天然气管道山体隧道穿越设计与施工

李 琳

中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆 400016

随着我国天然气管道建设规模的不断扩大，大口径管道在穿越大高程差、大坡度的山岭地段时采用隧道穿越已逐渐成为管道设计和施工的可靠方法之一，在西气东输二线、中缅管道及中亚管道的建设中均有一定的应用。相较于管道顺山势敷设，隧道穿越有效地克服了高程和地形障碍，降低了管道施工难度，减少了对地表植被的破坏和水土流失，既利于施工，也满足了环保的要求。由于管道途经山区地形地貌的情况复杂多变，如何实现隧道穿越管道的快速高效安装，并确保以后输气管道的安全运行，需要设计者重点关注。为此，探索分析大口径输气管道山体隧道穿越的管道稳定性校核、关键点应力分析和隧道施工参数等问题，确定合理的管道隧道穿越安装关键技术参数，可为天然气管道山体隧道穿越的精细化设计提供参考。

1 基本概况

某天然气管道山区穿越段管道设计压力10 MPa，规格为D916 mm×22 mm，采用直缝埋弧焊钢管，钢材等级为L555。管道安装段水平长1663 m，实长1674.5m。穿越段地区等级为二级，属剥蚀低山地貌，地形起伏较大，坡度25°～40°，高程260～640m。

隧道水平长1568 m，实长1575.9 m。隧道进口处位于北东向山脊的西侧边坡中段一小冲沟的沟头部位，标高约431.44 m；出口位于北东向山脊的东侧边坡近坡脚处陡坎下，标高约262.78 m；洞身横穿北东向山脊，洞身中部最大地面高程达632 m，最高点与进出口高差分别达211、370 m，最高处呈双峰状。

穿越地段浅表为第四系中更新统坡残积粉质黏土，下覆基岩为震旦系下段变余长石石英砂岩间夹杂砂砾岩，大面积出露印支东早中期花岗岩。

2 穿越管道安装设计

2.1 管道敷设方式

2.1.1 隧道内管道敷设

隧道内管道安装在钢筋混凝土支墩上，第一支墩中心距离进洞口洞门端墙中心20 m，隧道内支墩间距18 m，最后一个预留支墩位置距出洞门端墙中心不小于20 m。为补偿管道热位移可设置钢滑动支座。

支墩离管道焊缝间距大于1m，支墩顶面设预埋件，管道采用管卡固定，管道支墩及管卡处、固定墩处设置橡胶板，管道安装构件进行防腐处理，如图1所示。

图1 管道支墩及管卡

2.1.2 隧道外管道敷设

为减少因温度应力造成管道的变形和位移，在隧道洞口外设置锚固墩。隧道穿越段管道与线路管道的接口位置为锚固墩中心外5 m。根据现场地形情况，入口和出口端隧道内外管道连接如图2、图3所示。

图2 入口端隧道内外管道连接示意

图3 出口端隧道内外管道连接示意

出洞口处管道外用橡胶板包裹，橡胶板与洞壁间用砖封堵。隧道洞门外管道按一般线路段要求敷设，管顶埋深不小于1.2 m，管道四周回填细土。管道在隧道进口洞门外10 m处设置带2个弯头的L形补偿器，弯头角度均为90°，补偿器臂长20 m，补偿器用固定墩与线路段隔断。

2.2 管道强度和稳定性校核

2.2.1 强度校核

结合工程地质情况，经核算穿越段一般直管段壁厚为22 mm，热煨弯管壁厚为27.5 mm。根据GB 50251-2015《输气管道工程设计规范》要求进行强度校核，即当量应力不可超过最小屈服强度的90%。管道所受环向应力、轴向应力组合的当量应力校核计算步骤如下[1]：

（1）环向应力：内压产生的环向应力按GB 50423-2007《油气输送管道穿越工程设计规范》中推荐公式计算：

式中：σh为环向应力，MPa；D为管外径，取916mm；δ为钢管壁厚，取22mm；p为设计压力，MPa。

经计算，∑σh=208.18 MPa。

许用应力计算公式为[σ]=F准σs

式中：[σ]为许用应力，MPa；F为强度设计系数，根据GB 50251-2015规定的管道通过地区等级取值；准为焊缝系数，取值1.0；σs为钢管的最小屈服强度，MPa。经计算，[σ]=277.5 MPa，因此∑σh＜[σ ]，满足要求。

（2）轴向应力：内压与温度变化产生的轴向应力按GB 50423-2007的要求进行计算[2]：

当管段轴向变形受约束时：

（3）弹性敷设产生的弯曲应力：

式中：Es为钢材的弹性模量，取2.05×105MPa；μ为钢材的泊桑比，取0.3；α为钢材的线胀系数，取1.2×10-5m/（m·℃）；t1为管道安装闭合时的环境温度，取8℃；t2为管道输送介质在穿越处的温度，取40.1℃；Ds为钢管外径，mm；R为管道弹性敷设曲率半径，R=1000 Ds。

经计算，管道轴向变形受约束时，σa=82 MPa；弹性敷设产生的弯曲应力σb=102.5 MPa。按最大应力叠加，总轴向应力∑σa=σa+σb=184.5 MPa，小于[σ]，满足要求。

（4）当量应力：穿越管段计算各单项应力后，核算当量应力σe=∑σh-∑σa≤0.9 σs。经计算，σe=∑σh-∑σa=195 MPa＜0.9 σs=499.5 MPa，满足要求。

