在役天然气管道沉降控制值的分析探讨

在役天然气管道沉降控制值的分析探讨
隧道网 (2008-5-5) 来源：上海市市政工程质量监督站摘要：从钢管管道所具备的轴向弯曲变形能力出发，通过确定其轴向允许曲率半径[R]，得出管道的理论允许沉降量。

结合工程实际中在役高压、超高压天然气管道的安全性和沉降线形分析，提出其实际控制沉降量计算方式。

该计算方法有较好的借鉴意义。

关键词：天然气管道；允许曲率半径；沉降量计算与取值
上海沪宁高速公路(A11)拓宽改建工程中，高速公路沿线紧邻一根在役(已建成投运的)城市天然气主干管道(西气东输上海天然气输气管网工程I、Ⅱ标)。

根据《上海市燃气管道设施保护办法》的规定，这基本属于安全控制范围，局部属于安全保护范围。

无论对实施拓宽改建工程本身的安全施工，还是对在役天然气管道的安全运营，都是存在极大的工程风险。

笔者参与了上海A1l拓宽改建工程的风险预评估和西气东输建设阶段的工程质量安全监督。

以下就天然气管道保护中有关管道允许沉降量的技术要求，进行分析探讨。

1 上海在役燃气管道的一些基本情况
根据GB50028-1993《城镇燃气设计规范》(2002版)，城镇燃气管道的设计压力分级为：低、中、次高、高压，而上海天然气管道最高设计压力已突破这一规定，并在上海市地方规范中增设了超高压管道等
级(详见表1)。

目前上海燃气管道主要管材的应用情况见表2。

鉴于上海城镇化水平较高、郊区人口也相对密集，从确保管道运行安全出发，对城市高压、超高压天然气管道用钢管主要选用了X52、X56、：X60、X65级等，钢管防腐以聚乙烯(3PE)外防腐层结合阴极保护技术。

以西气东输工程为例，其管材具体指标见表3。

表1 城镇燃气管道设计压力(表压)分级
表2 上海燃气管道主要管材及接口形式的应用情况及特点
表3 上海西气东输工程中主要使用钢管的技术要求
2 在役高压、超高压钢管管道的沉降分析
2.1 有关概念
1) 弹性弯曲：管道轴向在外力或自重作用下产生的弹性限度范围内的弯曲变形。

2) 弹性敷设：利用弹性弯曲的变形改变管道走向或适应高程变化的管道敷设方式。

3) 沉降控制值的确定：钢管具有一定的轴向弯曲能力，且管道
接口均采用焊接连接，因此钢管管道具备弹性敷设能力，并能适应一定的轴向变形弯曲。

可通过在役钢管管道的轴向允许弯曲变形能力大小，来确定管道的沉降控制值。

2.2 钢管管道轴向允许曲率半径[R]的主要确定方法
1) 按钢管的纵向许用应力，确定钢管管道的轴向允许曲率半径
]。

[R
1
根据弹性地基梁的计算分析，若钢管管道因沉降等因素产生的轴向弯曲应力≤钢管纵向许用应力，则该影响因素可以接受。

按此分析方法可以推导出公式：
]≥ED/(2[σ
[R
1
]) (1)
p
]为钢管的纵向式中：E为钢管的弹性模量，MPa；D为钢管外径，m；[σ
p
许用应力，MPa。

2) 按钢管管道开挖施工阶段可进行弹性敷设的要求，确定钢管
]。

管道的轴向允许曲率半径[R
2
根据GB50251-2003《输气管道工程设计规范》的规定，进行弹性铺设的管道曲率半径应满足管材强度要求，且水平面上的曲率半径不得小于钢管外径的l000倍，垂直面上弹性敷设管道的曲率半径尚应大于管材在自重作用下产生的扰度曲线的曲率半径，则：
]≥
[R
2平
1000D (2) [R
]≥3600｛[1-cos(α/2)]D2α-4}1/3 (3)
2竖
式(2)、式(3)中：[R 2平]为钢管管道水平面方向的允许最小水平曲率半径，
m ；[R 2竖]为钢管管道垂直面方向的允许最小竖向曲率半径，m ；α为管道
的转角。

