輸氣管道工程山嶺隧道內(nèi)外管道應(yīng)力分析與安裝設(shè)計(jì)

陳 霖

（勝利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東東營(yíng) 257000）

0 引言

隨著我國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)高峰期的到來，采用山嶺隧道方式在山區(qū)敷設(shè)管道的形式越來越多，本文以我國(guó)東南沿海地區(qū)某輸氣管道為例，介紹山嶺隧道內(nèi)及進(jìn)出洞口附近的管道敷設(shè)方式，并采用CAESAR II軟件對(duì)管道模型進(jìn)行應(yīng)力分析，優(yōu)化了管道敷設(shè)方式及其附屬設(shè)施的布置方式。

我國(guó)東南沿海地區(qū)某輸氣管道工程共設(shè)山嶺隧道18處，總長(zhǎng)約18.5 km。

隧道內(nèi)管道敷設(shè)可采用土堤敷設(shè)或支墩架設(shè)的方式，一般情況下土堤敷設(shè)適合于小坡度的長(zhǎng)隧道，支墩架設(shè)適合于大坡度的短隧道。無論采用哪一種方式，都應(yīng)把隧道內(nèi)管道和隧道外進(jìn)出口一段范圍內(nèi)的管道作為一個(gè)整體進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析計(jì)算，以確定安裝方式及補(bǔ)償、錨固方案。其中分析的要點(diǎn)為：

（1）關(guān)鍵點(diǎn)彎頭的受力分析。

（2）隧道內(nèi)直管段的軸向、徑向穩(wěn)定性分析。

（3）洞口自然補(bǔ)償器和固定墩的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 典型隧道的選取

經(jīng)過對(duì)18條山嶺隧道的初步分析，并考慮隧道長(zhǎng)度、縱斷面線型、敷設(shè)方式等因素，本次選取3號(hào)隧道、11號(hào)隧道、13號(hào)隧道、15號(hào)隧道共4條典型山嶺隧道進(jìn)行分析。

具體選取隧道明細(xì)及選取理由見表1。

表1 典型隧道選取明細(xì)

2 模型建立

2.1 堤埋敷設(shè)隧道

3號(hào)隧道與11號(hào)隧道內(nèi)管道采用堤埋方式敷設(shè)，采用堤埋敷設(shè)方式的隧道在管道進(jìn)出隧道洞口的外側(cè)均設(shè)置自然補(bǔ)償器，在自然補(bǔ)償器遠(yuǎn)離隧道洞口端設(shè)置埋地固定墩；其中11號(hào)隧道為人字坡隧道，在隧道中部變坡點(diǎn)處兩側(cè)各15 m處設(shè)置固定墩。

隧道安裝模型見圖1～3。

2.2 支墩敷設(shè)隧道

13號(hào)隧道與15號(hào)隧道內(nèi)管道采用支墩方式敷設(shè)，采用支墩敷設(shè)方式的隧道，在隧道內(nèi)管道上設(shè)置導(dǎo)向滑動(dòng)支墩 （軸向可位移），原則上支墩間距為10 m，在管道進(jìn)出隧道洞口的外側(cè)均設(shè)置自然補(bǔ)償器，在自然補(bǔ)償器遠(yuǎn)離隧道洞口端設(shè)置埋地固定墩，在隧道內(nèi)長(zhǎng)斜邊段中點(diǎn)設(shè)置固定墩錨固，見圖4～6。

3 邊界條件設(shè)置

該輸氣管道及周邊環(huán)境的基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

（1）天然氣氣相密度0.746 4 kg/m3（0℃），設(shè)計(jì)溫度20℃。

（2）設(shè)計(jì)壓力7.5 MPa。

（3）安裝溫度10～15℃ （考慮到洞內(nèi)安裝）。

（4）最高操作溫度30℃。

圖3 隧道內(nèi)管道堤埋敷設(shè)橫斷面模型

（5）防腐層為加強(qiáng)級(jí)3PE外防腐。

（6）試壓介質(zhì)為潔凈水。

（7）熱煨彎頭曲率半徑取6D （D為管徑），冷彎彎管取40D。

（8）土壤物理力學(xué)參數(shù)。堤埋敷設(shè)管道周邊回填土壤的物理性能參數(shù)可按照表2選用，考慮實(shí)際施工情況，回填土物理力學(xué)性能參數(shù)可按照粘聚力較小的松散砂土選取。

