天然氣管道涉高速公路安全影響評價

康舒顏，吳志敏

(廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

隨著涉路工程項目建設需求的日益增加，涉路工程逐漸成為公路建設工程領域的重要控制性工程[1]。粵東天然氣主干管網海豐-惠來聯絡線工程作為廣東省天然氣管網規劃的一部分，將在天然氣管網體系的建立中起到重要作用，是對天然氣管網的有力補充和優化，有利于廣東實現能源結構的優化，最大限度地發揮天然氣管網的輸氣、調配能力。

為保證本工程的質量管理及涉路安全，需核查設計方案的可行性。本文針對天然氣管道穿越高速公路的特點對設計方案中的技術指標進行分析，主要分析套管結構的受力強度和頂管施工引起的地面沉降是否符合規范要求，同時對套管施工的頂力進行計算分析，為施工提供安全技術方面的支持與參考。

1 工程概況

粵東天然氣主干管網海豐-惠來聯絡線工程于LLHF099-LLHF100號樁頂管穿越S19興汕高速公路。天然氣管道采用頂進施工的Ⅲ級鋼筋混凝土套管，穿越地區等級為三級，設計系數為0.5，穿越處管道設計壓力為9.2MPa。設計管道擬采用φ914×14.6mm L485M直縫埋弧焊鋼管，防腐采用3層PE常溫型加強級防腐層，鋼管外設鋼筋混凝土套管(1500×2000Ⅲ級DRCP)，其內徑為1.5m、外徑為1.8m。穿越方向大致為西南～東北走向，穿越處管道與興汕高速公路交角為80°。采用泥水平衡頂管的方式施工，管道實長140.8m，穿越水平長度140.6m，鋼筋混凝土套管長度92m，管道埋深為3.7～12.6m，最大覆土深度為10.8m，頂管穿越的地層巖性主要為粉質黏土和全風化花崗巖。

2 套管結構受力分析

2.1 卸力拱矢高

天然氣管道的套管是鋼筋混凝土圓管，采用頂推法施工，其受力計算可以借鑒公路橋涵中圓管涵的相關理論。根據《路橋施工計算手冊》，頂推法施工的涵管，其受力計算采用卸力拱理論，即土體自身具有一定的自承載能力，可以將洞室頂部的荷載向洞室的兩邊傳遞，當滿足一定條件時會形成一種自承載結構“卸力拱”。

根據施工設計圖紙，套管位于全風化花崗巖層，內摩擦角φ取28.6°，卸力拱跨長為：

式中：D0—鋼筋混凝土套管外徑(m)。

卸力拱矢高的計算公式為：

式中：fkp—普式堅固系數；

L0—卸力拱跨長(m)。

套管側面外緣處的卸力拱矢高為：

本工程套管外徑為1.8m，通過計算可知卸力拱矢高為1.44m，套管邊緣處的卸力拱矢高為0.87m，為下一步計算提供依據。

2.2 車輛荷載附加應力

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)，公路-I級和公路-II級汽車荷載采用相同的車輛荷載標準值，車輛荷載如圖1所示。車道荷載橫向分布系數按設計車道數以及如圖2和圖3所示的車輛荷載布置進行計算。

圖1 車輛荷載

圖2 車輛荷載橫向布置(單位：m)

圖3 車輛荷載布置的立面和平面

計算頂管上車輛荷載引起的豎向應力時，車輪按其著地面積的邊緣向下呈30°角分布(后輪著地寬度及長度為0.6m×0.2m)。當幾個車輪的壓力擴散線相重疊時，擴散面積以最外邊的擴散線為準，其中覆土深度為天然氣管道管頂至土層表面的垂直距離，取最大值10.8m。考慮高速載重車的實際情況，汽車荷載值按高速公路汽車荷載增加1.3的安全系數，取1 430kN；應力擴散面積標準值為459.3m2，計算得到車輛荷載附加應力為3.11kN/m2。

