谷青悅，劉純婧，林智敏

1.北京斯派克工程項(xiàng)目管理有限責(zé)任公司，北京 100083

2.中國(guó)石油第七建設(shè)公司，山東青島 266000

3.莆田學(xué)院，福建莆田 351100

長(zhǎng)輸管道下溝施工中通常采取吊管下溝或沉管下溝方式，長(zhǎng)輸管道下溝過程中由于重量大，因而易發(fā)生管道不穩(wěn)定等安全事故。當(dāng)大管徑長(zhǎng)輸管道以吊管方式下溝時(shí)，一般會(huì)配置6臺(tái)90 t 吊管機(jī)，在管道發(fā)生振動(dòng)的情況下，若某臺(tái)吊管機(jī)未提供有效吊力或失穩(wěn)，或溝邊土質(zhì)承載力不足，可能會(huì)出現(xiàn)吊管機(jī)傾覆、滾管事故，現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)極大。當(dāng)采用沉管方式下溝時(shí)，雖然能夠降低滾管等風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生，但在施工過程中容易造成應(yīng)力集中，給管道運(yùn)行安全留下隱患[1]。本文以某D1 219 mm×21.4 mm 的X80 管道雙側(cè)沉管下溝項(xiàng)目為例，采用有限元分析法比較了管道在端部沉管下溝和中間沉管下溝過程中的應(yīng)力及其變化情況，論證其下溝方式的可靠性。

1 沉管下溝原理

沉管下溝指的是沿管道開挖管溝，利用管道自身重力作用緩慢將管道自然下沉到管溝內(nèi)的施工方法[2]。根據(jù)挖掘機(jī)臺(tái)數(shù)及其相對(duì)于管道的挖掘位置，依據(jù)Q/SY GDJ 0387-2014《油氣輸送管道沉管下溝施工規(guī)范》，可將沉管下溝分為單側(cè)沉管下溝和雙側(cè)沉管下溝。

單側(cè)沉管下溝指在管道軸線一側(cè)布置挖掘機(jī)，沿管道單側(cè)開挖管溝，利用管道自身重力作用緩慢地將管道自然降落到管溝內(nèi)的施工方法[3]，見圖1。

雙側(cè)沉管下溝指在管道軸線兩側(cè)布置挖掘機(jī)，沿管道雙側(cè)同時(shí)開挖管溝，利用管道自身重力作用緩慢地將管道自然降落到管溝內(nèi)的施工方法[4]，見圖2。

圖1 單側(cè)沉管下溝

圖2 雙側(cè)沉管下溝

2 有限元模型及沉管下溝過程分析

應(yīng)用ANSYS 有限元軟件對(duì)某長(zhǎng)輸管道不同工況下采用雙側(cè)沉管下溝過程的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算和分析，包括端部沉管下溝模型（見圖3）和中間沉管下溝模型（見圖4）。

