天然氣管道穿越高速公路的方案設(shè)計(jì)

王飛龍，張洋，黎瀚陽

(中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司合肥分公司，安徽 合肥 230000)

1 工程概況

環(huán)巢湖天然氣高壓管線工程合肥—巢湖段項(xiàng)目是安徽省天然氣主干管網(wǎng)的一部分，管道設(shè)計(jì)壓力為6.3 MPa，管徑DN700，項(xiàng)目建成后將提高安徽省的天然氣輸配調(diào)度能力，并承擔(dān)合肥市乃至安徽省儲氣任務(wù)。環(huán)巢湖管線起點(diǎn)位于肥東縣店埠鎮(zhèn)，終點(diǎn)位于巢湖經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，管線不可避免與明巢高速交叉1 次。管線穿越明巢高速位置位于夏閣樞紐北側(cè)，高速樁號為K128+513。根據(jù)GB 50423—2013 《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》7.1.3 條：穿越鐵路或二級及以上公路時，應(yīng)采用頂進(jìn)套管、頂進(jìn)箱涵或水平定向鉆穿越方式，并滿足路基穩(wěn)定性的要求[1]。

2 穿越方案

燃?xì)夤艿来┰焦返脑O(shè)計(jì)要求主要參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50423—2013 《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》和安徽省地方標(biāo)準(zhǔn)DB34/T 2395—2015 《涉路工程安全評價(jià)規(guī)范》等。

根據(jù)規(guī)范要求及考慮到明巢高速的重要性，擬采用成熟可靠的非開挖頂管穿越方式。頂管就是把鋼筋混凝土套管段沿著導(dǎo)軌進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè)，首節(jié)鋼筋混凝土套管頂進(jìn)是頂管作業(yè)的關(guān)鍵，頂進(jìn)時需隨時進(jìn)行測量與糾偏。每頂進(jìn)0.5 m 要進(jìn)行一次測量，并根據(jù)實(shí)際測量結(jié)果進(jìn)行糾偏，避免產(chǎn)生偏差。當(dāng)套管頂進(jìn)至對面接收井時，本次頂管作業(yè)完成，然后將天然氣管道組對焊接，利用頂進(jìn)井進(jìn)行穿管。

2.1 管材及壁厚選取

針對目前鋼管市場材料價(jià)格行情，本項(xiàng)目直埋段采用L485M PSL2 直縫雙面埋弧焊接鋼管，鋼管的制造及驗(yàn)收均應(yīng)符合GB/T 9711—2017 《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》標(biāo)準(zhǔn)[2]。根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，鋼管壁厚與鋼管外徑、設(shè)計(jì)壓力、鋼管的屈服強(qiáng)度、強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)及溫度折減系數(shù)有關(guān)，鋼管直管段壁厚按下式計(jì)算：

式中：P為設(shè)計(jì)壓力(MPa)，取6.3 MPa；D為鋼管外徑(mm)，取711 mm；σs為鋼管最小屈服強(qiáng)度(MPa)，取485 MPa；F為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，取0.4；φ為焊縫系數(shù)，取1；t為溫度折減系數(shù)。

根據(jù)式(1)，計(jì)算直管段壁厚如表1 所示。

表1 直管段壁厚計(jì)算表

考慮工廠加工偏差、管道腐蝕余量等原因，本次高壓天然氣管道選用D711×12.7 mm，L485M PSL2直縫雙面埋弧焊接鋼管。

2.2 套管選取

根據(jù)GB 50423—2013 《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》 7.1.11 條：采用套管穿越公路、鐵路時，套管內(nèi)徑應(yīng)大于輸送管道外徑300 mm 以上。套管采用人工頂管施工方法時，套管內(nèi)直徑不宜小于1 m。根據(jù)DB 34/T 2395—2015《涉路工程安全評價(jià)規(guī)范》5.2.2.1 條：管線穿越公路時，應(yīng)設(shè)置地下通道(涵)或套管，通道或套管應(yīng)按相應(yīng)公路等級的汽車荷載等級進(jìn)行驗(yàn)算。套管內(nèi)徑應(yīng)大于被保護(hù)管線直徑的5%以上，套管兩端應(yīng)使用耐久的材料密封。因此本項(xiàng)目采用DRCP Ⅲ 1200×2000C 標(biāo)準(zhǔn)鋼筋混凝土套管，制造標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T 11836—2009 《混凝土和鋼筋混凝土排水管》[3]。