2.3 頂管荷載

根據普氏卸荷拱理論，進行頂管施工時，由于天然氣管道上部的土層形成了卸荷拱，上部土壓力不能直接等同于覆土重力計算，需考慮卸荷拱效應。當實際覆土深度H≥(2.0～2.5)h0時,可在土層中形成卸荷拱，因此當采用卸荷拱理論計算時，要提前進行驗算判斷是否滿足要求[2]。

由于套管頂部地層為粉質黏土，且穿越興汕高速公路實際最大覆土深度為10.8m，H≥2.5h0=3.6m，故采用卸荷拱理論進行計算，其中土的重度根據工程地質情況取18.4kN/m3。

套管管頂的垂直土壓力強度為：

σ土=γ土×h0=18.4×1.44=26.5kPa

式中：γ土—土的重力密度(kN/m3)。

套管承受的荷載：

=39.3kN/m

根據《混凝土和鋼筋混凝土排水管》(GB/T 11836-2009)第4.1條，型號為DRCPⅢ1500×2000鋼筋混凝土套管的破壞荷載為203kN/m。通過上述計算得出套管所承受的總荷載為42.41kN/m，由此可見套管所承受的總荷載小于規范要求的鋼筋混凝土套管破壞荷載，頂管穿越既有高速公路段的套管強度滿足要求。

2.4 改擴建施工套管

考慮高速公路擴建施工時可能使用振動壓路機等重型機械，對擴建施工時的套管進行受力分析。根據施工經驗，路基施工時壓路機噸位一般不大于32t，本文以32t振動壓路機為例進行計算。計算參數：工作質量32t；前輪分配質量21t；后輪分配質量11t；壓路機輪寬為2m。

由于原有路基兩側擴建，下穿高速公路擴建段最小覆土深度1.6m，建成后最大覆土深度11.1m，以上覆土深度均已考慮清表厚度(30cm)，分別對壓路機在覆土深度1.6m和11.1m兩種作業工況下進行分析。考慮壓路機振動時振動荷載最大值為靜載的1.5倍，計算頂管上壓路機荷載引起的豎向應力時，車輪按其著地面積的邊緣向下呈30°角度分布。

表1 各下穿套管頂面壓路機荷載附加應力

(1)工況1:

P≥P土+P車=1.6×18.4+22.48=51.92kN/m2

(2)工況2:

P≥P土+P車=11.1×18.4+2.11=206.35kN/m2

改擴建施工期間套管受力W：

式中：W—套管受力(kN/m)；

D0—套管外徑(m)；

P土—作用于管道的土壤垂直荷載(kN/m2)；

P車—管頂承受汽車的荷載(kN/m2)；

μ0—土壤彈性抗力系數。

=158.05kN/m

根據《混凝土和鋼筋混凝土排水管》(GB/T 11836-2009)第4.1條，型號為DRCP Ⅲ1500×2000的鋼筋混凝土套管破壞荷載為203kN/m。根據計算結果，改擴建施工期間套管受力強度為158.05kN/m，在改擴建施工期間套管強度可滿足要求。

3 路基路面沉降影響分析

頂管施工過程中，前方土體受到擠壓呈向上向前的移動趨勢，頂進速度控制不當易產生地表面隆起，如果超挖或泥水開挖導致管道外壁與土體之間形成一定的空隙，則周圍土發生塌落，可能產生地面沉降甚至坍塌，將對高速公路正常運營造成嚴重的影響。因此，對頂管穿越施工可能引起的地面沉降進行分析非常必要，可根據分析結果提出相應的控制措施。計算頂管穿越施工引起地面沉降的主要方法有經驗法和解析法。

