高速施工對頂管穿越輸氣管道安全影響分析

摘要：西氣東輸二線管道在深圳市穿越機荷高速公路，EPC項目部在辦理公路穿越通過權時，高速管理方提出高速公路將進行擴建施工，要求輸氣管道穿越高速公路施工方案需按照高速管理方提出的建設技術參數進行調整。為節省工期及費用，輸氣管道設計人員根據高速管理方提出的技術參數，核算在高速施工過程中，管線是否滿足安全生產要求。

關鍵詞：頂管；高速公路穿越；混凝土套管；強度校核；管道安全

中圖分類號：TU990 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）27-0068-04

頂管施工是一種現代化的埋設地下管線的施工方法，它在不擾動管外層土層結構的條件下，利用頂進、擠壓等多種予力手段的予力技術作用原理，自控自支護自平衡土壓力，使管壁與原土層緊密結合，不會形成埋管回填土中的積水帶及浮力區，對地上地下環境的保護、對地上地下設施的無干擾破壞、施工安全可靠性、施工經濟效益等方面都具有較大的優越性。該施工工藝可在不阻斷交通的情況下進行施工，已經在國內外穿越公路中得到廣泛

應用。

1 工程概括

西氣東輸二線管道工程在深圳境內采用頂管方式穿越機荷高速公路，管線與高速交叉角為72°，穿越長度72m，穿越保護套管頂距離高速公路路面3.1m，滿足國家相關設計規范要求。管道穿越施工前，由高速管理方進行穿越施工方案審批。根據高速管理方施工方案審批意見，輸氣管道穿越高速需要在穿越段采取箱涵保護。現根據高速管理方提供的高速施工技術條件對管線及保護套管安全性進行校核。

機荷高速業主方提供機荷高速維修及改（擴）建范圍、施工條件技術參數如下：

1.1 高速公路擴建路基施工影響范圍及管道保護措施

1.1.1 管道穿越機荷高速公路時，考慮到未來路基加寬，要求西二線穿越路基段在預留高速公路加寬施工范圍應采取保護措施，且管道兩側各10m（垂直投影距離）范圍內的土基應予壓實，壓實度不低于96%，以避免道路施工及路基差異沉降影響管道安全。具體范圍為：機荷高速現公路用地線兩側各30m（垂直投影距離）。

1.1.2 西二線穿越現有高速公路時的管道頂部埋深應在現有地表面5m以下，建議穿越預留高速公路加寬施工范圍時采用箱涵進行保護，其余范圍采取套管保護。

1.2 拼寬路基施工工藝和壓路機施工參數

1.2.1 壓路機施工參數。振動壓路機質量30000kg，壓路機寬度2.4m，長度為5.4m，振動頻率（v）33Hz，振幅（A）2mm。

1.2.2 路基填土高度及要求。路基設計填土高度達到與現有高速公路高程一致，采用分層碾壓填筑。

1.2.3 施工工況。兩臺壓路機同時振動行駛至垂直穿越路基的管道頂面時，兩臺壓路機的振動能量、壓路機及填土荷載對管道產生的壓力對西二線的影響最大。

1.3 施工運輸車輛荷載

施工運輸車輛最大載荷重量可達120t。

1.4 設計荷載指標

高速公路設計計算荷載為公路I級。

2 研究目標

西氣東輸二線管道穿越機荷高速公路，輸氣管道采用頂進圓形鋼筋混凝土套管施工工藝。根據深圳高速公路股份有限公司提供的機荷高速公路維修及改（擴）建施工范圍及施工條件技術參數，本研究主要計算西氣東輸二線所選用套管在強度上是否安全可靠，同時分析機荷高速公路維修及改（擴）建時，壓路機產生的振動是否對已建天然氣管道的安全運營產生影響。

3 套管結構受力計算

根據西氣東輸二線機荷高速穿越0版施工圖，穿越機荷高速公路的圓形套管內徑為R=1.5m，壁厚為t=0.15m，設計采用《頂進施工法用鋼筋混凝土排水管》（JC/T 640-2011）規范推薦的DRCP Ⅲ1500×2000A型鋼筋混凝土套管。

