钢制燃气管道沉降的分析、控制与监测

2015-07-23中石化天然气分公司川气东输销售营业部吴刚强

上海煤气 2015年4期

中石化天然气分公司川气东输销售营业部吴刚强

0 概述

随着我国天然气产业迅猛发展，天然气输送管道发生受损的事故时有发生。造成天然气管道受损的主要原因有:外力作用的破坏、腐蚀、焊接材料缺陷和地基的不均匀沉降。对于填海区域内的高压天然气管道而言，尤其应考虑地面沉降对其造成的影响，由于填海区的沉降数值普遍较大，对于地下管道来说，沉降会造成管道变形，而填海区域经常发生的不均匀沉降会对管道造成更大的影响。虽然钢制管道具有一定的韧性，能够承受一定程度的变形，但当变形造成的当量应力超过材料的最小屈服强度，钢管就有可能发生破损或者断裂，造成天然气泄漏。管道中的高压天然气一旦泄漏，压缩气体会迅速膨胀，释放大量的能量。泄漏的天然气与空气混合后，遇到火种将引起爆炸、火灾，将会造成巨大的损失，对周围的环境和人员产生严重的后果。此外，即使没有发生爆炸，但管道发生泄漏后必然中断供气，将导致下游用户特别是大用户(如天然气电厂、大型工业用户等)的非正常停气，影响大用户的正常生产，造成相当大的经济损失。

1 管道沉降分析

近年来，随着我国经济和各项建设的快速发展，土地紧张的矛盾日益突出，在国家收紧土地“闸门”的情况下，合理的填海造地不失为解决这一问题的一种方法。然而，受填海技术的局限性，填海区域普遍存在比较严重的地面沉降现象，会对填海区内的各类建构筑物、地下管道等设施产生一定的影响。

1.1 工程地质分析

经过对某填海地区的地质勘探，将该项目路段地基土层划分为6个工程地质层及分属不同层次的亚层(见表1)。工程区域内工程地质层总体上分布较为稳定，各土层埋深、厚度变化不大。①层为填土，土质松散，工程性质差；②层为典型的软土层，强度低，压缩性高，是可能产生较大沉降的主要压缩层。①、②、②1、③、④为管道工程影响深度范围内的主要地基土层。

表1 工程区域内工程地质层划分

1.2 欠固结软土沉降特征

软土地质的工程特性是其变形孕灾的内因。工程所在区域范围内的软土具有含水量高、土体接近完全饱和、天然孔隙比大、垂向渗透性低、承载力低、凝聚力小而抗剪能力弱、灵敏度高而结构性强的物理力学性质。软土还具有非线性、蠕变性等特性。工程沿线普遍发育多个软土层的区段，从深部软土层到浅部软土层，随软土层埋深变小，含水量(w)、液限(wL)、液性指数(IL)、孔隙比(e)随之增大，而力学强度随之则减弱。

地面形变除与软土工程地质特性有关外，主要与围垦、填土建设等工程活动密切相关。围垦为城市提供了重要的城市发展空间。在自重固结沉降未完成的淤泥质软土区进行填土加载、快速开发建设，人为地加速了软土的排水固结—压缩沉降过程，是软土区出现大面积地面下沉与工程建筑损坏的主要原因，见图1。

图1 欠固结沉降模式(珠江三角洲平原)

地面形变量与软土沉积时代、软土层厚度、埋藏情况及其上覆的填土厚度大小相关。软土沉积时代越老、埋深越大、软土与填土层厚度越小的区段，地面形变量越小，对工程的影响越小；而沉积时代越新、埋藏越浅，软土与填土层厚度越大的区段，地面形变量就越大，对工程的影响越大。

软基沉降方式分为自重固结沉降和加荷固结沉降两个类型。前者沉降缓慢，沉降迹象不如后者明显，主要表现为垂向沉降，工程建筑与地面同步下沉；后者主要由工程建设等人类活动引起，沉降量大小直接取决于软土厚度和上覆填土厚度(填土重量)。以往调查结果表明，软土地面沉降过程一般都经历大幅沉降——降幅减小——趋于稳定三个阶段。