3) 参照水平定向钻法施工技术要求，确定钢管管道的轴向允许曲率半径[R 3]。

根据CJJ 33—2005《城镇燃气输配工程施工及验收规范》、SY/T0015.1-1998《原油和天然气输送管道穿跨越工程设计规范：穿越工程》、SY/T 4079—1995《石油天然气管道穿越工程施工及验收规范》及上海市地方规范标准等有关设计、施工技术规范，对于采用水平定向钻拖拉法施工的钢管管道，要求按下式控制其施工曲率半径：
[R 3]≥
1500D (4) 式中：D 为钢管外径。

按式(4)控制的曲率半径是总结了工程经验，并考虑了压力管道使用中的内压因素。

2.3 在役高压、超高压钢管管道的理论允许沉降量
1) 在役管道保护中， [R 1]、[R 2]、[R 3]的工程含义。

从埋地在役管道(管道受到周围地层、相邻管段之间及支墩、阀井等管道附属设施的约束)所受外力工况条件的角度出发，我们可以将
[R 1]、[R 2]、[R 3]进行这样理解：
[R 1]是钢管材质力学性能适应性的体现，反映的是曲率半径的极
限值(最小允许曲率半径)；
[R 2]是管道处于在自由状态下的表现，反映的是管道本身特有的
弯曲能力(开挖施工允许曲率半径)；
[R 3]是施工工况条件(非开挖时管道受周围地层、相邻管段之间等
的约束)与在役管道运行条件基本一致下的要求，反映的是管道在运营条件下的安全性、完整性(安全运行允许曲率半径)。

因此鉴于在役高压、超高压天然气管道对上海社会、经济、生活的极度重要性和保证燃气供应的安全、避免风险，建议其允许曲率半径
[R]可以按[R 3]进行计算，并通过[R 1]进行安全性校核。

2) 允许曲率半径[R]的计算思路。

将所要保护管道的E 、D 、[σp ]值分别代入式(1)、式(4)，得到[R1]、[R 3]值；并比较[R 3]/ [R1]值是
否满足设计规定的安全要求即可。

亦可按[R 3]推算其相应的实际纵向应力
σp ，并与[σp ]比较。

[σp ]=σs /n s 得，其中压力管道的塑性安全系数n s 值由设计提供。

3) 在役高压、超高压钢管管道的理论允许沉降量计算：钢管管道(焊接接口)发生沉降变形，其轴向沉降曲线理想线形按图1表示。

图1中直线FF ’变为曲线FEAE ’F ’。

其中FE(或E ’F ’)与EAE ’的曲率半径R 相同、方向相反，E(或E ’)为反弯点。

从图1中可知：最大沉降量
S
max =2h (5)
式中：h 为曲线FE 或曲线EA 的沉降量。

h 的计算可参见图1和图2。

将直线FF ’等分成n 段(可作为实际
工程中的管道监测点位置)。

每段长度为L ，则通过勾股定律可得近似计算式为：
h
n =R-[R 2-(nL)2]1/2 (6)
h n =(nL)2/2R ，或h n =n 2
h 1 (7)
为了便于实际工程中对各管道监测点(间距相等时)实测数据的分析处理，各管道监测点相邻位置的相对差值：
△h n =(2n-1)
h 1 (8)
4) 在役高压、超高压钢管管道的理论允许沉降量计算示例。

根据式(4)[R 3]=1500 D 及式(1) [R1]=.ED/(2[σp ])，确定R 。

根据工程施
工技术方案和规范规定，确定需保护管道的沉降影响范围[1](影响总长度)，并合理布置监测点(如监测点间距和特殊部位加密)。

根据监测点间距L ，按式(7) h 1=L 2/2R ，计算h 1。

(注：h 1=△h 1)。

按式(7) h n = n 2 h 1、式(8)△h n =(2n —1) h 1，由最低点向两侧分别计算h 2、h 3……h n 和△h 2、△h 3……△h n 。

