在役管道沉管技術研究

摘 要:在目前現役管道中，經常會出現管道局部地段裸露或頂部覆土層不夠的情況，為了管道能夠長期安全運行，需要對管道埋深不夠的地段進行改造，最終使得該段的管道覆土層深度達到要求。通常改造的方法有換管、沉管、加固等，本文就沉管技術進行探討，以石邯輸氣管線沉降為例，闡述了沉管所需適用條件、相關計算、施工方法等等，并根據其特殊性，突破原有沉管設計的平鋪段理念，對以后的沉管設計有一定的借鑒意義。

關鍵詞:沉管長度管道沉降量允許跨度

中圖分類號:TE97文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)01(a)-0091-02

1 工程概況

河北省天然氣管線沙河段因沙河市北洋村村民種植莊稼，挖沙平整土地，致使京邯天然氣管道在經過該地段時，管道兩側各5m范圍外的沙層被挖空，從而造成該段管道可能發生懸空的安全隱患。經技術、經濟等多方面比選，業主決定對該段管道進行沉管處理。

2 施工總體方案

根據管道沿線沙層的厚度以及現場調研的結果，并與業主結合，現役管道埋深不足段需在原來的基礎上平均沉降2.5m。根據測量資料及計算結果，確定里程0+165.9m處為管溝開挖起點，1+360.2m處為管溝開挖終點;平鋪段(里程約0+395.7m-1+145.7m處)只參加下沉不發生撓變。管溝總開挖長度近1200m，局部沉降深度最大達到2.6m。在已知國內沉降工程實例中，本工程為開挖長度最長，沉降深度最大的一次沉降工程。

在隨后的征地過程中，原設計開挖起點處，處于一片桃林之中，當地協調難度很大，業主提出開挖起點挪至L1301m(0+300m)處，且提出在(0+410m)處有一向上的彈敷曲線，由于開挖長度的縮減，應力得不到充分釋放，原來的設計已不能達到所要求的埋設深度。為了達到業主的要求，我設計人員根據本工程特點，突破常規沉降平鋪段設計概念，提出先沉降向上彈敷曲線段逐步釋放應力，沉降段待達到平鋪要求時，進而進行二次沉降的設計。在隨后沉降過程中，施工方根據設計方法，順利對該段管線進行了沉降，達到業主相關要求。

3 施工方法及相關計算

3.1 沉管適用條件

(1)要有開闊的地形空間。保證沉管段內管道開挖的連續性，不能出現不能開挖的地段，如鐵路、等級公路等。

(2)地質條件的要求。對于如石方段或不好開挖的地段不宜采用沉管。

(3)沉管段內的管道附件不能太多。如果有管道附件，需對其兩側一定范圍內整體進行沉降。

(4)管道材質的要求。對于運行時間較長的管道，由于管道的腐蝕，減少了管道允許的跨度。因此對于腐蝕較嚴重的管道不建議采用沉管。

(5)管道內輸送介質的要求。對于輸送熱油的管道，由于沉管期間，管子長時間在空氣中裸露，要考慮防止發生凝管事故。

3.2 計算方法

沉管設計考慮的主要參數有:最小管溝長度(即沉管長度)、管道沉降量和允許跨度。參考《運行中管道的下沉》API RP1117-1996(R2002) 及《現役管道的不停輸移動推薦作法》SY/T0330-2004主要計算如下。

3.2.1 最小管溝長度(即沉管長度)

最小管溝長度是在軸向應力不超過其極限條件下，管道跨度中心達到預定沉降深度時管溝長度。管溝長度按下式計算，它以彈性自由理論為基礎，并把管道簡化成兩端固定、荷載均勻的單跨梁。

(1)確定管道因內部壓力引起的縱向應力

式中:

SP-管道因內部壓力引起的縱向應力，psi(美標壓力單位);

P -管道的最大內壓，psi(美標壓力單位);

D -管道外徑，inch(英寸);

v -泊松比，0.3;

t -管道的公稱壁厚，inch(英寸);

(2)確定管道因溫差引起的縱向應力

ST=Eα(T1- T2)

式中:

ST-管道因內部壓力引起的縱向應力，psi(美標壓力單位);

E-管子的彈性模量，29×106psi(美標壓力單位);

α-管子的線性膨脹系數;

T1-管道的安裝溫度，℃;

