天然气长输管道通过高填方规划道路区的整治设计

周学深 杨泽亮 韩鹏

中国石油天然气管道局天津设计院

由于经济建设的不断发展，天然气长输管道路由不仅要考虑管输用户的需求，同时还要考虑地方经济发展给管道造成的安全隐患。青岛11.22原油管道爆燃事故教训惨痛，管道设计要符合地方规划，管道路由选择应尽可能避开规划区。但管道有时要与规划的城市供气门站相接，常需要进入规划区内。如湖南某输气管道因规划及工期等原因，部分管道敷设于未实施的规划城市道路下，因地方经济发展需要，地方政府需要实施规划道路，而规划区内管道路由丘陵地形起伏较大，管道上方回填厚度最大达34m。因高填方将造成管道的地基产生沉降，管道出现应力集中，严重影响管道的安全运行［1］。不均匀沉降是导致埋地管道破坏的重要原因之一［2］。针对天然气长输管道敷设于高填方规划道路下，对高填方段管线应力进行分析，提出整改措施并计算其安全合理性。

1 工程概况

某长输管道工程为输气管道，管道沿线为三级地区，管径为508mm，壁厚为7.9mm，设计压力为6.3 MPa，管道材质为X65，约500m管线敷设于规划道路下，由于道路标高调整，管道顶部需填土厚度最大约为34m，管道埋设深度已超出管道允许的最大埋设深度要求。另外，由于该段管道上方道路施工过程中需要回填碾压，管道存在沉降压裂和断裂风险。

2 整治原理

油气长输管道一般均埋设在地下，管道周围土壤为管道提供支撑和保护。土壤的运动及管道与周围土壤间的相互作用采用管道—土壤相互作用单元建模，管土相互作用单元适用于深埋管线和周围土体的相互作用问题，简化了管线与土体接触面的模拟［3］。

埋地管道可以将管道周围的土壤看成具有一定抗压刚度系数的弹性土壤，土壤对管道的作用表现为主动土压力和被动土压力。管道上方的回填土看作荷载，管道底部的土壤看作弹性地基［4］。将管土间的相互作用过程视作弹性弹簧的施力过程，管线的反应视为弹性地基梁，适用于场地变形为中小程度的情况［5］。

通过应用ABAQUS有限元软件，用梁单元模拟管道，将管道上方的回填土视为荷载，管道下方的弹性地基模拟为均匀分布的弹簧，对敷设于高填方规划道路下的管道整治方案进行应力分析，判断整治方案的安全合理性。

3 工程实例

3.1 整治方案

该段管道壁厚为7.9mm，根据 GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》［6］中的5.1.4条，当管道埋设较深或外荷载较大时，应按无内压状态校核其稳定性。该规范管道径向稳定核算采用依阿华（IOWA）公式计算管道变形，计算的ΔX不应超过管道外径的3%［7］。

式中D为钢管外径，m；ΔX为钢管水平方向最大变形量，m；Dm为钢管平均直径，m；W为作用在单位管长上的总竖向荷载，N／m；W1为单位管长上的竖向永久荷载，N／m；W2为地面可变荷载传递到管道上的荷载，N／m；Z为钢管变形滞后系数，取1.5；K为基座系数；E为管材弹性模量，MPa；I为单位管长截面惯性矩m4／m；δn为钢管壁厚，m；Es为回填土壤的变形模量，MPa。

采用依阿华公式计算，管顶覆土厚34.2m时需要管道最小壁厚应为14.07mm，目前管道壁厚不能满足径向稳定性要求，计算结果如表1所示。

表1 径向稳定性校核表

高填方规划区长输管道处理目前多采用保护涵方案，保护涵采用跨度4m钢筋混凝土盖板涵，基础采用桩基础，保护涵净高约为2m，为防止天然气泄漏危害，保护涵内多用砂进行回填。本工程管道路由于敷设于规划道路下地段地形起伏大，部分管沟为高陡边坡，打桩难度大，管涵施工需要较大的工作面，施工周期长，费用高，且不满足地方政府道路施工工期要求。与保护涵方案相比，更换厚壁管方案具有施工期短、对道路施工影响小、投资低等优点。因此整治方案选用了更换厚壁管线方案，管道壁厚取为14.2mm。

3.2 地基沉降计算

该段管道路由经过地带为剥蚀丘陵地貌，以风化剥蚀为主，整体地形起伏较大，海拔高度介于111.35～148.38m。管道穿越地段主要由素填土、粉质黏土、卵石土组成，下部基岩为白垩系砂砾岩、砂岩。地基沉降计算中，岩土承载力及变形模量采用表2推荐值。