表2 各類型土壤物理性能參數(shù)

圖5 15號(hào)隧道管道敷設(shè)模型 (長(zhǎng)度單位：m)

圖6 隧道內(nèi)管道支墩敷設(shè)橫斷面模型

（9）輸氣管道用鋼管的其他參數(shù)。模型中管道其他參數(shù)見表3。

4 運(yùn)行工況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及分析

CAESAR II是COADE公司的一款管道應(yīng)力分析軟件。本次設(shè)計(jì)主要是利用該軟件的靜力分析模塊進(jìn)行建模分析，包括對(duì)一次應(yīng)力與二次應(yīng)力進(jìn)行分析：

（1）壓力荷載和持續(xù)荷載作用下的一次應(yīng)力計(jì)算——防止塑性變形破壞。

（2）管道熱脹冷縮以及端點(diǎn)附加位移等位移荷載作用下的二次應(yīng)力計(jì)算——防止疲勞破壞。

4.1 3號(hào)隧道

4.1.1 運(yùn)行工況關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力計(jì)算結(jié)果 （見表4）

表3 管材參數(shù)明細(xì)

表4 3號(hào)隧道運(yùn)行工況下關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力分析/kN

4.1.2 結(jié)果分析

3號(hào)隧道為采用堤埋敷設(shè)方式的小角度平坡隧道，其內(nèi)部管道受力均勻，洞外可設(shè)置抗1 500 kN推力的固定墩。

4.2 11號(hào)隧道

4.2.1 運(yùn)行工況關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力計(jì)算結(jié)果 （見表5）

4.2.2 結(jié)果分析

11號(hào)隧道為采用堤埋敷設(shè)方式的小角度人字坡隧道，其內(nèi)部管道受力均勻，洞內(nèi)彎頭兩側(cè)應(yīng)力較小，為防止管道軸向失穩(wěn)起拱，在洞內(nèi)彎頭兩側(cè)設(shè)置抗500 kN推力的固定墩，洞外設(shè)置抗1 500 kN推力的固定墩。

表5 11號(hào)隧道運(yùn)行工況下關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力分析/kN

4.3 15號(hào)隧道

4.3.1 運(yùn)行工況關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力計(jì)算結(jié)果 （見表6、表7）

表6 15號(hào)隧道運(yùn)行工況下長(zhǎng)斜邊設(shè)置固定墩時(shí)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力分析/kN

表7 15號(hào)隧道運(yùn)行工況下長(zhǎng)斜邊未設(shè)置固定墩時(shí)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力分析/kN

4.3.2 結(jié)果分析

在支墩敷設(shè)段的長(zhǎng)斜邊中間設(shè)置固定墩時(shí)，洞內(nèi)架空處彎頭受力減小，且洞內(nèi)固定墩受推力較小，在洞內(nèi)設(shè)置抗500 kN推力的固定墩即可滿足推力要求，且便于在小截面隧道內(nèi)施工。

洞內(nèi)增加固定墩，對(duì)于洞外固定墩推力有一定影響，但是由于洞外固定墩施工不受空間影響，因此可以接受洞外固定墩處所受推力的變化，洞外可設(shè)置抗1 500 kN推力的固定墩。

4.4 13號(hào)隧道

4.4.1 運(yùn)行工況關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力計(jì)算結(jié)果 （見表8、表9）

表8 13號(hào)隧道運(yùn)行工況下長(zhǎng)斜邊設(shè)置固定墩時(shí)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力分析/kN

表9 13號(hào)隧道運(yùn)行工況下長(zhǎng)斜邊未設(shè)置固定墩時(shí)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力分析/kN

