重车碾压下陕京管道力学响应与防护措施分析

杨政学，叶光，党学锋，李刚，时若楠，侯晓梅，武学健

（1.国家管网集团北京管道公司内蒙古输油气分公司，内蒙古 呼和浩特 010030；2.国家管网集团北方管道有限责任公司油气储运技术分公司，河北 廊坊 065000；3.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249）

0 引言

随着城市化进程的加快，各等级道路里程数迅速增长，道路与埋地管道交叉的情况也日益增多。交叉段管道除了受到覆土压力、内压等载荷外，还会受到的交通荷载的影响，尤其是一些重型工程车辆的反复碾压，会严重威胁管道的安全运行[1-6]。在2015 年，中石化某成品油管道就因重型施工车辆的碾压而破裂导致火灾；2021 年，武汉某燃气管道也因为车辆碾压导致泄漏。为此，国家应急管理部组织在2020 年和2022 年两次强调要对敷设在道路下的长输管道进行安全隐患排查，消除事故隐患。

对于车辆碾压作用下管道力学响应的研究已有一些学者完成了试验和数值模拟研究，基本明确了重车质量、管径、壁厚、内压等影响因素对管道力学状态的影响规律[7-10]。但是针对重车碾压作用下管道安全防护措施的研究较少，目前对于重车碾压作用下的埋地管道一般采用盖板防护、钢板防护或者盖板涵防护等措施。其中，盖板涵能够直接承担车辆荷载，阻断车辆荷载向下传递，起到保护管道的效果；其他的防护措施都能够不同程度的减小重车对管道造成的应力，但是这些方法对重车作用下管道力学状态的影响效果目前并没有更深入的研究。因而本文通过建立考虑管土非线性相互作用的重车碾压管道数值计算模型，对陕京线管道进行了重车碾压作用下管道力学响应计算，并对比分析了盖板防护、钢板防护两种措施的效果。以便于工程上对重车碾压作用下埋地管道的安全防护进行参考，更准确的保护管道安全运行。

1 典型工况

由于陕京管道沿线城市化发展较快，部分管段开始出现重车碾压的情况，这些管段设计阶段为一般埋地管段，未做任何保护措施。为了对陕京管道上方重车碾压是否存在安全隐患做出科学性的判断，通过建立陕京管道重车碾压作用下管道力学响应数值仿真模型，对重车碾压作用下的管道安全状态开展分析。

陕京管道常见管径为660 mm、711 mm、914 mm、1 016 mm、1 219 mm，每种管径的管道在实际运行中都设计了不同壁厚、埋设、内压等，归纳整理不同管道工况得到数值仿真模型的计算工况如下表1 所示。

表1 陕京管道服役工况统计

2 重车碾压数值模型

采用数值仿真分析软件ABAQUS，建立重车碾压作用下管道力学响应数值仿真模型[11-15]，几何模型包括路基、土壤、埋地管道及盖板。图1 为模型几何示意图，重车垂直行驶过管道上方。最终建立的重车碾压作用下管道力学响应数值仿真模型的几何部分如图2 所示。

图1 模型几何示意图

图2 重车碾压管道几何模型

图3 模型网格剖分示意图

图4 管道环向应力随行驶时间变化规律

本次计算工况中陕京管道采用X60、X70、X80 管材，因此设置数值模型中管材的弹性模量为210 GPa，泊松比0.3，密度7 850 kg/m2，管材塑性数据采用Ramberg-Osgood 模型。土壤模型采用Drucker-Prager模型，土壤材料参数根据不同城市道路下方埋地管道周围的土壤性质进行设置，以满足陕京管道在不同省市道路下方穿越时的土壤差异。

模型边界条件的设置，模型底部设置固定约束，对称面设置对称约束，管道和土体间设置“面面接触”，摩擦系数为0.3。为了准确模拟重车的运动，考虑路面不平度和车辆自身振动作用，模型载荷设置为具有空间和时间两个维度的随机动载荷，使用函数方法施加[16-17]。

模型中管道采用壳单元，单元类型设置为四节点曲壳单元S4R。其余部分为实体单元，单元类型为8节点六面体线性减缩积分单元C3D8R。模型在网格剖分时对管道及重车碾压的区域进行加密剖分，以保证模型计算的准确性。

将数值仿真模型计算得到的管道应力结果与作者团队前期的现场测试值进行对比[17]，结果表明按试验条件取模型相关参数，重车行驶至管道正上方时，数值模拟结果与现场测试结果的管道环向应力随行驶时间的变化规律基本一致，证明了本文数值仿真模型的准确性。

3 计算结果与防护措施

通过上述建立的陕京管道重车碾压作用下管道力学响应数值仿真模型，计算表1 给出的数值仿真模型工况，形成陕京管道重车碾压作用下管道应力速查表。对于无缺陷管道的安全评价，就可以直接通过该表得到管道MISES 应力，结合GB 50251 《输气管道工程设计规范》，与该管道所处等级地区的许用应力对比，即可得到待评估管段的安全状态。

