天然氣管道穿越高速公路的方案設計

王飛龍，張洋，黎瀚陽

(中國市政工程華北設計研究總院有限公司合肥分公司，安徽 合肥 230000)

1 工程概況

環巢湖天然氣高壓管線工程合肥—巢湖段項目是安徽省天然氣主干管網的一部分，管道設計壓力為6.3 MPa，管徑DN700，項目建成后將提高安徽省的天然氣輸配調度能力，并承擔合肥市乃至安徽省儲氣任務。環巢湖管線起點位于肥東縣店埠鎮，終點位于巢湖經濟開發區，管線不可避免與明巢高速交叉1 次。管線穿越明巢高速位置位于夏閣樞紐北側，高速樁號為K128+513。根據GB 50423—2013 《油氣輸送管道穿越工程設計規范》7.1.3 條：穿越鐵路或二級及以上公路時，應采用頂進套管、頂進箱涵或水平定向鉆穿越方式，并滿足路基穩定性的要求[1]。

2 穿越方案

燃氣管道穿越公路的設計要求主要參考國家標準GB 50423—2013 《油氣輸送管道穿越工程設計規范》和安徽省地方標準DB34/T 2395—2015 《涉路工程安全評價規范》等。

根據規范要求及考慮到明巢高速的重要性，擬采用成熟可靠的非開挖頂管穿越方式。頂管就是把鋼筋混凝土套管段沿著導軌進行頂進作業，首節鋼筋混凝土套管頂進是頂管作業的關鍵，頂進時需隨時進行測量與糾偏。每頂進0.5 m 要進行一次測量，并根據實際測量結果進行糾偏，避免產生偏差。當套管頂進至對面接收井時，本次頂管作業完成，然后將天然氣管道組對焊接，利用頂進井進行穿管。

2.1 管材及壁厚選取

針對目前鋼管市場材料價格行情，本項目直埋段采用L485M PSL2 直縫雙面埋弧焊接鋼管，鋼管的制造及驗收均應符合GB/T 9711—2017 《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》標準[2]。根據GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》的規定，鋼管壁厚與鋼管外徑、設計壓力、鋼管的屈服強度、強度設計系數及溫度折減系數有關，鋼管直管段壁厚按下式計算：

式中：P為設計壓力(MPa)，取6.3 MPa；D為鋼管外徑(mm)，取711 mm；σs為鋼管最小屈服強度(MPa)，取485 MPa；F為強度設計系數，取0.4；φ為焊縫系數，取1；t為溫度折減系數。

根據式(1)，計算直管段壁厚如表1 所示。

表1 直管段壁厚計算表

考慮工廠加工偏差、管道腐蝕余量等原因，本次高壓天然氣管道選用D711×12.7 mm，L485M PSL2直縫雙面埋弧焊接鋼管。

2.2 套管選取

根據GB 50423—2013 《油氣輸送管道穿越工程設計規范》 7.1.11 條：采用套管穿越公路、鐵路時，套管內徑應大于輸送管道外徑300 mm 以上。套管采用人工頂管施工方法時，套管內直徑不宜小于1 m。根據DB 34/T 2395—2015《涉路工程安全評價規范》5.2.2.1 條：管線穿越公路時，應設置地下通道(涵)或套管，通道或套管應按相應公路等級的汽車荷載等級進行驗算。套管內徑應大于被保護管線直徑的5%以上，套管兩端應使用耐久的材料密封。因此本項目采用DRCP Ⅲ 1200×2000C 標準鋼筋混凝土套管，制造標準采用GB/T 11836—2009 《混凝土和鋼筋混凝土排水管》[3]。

2.3 頂管穿越方案

管道穿越與高速公路平面位置關系如圖1 所示。

圖1 管道穿越平面圖

管道穿越與高速公路橫斷面位置關系如圖2 所示。

圖2 管道穿越縱斷面圖

穿越方向為西北-東南方向，管道與高速公路角度約88°。起始管道里程樁為0+140.00，末點管道里程樁為0+260.0，穿越工程頂進長度120 m。套管采用DRCP Ⅲ 1200×2000 C 鋼筋混凝土套管(制造標準采用GB/T 11836—2009 《混凝土和鋼筋混凝土排水管》)，其最低點控制標高為14.65 m(1985 年國家高程基準，管底)。頂管段輸氣管道控制標高為14.95 m(1985 年國家高程基準，管底)[4]。

2.4 穿越位置地質情況

本次水平頂管穿越的地基土層及巖性特征如下：

①層素填土：灰褐色、雜色，濕，松散，以黏性土為主，含大量植物根莖，局部夾雜少量碎石、磚塊等。

②層黏土：黃褐、褐黃色，稍濕，硬塑、局部可塑，含鐵錳結核、少量氧化鐵及高嶺土等，切面光滑有光澤，干強度高，韌性高。

如表2 所示，根據地質情況，擬建場地地層較為簡單，巖土種類不多，地基土均勻性一般，地基持力層屬同一地貌單元，適合頂管穿越。

表2 地基設計參數建議值一覽表

3 套管荷載校核計算

設計參數：管頂埋深H=11.21 m；土重γ=18.5 kN/m3；鋼筋混凝土容重γ1=26 kN/m3；土體的內摩擦角?=14.3°，黏聚力Ck=8.0 kPa。