1.3 沉降案例分析

以澳门特别行政区为例:澳门陆上天然气输入传输系统位于澳门路环岛，自2007年12月竣工以来，该工程天然气管道和场站已运行7年多。该项目实施时考虑到填海区的沉降问题，因此输气管道和场站工艺装置区均采用桩基支撑，并设置了承台和管槽，以确保管道和工艺装置不发生沉降。从现场照片中可以看出，由于采取了有效的支撑，管道和工艺装置没有发生明显的沉降，但周围地形的沉降现象非常严重。

图2反映的是管道沿线道路的情况，可以看出管道所在位置的路面出现较明显的拱起，这是由于管道维持原标高而周边路面下沉造成的；图3反映的是场站内的情况，工艺装置区基本没有沉降，但周边的地面已有相当明显的下沉，场站内的地坪已出现比较严重的损坏。

图2 澳门道路沉降情况示意

同样，澳门陆上天然气输入传输系统的上游工程——横琴输气管道工程也出现了类似的情况，如图3所示。

图3 横琴输气首站沉降情况示意

根据以上现场实际情况可见，填海区内的沉降现象是比较严重的，如果不对管道和工艺装置采取有效的支撑措施，地面的不均匀沉降极有可能导致天然气管道和设施出现问题。

本文将结合填海地区的地质情况，在沉降计算以及应力计算的基础上，对管道基础进行比选，提出相应管道沉降控制推荐方案。

1.4 管道沉降影响因素分析

1.4.1 地面沉降对管道沉降的影响

根据对上海某段管道的沉降监测，取工程沿线位置对应的两组管道沉降和地面沉降监测点G9－S34和G49－S7进行分析。其沉降和沉降速率比较曲线如图4和5所示。

图4 管道直接点G9和对应水准点S34沉降曲线对比

图5 管道直接点G49和对应水准点S7沉降曲线对比

由以上两图可知，管道沉降和地面沉降间有如下关系:

(1)管道沉降比地面沉降量大。

(2)两者变形规律基本一致，即随着时间的发展，变形量逐渐增大，并且，在竣工后一年时间内，沉降发展较快，沉降量较大。

(3)前期管道沉降速率大于地面点沉降速率；后期管道沉降速率与地面沉降趋于接近。

(4)两者沉降速率都经历了前期沉降速率较大，后期沉降速率逐渐较小的趋势，管道在竣工初期沉降尤为明显。

这些表明，管道的沉降在很大程度上是受区域地面沉降所控制的。

1.4.2 其他管道沉降影响因素

1.4.2.1 工程地质条件差异对管道沉降的影响

通过1.1及1.2节的分析，工程地质的差异对管道的沉降也有一定的影响。由于燃气管道埋设深度一般都较浅，影响燃气管道沉降的主要是浅部土层的分布。软土层为产生较大沉降的主要压缩层，在上部荷载作用下，软土层固结过程缓慢、沉降稳定时间较长，工程后期总沉降量较大。而粉土层相对较厚，管道的持力层相对较好。后期沉降相对较小。

1.4.2.2 管道施工工艺的不同对管道沉降的影响

由于地质条件和周围环境条件的不同，管道敷设选用了开沟直埋、围堰直埋、顶管和定向穿越等不同的施工工艺。由于不同埋设方式的管道受力情况有明显差异，必然会对相应区段的管道造成不同程度的影响。

此外，管道地基处理措施方式的不同对管道沉降也有较大的影响。若管道地基处理措施不当，管道在竣工初期容易产生较大的工后沉降，其后随着管道地基土因压密而造成的工后沉降过程的完成，管道沉降量逐渐趋于稳定。

1.4.2.3 沿线工程活动对管道沉降的影响

建造建(构)筑物或者从事打桩、基坑开挖和顶进作业等施工活动，必然会对一定范围内的土体产生不同程度的影响，并可能对邻近范围内的地下、地上各类建(构)筑物的安全构成威胁。为保障燃气管网的安全运营，在管道保护区范围内进行可能危及管道安全的各类施工活动时，均需对管道进行保护性的沉降(位移)监测，以便发生问题时及时采取措施。