4.4.2 結(jié)果分析

比較13號(hào)隧道與15號(hào)隧道，可以得出以下結(jié)論：

采用同種敷設(shè)方式的管道，隧道長(zhǎng)度比隧道坡度對(duì)隧道內(nèi)管道受力的影響更大。

坡度較小時(shí)長(zhǎng)斜邊中點(diǎn)處的固定墩所受到的推力較小。

洞內(nèi)可以設(shè)置抗500 kN推力的固定墩，洞外采用1 500 kN推力的固定墩。

5 水壓試驗(yàn)時(shí)管道應(yīng)力校核

因水壓試驗(yàn)工況溫差較小，可以不考慮二次應(yīng)力的影響，僅針對(duì)強(qiáng)度試壓時(shí)內(nèi)壓及介質(zhì)載荷產(chǎn)生的一次應(yīng)力進(jìn)行校核。

本次設(shè)計(jì)根據(jù) “試驗(yàn)壓力應(yīng)以最高點(diǎn)壓力為準(zhǔn)（最低試驗(yàn)壓力應(yīng)符合規(guī)范規(guī)定），且低點(diǎn)的管道環(huán)向應(yīng)力不得超過鋼管最低屈服強(qiáng)度的0.9倍”的原則進(jìn)行校核。各種壁厚管道對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)壓力及允許高差見表10。

表10 隧道內(nèi)各種壁厚管道允許高差對(duì)照

根據(jù)隧道高差明細(xì)以及以上校核，可以得出9號(hào)隧道、13號(hào)隧道、14號(hào)隧道內(nèi)管道需要采用15.9 mm壁厚管材，其他隧道內(nèi)管道采用12.7 mm壁厚，即可滿足水試壓要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合本輸氣管道工程，對(duì)隧道內(nèi)管道安裝的兩種形式進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算與分析。根據(jù)分析得出本工程管道安裝設(shè)置的一般原則如下：

（1）對(duì)于小角度隧道宜采用土堤埋設(shè)的方式進(jìn)行管道安裝，對(duì)于坡度較大的隧道宜采用支墩敷設(shè)的方式進(jìn)行管道安裝。

（2）在隧道出入口處需結(jié)合地形地貌利用管道轉(zhuǎn)向設(shè)置自然補(bǔ)償器，補(bǔ)償器角度宜為60°～90°。

（3）若安裝空間允許，宜在管道洞外彎頭兩側(cè)各20 m的地方設(shè)置固定墩，利用彎頭適當(dāng)補(bǔ)償。

（4）對(duì)于人字坡隧道，為防止管道失穩(wěn)，在滿足上述設(shè)置原則的情況下，還應(yīng)在折點(diǎn)彎頭兩側(cè)各15 m的地方設(shè)置固定墩。

（5）對(duì)于采用支墩敷設(shè)方式的隧道，大口徑管道 （DN800 mm以上）支墩設(shè)置間距原則上為10 m，采用混凝土墩與U形管卡式滑動(dòng)支座相結(jié)合的方式，U形管卡用螺栓直接錨固在支座內(nèi)，以防止管道發(fā)生徑向失穩(wěn)。

（6）對(duì)于采用支墩敷設(shè)方式的隧道，在長(zhǎng)斜邊中點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)抗推力的固定墩。

（7）對(duì)于堤埋方式的隧道，盡量采用摩擦力與粘滯力指標(biāo)較為均衡的黏土回填在管道周邊，回填后需進(jìn)行夯實(shí)，夯實(shí)系數(shù)不小于0.92。

每一項(xiàng)工程都有其特殊性，隧道管道敷設(shè)方式也不盡相同，應(yīng)結(jié)合工程的具體情況，確定受力邊界條件，按確定的計(jì)算模型進(jìn)行綜合計(jì)算、分析，應(yīng)特別注意溫差導(dǎo)致的二次應(yīng)力以及隧道內(nèi)管道的水試壓工況的應(yīng)力校核，以制訂合理的、安全的、經(jīng)濟(jì)的管道敷設(shè)方案。

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