2.3 頂管穿越方案

管道穿越與高速公路平面位置關(guān)系如圖1 所示。

圖1 管道穿越平面圖

管道穿越與高速公路橫斷面位置關(guān)系如圖2 所示。

圖2 管道穿越縱斷面圖

穿越方向?yàn)槲鞅?東南方向，管道與高速公路角度約88°。起始管道里程樁為0+140.00，末點(diǎn)管道里程樁為0+260.0，穿越工程頂進(jìn)長度120 m。套管采用DRCP Ⅲ 1200×2000 C 鋼筋混凝土套管(制造標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T 11836—2009 《混凝土和鋼筋混凝土排水管》)，其最低點(diǎn)控制標(biāo)高為14.65 m(1985 年國家高程基準(zhǔn)，管底)。頂管段輸氣管道控制標(biāo)高為14.95 m(1985 年國家高程基準(zhǔn)，管底)[4]。

2.4 穿越位置地質(zhì)情況

本次水平頂管穿越的地基土層及巖性特征如下：

①層素填土：灰褐色、雜色，濕，松散，以黏性土為主，含大量植物根莖，局部夾雜少量碎石、磚塊等。

②層黏土：黃褐、褐黃色，稍濕，硬塑、局部可塑，含鐵錳結(jié)核、少量氧化鐵及高嶺土等，切面光滑有光澤，干強(qiáng)度高，韌性高。

如表2 所示，根據(jù)地質(zhì)情況，擬建場地地層較為簡單，巖土種類不多，地基土均勻性一般，地基持力層屬同一地貌單元，適合頂管穿越。

表2 地基設(shè)計(jì)參數(shù)建議值一覽表

3 套管荷載校核計(jì)算

設(shè)計(jì)參數(shù)：管頂埋深H=11.21 m；土重γ=18.5 kN/m3；鋼筋混凝土容重γ1=26 kN/m3；土體的內(nèi)摩擦角?=14.3°，黏聚力Ck=8.0 kPa。

公路參數(shù)：公路等級一級，設(shè)計(jì)時速80 km/h。

套管：DRCP Ⅲ 1200×2000C 標(biāo)準(zhǔn)鋼筋混凝土套管，制造標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T 11836—2009 《混凝土和鋼筋混凝土排水管》。

3.1 管道外力計(jì)算

根據(jù)JTG/T 3365-02—2020 《公路涵洞設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.3 條規(guī)定，混凝土圓管涵的設(shè)計(jì)僅考慮車輛荷載、圓管涵自重和填土產(chǎn)生的等效荷載產(chǎn)生的作用組合。管壁環(huán)向壓力和徑向剪力可不計(jì)算，僅考慮彎矩作用效應(yīng)。

(1)恒載計(jì)算

(2)活載計(jì)算

3.2 外力組合計(jì)算

混凝土圓管涵結(jié)構(gòu)應(yīng)按JTG 3362—2018 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)下短期、長期組合計(jì)算。

(1)管壁彎矩計(jì)算

土壓力產(chǎn)生的彎矩：

車輛荷載產(chǎn)生的彎矩：

(2)承載組合計(jì)算

正常使用極限狀態(tài)下短期組合設(shè)計(jì)值：

正常使用極限狀態(tài)下長期組合設(shè)計(jì)值：

承載能力極限狀態(tài)組合：

3.3 截面強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)JTG 3362—2018 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.2 條鋼筋截面抗彎承載力計(jì)算應(yīng)符合下式規(guī)定。

3.4 裂縫寬度計(jì)算

根據(jù)JTG 3362—2018 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.4.3 鋼筋混凝土構(gòu)件最大裂縫寬度應(yīng)按下式計(jì)算。

裂縫寬度：Wcr=0.02 mm < 0.20 mm (13)

