頂管施工引起地層沉降條件下燃氣管道變形

謝統(tǒng)財， 吳 華， 黃 楠

(廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，廣東廣州510060)

1 概述

近年來，隨著城市建設(shè)步伐的加快，道路施工或其他第三方施工引起的燃氣管道破壞泄漏事故頻發(fā)，給社會、企業(yè)以及人民生命財產(chǎn)造成了重大的損失。城市燃氣主管部門及相關(guān)企業(yè)對此相當重視，在燃氣企業(yè)加強對燃氣管網(wǎng)維護的同時，更要提請第三方設(shè)計施工能夠?qū)θ細夤芫W(wǎng)足夠重視，在項目實施前，做好資料收集與管線摸查工作，與管線權(quán)屬單位接洽，收集核查竣工資料，請專業(yè)勘探公司做好管線物探，并制定詳細的燃氣管線專項保護方案。

為此，我們從設(shè)計角度，結(jié)合工程實例，采用相關(guān)計算方法，把第三方施工對燃氣管道造成的沉降影響量化。根據(jù)量化分析的結(jié)果，為實施燃氣管道的保護提供理論依據(jù)。

2 項目簡介

項目為一條新建給水管(規(guī)格D1820×20)須頂管穿越河流，穿越總長約588 m。根據(jù)提供的資料，新建給水管須在現(xiàn)狀燃氣管(焊接鋼管，規(guī)格D406.4×9.50材質(zhì)，L290)下方穿越，交叉處位于給水管管樁號CK3+720處。根據(jù)物探資料及竣工資料，燃氣管道為一條高壓輸氣管道，是輸送主干線，因此各方對燃氣管道的保護高度重視，對新建給水管穿越河流的設(shè)計方案多次進行了論證。我們評估了頂管施工可能對燃氣管道造成影響的各種因素，采用相關(guān)理論公式，計算出可能影響到燃氣管道的最大沉降量和沉降槽寬度，通過量化分析，復(fù)核燃氣管道的安全性、可靠性，為制定有效保護措施提供理論支持。

3 給水管道施工方案

① 地質(zhì)狀況

根據(jù)本項目鉆孔柱狀圖，樁號CK3+720處鉆孔的地質(zhì)情況從上到下依次為：1-1素填土層：厚度為1.5 m，容重為18.5 kN/m3，內(nèi)摩擦角為15°，粘聚力為10 kPa；2-2淤泥層：厚度為17.5 m，容重為17 kN/m3，內(nèi)摩擦角為5.7°，粘聚力為6.9 kPa；3-1粉質(zhì)粘土層：厚度為15.5 m，容重為19.6 kN/m3，內(nèi)摩擦角為11°，粘聚力為20 kPa；3-7粉質(zhì)粘土層：厚度為15.5 m，容重為19.9 kN/m3，內(nèi)摩擦角為13°，粘聚力為25 kPa。

② 施工方案

大量的工程實踐證明，泥水平衡頂管機對地面的沉降控制精度最高，效果最好，能使開挖面始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。刀盤旋轉(zhuǎn)切削泥土?xí)r對開挖面的擾動小，使開挖面處于最佳的平衡狀態(tài)，泥水艙壓力可維持開挖面的水土壓力平衡，防止流砂、涌土，保持開挖面的穩(wěn)定性。

根據(jù)本工程的特點及以往類似頂管工程經(jīng)驗，本工程頂管采用大刀盤泥水平衡頂管機頭，頂管機頭外徑為1.84 m，長度為3.4 m。

頂管工作井內(nèi)徑為13 m，井深為33.8 m；頂管接收井主要根據(jù)工具管尺寸、管道工藝需要確定，井的內(nèi)徑8 m，井深為31.4 m。樁號CK3+720處自然地面標高為0.5 m，設(shè)計新建給水管中心標高為-25.80 m，燃氣管底標高為-18.8 m，因此計算得到燃氣管道的覆土深度(地面到燃氣管道管頂?shù)纳疃?為18.9 m，地面到給水管道中心的距離為26.3 m。給水管管頂與燃氣管管底凈距約6.1 m，兩管交叉角度約為90°，新建給水管處于3-1粉質(zhì)粘土層，現(xiàn)狀燃氣管少部分處于2-2淤泥層，大部分位于3-1粉質(zhì)粘土層。

