韓桂武1 余海坤2 姚紅亮2 郜福利2 黃旭2 高顯澤1
1.中國石油天然氣管道工程有限公司； 2.國家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸銀川輸氣分公司 

摘要：以某高速公路隧道開挖工程為背景，分析其對在役油氣管道造成的影響。以現(xiàn)場地層參數(shù)為基礎(chǔ)，采用有限元數(shù)值計算方法，對工程空間關(guān)系、隧道開挖、管道直徑、管道運(yùn)行參數(shù)等因素所導(dǎo)致的地表位移及由此引發(fā)的管道應(yīng)力集中進(jìn)行分析，通過與管材強(qiáng)度對比，得出隧道施工時管道運(yùn)行狀態(tài)安全結(jié)論，并提出開挖施工安全保障措施建議。

關(guān)鍵詞：在役管道；隧道開挖；地表沉陷；管道應(yīng)力

隧道開挖常因地質(zhì)條件、施工方法、支護(hù)結(jié)構(gòu)等因素導(dǎo)致地層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定甚至地表塌陷[1,2]，而地表塌陷會使敷設(shè)于上部土層的油氣管道發(fā)生變形、應(yīng)力集中直至管道破壞[3]，是管道風(fēng)險識別應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的隱患之一，有必要針對隧道開挖所引起的土體沉降對管道的受力情況進(jìn)行應(yīng)力分析[4]。本文以某高速公路隧道開挖工程為背景，分析對在役管道造成的影響，提出開挖施工安全保障措施，為后續(xù)工程提供參考與借鑒。

1  工程概況

銀昆高速隧道規(guī)劃路由位于西氣東輸管道下方，相對位置關(guān)系見圖 1。管道設(shè)計壓力10 MPa，管徑1219 mm，壁厚18.4 mm，鋼管材質(zhì)L555，埋設(shè)于地表以下約2 m。隧道開挖斷面大（掘進(jìn)直徑13.5 m，隧道頂部埋深約82 m），位于管道下部平均夾角約15°，有2處交叉點(diǎn)。

圖 1 公路隧道與管道相對位置平面圖

2  地質(zhì)條件

施工場地位于西北地區(qū)，根據(jù)地質(zhì)資料，場地巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表 1所示。

為方便分析計算，將地層簡化為統(tǒng)一物理參數(shù)巖土作為研究對象，隧道埋深較厚土體為超固結(jié)性黃土，據(jù)最新土層參數(shù)資料，選取的穿越地層為單一地層，其物理參數(shù)為：壓縮模量13 MPa、泊松比0.3、黏聚力18 kPa、內(nèi)摩擦角18°、土層密度16 kN/m3。

3  有限元建模

3.1  有限元軟件

由于隧道幾何形狀的不均勻性和隧道襯砌作用，很難通過解析得到隧道及地表沉降的計算值，有限元計算工具則提供了有效途徑。如ANSYS軟件既能模擬土體和管道的變形情況也能計算得知管道的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)[5]。

3.2  模擬單元

考慮隧道軸向應(yīng)力變化不大，可以建立平面應(yīng)變模型進(jìn)行土體變形研究，考察典型界面上隧道應(yīng)力位移的變化規(guī)律。采用plane42單元模擬土體、PIPE288單元模擬管道[6]。

3.3  單元生死技術(shù)

ANSYS隧道開挖模擬是通過單元生死來實(shí)現(xiàn)的。單元生死功能被稱為單元非線性，是指一些單元在狀態(tài)改變時表現(xiàn)出的剛度突變行為，原理如下[7]。

（1）ANSYS程序通過修改單元剛度實(shí)現(xiàn)單元生死功能。首先不是真正去掉“死”單元，而是給單元剛度乘以一個很小的系數(shù)（系統(tǒng)默認(rèn)系數(shù)1.0×10-6），再用ESTIF進(jìn)行修改。

（2）同理，單元“活”時，也通過修改剛度系數(shù)實(shí)現(xiàn)。所以，建模時就必須建立被激活單元，否則無法實(shí)現(xiàn)單元的殺死與激活。單元被重新激活時，其剛度、質(zhì)量與荷載等參數(shù)返回到真實(shí)狀態(tài)。

3.4  基本假設(shè)

（1）隧道開挖施工位于管道下部約80 m處，垂直距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過2.5倍隧道外徑，可認(rèn)為不易發(fā)生地表的斷裂變形，即認(rèn)為隧道開挖引起地表的連續(xù)性沉降。

（2）取典型土層和隧道模型剖面作為基礎(chǔ)，建立平面應(yīng)變模型（即在隧道軸線方向不發(fā)生應(yīng)變）。

（3）研究范圍為隧道周邊250 m，影響范圍取值2.5倍隧道外徑。

（4）場地巖土層為正常固結(jié)土，即認(rèn)為隧道施工前巖土層在自重作用下不再發(fā)生變形；場地土的變形與時間無關(guān)，即不考慮土層的蠕變特性；土層為各向同性均勻介質(zhì)。