按式(5) S max =2h ，计算最大沉降量S max 。

施工中可根据
△h 2、△h 3……△h n 、S max 的数值，对管道各监测点的数据进行直观的分
析，并采取相应措施。

该方法可运用计算机进行运算。

以西气东输上海天然气输气管网工程Ⅱ标进行保护为例：经确定取R 值为l220 m ，监测点A 、B 间距为10 m(依据管道单节管长而定)。

前提条件：根据试验段反馈情况，拓宽复合路基进行压桩施工时，对管道主要呈较短时间内的波动影响，即随压桩作业的展开，就某一位置点的管道呈下沉、回弹、隆起、恢复等周期波动现象，且施工作业面呈点状。

因此将某一位置点形成的沉降影响长度按1个监测点间距长度计(即某处管位的沉降影响长度取10 m)，同时将监测点间的中间部位视为沉降最大点[即按式(7)，nL=L=5 m]。

这样的计算条件是偏安全的。

=L2/(2R)计算，管道在10 m范围内的中间部位的理论允许则按式(7) h
1
=10.25 mm,，
沉降量为h
1
图1 钢管管道轴向沉降理论曲线示意图
图2 钢管管道轴向沉降量及相对沉降量的示意图
3 在役高压、超高压钢管管道实际控制沉降量的取值
管道在敷设中允许存在一定的偏差；管道在回填后和运行中不可
避免存在一定的沉降和水平位移；管道受内部气压和气流影响，管道内应力的调整沉降会有小幅度变化引起。

从被保护管道的重要性和安全性出发，理论值只能作为实际控制值的依据。

实际中，应对理论允许沉降值进行修正。

确定实际控制沉降量应考虑的因素如下：
1) 在监测前，应全面掌握所需保护管道的现状，尤其是其轴线位置(平面、高程)情况，对一些已经存在偏移量相对较大点和管道设计拐点、折点等，以及有无支墩、阀井等管道附属构筑物等，应有针对性地调整实际控制值。

2) 根据本工程的设计、施工方案，合理确定工程施工对需保护管道的影响范围。

3) 应根据在役管道的单节管节长度、管道线路走向、管道重要性以及工程施工对在役管道安全运行存在的风险等因素，并结合现场条件、监护能力等，确定管道监测点。

一般宜等距布置，并在重要、特殊部位加密布置，监测点间距以管节长度布置最合理。

4) 对于管节自重较大的钢管管道，应区分水平位移量和沉降量的实际控制值。

沉降量控制值应小于水平位移量控制值。

正常情况下可以沉降控制为主。

5) 对于采用非开挖技术(顶管、水平定向钻等)敷设的在役管道，在确定实际允许沉降值时，应考虑非开挖施工的技术指标因素，如：施工轴线允许偏差(一般较直埋管道大)、曲线管道的实际曲率半径(已利用了部分弹性能力)、管材力学性能(一般较直埋管材的强度高，以满足施工工况要求)等。

不能简单地使用直线管道的控制值。

综合上述因素，实际控制沉降量宜取理论允许沉降量的0.6~0.8倍，其中报警控制值取0.6倍，目标控制值取0.8倍。

该建议已在上海沪宁高速公路(A11)拓宽改建工程中得到了应用。

4 结语
1) 上海的高压、超高压天然气管道所用的钢管性能优越，具有一定的抗轴向弯曲变形能力。

2) 对在役高压、超高压天然气钢管管道的保护，应从管道正常运营的完整性和安全性出发，确定管道轴向的允许曲率半径，并以[R]=l500 D为宜。

3) 管道允许沉降量在实际监护测量中，施工现场宜以单位长度的相对值进行控制较为直观、方便；并根据管道沉降影响长度和监测点布置情况，宜采用本文中式(7)计算相对应的沉降量。

4) 就某一在役管道而言，在确定管道允许沉降量时，应全面掌握需保护管道的现有状况，调整其相应部位的实际控制沉降量。

5) 在确定管道允许沉降量时，还应了解该在役管道的施工敷设方法，有利于正确确定允许曲率半径和实际控制沉降量。

6) 根据一些工程的应用情况来看，实际控制沉降量宜取理论允许沉降量的0.6~0.8倍，其中报警控制值取0.6倍，目标控制值取0.8倍。

参考文献
1刘建航，侯学渊.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社
1997.
杨志鸣。

苏耀军
(上海市市政工程质量监督站，上海200023)。