輸氣管道工程山嶺隧道內外管道應力分析與安裝設計

陳 霖

（勝利勘察設計研究院有限公司，山東東營 257000）

0 引言

隨著我國天然氣長輸管道建設高峰期的到來，采用山嶺隧道方式在山區(qū)敷設管道的形式越來越多，本文以我國東南沿海地區(qū)某輸氣管道為例，介紹山嶺隧道內及進出洞口附近的管道敷設方式，并采用CAESAR II軟件對管道模型進行應力分析，優(yōu)化了管道敷設方式及其附屬設施的布置方式。

我國東南沿海地區(qū)某輸氣管道工程共設山嶺隧道18處，總長約18.5 km。

隧道內管道敷設可采用土堤敷設或支墩架設的方式，一般情況下土堤敷設適合于小坡度的長隧道，支墩架設適合于大坡度的短隧道。無論采用哪一種方式，都應把隧道內管道和隧道外進出口一段范圍內的管道作為一個整體進行詳細的應力分析計算，以確定安裝方式及補償、錨固方案。其中分析的要點為：

（1）關鍵點彎頭的受力分析。

（2）隧道內直管段的軸向、徑向穩(wěn)定性分析。

（3）洞口自然補償器和固定墩的優(yōu)化設計。

1 典型隧道的選取

經過對18條山嶺隧道的初步分析，并考慮隧道長度、縱斷面線型、敷設方式等因素，本次選取3號隧道、11號隧道、13號隧道、15號隧道共4條典型山嶺隧道進行分析。

具體選取隧道明細及選取理由見表1。

表1 典型隧道選取明細

2 模型建立

2.1 堤埋敷設隧道

3號隧道與11號隧道內管道采用堤埋方式敷設，采用堤埋敷設方式的隧道在管道進出隧道洞口的外側均設置自然補償器，在自然補償器遠離隧道洞口端設置埋地固定墩；其中11號隧道為人字坡隧道，在隧道中部變坡點處兩側各15 m處設置固定墩。

隧道安裝模型見圖1～3。

2.2 支墩敷設隧道

13號隧道與15號隧道內管道采用支墩方式敷設，采用支墩敷設方式的隧道，在隧道內管道上設置導向滑動支墩 （軸向可位移），原則上支墩間距為10 m，在管道進出隧道洞口的外側均設置自然補償器，在自然補償器遠離隧道洞口端設置埋地固定墩，在隧道內長斜邊段中點設置固定墩錨固，見圖4～6。

3 邊界條件設置

該輸氣管道及周邊環(huán)境的基本設計參數(shù)如下：

（1）天然氣氣相密度0.746 4 kg/m3（0℃），設計溫度20℃。

（2）設計壓力7.5 MPa。

（3）安裝溫度10～15℃ （考慮到洞內安裝）。

（4）最高操作溫度30℃。

圖3 隧道內管道堤埋敷設橫斷面模型

（5）防腐層為加強級3PE外防腐。

（6）試壓介質為潔凈水。

（7）熱煨彎頭曲率半徑取6D （D為管徑），冷彎彎管取40D。

（8）土壤物理力學參數(shù)。堤埋敷設管道周邊回填土壤的物理性能參數(shù)可按照表2選用，考慮實際施工情況，回填土物理力學性能參數(shù)可按照粘聚力較小的松散砂土選取。

表2 各類型土壤物理性能參數(shù)

圖5 15號隧道管道敷設模型 (長度單位：m)

圖6 隧道內管道支墩敷設橫斷面模型

（9）輸氣管道用鋼管的其他參數(shù)。模型中管道其他參數(shù)見表3。

4 運行工況應力計算結果及分析

CAESAR II是COADE公司的一款管道應力分析軟件。本次設計主要是利用該軟件的靜力分析模塊進行建模分析，包括對一次應力與二次應力進行分析：

（1）壓力荷載和持續(xù)荷載作用下的一次應力計算——防止塑性變形破壞。

（2）管道熱脹冷縮以及端點附加位移等位移荷載作用下的二次應力計算——防止疲勞破壞。

4.1 3號隧道

4.1.1 運行工況關鍵節(jié)點受力計算結果 （見表4）

表3 管材參數(shù)明細

表4 3號隧道運行工況下關鍵節(jié)點受力分析/kN

4.1.2 結果分析

3號隧道為采用堤埋敷設方式的小角度平坡隧道，其內部管道受力均勻，洞外可設置抗1 500 kN推力的固定墩。

4.2 11號隧道

4.2.1 運行工況關鍵節(jié)點受力計算結果 （見表5）

4.2.2 結果分析

11號隧道為采用堤埋敷設方式的小角度人字坡隧道，其內部管道受力均勻，洞內彎頭兩側應力較小，為防止管道軸向失穩(wěn)起拱，在洞內彎頭兩側設置抗500 kN推力的固定墩，洞外設置抗1 500 kN推力的固定墩。

