沉管設(shè)計在中亞輸氣管道上的成功應(yīng)用

宋天旭 王建訪 劉袆（中國石油天然氣管道工程有限公司線路室，河北 廊坊 065000）

中亞天然氣管道烏茲別克斯坦段起自土克曼斯坦-烏茲別克斯坦邊境，止于烏茲別克斯坦-哈薩克克斯坦邊境，采用X70級管材，管徑1067mm，設(shè)計壓力9.81MPa，采用雙線間距16m并行敷設(shè)。沿線地貌以沙漠、沙丘、農(nóng)田、荒漠段為主，在樁號ZA0493-ZA0601n之間為有大量新月形沙丘的沙漠地段，通過對此地段進行現(xiàn)場挖試，發(fā)現(xiàn)砂土的安息角小，管溝成型極其困難，塌方嚴重。采用沉管下溝的方式，不但管道可以達到設(shè)計埋深，而且可以有效避免施工隱患[1]。

1 沉管設(shè)計方案

由于新月形沙丘地段在施工時管溝開挖成型比較困難，地基承受溝上的動載荷較差，采用大型機械組合下溝時，在中亞天然氣管道施工時，成功采用了雙側(cè)沉管法進行管道下溝，其施工作業(yè)帶如圖1所示：

圖1.新月形沙丘地段雙側(cè)沉管施工作業(yè)帶

照片1.新月形沙丘地段雙側(cè)沉管下溝作業(yè)

管溝開挖時，在平直地段采用兩臺單斗挖掘機在管道兩側(cè)同時進行開挖，管溝開挖過程中管道下的沙土在管道的重力壓力以及單斗側(cè)面的推力的作用下將塌落到溝底，挖掘機從側(cè)下方將溝內(nèi)的沙土挖出，同時管道不斷沉入溝底，直至達到設(shè)計埋深，挖掘機邊后退，邊進行開挖。在縱向坡度較大的地段，為防止開挖過程中在彎管兩側(cè)管道由于彎管下沉而拱起，從而產(chǎn)生應(yīng)力使管道無法沉入溝底的現(xiàn)象，此時采用四臺單斗挖掘機在彎管處向兩側(cè)分別開挖，挖掘機從側(cè)下方將沙土挖出，直至達到設(shè)計深度，兩組挖掘機分別向后退，向兩側(cè)分別開挖[2]。新月形沙丘地段雙側(cè)沉管下溝如照片1所示。

二、雙側(cè)沉管管道下溝受力分析

1.1 力學模型的建立

中亞天然氣管道工程烏國沙漠段Φ1067×15.9mm的管道沉管下溝，如圖2所示。

在力學上把管道的這種受力狀態(tài)簡化為懸臂梁受均布載荷的模型進行受力分析，如圖3所示。

1.2 受力計算

所用外伸梁端撓度公式及B點最大應(yīng)力的計算公式為[3]：

其中，f：撓度，mm

q：均布載荷，N/mm2

I:截面對中性軸慣性矩，mm4

E：彈性模量，N/mm2

σ：應(yīng)力，MPa

M：截面彎矩，KN.m

W:抗彎截面模量，mm3

由式（1）、（2）、（3）經(jīng)過計算得出B點的最大受力為：

D：鋼管外徑，1067mm；

t:鋼管壁厚，15.9mm；

d：鋼管內(nèi)徑，D-2t；

E：彈性模量X70鋼，2100000N/mm2；

F施工：撓度為2400mm；

L施工：管溝內(nèi)懸空段總長59m

圖2.管道沉管下溝示意圖

圖3.簡化為懸臂梁受均布載荷示意圖

由上式計算表明：直徑為1067mm，壁厚15.9mm的X70鋼制管道在B截面危險點的應(yīng)力為391.69MPa，遠小于X70鋼管允許應(yīng)力（0.9倍屈服強度），滿足規(guī)范要求。

2 雙側(cè)沉管施工技術(shù)要求

雙面沉管法是指在管溝的中心線上進行組裝焊接、防腐完畢后，然后采用挖掘機在管道的兩側(cè)同時進行管溝開挖[4]。管溝在開挖的過程中，由于管底被掏空，管子以自身重量開始下沉，直到整個管段完全沉到管底，達到設(shè)計要求的深度。雙側(cè)沉管法的流程如圖4所示：

圖4.雙側(cè)沉管施工流程圖

2.1 施工前準備

需要采用沉管施工的新月形沙丘地段在施工前，從測量放線、布管、焊接等要做好充足的準備，特別是測量放線和管道組裝焊接一定要按照設(shè)計圖紙要求位于設(shè)計線位的中心，并在管道下溝前進行復(fù)查，這是保證沉管作業(yè)后管道位于設(shè)計線位的關(guān)鍵。

2.2 管溝深度的控制

管溝深度設(shè)計要求最小為2.1m，而在沉管作業(yè)的過程中難免會有些地方出現(xiàn)大量沙子滑進管溝、淤沙，為使管溝能達到設(shè)計要求，現(xiàn)場在開挖時超挖10cm-20cm，同時管道在下溝時測量人員要隨時對溝進行測量，發(fā)現(xiàn)不合格的地方，應(yīng)立即整改。否則沉管下溝后很遠，溝邊沙子不斷滑向溝底，回頭處理將比較困難。

2.3 電火花檢漏及防腐補傷

管道在沉管下溝的過程中，除了防止管道受力變形外，還應(yīng)該重點關(guān)注挖掘機對管道外防腐層或者管道母材的損傷。中亞天然氣管道工程在新月形沙丘地段施工時，挖機與管道的平行間距不小于1.5米，同時挖機斗齒與管底間距不小于0.5米，有效的保證了挖機對管道及外防腐層的機械損傷。在沉管下溝過程中，管道下面的防腐層接觸溝底之前，專業(yè)人員要對管段的懸空部分進行電火花檢漏，對檢測出的漏點進行標記。專業(yè)人員應(yīng)對有破損的防腐層進行補傷處理，并再次進行電火花檢漏，直到檢測合格為止。

3 結(jié)語

沉管設(shè)計在在中亞管道的成功運用，解決了沙丘地帶管溝開挖的實際困難，與以往大開挖的設(shè)計相比，不僅節(jié)約了工程成本，而且加快了工程建設(shè)周期，值得在今后管在道線路工程設(shè)計中應(yīng)用和推廣。

[1]胡國強，熊新強，尚增輝等.沙漠地段天然氣管道施工技術(shù)[J].石油規(guī)劃設(shè)計，2005,16（6）：19-21.

[2]周廣合，肖勝軍，陳曉霞.沉管法在大口徑長輸管道工程中的應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)，2009,35(6)：45-47.

[3]建筑結(jié)構(gòu)靜力學計算手冊編寫組.建筑結(jié)構(gòu)靜力學書冊。北京：中國建筑工業(yè)出版社，1975.

[4]李虞庚等.天然氣長輸管道工程設(shè)計.北京：石油大學出版社，1995.