1.5 沉降变形的计算原理

因周边土壤不均匀沉降造成的钢制管道的轴向弯曲变形量，主要体现在管道的竖向曲率半径上。确定钢管允许的竖向曲率半径主要有以下3种方法:

方法一:根据钢管许用应力确定曲率半径。

该方法的思路在于模拟埋地管道的工作状态(内压、自重、土壤荷载等)建立模型，利用专业的应力计算软件CAESARⅡ对其进行分析计算，以管道所受应力不超过许用应力为条件进行倒推计算，算出管道能够承受的最小弯曲曲率半径。

方法二:根据《输气管道工程设计规范》(GB 50251—2003)确定曲率半径。

《输气管道工程设计规范》规定，垂直面弹性敷设管道的曲率半径不得小于钢管外径的1 000倍，且应大于管子在自重作用下产生的挠度曲线的曲率半径，其计算公式如下:

式中:R1——管道弹性弯曲曲率半径，m；

D——管道外径，cm；

α——管道的转角，°。

方法三:参照水平定向钻技术要求确定曲率半径。

《油气输送管道穿越工程设计规范》(GB 50423—2013)规定，定向钻管道穿越管段曲率半径不宜小于1 500D，且不应小于1 200D(D指管道外径)。

以上3种方法反映的是不同的工程含义:

方法一体现的是钢管材质的力学性能，反映的是钢管能够承受的曲率半径极限值(最小允许曲率半径)。当曲率半径小于该极限值时，钢管所受应力将大于许用应力，不能确保管道长期安全运行；

方法二是考虑管道连续敷设、支承条件介于简支梁和两端嵌固的中间状态，挠度系数取3/384推导而出，反映的是管道正常开挖施工所允许的曲率半径；

方法三是管道处于非开挖施工条件下的要求。水平定向钻敷设的穿越管段，一般采用弹性曲线敷设，若弹性敷设曲线的曲率半径合适，管段回拖就可能在泥浆中顺利进行，既不会损伤防腐涂层，也能保证管段有足够的强度安全裕量。若曲率半径过小，管道在弹性范围内将产生向上的弹性抗力，在回拖过程中有可能使管身贴着钻孔孔壁，增大管身与管壁摩擦，损伤防腐层。

考虑到工程实际情况以及高压天然气输气管道对长期安全运行的要求，建议按方法二计算管道允许变形的最小曲率半径，并按照方法一进行校核计算。

2 管道基础处理方案

根据上述分析，为预防管道沉降，除了加强管道设计、施工等各环节的质量外，还需对管道基础进行处理以及加强管道的沉降监测。

对于管道的基础处理，需满足以下两大原则:

(1)基础设计应满足工艺要求和结构要求，遵循结构安全可靠，施工快捷方便，造价经济合理原则。

(2)结构设计应根据工程场地的工程地质、水文资料及当地的施工技术水平，优化结构设计，选择合理的方案。

对于拟建场地淤泥土层普遍较厚，且为高压缩性土。当下卧软弱土层较薄时，可充分利用下卧良好土层，采用施工方法最为简便的换填法。当下卧软弱土层较厚时，采用桩基加固基础。考虑到管道沿线可能建造高架及快速路，周边工程施工时可能对管道基础及下卧土层产生一定影响，并且填海地区地质情况复杂，夹层多，抛填石料可能存在较大石块，因此所选桩基应具有抗扰动能力强，穿透能力强的桩基。

管道的基础处理主要有以下两种方案:

(1)钻孔灌注桩桩基加固法方案:桩长可根据实际地质情况按需取值，桩径一般为600 mm，纵向两排布置，以穿过淤泥层进入持力层为原则。根据管道沿线管径设立支撑点，如DN800管径可每间隔25 m设一桩基支撑点，DN500管道每间隔15 m设一桩基支撑点；桩基上设500 mm厚承台，长度1.2 m；相邻承台上架设2 m长混凝土管槽。天然气管道敷设在管槽内，并用PE柔性支架支撑天然气管道，管道周围300 mm范围内回填中粗黄沙，管槽内其余部分用细土填实。此外推荐在管道上方全线铺设钢筋混凝土盖板。

(2)管道地基基础加固法方案:管沟开挖后首先对沟底地基进行夯实，铺设100 mm砾石砂垫层并夯实，随后在砾石砂垫层上铺设厚度为150 mm的钢筋混凝土垫层。钢筋混凝土垫层和天然气管道之间设置PE管托，管托设置间距根据管道口径确定(DN800管道间隔25 m设置1处管托，DN500管道间隔15 m设置1处管托)。管道周围用细土回填并夯实。

根据对管线应力的分析以及对不良地质条件下管道基础处理方案的分析比较，当燃气管道敷设在软弱土层中，为减少地基的不均匀沉降、协调基础变形、满足燃气管道的正常使用、尽可能使管道的受力均匀，建议按照不同地区的地质情况进行分段研究。在地质条件较差，管道不能通过二次应力校核的情况下采用钻孔灌注桩桩基加固法作为地基处理方案,钻孔灌注桩较适应不同的地质条件；在地质条件较好，管道能够通过二次应力校核的情况下采用开挖直埋并加设钢筋混凝土垫层的排管工艺。

3 管道沉降监测

为预防管道沉降，还需结合管道敷设方式和地质环境条件，充分运用新方法、新技术，在对燃气管网进行系统沉降监测的同时，还应对局部危险性较大的管道进行重点监测。

从20世纪70年代以来，国内外的运行安全监测技术迅速发展并广泛应用，主要运用常规水准测量监测方法对大坝、桥梁、高层(耸)建筑物、防护堤、边坡、隧道、地铁、地表沉降及标志性建筑物等进行变形监测。发展到近阶段，除常规水准测量监测方法以外，自动化监测技术、GPS技术、INSAR技术等监测技术方法已逐步得到广泛应用。

借鉴城市输气管网沉降监测工作积累的经验及研究成果，和以往一些同类重大工程的沉降变形监护的经验，一般采取如下的管道沉降监测技术方案:

3.1 监测点布设原则

管道沉降监测点的布设主要根据管道施工工艺和沿线地理环境确定，为区分区域地面沉降变化量与管道自身沉降变化量，还需在管道沿线布设地面水准点，与管道监测点共同组成监测网络进行综合监测:

(1)管道自身的沉降和位移变化,可在管道上设置监测点，并采用传统的常规测量方法进行监测或者自动化监测方法获取沉降信息。

(2)工程沿线的区域地面沉降信息及发展趋势，可通过布设局部的区域地面沉降监测网络及采用传统的常规精密水准测量方法或者自动化监测方法实现。

(3)管道自身的应力变化信息,可通过在管道上设置应力计并通过自动化监测的方法获取监测信息。

3.2 监测点设计原理

(1)管道直接监测点采用人工开挖至管道底部位置，并将四周及下部略掏空，然后将事先加工好的圆形抱箍围住管道并用螺丝固定牢，将圆形抱箍上焊接好的不锈钢圆柱伸出至地面，并且在四周浇筑砼柱(20×20 cm)至地面(略低于不锈钢圆柱)，外面用砖块砌好保护井(与砼柱的间距10 cm)，顶端做窨井盖保护好监测点。埋设如图6所示。

图6 管道直接监测点埋设示意

(2)管道间接监测点埋设方法如下:首先利用地下管线探测仪确定管道的具体位置，为避免破坏管道防腐层影响管道的安全，采用人工开挖至距管道顶部1 m左右的位置，浇筑砼柱(20×20 cm)至地面(略低于不锈钢圆柱)，外面用砖块砌好保护井(与砼柱的间距10 cm)，顶端做窨井盖保护好监测点。埋设如图7所示。