徑，mm；d為管道內(nèi)徑，mm；SA為管道許用軸向彎曲應(yīng)力，MPa。

SA按式（2）進(jìn)行計算。

式中：FD為設(shè)計系數(shù)；δSMYS為管子規(guī)定的最小屈服強度，MPa；SE為管道中原有軸向應(yīng)力，MPa，按式（3）進(jìn)行計算；SS為管道拉伸引起的軸向應(yīng)力，MPa，由于管溝開挖后已建管道懸空段處于自由狀態(tài)，管道軸向拉伸應(yīng)力被管道原有的彈性壓縮應(yīng)力抵消。

式中：SP為內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向拉伸應(yīng)力，MPa，按式（4）進(jìn)行計算；ST為由于溫度變化引起的管道軸向拉伸應(yīng)力，MPa，按式（5）進(jìn)行計算；SC為管道中由彈性彎曲產(chǎn)生的原有軸向應(yīng)力，MPa。

式中：p為管道最大內(nèi)工作壓力，MPa；μ為鋼材泊松比，取0.3；t為管道公稱壁厚，mm；E為鋼材彈性模量，2 × 105 MPa；α為鋼材線性熱膨脹系數(shù)，取1.2 × 10-6 mm/（mm·℉）；T1為管道安裝時的溫度，當(dāng)未知管道安裝溫度時，可進(jìn)行合理估算，℉；T2為管道移動時的工作溫度，℉。

中俄管道和錦鄭管道的管道參數(shù)按表3選取。

中俄管道、錦鄭管道設(shè)計系數(shù)FD=0.72，管道安裝時溫度未知，按保守值取35 ℃，即T1=95 ℉；新建管道開挖施工時的溫度取0 ℃，即T2=32 ℉。經(jīng)計算，中俄管道和錦鄭管道最大懸空長度計算結(jié)果見表4。

由表4可知，在理想狀態(tài)下，中俄管道最大懸空長度計算結(jié)果為41.597 1 m，錦鄭管道最大懸空長度計算結(jié)果為21.409 9 m。《管道管理與維護(hù)規(guī)范》（Q/GGW-BF-0306—2021）規(guī)定，管道允許最大懸空長度不超過最大懸空長度減3 m。根據(jù)以上計算結(jié)果，中俄管道開挖時允許最大懸空長度為38.60 m，錦鄭管道開挖時允許最大懸空長度為18.41 m。

3.2" " 已建管道實際懸空長度計算

由圖2可知，管道開挖寬度為d，管道交叉角為β，交叉穿越施工時，已建管道的實際懸空長度L=d/sin β。

新建管道按5 m寬度開挖管溝，交叉穿越施工時，中俄管道、錦鄭管道各暴露段（見表1、表2）懸空長度計算結(jié)果分別見表5、表6。

據(jù)表5、表6可知，新建管道建設(shè)按5 m寬度開挖管溝，交叉穿越中俄管道和錦鄭管道時，中俄管道和錦鄭管道各暴露段的懸空長度均小于最大允許懸空長度，因此已建管道是安全的。

4" " 數(shù)值模擬分析

4.1" " 建立模型

4.1.1" " 地層參數(shù)

根據(jù)該項目地勘資料，綜合選取基坑斷面地層巖土強度力學(xué)參數(shù)，見表7。

計算中將鋼板樁等效為均勻厚度的鋼板，依照拉森Ⅳ型鋼板樁每延米慣性矩進(jìn)行等效換算。拉森Ⅳ型鋼板樁每延米慣性矩為38 600 cm4/m，則簡化后的鋼板樁厚度為166.7 mm。

4.1.3" " 管道參數(shù)

管道參數(shù)見表9。

4.1.4" " 計算模型及分析結(jié)果

在模擬開挖過程中，基坑開挖深度為5.64 m，為消除邊界影響，利用FLAC數(shù)值模擬軟件建立有限元模型?；诱w模型（見圖3）長度為45 m，高度為23 m，寬度為45 m。其中，基坑尺寸為45 m × 5 m × 5.64 m；已建管道管頂距地面1.8 m，與基坑呈30°相交（見圖4）。

假定管道為等直徑、等壁厚的材料，不考慮管道接頭的影響。巖土材料采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型；管道采用彈性本構(gòu)模型實體單元進(jìn)行模擬，管道與土體之間的滑動使用Interface單元進(jìn)行模擬，摩擦角取15°；鋼板樁和槽鋼采用Liner結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬，考慮鋼板樁與土體之間的滑動，取摩擦角為15°；腰梁、橫撐和管托采用Beam結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。計算模型位移邊界：模型上表面為自由面，底部采用全約束條件，四周施加法向約束[6-7]。