T2-移動時的管道的工作溫度，℃;

(3)確定管道中現有彈性撓曲引起的縱向應力

沉管區域要求盡量地勢平坦，因此管道基本為平鋪。因此，

(4)確定管道現有的縱向應力

(5)確定要達到管子的期望垂直撓度而不超出縱向應力范圍的理論上所需要的最小溝長，m

式中:

L-最小溝長，m;

Δ-管道的中跨彎曲，feet(英尺);

FD-設計系數，取0.9;

SMYS-管材的屈服強度，psi(美標壓力單位);

3.2.2 管道沉降量

通過沉管段管道優化計算使產生彎曲應力集度最小。為了獲得理想的彎曲軸向應力分布，沉管段管道任一點的沉降量(如圖1)可由下式計算:

式中:

Δx-管子在距離x處的垂直撓曲，m;

Lr-發生撓變的管道實長，m;

Δ-管道的中跨彎曲，m;

x-沿著管道長度從管子沉降起點開始的距離，m;

3.2.3 允許跨度

式中:

LS-管道支座間最大允許跨度/m

SA-許用軸向彎曲應力，psi;

SS-拉伸軸向應力，psi;

FD-設計系數，取0.9;

D-管道外徑，inch(英寸);

d-管道內徑，inch(英寸)。

3.3 施工方法

為滿足沉管實際操作，開挖管溝的溝底寬度和邊坡應根據地質條件和實際操作需要確定。

3.3.1 支撐

根據計算確定的管道允許跨度對開挖出管道設置支撐?？紤]到管道的服務年限造成的鋼管屈服強度降低和建設該管道時的施工技術落后，可采用多種支撐形式相結合的措施，以保證在沉管過程中管道的穩定。

3.3.2 沉管實施步驟

(1)在現場探測出準確的管位和埋深，以管頂覆土最淺處為中心點，針對埋設不足段實地放線測量，確定兩端點并打樁定位，然后從兩端點開始沿管道中線位置向外各延伸所需的沉管過渡段長度，并在端點打小木樁定位，將沉管段加上兩段過渡段之和作為整個沉管施工開挖的管溝長度。

(2)將整個開挖管溝段全部先挖至管底位置，即將管道上方及兩側埋土開挖并清除干凈，根據允許跨度確定可靠的支撐間距。

(3)將管線開挖長度按照支撐間距等分并打小木樁編號，在各打樁處管底預留原狀土臺柱(或沙袋支墩)。然后將臺柱間管溝挖至設計深度，此時管道架空在臺柱上。為防止管道上拱和水平側向位移，需在臺柱位置的管道上方和兩側采用沙袋穩管，并采用三角架吊鏈穩固。

(4)待整個開挖管溝段完成，經檢查符合設計深度后，進行沉管作業。

(5)沉管作業:在編號為單數樁號的各預留土臺柱處，用小鐵鍬將土臺柱自管底向下挖削掉0.05m，使該支墩懸空0.05m。然后將雙號樁的支墩自管底向下降0.1m。在過渡段范圍內自沉管端點向開挖端點逐漸減少掏挖量。如此單雙號輪換掏挖，沉管段每次下降0.1m左右，直至管溝底為止，即達到沉管深度。

(6)待沉管段、過渡段深度等各項檢測指標均合格后，即可回填恢復地貌。

3.3.3 施工技術要求

(1)在施工作業帶范圍內，對于影響施工作業的石塊等應清理干凈。還應注意對土地的保護，減少或防止產生水土流失，應盡量減少破壞地表植被。

(2)應進行地下隱蔽物清查，以保證施工的順利進行和避免不必要的損失。

(3)在施工過程中，應注意避免損傷管道外防腐層，尤其是掏挖支墩時必須小心謹慎進行，若有損傷應及時修補。

(4)掏挖支墩時，必須統一指揮、統一行動、步調一致。

(5)沉管前務必對管道焊縫進行外觀和超聲波檢測，全部合格后方可進行沉管。

(6)為避免增加管道荷載，禁止在懸空段上行走、踩踏。

(7)沉管完成后，對防腐層進行檢漏、補漏、補傷，最后回填管溝。

(8)土壤承載能力

施工中應充分考慮土壤對設備或臨時支撐物的承載能力，保證管溝壁坡穩定。