表5 11號隧道運行工況下關鍵節(jié)點受力分析/kN

4.3 15號隧道

4.3.1 運行工況關鍵節(jié)點受力計算結果 （見表6、表7）

表6 15號隧道運行工況下長斜邊設置固定墩時關鍵節(jié)點受力分析/kN

表7 15號隧道運行工況下長斜邊未設置固定墩時關鍵節(jié)點受力分析/kN

4.3.2 結果分析

在支墩敷設段的長斜邊中間設置固定墩時，洞內架空處彎頭受力減小，且洞內固定墩受推力較小，在洞內設置抗500 kN推力的固定墩即可滿足推力要求，且便于在小截面隧道內施工。

洞內增加固定墩，對于洞外固定墩推力有一定影響，但是由于洞外固定墩施工不受空間影響，因此可以接受洞外固定墩處所受推力的變化，洞外可設置抗1 500 kN推力的固定墩。

4.4 13號隧道

4.4.1 運行工況關鍵節(jié)點受力計算結果 （見表8、表9）

表8 13號隧道運行工況下長斜邊設置固定墩時關鍵節(jié)點受力分析/kN

表9 13號隧道運行工況下長斜邊未設置固定墩時關鍵節(jié)點受力分析/kN

4.4.2 結果分析

比較13號隧道與15號隧道，可以得出以下結論：

采用同種敷設方式的管道，隧道長度比隧道坡度對隧道內管道受力的影響更大。

坡度較小時長斜邊中點處的固定墩所受到的推力較小。

洞內可以設置抗500 kN推力的固定墩，洞外采用1 500 kN推力的固定墩。

5 水壓試驗時管道應力校核

因水壓試驗工況溫差較小，可以不考慮二次應力的影響，僅針對強度試壓時內壓及介質載荷產生的一次應力進行校核。

本次設計根據(jù) “試驗壓力應以最高點壓力為準（最低試驗壓力應符合規(guī)范規(guī)定），且低點的管道環(huán)向應力不得超過鋼管最低屈服強度的0.9倍”的原則進行校核。各種壁厚管道對應的試驗壓力及允許高差見表10。

表10 隧道內各種壁厚管道允許高差對照

根據(jù)隧道高差明細以及以上校核，可以得出9號隧道、13號隧道、14號隧道內管道需要采用15.9 mm壁厚管材，其他隧道內管道采用12.7 mm壁厚，即可滿足水試壓要求。

6 結束語

結合本輸氣管道工程，對隧道內管道安裝的兩種形式進行了參數(shù)計算與分析。根據(jù)分析得出本工程管道安裝設置的一般原則如下：

（1）對于小角度隧道宜采用土堤埋設的方式進行管道安裝，對于坡度較大的隧道宜采用支墩敷設的方式進行管道安裝。

（2）在隧道出入口處需結合地形地貌利用管道轉向設置自然補償器，補償器角度宜為60°～90°。

（3）若安裝空間允許，宜在管道洞外彎頭兩側各20 m的地方設置固定墩，利用彎頭適當補償。

（4）對于人字坡隧道，為防止管道失穩(wěn)，在滿足上述設置原則的情況下，還應在折點彎頭兩側各15 m的地方設置固定墩。

（5）對于采用支墩敷設方式的隧道，大口徑管道 （DN800 mm以上）支墩設置間距原則上為10 m，采用混凝土墩與U形管卡式滑動支座相結合的方式，U形管卡用螺栓直接錨固在支座內，以防止管道發(fā)生徑向失穩(wěn)。

（6）對于采用支墩敷設方式的隧道，在長斜邊中點處設置一個抗推力的固定墩。

（7）對于堤埋方式的隧道，盡量采用摩擦力與粘滯力指標較為均衡的黏土回填在管道周邊，回填后需進行夯實，夯實系數(shù)不小于0.92。

每一項工程都有其特殊性，隧道管道敷設方式也不盡相同，應結合工程的具體情況，確定受力邊界條件，按確定的計算模型進行綜合計算、分析，應特別注意溫差導致的二次應力以及隧道內管道的水試壓工況的應力校核，以制訂合理的、安全的、經濟的管道敷設方案。

[1]GB 50423-2009，油氣輸送管道穿越工程設計規(guī)范[S].

[2]劉建武，付超，閆彥.長輸管道穿越山嶺隧道設計的有關問題[J].石油工程建設， 2009，35（2）：23-24.

[3]王進，劉武.輸氣管線山嶺隧道設計探討[J].天然氣與石油，2006，（3）：33-34.

[4]李長閣，李淑娟.長輸管道穿越山嶺隧道施工技術[J].石油工程建設， 2002，28（4）：22-25.

[5]陸悅.川氣東送管道工程山嶺隧道內管道安裝設計 [J].科技與企業(yè)，2011，（4）：60-61.

[6]張秀麗，李延金，楊小格.隧道穿越管道安裝設計分析[J].油氣田地面工程，2011，（4）:55-56.