基于以上安全评价结果，对处于危险范围的埋地管道需要采取保护措施[18-20]，目前重车碾压作用下埋地管道的安全防护常用钢筋混凝土盖板防护、钢板防护、盖板涵防护三种保护措施[21]。其中，盖板涵能够直接承担车辆荷载，阻断车辆荷载向下传递，起到保护管道的效果；钢板防护一般采用3 000 mm×2 000 m×30 mm 的钢板铺设于路面进行防护；盖板防护一般采用3 m×2 m×0.2 m 的钢筋混凝土盖板铺设于路面进行防护。本文通过建立数值仿真模型，对比分析未做防护、盖板防护和钢板防护三种工况下管道应力状态的变化。

3.1 不同防护措施保护效果分析

为了观察管道不同位置的Mises 应力分布情况，提取了无防护措施时数值仿真计算结果的管道Mises应力分布云图如图5 所示，管道不同位置（管顶、管底、管侧）的Mises 应力随轴向位置的分布规律如图6 所示。结果表明受重车碾压的管道，Mises 应力最大值位于管道顶部，因此对于无缺陷管道的安全评价，最需要关注管顶的Mises 应力情况。

图5 管道不同位置Mises 应力分布图

图6 管道不同位置Mises 应力随轴向位置变化规律

分别建立数值仿真模型，对比同一条件下未做防护措施、钢筋混凝土盖板防护措施、钢板防护措施三种方式对管道力学状态的影响。三种方式数值仿真计算得到的Mises 应力云图如下图7 所示。可以看出三种方式计算得到的管道最大Mises 应力都位于管道顶部，其中，未做任何保护措施时管道最大Mises 应力为137.3 MPa，铺设20 cm 钢筋混凝土盖板后管道最大Mises 应力为105.6 MPa，铺设30 mm 钢板后管道最大Mises 应力为102.7 MPa。

图7 不同防护措施的管道Mises 应力云图

不同防护措施计算得到的管顶Mises 应力沿管道轴向位置的变化如图8 所示，对比发现铺设20 cm钢筋混凝土盖板与30 mm 钢板对重车碾压作用下埋地管道的保护效果接近。在工程中对管道的长期保护建议铺设钢筋混凝土盖板或直接使用盖板涵保护；对于无法及时施工，且重型车辆临时通过的路段，可以铺设厚度不小于30 mm 的钢板。盖板或钢板的铺设要保证板的宽度不小于路面宽度，且要求板底地基应力足够大，板底地基平整密实无沉降，不能在松软的土地上直接铺设；当地基应力不足时，应先铺设砂砾石垫层并夯实，以并保证换填后地基应力满足设计要求。

图8 不同防护措施对管顶Mises 应力的影响

3.2 防护面积对防护措施效果分析

目前对盖板或钢板的敷设要求一般是钢板或盖板长度方向垂直管道中轴线，水平敷设，各板之间拼接应紧密，缝隙宽度不能超过2 cm。因此施工时需要多块盖板拼接使用，但需要使用的盖板数量，即铺设盖板的面积并没有明确。通过建立的数值仿真模型，计算了不同盖板数量（盖板宽度）对管道应力状态的影响，计算结果如表2 所示，不同盖板宽度保护下管道的Mises 应力云图如图9 所示。

图9 不同盖板宽度保护下管道Mises 应力云图

表2 盖板宽度对管道力学状态影响数据

提取得到盖板宽度对管顶Mises 应力的影响规律如图10 所示，研究发现敷设盖板可以有效降低重车碾压作用下埋地管道所受的应力，且盖板宽度的增加可以进一步降低管道所受的应力。但是随着宽度的增加，管道应力降低的幅度也减少，也就是随着盖板宽度的增加，盖板对埋地管道保护的效果逐步趋于稳定。建议在铺设盖板时至少保证盖板宽度要宽于路面的宽度，且宽于路面宽度2 m 时既能使得保护效果更好，同时也能充分利用盖板的保护效果。

图10 盖板宽度对管顶Mises 应力的影响规律

4 结论

本文通过建立考虑管土非线性相互作用的管道力学响应数值模型，计算分析了重车碾压作用下陕京管道的力学状态，对比分析了常用的重车碾压作用下管道安全防护措施，提出了更为可靠的防护建议以供参考，总结如下：

（1） 重车碾压作用导致管道产生整体垂向弯曲变形以及车轮碾压位置局部变形，管道仅受车辆碾压作用时，管底受到拉应力的作用，管顶受到压应力的作用。但由于管道内压的存在，重车在管顶产生的压应力与内压泊松效应产生的拉应力相互消减，使管顶应力减小；管底则是内压引起的拉应力与车辆碾压引起的拉应力相互叠加，使得拉应力增大。增加管径、壁厚、管道埋深可以降低重车载荷对管道产生的影响，车重对管道轴向应力的影响最大。

（2）工程中铺设标准的钢筋混凝土盖板与钢板对重车碾压作用下埋地管道的保护效果接近，建议对管道的长期保护采用钢筋混凝土盖板或直接使用盖板涵保护，对于无法及时施工且重型车辆临时通过的路段，可以使用钢板防护措施。

（3）盖板或钢板的铺设要保证板底有足够的地基应力，板底地基平整密实无沉降，不能直接铺设在松软的土地上；当地基应力不足时，应先铺设砂砾石垫层并夯实，以并保证换填后地基应力满足设计要求。敷设盖板或钢板的整体宽度至少要宽于路面的宽度，且宽于路面宽度2 m 时既能使得保护效果更好，也能充分利用盖板的保护效果。