李 琳

中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400016

隨著我國(guó)天然氣管道建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大口徑管道在穿越大高程差、大坡度的山嶺地段時(shí)采用隧道穿越已逐漸成為管道設(shè)計(jì)和施工的可靠方法之一，在西氣東輸二線、中緬管道及中亞管道的建設(shè)中均有一定的應(yīng)用。相較于管道順山勢(shì)敷設(shè)，隧道穿越有效地克服了高程和地形障礙，降低了管道施工難度，減少了對(duì)地表植被的破壞和水土流失，既利于施工，也滿足了環(huán)保的要求。由于管道途經(jīng)山區(qū)地形地貌的情況復(fù)雜多變，如何實(shí)現(xiàn)隧道穿越管道的快速高效安裝，并確保以后輸氣管道的安全運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)者重點(diǎn)關(guān)注。為此，探索分析大口徑輸氣管道山體隧道穿越的管道穩(wěn)定性校核、關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力分析和隧道施工參數(shù)等問(wèn)題，確定合理的管道隧道穿越安裝關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，可為天然氣管道山體隧道穿越的精細(xì)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 基本概況

某天然氣管道山區(qū)穿越段管道設(shè)計(jì)壓力10 MPa，規(guī)格為D916 mm×22 mm，采用直縫埋弧焊鋼管，鋼材等級(jí)為L(zhǎng)555。管道安裝段水平長(zhǎng)1663 m，實(shí)長(zhǎng)1674.5m。穿越段地區(qū)等級(jí)為二級(jí)，屬剝蝕低山地貌，地形起伏較大，坡度25°～40°，高程260～640m。

隧道水平長(zhǎng)1568 m，實(shí)長(zhǎng)1575.9 m。隧道進(jìn)口處位于北東向山脊的西側(cè)邊坡中段一小沖溝的溝頭部位，標(biāo)高約431.44 m；出口位于北東向山脊的東側(cè)邊坡近坡腳處陡坎下，標(biāo)高約262.78 m；洞身橫穿北東向山脊，洞身中部最大地面高程達(dá)632 m，最高點(diǎn)與進(jìn)出口高差分別達(dá)211、370 m，最高處呈雙峰狀。

穿越地段淺表為第四系中更新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)黏土，下覆基巖為震旦系下段變余長(zhǎng)石石英砂巖間夾雜砂礫巖，大面積出露印支東早中期花崗巖。

2 穿越管道安裝設(shè)計(jì)

2.1 管道敷設(shè)方式

2.1.1 隧道內(nèi)管道敷設(shè)

隧道內(nèi)管道安裝在鋼筋混凝土支墩上，第一支墩中心距離進(jìn)洞口洞門(mén)端墻中心20 m，隧道內(nèi)支墩間距18 m，最后一個(gè)預(yù)留支墩位置距出洞門(mén)端墻中心不小于20 m。為補(bǔ)償管道熱位移可設(shè)置鋼滑動(dòng)支座。

支墩離管道焊縫間距大于1m，支墩頂面設(shè)預(yù)埋件，管道采用管卡固定，管道支墩及管卡處、固定墩處設(shè)置橡膠板，管道安裝構(gòu)件進(jìn)行防腐處理，如圖1所示。

圖1 管道支墩及管卡

2.1.2 隧道外管道敷設(shè)

為減少因溫度應(yīng)力造成管道的變形和位移，在隧道洞口外設(shè)置錨固墩。隧道穿越段管道與線路管道的接口位置為錨固墩中心外5 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形情況，入口和出口端隧道內(nèi)外管道連接如圖2、圖3所示。

圖2 入口端隧道內(nèi)外管道連接示意

圖3 出口端隧道內(nèi)外管道連接示意

出洞口處管道外用橡膠板包裹，橡膠板與洞壁間用磚封堵。隧道洞門(mén)外管道按一般線路段要求敷設(shè)，管頂埋深不小于1.2 m，管道四周回填細(xì)土。管道在隧道進(jìn)口洞門(mén)外10 m處設(shè)置帶2個(gè)彎頭的L形補(bǔ)償器，彎頭角度均為90°，補(bǔ)償器臂長(zhǎng)20 m，補(bǔ)償器用固定墩與線路段隔斷。

2.2 管道強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核

2.2.1 強(qiáng)度校核

結(jié)合工程地質(zhì)情況，經(jīng)核算穿越段一般直管段壁厚為22 mm，熱煨彎管壁厚為27.5 mm。根據(jù)GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求進(jìn)行強(qiáng)度校核，即當(dāng)量應(yīng)力不可超過(guò)最小屈服強(qiáng)度的90%。管道所受環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力組合的當(dāng)量應(yīng)力校核計(jì)算步驟如下[1]：