3.1 計算條件

套管頂填土高度 H=5m

土的內摩擦角 φ=27°

填土容重 γ=18.2kN/m3

地基容許承載力 [σo]=200kPa

施工運輸汽車總重 120t

壓路機總重 30t

內摩擦角φ 27°

3.2 強度校核

按套管受力最大的情況來校核，因此，校核套管強度時荷載組合為：土壤壓力+活荷載。土壤壓力按照最極端工況，即頂管穿洞時未被破壞的土壤形成的消力拱作用喪失，套管承受上方全部土壤

壓力。

3.2.1 土壤垂直荷載：

式中：

：溝埋式土壤垂直荷載，N/m2；

：土壤密度，kg/m3；

：重力加速度，m/s2；

：管子外徑，m；

：考慮填土沉陷時，土壤摩擦力影響系數。

根據埋管的及的值取=4.12。

：由管頂到路面的填土厚度，m；

：由溝底基底到管頂的距離，m；

S：根據管子剛度和基底性質決定的系數。

計算得出=132.3kN/m2。

3.2.2 活載。施工運輸汽車總重120t，壓路機總重30t，取施工運輸汽車荷載作為最大活載參與組合計算。套管頂覆土厚度為5m，覆土對汽車的輪壓具有擴散作用，在覆土中汽車輪壓擴散角度按30°考慮，覆土越厚，汽車輪壓擴散越充分，當覆土厚度滿足夠厚，輪壓擴散足夠充分時，汽車輪壓荷載可按均布荷載考慮。本次計算根據《給水排水工程埋地管芯纏絲預應力混凝土管和預應力鋼筒混凝土管管道結構設計規程》（CECS140-2002）附錄C進行計算，計算如簡圖1所示：

a.順輪胎著地寬度的分布 b.順輪胎著地長度的分布

圖1 地面車輛荷載作用套管頂標準值計算簡圖

車輛輪壓產生的管頂處單位面積上豎向壓力標準值，其計算公式為：

（2）

式中：

：車輛輪壓產生的管頂處單位面積上豎向壓力標準值（kN/m2）；

：動力系數，由于覆土5m，本次計算取=1；

：地面車輛的單個輪壓標準值，由于本次計算的汽車載重為120t，取=70kN；

：單個車輪著地分部長度，本次計算取=0.6m；

：單個車輪著地分部寬度，本次計算取=0.2m；

：設計管頂至地面的深度，本次計算=5m。

通過計算得出，車輛輪壓產生的管頂處單位面積上豎向壓力標準值=1.3kN/m2。

套管總垂直荷載Q=+=133.6kN/m2。

根據《頂進施工法用鋼筋混凝土排水管》（JC/T 640-2010）標準，型號為DRC1500×2000G Ⅲ A鋼筋混凝土套管裂縫荷載為135kN/m2，破壞荷載為203kN/m2，套管總垂直荷載小于鋼筋混凝土套管裂縫荷載及破壞荷載，因此該套管滿足要求。

4 壓路機震動對管道的影響分析

高速公路路基壓實施工必須采用較大噸位的鋼輪振動壓路機對路基土體進行碾壓，使其達到規范要求的路基密實度指標。

4.1 計算原理

壓路機振動碾壓路基產生振動波，振動波在土中傳播時，由于土的內部阻力及振波的能量擴散，使振波的振幅隨離開振源距離的增大而逐漸減小，衰減后離震源一定距離的土體震動質點的簡諧振幅的大小，直接決定著震波傳播到該點震動能量的大小。當壓路機作為震源做豎向或水平向振動時，距該振動點中心一定距離處地面質點的豎向或水平向的振動線位移及質點振動速度，可根據機械工業部《動力機器基礎設計規范》（GB50040-96）中關于地面振動衰減的經驗公式計算確定。因此，可以得出水平方向上距離壓路機不同距離地表質點的受影響情況。

4.2 計算條件

路基施工時，壓路機碾壓路基征地紅線邊緣處的地基可認為距離未受套管保護的管道最近，振動能量最大，對管道破壞影響程度最高，為最危險的控制點。因此，以壓路機碾壓在路基紅線位置為計算起點位置，未受套管保護的油氣管道距離路基紅線的距離為計算分析距離。