4.2" " 穿越段管溝基坑開挖模擬分析

根據(jù)基坑開挖過程定義計算步驟。步驟1，模擬管道運行，施加管道內(nèi)壓10 MPa，計算初始地應(yīng)力平衡；步驟2，清除步驟1產(chǎn)生的位移，施加鋼板樁和槽鋼；步驟3，清除步驟2產(chǎn)生的位移，開挖地基，施加腰梁、橫撐和管托。交叉穿越段管溝開挖數(shù)值計算結(jié)果如圖5所示。

由模擬結(jié)果可知，管溝基坑開挖后，基坑左右兩側(cè)沉降最大值為18.73 mm，豎向位移最大值出現(xiàn)在管道上方；基坑左右水平位移最大值為54.01 mm，水平位移最大值也出現(xiàn)在管道上方，這是由于在管道上方左右2 m范圍內(nèi)不存在支護(hù)結(jié)構(gòu)；管道中間懸空處向下發(fā)生位移，主要受土體變形的影響。位移最大沉降值為1.75 mm，管道X方向最大位移6.23 mm，Y方向最大位移4.59 mm，最大合位移7.55 mm，最大值均發(fā)生在已建管道與基坑交界處，基坑開挖后，已建管道承受最大MISES應(yīng)力為362.22 MPa，小于管道許用應(yīng)力399.6 MPa。

4.3" " 穿越段管溝位移評估

4.3.1" " 基坑位移評估

根據(jù)《建筑基坑工程檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50497—2019），鋼板樁支護(hù)時基坑頂部水平位移預(yù)警值取20～30 mm和0.2%～0.3%倍基坑設(shè)計深度中的較小值，頂部豎向位移預(yù)警值取10～20 mm和0.1%～0.2%倍基坑設(shè)計深度中的較小值。由于基坑開挖深度為5.64 m，取基坑頂部水平位移預(yù)警值為11.28 mm、頂部豎向位移預(yù)警值5.64 mm。

對比數(shù)值模擬結(jié)果，基坑左右水平位移最大值為54.01 mm，基坑左右兩側(cè)沉降最大值為18.73 mm，均超出結(jié)構(gòu)預(yù)警值。

4.3.2" " 管道位移評估

根據(jù)GB 50497—2019，對應(yīng)管道位移檢測預(yù)警值累計值要求10～22 mm，選取管道位移控制標(biāo)準(zhǔn)為10 mm，變化速率2 mm/d。

對比數(shù)值模擬結(jié)果，穿越管段基坑開挖處已建管道位移值小于10 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

4.4" " 穿越段管溝基坑回填分析

施工完成后進(jìn)行基坑的回填，回填時采取逐層回填施工。回填土具體參數(shù)見表10，管溝基坑回填后計算結(jié)果見圖6。

基坑回填之后，其最大沉降值7.29 mm；管道X方向位移減小，最大值為5.74 mm；Y方向位移減小，最大值為4.49 mm；管道合位移增大，最大位移為8.75 mm，小于 控制值（10 mm）。管道承受最大MISES應(yīng)力為350.78 MPa，小于管道許用應(yīng)力（399 MPa）。

對比開挖時管道合位移，管道沉降值增大明顯。土體變形對跨越段管道應(yīng)力集中影響程度大，因此在基坑回填過程中應(yīng)特別注意分層碾壓，確保土體壓實度，從而降低土體變形對已建管道的影響[7]。

5" " 結(jié)論

1）通過理論計算得到已建管道開挖時最大允許懸空長度，其中中俄管道為38.59 m，錦鄭管道為18.41 m。當(dāng)交叉角為30°時管道最大懸空長度為10 m，滿足理論計算要求。

2）利用數(shù)值模擬分析，中俄管道穿越段的管溝基坑開挖后，管道懸空段沉降值為7.55 mm，沉降值滿足規(guī)范要求；承受的最大MISES應(yīng)力為362.22 MPa，小于管道許用應(yīng)力。

3）穿越段管溝基坑回填后，已建管道中間段沉降值進(jìn)一步增大，管溝的合位移為8.75 mm，小于10 mm的控制值。管道承受的最大MISES應(yīng)力為350.78 MPa，小于管道許用應(yīng)力。

4）交叉穿越施工完成后，基坑回填應(yīng)分層碾壓，確保土體壓實度，降低土體變形對已建管道的影響。

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作者簡介：張" " 進(jìn)（1987—），男，河南永城人，工程師，2013年畢業(yè)于河南理工大學(xué)礦業(yè)工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事天然氣管道項目建設(shè)管理工作。Email：464177159@qq.com

收稿日期：2024-08-27；修回日期：2024-11-04