（1）環(huán)向應(yīng)力：內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力按GB 50423-2007《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦公式計(jì)算：

式中：σh為環(huán)向應(yīng)力，MPa；D為管外徑，取916mm；δ為鋼管壁厚，取22mm；p為設(shè)計(jì)壓力，MPa。

經(jīng)計(jì)算，∑σh=208.18 MPa。

許用應(yīng)力計(jì)算公式為[σ]=F準(zhǔn)σs

式中：[σ]為許用應(yīng)力，MPa；F為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，根據(jù)GB 50251-2015規(guī)定的管道通過(guò)地區(qū)等級(jí)取值；準(zhǔn)為焊縫系數(shù)，取值1.0；σs為鋼管的最小屈服強(qiáng)度，MPa。經(jīng)計(jì)算，[σ]=277.5 MPa，因此∑σh＜[σ ]，滿足要求。

（2）軸向應(yīng)力：內(nèi)壓與溫度變化產(chǎn)生的軸向應(yīng)力按GB 50423-2007的要求進(jìn)行計(jì)算[2]：

當(dāng)管段軸向變形受約束時(shí)：

（3）彈性敷設(shè)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力：

式中：Es為鋼材的彈性模量，取2.05×105MPa；μ為鋼材的泊桑比，取0.3；α為鋼材的線脹系數(shù)，取1.2×10-5m/（m·℃）；t1為管道安裝閉合時(shí)的環(huán)境溫度，取8℃；t2為管道輸送介質(zhì)在穿越處的溫度，取40.1℃；Ds為鋼管外徑，mm；R為管道彈性敷設(shè)曲率半徑，R=1000 Ds。

經(jīng)計(jì)算，管道軸向變形受約束時(shí)，σa=82 MPa；彈性敷設(shè)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力σb=102.5 MPa。按最大應(yīng)力疊加，總軸向應(yīng)力∑σa=σa+σb=184.5 MPa，小于[σ]，滿足要求。

（4）當(dāng)量應(yīng)力：穿越管段計(jì)算各單項(xiàng)應(yīng)力后，核算當(dāng)量應(yīng)力σe=∑σh-∑σa≤0.9 σs。經(jīng)計(jì)算，σe=∑σh-∑σa=195 MPa＜0.9 σs=499.5 MPa，滿足要求。

2.2.2 剛度校核

根據(jù)GB 50423-2007有關(guān)規(guī)定，穿越管段選用鋼管的徑厚比不應(yīng)大于100。經(jīng)計(jì)算，D916 mm×22 mm的鋼管徑厚比為41.6，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于100。因此，穿越段鋼管的剛度滿足規(guī)范要求。

2.2.3 抗震校核

結(jié)合地勘報(bào)告，場(chǎng)地所在區(qū)域抗震設(shè)防烈度小于6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05 g，動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

根據(jù)GB 50470－2008《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，當(dāng)大中型穿越管道位于地震動(dòng)峰值加速度≥0.1 g的地區(qū)時(shí)應(yīng)進(jìn)行抗震校核[3]，本隧道所在場(chǎng)地50年超越概率5%的地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，不需進(jìn)行抗震校核。

2.3 敏感段應(yīng)力靜態(tài)分析

管道在壓力荷載、機(jī)械荷載及熱負(fù)荷等作用下，在整個(gè)管道或某些局部區(qū)域產(chǎn)生不同性質(zhì)的應(yīng)力。天然氣管道應(yīng)力校核主要參考ASME B31.8-2014，對(duì)管道敏感段應(yīng)力分析主要包括靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析。在靜態(tài)分析過(guò)程中，主要計(jì)算操作工況下的管道位移和約束反力，避免管道因過(guò)大位移而從支墩滑落，并校核管道在持續(xù)工況和膨脹工況下的應(yīng)力，判定管道在設(shè)計(jì)條件下是否具有足夠的柔性，保證其在應(yīng)力許用范圍內(nèi)。

2.3.1 操作工況

在穿越管道閉合安裝溫度不低于8℃，管道運(yùn)行溫度40.1℃，工作壓力10 MPa條件下，根據(jù)規(guī)范要求計(jì)算管道各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移和約束力。通過(guò)應(yīng)力分析，穿越管道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移如表1所示。在操作工況下，管道各節(jié)點(diǎn)將受到施加在上面的約束力作用，各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的受力情況如表2所示。

表1 管道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移

2.3.2 持續(xù)工況

為校正管道的力學(xué)性能，對(duì)管道在持續(xù)載荷下的受力進(jìn)行分析，如圖4所示。經(jīng)分析，在持續(xù)載荷下，管道各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力均在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，其中應(yīng)力最大點(diǎn)（見(jiàn)圖4中高亮處）的計(jì)算應(yīng)力值為228990.7 kPa，占許用應(yīng)力的55.4%。