圖3 端部沉管下溝模型

圖4 中間沉管下溝模型

2.1 建立有限元模型

2.1.1 端部沉管下溝方式的力學(xué)模型

在計(jì)算端部沉管下溝時(shí)，將管道本體簡(jiǎn)化為以下力學(xué)模型：

（1）將管道簡(jiǎn)化為3 維管單元，采用ANSYS軟件中的PIPE 20 單元模擬。

（2）沉管下溝過程中，管道與土體之間的摩擦和支撐作用采用接觸單元CONTAC52 3D 進(jìn)行模擬。

（3）沿軸向在管道沉管下溝范圍兩側(cè)各建200 m 長(zhǎng)的管道模型，以模擬附近管道對(duì)計(jì)算管段的約束作用。

（4）在未下溝的地面管道端部對(duì)所有自由度施加約束，模擬地面遠(yuǎn)端管道的嵌固作用。

（5）在已下溝的溝下管道端部對(duì)軸向之外的其他自由度施加約束，模擬溝下遠(yuǎn)端管道的嵌固作用。

（6）管材采用線彈性材料模擬。（7）考慮管道大變形。

2.1.2 中間沉管下溝方式的力學(xué)模型

在計(jì)算中間沉管下溝時(shí)，將管道本體簡(jiǎn)化為以下力學(xué)模型：

（1）～（3）與上述的端部沉管下溝力學(xué)模型相同。

（4）在計(jì)算管段端部對(duì)所有自由度施加約束，模擬地面遠(yuǎn)端管道的嵌固作用。

（5）管材采用線彈性材料進(jìn)行模擬。

（6）考慮管道大變形。

2.2 沉管下溝過程計(jì)算分析

2.2.1 端部沉管下溝

以D1219mm×21.4mm的X80管道沉管深度為4 m 作為算例，得到管道沉管過程中懸空長(zhǎng)度、下溝深度、管道應(yīng)力與下溝長(zhǎng)度的關(guān)系曲線，如圖5～7所示。

圖5 端部沉管過程中懸空長(zhǎng)度與下溝長(zhǎng)度的關(guān)系

圖6 端部沉管過程中下溝深度與下溝長(zhǎng)度的關(guān)系

圖7 端部沉管過程中管道最大應(yīng)力與下溝長(zhǎng)度的關(guān)系

通過分析計(jì)算可知：

（1）直管段端部沉管下溝過程中，管道最大應(yīng)力一直出現(xiàn)在溝上支點(diǎn)附近。

（2）當(dāng)管溝開挖53.5 m 后，直管段端部與管溝溝底剛接觸，此時(shí)管道應(yīng)力最大（331.6 MPa）。

（3）當(dāng)直管段端部與管溝溝底接觸后，隨著管道下溝長(zhǎng)度的增加，管道應(yīng)力先逐漸減小后逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定；在管道懸空長(zhǎng)度為77.4 m時(shí)，管道應(yīng)力最?。?77.8 MPa）；在管道懸空長(zhǎng)度達(dá)到93.3 m 時(shí)，懸空長(zhǎng)度及管道應(yīng)力趨于穩(wěn)定（311.7 MPa）。

（4）在直管段端部接觸溝底后，隨著管道下溝長(zhǎng)度的增加，管道懸空長(zhǎng)度繼續(xù)增加，當(dāng)與溝底接觸的管段足以提供穩(wěn)定的支撐力后，懸空長(zhǎng)度趨穩(wěn)。

綜上可知，在直管段端部沉管下溝過程中，應(yīng)將直管段端部與管溝溝底剛接觸時(shí)的應(yīng)力作為整個(gè)沉管下溝過程中的應(yīng)力控制點(diǎn)，確保其滿足應(yīng)力要求。

分別計(jì)算了下溝深度為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m 時(shí)，沉管端部下溝的懸空長(zhǎng)度和管道應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 D1 219 mm×21.4 mm 管道端部沉管下溝計(jì)算結(jié)果

2.2.2 中間沉管下溝

以D1219 mm×21.4mm X80管道中間沉管深度為4m作為算例，得到管道沉管過程中懸空長(zhǎng)度、下溝深度、管道應(yīng)力與下溝長(zhǎng)度的關(guān)系曲線，如圖8～10所示。

通過分析計(jì)算可知：

（1）直管段中間沉管下溝過程中，最大應(yīng)力開始出現(xiàn)在懸空段管道的中間位置，隨著下溝的繼續(xù)推進(jìn)，最大應(yīng)力點(diǎn)轉(zhuǎn)移至管道溝上支點(diǎn)附近。

（2）當(dāng)直管段中間與管溝溝底剛接觸時(shí)，管道應(yīng)力最大，此時(shí)管道懸空長(zhǎng)度202.7 m，管道應(yīng)力為355.6 MPa。