查JTG 3362—2018 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》表6.4.2 鋼筋混凝土構(gòu)件在Ⅰ類一般環(huán)境下最大裂縫寬度限制為0.2 mm，本項(xiàng)目最大裂縫寬度0.02 mm，符合規(guī)范要求。

經(jīng)上述計(jì)算分析認(rèn)為，本次穿越工程所用的鋼筋混凝土套管可以滿足承受的荷載要求。

4 安全風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)措施

4.1 設(shè)計(jì)方面

管道采用D711×12.7 mm 直縫埋弧焊接鋼管，鋼級為L485M PSL2，外防腐層為3PE 加強(qiáng)級防腐，采用熱收縮套進(jìn)行補(bǔ)口。管道焊接采用手工下向焊或半自動下向焊工藝。管道環(huán)向焊縫內(nèi)部質(zhì)量檢驗(yàn)采用100%超聲波探傷和100% X 射線照相檢查。

本次穿越高速公路管道應(yīng)單獨(dú)試壓。試壓前采用清管器進(jìn)行清管球清管。管道采用潔凈、無腐蝕性水進(jìn)行強(qiáng)度試壓，試驗(yàn)壓力值為9.45 MPa，穩(wěn)壓時間4 h，無泄漏為合格。強(qiáng)度試壓合格后進(jìn)行嚴(yán)密性試壓，嚴(yán)密性試壓時，試驗(yàn)壓力為6.3 MPa，穩(wěn)壓時間24 h，壓降不大于1%試驗(yàn)壓力值，且不大于0.1 MPa 為合格。最后還應(yīng)進(jìn)行干燥清管，以防管道內(nèi)壁腐蝕。頂管施工管道安裝完成后，鋼管與套管之間應(yīng)用泡沫混凝土填實(shí)(可多次填充靜置固化、確保填充完全)，套管兩端用柔性、防水材料密封。在穿越兩側(cè)端點(diǎn)和公路路邊設(shè)置標(biāo)志樁和警示牌共計(jì)4 組。

4.2 施工方面

頂管施工過程中對道路路面進(jìn)行沉降監(jiān)測。施工中在與明巢高速穿越處設(shè)置4 個沉降監(jiān)測點(diǎn)，分別位于公路兩側(cè)路肩、兩側(cè)坡腳。所有沉降監(jiān)測點(diǎn)必須在頂管施工開始前進(jìn)行埋設(shè)、布置。觀測點(diǎn)設(shè)置埋設(shè)鋼筋，每次測完點(diǎn)之后關(guān)門上鎖，防止非施工人員進(jìn)入觀測點(diǎn)區(qū)域。頂管施工過程中，應(yīng)注意對公路設(shè)施進(jìn)行臨時保護(hù)。如交叉處前后設(shè)置施工警示牌，提醒通行車輛；因監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置等需求需臨時拆除高速兩側(cè)鐵絲圍擋應(yīng)在高速管理部門許可的情況下進(jìn)行，并注意防止人員、動物等進(jìn)入高速，完成后及時封閉鐵絲圍擋；施工時注意避免破壞高速路邊排水溝、高速邊坡、高速路面等設(shè)施。

4.3 制定應(yīng)急預(yù)案

為了保護(hù)施工人員的人身安全、工程順利進(jìn)行，保障在意外情況發(fā)生時能夠迅速及時搶救傷員、最大限度降低傷亡傷害程度，施工單位應(yīng)制定施工現(xiàn)場應(yīng)急救援預(yù)案。施工現(xiàn)場應(yīng)備足充分的救援物資并由專人保管，應(yīng)急物資包括跌打損傷藥品、包扎紗布、防毒面具、呼吸器、救援繩索、簡易擔(dān)架等，應(yīng)急物資要配備齊全并加強(qiáng)日常管理，在應(yīng)急救援時能及時到位。

5 結(jié)語

總之，在天然氣管道穿越高速方案設(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)交叉實(shí)際情況，結(jié)合規(guī)范要求，設(shè)計(jì)合適的穿越高速公路方案。天然氣管道穿越的長度、角度、深度需要不僅滿足高速部門要求，同時還需考慮高速公路改擴(kuò)建，適當(dāng)增加穿越長度。