（5）平面應(yīng)變模型計算過程中不考慮襯砌對地表沉降的影響。

（6）研究范圍內(nèi)兩側(cè)邊界線不產(chǎn)生橫向變形；底部邊界線不產(chǎn)生任何方向變形，即底部節(jié)點(diǎn)為全約束狀態(tài)。

（7）管道與隧道斜角15°，以隧道斷面為管道正下方截面建立平面模型，再根據(jù)管段與隧道的相對位置進(jìn)行地表沉降量折算。

3.5  建立模型

所建模型如圖 2所示。

圖 2 隧道（局部）開挖及巖土地層網(wǎng)格劃分

4  計算結(jié)果

4.1  計算步驟

（1）隧道開挖前，土層在自重作用下產(chǎn)生自然沉降作用值（示例工程在管道敷設(shè)之前已經(jīng)完成）。

（2）隧道全斷面開挖后，周圍巖土層向隧道空間方向變形，帶動周圍土層的橫向和縱向位移值。

（3）隧道開挖對地表土層的位移影響為工況2（步驟2）與工況1（步驟1）的差值，計算得知隧道變形如圖 3所示，土層縱向變形如圖 4所示。

圖 3 隧道開挖后土層縱向位移（ m）

圖 4 隧道開挖造成的土層縱向位移（ m）

4.2  管道校核

（1）假定在土體連續(xù)變形情況下，管道與下方土體發(fā)生共同變形，可將圖 4中的縱向位移值賦予管道位移特征，研究在兩端管道固結(jié)的情況下，該段管道（長530 m）的應(yīng)力情況。采用PIPE288管單元模擬輸氣管道，輸入條件：管道外形特征；溫差變化30 ℃；輸送壓力10 MPa；管道不同節(jié)點(diǎn)的差異性沉降值。有限元計算結(jié)果如圖 5、圖 6所示。

圖 5 隧道正上方第三強(qiáng)度管道局部應(yīng)力值（ Pa）

圖 6 隧道正上方第四強(qiáng)度管道局部應(yīng)力值（ Pa）

由此可知：

（1）在530 m管段范圍內(nèi)，管道最大組合應(yīng)力值發(fā)生在隧道正上方的管道外壁。

（2）管道同一位置的第三強(qiáng)度當(dāng)量應(yīng)力值稍大于第四強(qiáng)度當(dāng)量應(yīng)力值。

（3）最大組合應(yīng)力值為456 MPa，小于管材屈服強(qiáng)度（0.9σs=499.5 MPa）。

可見，隧道開挖產(chǎn)生地表均勻變形情況下，埋深2 m管道在正常工況下運(yùn)營安全。

5  結(jié)論及建議

（1）研究模型基于隧道不發(fā)生坍塌事故情形及隧道地表均勻沉降工況，計算結(jié)果驗(yàn)證了管道處于安全運(yùn)營狀態(tài)。

（2）采取保守隧道施工方法和地層加固措施，防止隧道地表塌陷事故發(fā)生。地表坍塌事故等特例工況下的管道應(yīng)力分析需要采取其他針對性方法。

（3）隧道施工場地位于地層力學(xué)性低的黃土地區(qū)，盡可能采用機(jī)械開挖方式（例如盾構(gòu)隧道、頂管隧道）避免傷及管道。如果采用礦山法開挖，應(yīng)采取短掘短砌、及時支護(hù)、分步開挖、及時監(jiān)控等方式，尤其在管道穿越段隧道前后各50 m區(qū)域內(nèi)，必須采用超前管棚注漿方式等做好超前支護(hù)，在保證巖體穩(wěn)定的情況下再行開挖。

（4）隧道施工技術(shù)方案必須取得地方政府管道管理部門的許可。

（5）在管道與隧道交叉附近區(qū)域每隔0.5 m布置地面位移及管道應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備，在管道全生命周期持續(xù)監(jiān)測，以消減管道安全風(fēng)險。

 

參考文獻(xiàn)： 

[1]張歡. 隧道工程施工過程中的力學(xué)分析[J]. 城市建設(shè)理論研究：電子版，2015(20)：7561-7562.

[2]胡文君，馬紅. 管道隧道開挖過程數(shù)值模擬分析[J]. 天然氣與石油，2010(01)：49-53.

[3]谷國豐. 淺埋暗挖隧道對上部交叉管道的影響及控制研究[D]. 鄭州：中原工學(xué)院，2015.

[4]王麗. 暗挖隧道施工誘發(fā)的鄰近管線變形規(guī)律與控制技術(shù)[D]. 西安：西安科技大學(xué)，2017.

[5]趙宣朝. ANSYS在土木工程中的應(yīng)用[J]. 計算機(jī)產(chǎn)品與流通，2017(9)：2869-2869.

[6]Wang H, Ling Z, Ming W, et al. The Finite Element Analysis of Crossing Pipeline Based on ANSYS[J]. Journal of Liaoning Shihua University, 2016.

[7]張敬博，劉輝. ANSYS單元在隧洞模型中的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016(13)：52.

 

作者簡介：韓桂武，1977年生，工學(xué)博士，高級工程師，現(xiàn)從事管道應(yīng)力分析及巖土工程、地下儲油庫工程設(shè)計及研究工作。聯(lián)系方式：15081677911，hanguiwu@cnpc.com.cn。