表2 管道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的約束力

圖4 持續(xù)工況管道應(yīng)力分布模型

2.3.3 膨脹工況

由于管道溫度變化而使管道承受膨脹應(yīng)力的作用，可造成管道的變形。對(duì)管道溫度變化造成的膨脹應(yīng)力進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示，在膨脹工況下，管道二次應(yīng)力最大點(diǎn)（見(jiàn)圖5中高亮處）的計(jì)算應(yīng)力為264313.3 kPa，占許用應(yīng)力的85.0%。

圖5 膨脹工況管道應(yīng)力分布模型

對(duì)穿越管道進(jìn)行應(yīng)力分析，管道在操作工況、持續(xù)工況、膨脹工況的應(yīng)力均在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

3 隧道施工參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 隧道內(nèi)凈空尺寸

隧道斷面采用直墻圓拱形斷面，其結(jié)構(gòu)設(shè)置主要考慮隧道內(nèi)滿足出渣、通風(fēng)、襯砌施工以及管道安裝、檢修和施工的要求。通常，隧道尺寸由隧道底板、隧道支墩、縱斷面、揚(yáng)拱確定，本工程隧道內(nèi)管道布置如圖6所示，隧道內(nèi)凈空高4000 mm。穿越管道安裝在鋼筋混凝土支墩上，支墩置于穩(wěn)定土層或基巖上。

圖6 管道布置及隧道內(nèi)凈空尺寸

3.2 隧道斷面支護(hù)型式

初期支護(hù)根據(jù)圍巖類(lèi)型可采用噴射混凝土、掛網(wǎng)噴射混凝土、錨桿噴射混凝土等方式，見(jiàn)表3[4-5]。本工程對(duì)隧道初期支護(hù)采用準(zhǔn)22水泥砂漿錨桿+準(zhǔn)6鋼筋網(wǎng)+準(zhǔn)22鋼筋格柵+C25噴混凝土的組合支護(hù)方式，圍巖局部破碎時(shí)增設(shè)超前管棚或超前小導(dǎo)管注漿等預(yù)加固措施。

初期支護(hù)、仰拱封閉及回填完工后，采用自行式液壓襯砌臺(tái)車(chē)進(jìn)行二次襯砌。二次襯砌采用先施工邊墻及拱部，然后施工底板的工序。隧道洞身超前開(kāi)挖開(kāi)始進(jìn)行襯砌，由進(jìn)、出口兩端相向且向隧道中部逐段推進(jìn)。邊墻、頂拱一次澆筑成型，不良地質(zhì)地段根據(jù)監(jiān)控量測(cè)情況先行襯砌，確保安全。

表3 不同圍巖類(lèi)型噴射方法

3.3 隧道縱向坡度

根據(jù)管道穿越段的巖層界面變化情況，管道走廊通道使用期間僅留有限的空間，保證檢修時(shí)行人需要，故可采用單面坡形式。隧道縱向坡度設(shè)置主要考慮隧道施工、管道安裝、排水等因素[6-7]。為滿足排水的需要，隧道縱向坡度設(shè)計(jì)最小值不小于0.3%；為便于隧道施工和管道安裝，本工程隧道縱向坡度設(shè)計(jì)為10.15%。

4 結(jié)論

某大口徑天然氣管道穿越山體隧道工程設(shè)計(jì)上確定了隧道斷面為直墻圓拱形、管道敷設(shè)在鋼筋混凝土支墩上穿越的技術(shù)方案。在嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行規(guī)范的同時(shí)，需充分關(guān)注管道穿越山體隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，才能為整個(gè)工程的順利實(shí)施起到良好的控制作用，確保管道安裝的安全和可操作性?，F(xiàn)將本項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中獲得的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下，以期為同類(lèi)工程提供借鑒。

（1）為保證穿越隧道的管道安全，在隧道內(nèi)和隧道外分別采取不同的管道敷設(shè)安裝方式，即隧道洞口外設(shè)置錨固墩支撐管道，洞內(nèi)設(shè)置鋼筋混凝土支墩支撐管道。

（2）對(duì)穿越隧道的管道強(qiáng)度、剛度和抗震進(jìn)行校核，確保在滿足管道設(shè)計(jì)參數(shù)條件下，管道的穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（3）對(duì)穿越隧道的管道不同工況下的應(yīng)力、位移和約束力校核，得到各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力分析情況，確定了管道的應(yīng)力敏感區(qū)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的管道各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均在規(guī)定范圍內(nèi)。

（4）隧道施工參數(shù)方面主要從隧道結(jié)構(gòu)尺寸、斷面支護(hù)、縱向坡度方面加以考慮，以充分滿足管道施工和安全運(yùn)行的需要。