本次計算振動壓路機質量30000kg，壓路機寬度2.4m，長度為5.4m，振動頻率（v）33Hz，振幅（A）2mm。

選取距離震源15m范圍內，1m為間距設置15個計算點，計算不同位置地表質點最大振動線位移及最大振動豎向速度。

4.3 計算簡圖

4.4 理論計算分析

理論計算公式采用《動力機器基礎設計規范》（GB50040-96）中地面質點振動衰減的經驗公式，表達式如下：

（3）

對于方形基礎：

對于圓形基礎：

式中：

：距振動基礎中心r處地面上的振動線位移（m）；

：振動基礎的振動線位移（m）；

：基礎上機器的擾力頻率（Hz），一般為50Hz以下，對于沖擊機器基礎，可采用基礎的固有頻率；

：圓形基礎的半徑（m）或矩形及方形基礎的當量半徑；

：無量綱系數，按《動力機器基礎設計規范》（GB50040-96）附錄E.0.2條規定采用；

：地基土能量吸收系數（s/m），按《動力機器基礎設計規范》（GB50040-96）附錄E.0.3條規定采用；

：動力影響系數，按《動力機器基礎設計規范》（GB50040-96）附錄E.0.4條規定采用。

計算：

4.4.1 振動壓路機質量30000kg，壓路機寬度2.4m，長度5.4m，振動頻率（v）33Hz，振幅（A）2mm。

4.4.2 無量綱系數與地基土的性質和振動基礎的底面積大小有關，其值按《動力機器基礎設計規范》（GB50040-96）附錄E.0.2條規定，本次計算壓路機震源基礎按矩形考慮，當量半徑為小于0.5m，確定取0.8。

4.4.3 地基土能量吸收系數（s/m），按《動力機器基礎設計規范》（GB50040-96）附錄E.0.3條規定采用，本次計算取1.8×10-3。

4.4.4 動力影響系數，本次計算基礎底面積小于10m2，按《動力機器基礎設計規范》（GB50040-96）附錄E.0.4條規定采用，取1.0。

4.4.5 計算結論。選取距離震源15m范圍內，以1 m為間距設置15個計算點，計算不同位置地表質點的振動線位移及振動速度，其結果如下表：

根據普通物理學理論，振動壓路機工作時地面振動速度與振幅成正比，由壓路機振動引起地面質點的振動速度計算公式為：

式中：

：地面質點的最大速度（m/s）；

：距振動基礎中心r處地面質點的振動線位移（m）；

：振動固有頻率（Hz）。

根據計算結果可知，單個壓路機施工時，當管道距離高速公路路基征地紅線10m時，管道處的質點振動線位移為1.0×10-4m，質點振動速度為2.1cm/s，可以判斷高速公路征地紅線范圍10m時（垂直距離）天然氣管道處于安全狀態。根據深圳高速公路有限公司提供的資料，施工時考慮兩臺壓路機同時施工，兩臺壓路機引起的振動波會出現疊加，安全距離應輔以適當的安全系數，本次計算取1.5的安全系數，得出高速公路征地紅線范圍15m時（垂直距離）天然氣管道處于安全狀態，亦即從高速公路征地紅線范圍處至征地范圍外15m（垂直距離）內的天然氣管道應受鋼筋混凝土套管保護。

5 結語

（1）通過計算分析得出：西氣東輸二線輸氣管道與高速公路交叉的地段，埋地管道采用DRC 1500×2000GⅢ A型圓形鋼筋混凝土套管進行保護，混凝土套管結構安全。

（2）為滿足機荷高速公路維修及改（擴）建的要求，未受鋼筋混凝土套管保護的輸氣管道距離高速公路征地紅線的最小安全距離不應小于15m（垂直距離）。

通過本次校核，西氣東輸二線穿越機荷高速公路最終采用DRC 1500×2000GⅢ A型圓形鋼筋混凝土套管保護輸氣管道，并控制輸氣管道保護套管長度超出高速公路征地紅線不小于15m，否定了機荷高速業主方提出的“穿越預留高速公路加寬施工范圍時采用箱涵進行保護，其余范圍采取套管保護”的要求，本校核結論最終得到機荷高速管理方的認可，機荷高速穿越按頂混凝土套管方案順利實施，縮短工程施工周期30天，節省工程投資約50萬元，取得了良好的經濟效益。

參考文獻

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作者簡介：晏金龍（1980-），中國石油遼河工程有限公司油氣管道所工程師，研究方向：油田地面建設及長輸管道設計。

（責任編輯：周 瓊）