圖8 中間沉管過程中懸空長(zhǎng)度與下溝長(zhǎng)度的關(guān)系

圖9 中間沉管過程中下溝深度與下溝長(zhǎng)度的關(guān)系

圖10 中間沉管過程中管道最大應(yīng)力與下溝長(zhǎng)度的關(guān)系

（3）當(dāng)直管段中間與管溝溝底接觸后，隨著管道下溝長(zhǎng)度的增加，管道應(yīng)力逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定（穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)應(yīng)力為338.1 MPa）。

（4）在直管段中間接觸溝底后，隨著管道下溝長(zhǎng)度的增加，管道懸空長(zhǎng)度略有減小后逐漸增加，當(dāng)與溝底接觸的管段足以提供穩(wěn)定的支撐力后，懸空長(zhǎng)度趨于穩(wěn)定（最大懸空長(zhǎng)度為218.7 m）。

綜上可知，在直管段中間下溝過程中，應(yīng)將直管段中間與管溝溝底剛接觸時(shí)的應(yīng)力作為整個(gè)直管段中間沉管下溝過程中的應(yīng)力控制點(diǎn)，確保其滿足應(yīng)力要求。

分別計(jì)算了下溝深度為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0m時(shí)，中間沉管下溝的懸空長(zhǎng)度和管道應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

3 沉管下溝安全控制措施

3.1 布置臨時(shí)固定墩

為避免下溝過程中管道應(yīng)力集中，在下溝過程中可以設(shè)置臨時(shí)固定墩[5]，具體技術(shù)要求如下：

表2 D1219 mm×21.4 mm 管道中間沉管下溝計(jì)算結(jié)果

（1）臨時(shí)固定墩只限制管道側(cè)向擺動(dòng)，不限制端部翹起。

（2）臨時(shí)固定墩應(yīng)有足夠的穩(wěn)定性，以限制管道端部側(cè)向擺動(dòng)。

（3）臨時(shí)固定墩距離管道端部2 m。

（4）臨時(shí)固定墩的設(shè)置條件滿足表3 中的要求。當(dāng)管溝開挖邊界距離管段端部的距離達(dá)到表3的要求（設(shè)置臨時(shí)固定墩管溝開挖邊界距離管段端部的最小距離）之前，即應(yīng)開始布置臨時(shí)固定墩。

表3 臨時(shí)固定墩的設(shè)置條件

3.2 分層開挖

為降低管溝底部和地表高度差，可以采用分層開挖方式降低管道所受應(yīng)力[6]。具體技術(shù)要求如下：

（1）第1 層開挖深度不大于0.7 m，加上支墩高度0.5 m，相當(dāng)于第1 層開挖后管道下沉1.2 m。

（2）除第1 層外，其余每層開挖深度≤1.4 m。

（3）開挖寬度即管溝寬度[7]。

（4）沿管道軸向的分層開挖長(zhǎng)度不小于80 m。

（5）分層開挖長(zhǎng)度80m、第1 層開挖深度0.7m時(shí)，計(jì)算得到下溝深度為2.5 ～5.0 m 對(duì)應(yīng)的管段端部最大翹起高度（相對(duì)于地面）[8]如表4 所示。

表4 管段端部最大翹起高度

4 結(jié)論

本文采用有限元方法論證了某長(zhǎng)輸管道項(xiàng)目采用管段端部沉管下溝或管段中間沉管下溝的施工方法都是可行的。計(jì)算表明，該管道直管段在雙側(cè)端部沉管下溝、雙側(cè)中間沉管下溝且管溝深度在5 m以內(nèi)時(shí)，管道最大應(yīng)力不超過X80 鋼級(jí)管材最小屈服強(qiáng)度的80%[9]。為了避免下溝管段末端翹起導(dǎo)致管道側(cè)向擺動(dòng)而發(fā)生危險(xiǎn)，在計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，本文給出了設(shè)置臨時(shí)支墩和分層開挖兩種控制措施，可根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況選擇控制措施。當(dāng)管溝深度超過3.5 m 時(shí)，為了最大限度保證施工作業(yè)安全，建議分2 層開挖，每層挖深2 ～3 m，開挖同時(shí)嚴(yán)格控制溝邊坡坡度。