表2 岩土承载力及变形模量推荐值表

地基土层由于外荷载作用自身的压缩应力（σz）随深度递减，地基土的连结强度（pc）则随深度递增，当有效压缩应力珋σ2＝σz－pc＝0时，土体就不再产生显著的变形。连结强度的存在，使地基在外荷载作用下，荷载与沉降呈非线性关系，地基变形随深度迅速衰减［10］。本工程将回填土视为外部附加荷载计算管道地基的沉降量。管道上部回填土的土壤密度假定与管道下部黏土密度相同。管道上部土壤压力（p）按式（5）计算，得到结果为677kN／m3。

式中ρ为土壤密度，kg／m3；g为重力加速度；H为管道覆土深度，m。

根据 GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》［11］对管道下地基按式（6）进行沉降量计算，回填土作为附加荷载计算管道地基沉降量。

式中s为地基最终变形量mm；s′为按分层总和法计算出的地基变形量，mm；Ψs为沉降计算经验系数；n为地基变形深度范围内所划分的土层数；Esi为基础底面下第i层土的压缩模量，MPa；Zi、Zi－1为基础底面至第i层土，第i－1层土距离，mm为基础底面计算点至第i层土、第i－1层土底面范围内平均附加应力系数，按规范附录采用。

由压缩模量当量值可从规范表5.3.5查得Ψs为0.44，计算得到总沉降量为185mm。由于计算中部分土层采用变形模量代替压缩模量及考虑一定安全系数，管道下方弹性地基的总沉降量定为215mm。

3.3 管道沉降应力校核

3.3.1 管道设计参数

该段管道部分敷设在回填土中，部分敷设在原土层中，管道存在不均匀沉降问题。因此，需要对整治后管道不均匀沉降进行应力分析，校核管道强度是否满足规范要求，管道设计参数如表3所示。

表3 管道设计参数表

有限元分析中将土壤对管道的约束假设为均布弹簧约束，管道受土压力及土壤沉降作用主要发生垂向变形，主要考虑土壤对管道的垂向约束的作用。根据GB 50470—2008《油气输送管道线路工程抗震技术规范》［12］附录E提供的计算公式，计算土壤的垂向弹簧刚度，计算得到土壤垂向刚度为239N／m。

3.3.2 校核准则

根据GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》，埋地管道强度校核准则为：

式中σe为管道的当量应力；σh为各荷载产生的环向应力代数和；σa为各荷载产生的轴向应力代数和；σs为管道的规定屈服强度。

3.3.3 分析步设定及假定

分析考虑的荷载包括外部土压、管道内压、沉降引起的弯曲以及管道温差应力。管道按最不利工况（不均匀沉降量为215mm），如此情况下管道应力满足规范要求，则认为管道安全。外部回填土压强为677 kN／m2，管道安装温度为5℃。

设定4个分析步骤，模拟管道在不同荷载组合作用下的受力情况：①指定管道沉降位移量为215mm；②加载管道的外部土压；③加载管道的内压；④加载管道设计温度。

3.3.4 模型建立

采用ABAQUS中的PIPE31单元模拟管道，计算长度采用60倍管径［13－14］，管道模型总长度为45m，其中沉降区域长度为15m，图1为整体模型，因其具有对称性，模型只建一半，其中管道一端为固定约束，另一端为对称约束，中部沉降量为215mm。

图1 管道有限元分析模型图

3.3.5 分析结果

采用的校核公式为第三强度准则，ABAQUS软件给出Tresca强度准则下的管道应力。校核了管道在无内压、运行以及考虑安装与运行温差效应时3种工况下的应力，校核结果如表4所示，图2为3种荷载工况组合下的应力云图。

从表4可以看出，规划道路高填土引起管道沉降量为215mm，整治后管道强度满足规范要求。

4 结论

研究了通过高填方规划道路时的天然气长输管道整治方案，并分析了管道的稳定性以及因规划道路高填方不均匀沉降引起的管道应力。通过应力云图可以看出，管道在沉降突变处出现了应力集中现象，如果对该区域的管道不采取合理的整治措施，管道将在运行时出现事故。通过应用有限元软件ABAQUS分析，高填方区管道因不均匀沉降引起的应力，通过增大管道壁厚的整治方案最为经济、合理，但管线运行安全的根本保障还是避免管线路由敷设于高填方规划区内。

表4 管道应力校核结果表

图2 3种荷载组合下的管道应力云图

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