2.2.2 刚度校核

根据GB 50423-2007有关规定，穿越管段选用钢管的径厚比不应大于100。经计算，D916 mm×22 mm的钢管径厚比为41.6，远远小于100。因此，穿越段钢管的刚度满足规范要求。

2.2.3 抗震校核

结合地勘报告，场地所在区域抗震设防烈度小于6度，设计基本地震加速度值为0.05 g，动反应谱特征周期为0.35 s，设计地震分组为第一组。

根据GB 50470－2008《油气输送管道线路工程抗震技术规范》的规定，当大中型穿越管道位于地震动峰值加速度≥0.1 g的地区时应进行抗震校核[3]，本隧道所在场地50年超越概率5%的地震动峰值加速度为0.05 g，不需进行抗震校核。

2.3 敏感段应力静态分析

管道在压力荷载、机械荷载及热负荷等作用下，在整个管道或某些局部区域产生不同性质的应力。天然气管道应力校核主要参考ASME B31.8-2014，对管道敏感段应力分析主要包括静态分析和动态分析。在静态分析过程中，主要计算操作工况下的管道位移和约束反力，避免管道因过大位移而从支墩滑落，并校核管道在持续工况和膨胀工况下的应力，判定管道在设计条件下是否具有足够的柔性，保证其在应力许用范围内。

2.3.1 操作工况

在穿越管道闭合安装温度不低于8℃，管道运行温度40.1℃，工作压力10 MPa条件下，根据规范要求计算管道各关键节点的位移和约束力。通过应力分析，穿越管道关键节点的位移如表1所示。在操作工况下，管道各节点将受到施加在上面的约束力作用，各关键节点的受力情况如表2所示。

表1 管道关键节点的位移

2.3.2 持续工况

为校正管道的力学性能，对管道在持续载荷下的受力进行分析，如图4所示。经分析，在持续载荷下，管道各节点的应力均在许用应力范围内，其中应力最大点（见图4中高亮处）的计算应力值为228990.7 kPa，占许用应力的55.4%。

表2 管道关键节点的约束力

图4 持续工况管道应力分布模型

2.3.3 膨胀工况

由于管道温度变化而使管道承受膨胀应力的作用，可造成管道的变形。对管道温度变化造成的膨胀应力进行分析，结果如图5所示，在膨胀工况下，管道二次应力最大点（见图5中高亮处）的计算应力为264313.3 kPa，占许用应力的85.0%。

图5 膨胀工况管道应力分布模型

对穿越管道进行应力分析，管道在操作工况、持续工况、膨胀工况的应力均在规范允许的范围内，管道结构设计合理。

3 隧道施工参数设计

3.1 隧道内净空尺寸

隧道断面采用直墙圆拱形断面，其结构设置主要考虑隧道内满足出渣、通风、衬砌施工以及管道安装、检修和施工的要求。通常，隧道尺寸由隧道底板、隧道支墩、纵断面、扬拱确定，本工程隧道内管道布置如图6所示，隧道内净空高4000 mm。穿越管道安装在钢筋混凝土支墩上，支墩置于稳定土层或基岩上。

图6 管道布置及隧道内净空尺寸

3.2 隧道断面支护型式

初期支护根据围岩类型可采用喷射混凝土、挂网喷射混凝土、锚杆喷射混凝土等方式，见表3[4-5]。本工程对隧道初期支护采用准22水泥砂浆锚杆+准6钢筋网+准22钢筋格栅+C25喷混凝土的组合支护方式，围岩局部破碎时增设超前管棚或超前小导管注浆等预加固措施。

初期支护、仰拱封闭及回填完工后，采用自行式液压衬砌台车进行二次衬砌。二次衬砌采用先施工边墙及拱部，然后施工底板的工序。隧道洞身超前开挖开始进行衬砌，由进、出口两端相向且向隧道中部逐段推进。边墙、顶拱一次浇筑成型，不良地质地段根据监控量测情况先行衬砌，确保安全。

表3 不同围岩类型喷射方法

3.3 隧道纵向坡度

根据管道穿越段的岩层界面变化情况，管道走廊通道使用期间仅留有限的空间，保证检修时行人需要，故可采用单面坡形式。隧道纵向坡度设置主要考虑隧道施工、管道安装、排水等因素[6-7]。为满足排水的需要，隧道纵向坡度设计最小值不小于0.3%；为便于隧道施工和管道安装，本工程隧道纵向坡度设计为10.15%。

4 结论

某大口径天然气管道穿越山体隧道工程设计上确定了隧道断面为直墙圆拱形、管道敷设在钢筋混凝土支墩上穿越的技术方案。在严格执行现行规范的同时，需充分关注管道穿越山体隧道设计的关键点，才能为整个工程的顺利实施起到良好的控制作用，确保管道安装的安全和可操作性。现将本项目设计过程中获得的经验总结如下，以期为同类工程提供借鉴。

（1）为保证穿越隧道的管道安全，在隧道内和隧道外分别采取不同的管道敷设安装方式，即隧道洞口外设置锚固墩支撑管道，洞内设置钢筋混凝土支墩支撑管道。

（2）对穿越隧道的管道强度、刚度和抗震进行校核，确保在满足管道设计参数条件下，管道的稳定性符合设计规范要求。

（3）对穿越隧道的管道不同工况下的应力、位移和约束力校核，得到各关键节点上的应力分析情况，确定了管道的应力敏感区，验证了设计的管道各节点应力均在规定范围内。

（4）隧道施工参数方面主要从隧道结构尺寸、断面支护、纵向坡度方面加以考虑，以充分满足管道施工和安全运行的需要。