公路參數：公路等級一級，設計時速80 km/h。

套管：DRCP Ⅲ 1200×2000C 標準鋼筋混凝土套管，制造標準采用GB/T 11836—2009 《混凝土和鋼筋混凝土排水管》。

3.1 管道外力計算

根據JTG/T 3365-02—2020 《公路涵洞設計規范》第9.3 條規定，混凝土圓管涵的設計僅考慮車輛荷載、圓管涵自重和填土產生的等效荷載產生的作用組合。管壁環向壓力和徑向剪力可不計算，僅考慮彎矩作用效應。

(1)恒載計算

(2)活載計算

3.2 外力組合計算

混凝土圓管涵結構應按JTG 3362—2018 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》的規定進行正常使用極限狀態下短期、長期組合計算。

(1)管壁彎矩計算

土壓力產生的彎矩：

車輛荷載產生的彎矩：

(2)承載組合計算

正常使用極限狀態下短期組合設計值：

正常使用極限狀態下長期組合設計值：

承載能力極限狀態組合：

3.3 截面強度計算

根據JTG 3362—2018 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》第5.2.2 條鋼筋截面抗彎承載力計算應符合下式規定。

3.4 裂縫寬度計算

根據JTG 3362—2018 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》第6.4.3 鋼筋混凝土構件最大裂縫寬度應按下式計算。

裂縫寬度：Wcr=0.02 mm < 0.20 mm (13)

查JTG 3362—2018 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》表6.4.2 鋼筋混凝土構件在Ⅰ類一般環境下最大裂縫寬度限制為0.2 mm，本項目最大裂縫寬度0.02 mm，符合規范要求。

經上述計算分析認為，本次穿越工程所用的鋼筋混凝土套管可以滿足承受的荷載要求。

4 安全風險防護措施

4.1 設計方面

管道采用D711×12.7 mm 直縫埋弧焊接鋼管，鋼級為L485M PSL2，外防腐層為3PE 加強級防腐，采用熱收縮套進行補口。管道焊接采用手工下向焊或半自動下向焊工藝。管道環向焊縫內部質量檢驗采用100%超聲波探傷和100% X 射線照相檢查。

本次穿越高速公路管道應單獨試壓。試壓前采用清管器進行清管球清管。管道采用潔凈、無腐蝕性水進行強度試壓，試驗壓力值為9.45 MPa，穩壓時間4 h，無泄漏為合格。強度試壓合格后進行嚴密性試壓，嚴密性試壓時，試驗壓力為6.3 MPa，穩壓時間24 h，壓降不大于1%試驗壓力值，且不大于0.1 MPa 為合格。最后還應進行干燥清管，以防管道內壁腐蝕。頂管施工管道安裝完成后，鋼管與套管之間應用泡沫混凝土填實(可多次填充靜置固化、確保填充完全)，套管兩端用柔性、防水材料密封。在穿越兩側端點和公路路邊設置標志樁和警示牌共計4 組。

4.2 施工方面

頂管施工過程中對道路路面進行沉降監測。施工中在與明巢高速穿越處設置4 個沉降監測點，分別位于公路兩側路肩、兩側坡腳。所有沉降監測點必須在頂管施工開始前進行埋設、布置。觀測點設置埋設鋼筋，每次測完點之后關門上鎖，防止非施工人員進入觀測點區域。頂管施工過程中，應注意對公路設施進行臨時保護。如交叉處前后設置施工警示牌，提醒通行車輛；因監測點設置等需求需臨時拆除高速兩側鐵絲圍擋應在高速管理部門許可的情況下進行，并注意防止人員、動物等進入高速，完成后及時封閉鐵絲圍擋；施工時注意避免破壞高速路邊排水溝、高速邊坡、高速路面等設施。

4.3 制定應急預案

為了保護施工人員的人身安全、工程順利進行，保障在意外情況發生時能夠迅速及時搶救傷員、最大限度降低傷亡傷害程度，施工單位應制定施工現場應急救援預案。施工現場應備足充分的救援物資并由專人保管，應急物資包括跌打損傷藥品、包扎紗布、防毒面具、呼吸器、救援繩索、簡易擔架等，應急物資要配備齊全并加強日常管理，在應急救援時能及時到位。

5 結語

總之，在天然氣管道穿越高速方案設計時，應根據交叉實際情況，結合規范要求，設計合適的穿越高速公路方案。天然氣管道穿越的長度、角度、深度需要不僅滿足高速部門要求，同時還需考慮高速公路改擴建，適當增加穿越長度。