圖4 Peck地面沉降槽

目前工程界常采用Peck提出的地面沉降橫向分布估算公式[3]：

Smax=vl/2.5i

式中：Sx—地面沉降量(m)；

x—離頂管軸線的水平距離(m)；

Smax—管道軸線上方的最大地面沉降量(m)；

i—地面沉降槽寬度系數(m)；

vl—管道單位長度的土體損失量(m2)。

η取值根據管道所處層位的土體性質來確定，相同條件下，土質越好，η越小[4]。自穩性差、易流失的土取大值。i的經驗公式為：

式中：H—頂管埋置深度(m)；

φ—土的內摩擦角。

根據設計文件，本工程管道穿越地層主要為全風化花崗巖，土體損失率η取2%，內摩擦角φ為28.6°，取覆土深度最大處計算路面沉降量，結果如下：

Smax=vl/2.5i=0.051/(2.5×7.88)=2.59mm

同樣對埋深3.7m管道(管道頂部距興汕高速公路邊溝埋深處)進行計算，本工程路面最大沉降量計算結果見表2。

表2 路面最大沉降量計算結果

經計算,當管道埋置深度為3.7m時，穿越施工引起的地面最大沉降為10.79mm；當管道埋置深度為12.6m時，穿越施工引起的地面最大沉降為2.59mm。

根據《給水排水工程頂管技術規程》(CECS 246：2008)第13.2.4條：頂管造成的地面沉降量不應超過下列規定：公路小于或等于20mm。根據計算結果，本文穿越處路基路面沉降量均小于規定的20mm，滿足標準要求，對路面的沉降影響較小，保證施工期間路基路面沉降量控制在允許范圍內。

4 施工頂力影響分析

根據《油氣輸送管道穿越工程施工規范》(GB 50424-2015)第8.2.2條規定,頂進力按下式計算:

式中：F—施工頂進力(kN)；

D0—鋼筋混凝土套管外徑(m)；

L—頂管穿越長度(m)；

fk—觸變泥漿減阻管壁與土的平均摩阻力(kN/m2)。

根據設計要求和施工方案，頂管機外徑為1.812m，頂管穿越長度為92m。以最大覆土深度10.8m(路基頂面右側)為例，由于頂管穿越不同地層，覆土深度與土的重度取值分為兩段。頂進方式為泥水平衡頂管[5]，采用上述規范表8.2.2-2中泥水平衡式迎面阻力公式進行計算。

=548.96kN

式中：Dg—頂管機外徑(m)；

Hs—覆土深度(m)；

γ土—土的重力密度(kN/m)。

根據工程概況和資料，D0取1.8m，L取92m，fk取10kN/m2。

施工頂進力為：

=5202.48+548.96=5751.44kN

根據《給水排水工程頂管技術規程》(CECS 246-2008)第8.1.1條規定，鋼筋混凝土管頂管傳力面允許的最大頂力按下式計算：

式中：Fdc—鋼筋混凝土管道允許頂進力標準值(kN)；

φ1—混凝土材料受壓強度折減系數；

φ2—偏心受壓強度提高系數；

φ3—材料脆性系數；

φ5—混凝土強度標準調整系數；

γQd—頂力分項系數；

fc—混凝土受壓強度設計值(N/mm2)；

Ap—管道的最小有效傳力面積(mm2)。

本文根據實際情況φ1取0.9、φ2取1.05、φ3取0.85、φ5取0.79、γQd取1.3。經計算，鋼筋混凝土管道允許頂進力標準值為：

=6 415.9kN>F=5 751.44kN

根據計算結果可知，粵東天然氣頂管施工頂進力小于規范的管道允許頂力值，滿足規范要求。

5 結語

(1)粵東天然氣主干管網海豐-惠來聯絡線工程與S19興汕高速公路交叉，埋深天然氣管道采用鋼管外設鋼筋混凝土套管(1 500×2 000Ⅲ級DRCP)。經計算分析，頂管穿越既有高速公路和高速公路改擴建施工期間混凝土套管結構受力強度均滿足規范要求。

(2)粵東天然氣管道埋置深度為3.7～12.6m。經計算分析，頂管穿越施工引起的地面最大沉降量滿足規范要求。施工過程中應加強防護措施和路面沉降監測，也可按照相關技術標準及規范布置沉降觀測網。

(3)套管頂部距離公路邊溝底面最小值為1.9m，套管頂部距離公路路面最大值為10.8m。經計算分析，粵東天然氣頂管施工頂進力小于規范的管道允許頂力值，符合相關規范要求。

(4)針對本文天然氣管道頂管施工的特點，建議頂管施工期間對興汕高速公路路面沉降進行監測，頂管施工期間至少按1次/d觀測路面沉降，直至頂管施工完成。同時建議編制相關的應急預案。