4 頂管施工引起的地面沉降分析

由于施工引起的地面沉降曲線稱為沉降槽。頂管施工引起地層沉降或隆起的因素很多，不但與土層地質(zhì)情況有關(guān)，而且與頂管管徑、頂管機的選型、操作人員的技術(shù)水平、頂管縱向軸線的垂直度以及頂管持續(xù)的時間、注漿情況等很多因素有關(guān)。頂管不可避免會擾動土體，引起地層形變，產(chǎn)生地層沉降。頂管引起的地層沉降分布是三維的。三維分析比較困難，一般都簡化為平面問題進行分析。

燃氣管與給水管處于交叉狀態(tài)，燃氣管在相交位置主要受頂管施工引起的橫向分布地層沉降影響，因此我們主要分析垂直于頂管頂進軸向方向的沉降，簡稱橫向沉降分析。

① 地面沉降橫向分布的估算公式

目前頂管施工引起的地面沉降，常常采用Peck提出的地面沉降槽理論[1]193進行預(yù)測。Peck假定施工引起的地面沉降是在不排水情況下發(fā)生的，所以地面沉降槽的體積應(yīng)等于地層損失的體積。地面沉降隨土質(zhì)情況、覆土深度、采用的頂管機類型、操作水平等因素而不同，并根據(jù)這個假定給出了地面沉降量的橫向分布估算公式[1]193：

(1)

式中S(x)——x處的地面沉降量，m

x——距頂進管道軸線的橫向水平距離，m

Smax——頂進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(shù)，m

VS——單位長度超挖量(超挖量指施工時超出理論出土量的土方量)，m3/m

頂管施工引起的沉降槽的正態(tài)分布[2]見圖1。

圖1中，i在正態(tài)分布圖中是曲線標準偏差點，即曲線的反彎點的x值，一般取[1]193：

圖1 頂管施工引起的沉降槽的正態(tài)分布

(2)

式中δd——頂管管道中心至地面的覆土厚度，m

φ——頂管處土的內(nèi)摩擦角，(°)

超挖量VS按以下計算方式[1]193-194估算：

(3)

式中as——超挖量估算系數(shù)，可根據(jù)頂管機頭的機型，按表1取值

V——單位長度理論出土量,等于頂管機頭面積，m3/m

d——頂管機頭外徑，m

表1 各種頂管機頭的超挖量估算系數(shù)

根據(jù)圖1可知，對地面沉降(以及地層沉降)的影響寬度計算公式為：

b=5i

(4)

式中b——對地面沉降的影響寬度，m

② 地面以下土層沉降估算

對于地面以下至頂管管道以上土層，地層損失的體積假設(shè)依然成立，就是說地面以下任一土層沉降槽的體積等于地層損失，而且沉降槽仍為一條正態(tài)分布曲線。隨著土層深度h的增大，該土層距頂管管道頂部的垂直距離減小，δmax和ih兩個參數(shù)隨深度變化而不同，其估算公式[2]如下：

(5)

式中δ(x)——土層深度h、橫向距離x處的地層沉降量，m

δmax——土層深度h處頂進管道軸線上方的最大地層沉降量，m

h——土層深度，m

ih——土層深度h處地層沉降槽寬度系數(shù)，m

由公式(2)可知，在已知土層內(nèi)摩擦角的情況下，沉降槽寬度系數(shù)是線性變化的，與土層深度h相關(guān)，可得：

(6)

根據(jù)公式(3)～(6)可求得燃氣管道所在地層h處的沉降槽曲線、沉降量、影響寬度。

5 地層沉降引起的燃氣管道變形

頂管施工引起地層沉降，地層沉降使燃氣管道產(chǎn)生彎曲變形。在考慮地層沉降對埋地管道的作用時，忽略慣性力的影響，簡化為擬靜力問題來考慮。當管道所在地層發(fā)生沉降時，管道下面的土層對管的抗力減弱了，管道在上敷土壓力作用下，不斷下沉，發(fā)生變形，直至各種力平衡為止。因此，研究僅針對管道變形到最終位置的狀態(tài)進行分析。燃氣管道在地層沉降作用下的彎曲變形模型[3]見圖2。

α——管道的轉(zhuǎn)角，(°)

R——管道彎曲曲率半徑，m

如圖2所示，在非沉降區(qū)，管道處于微彈性反應(yīng)狀態(tài)，而在沉降區(qū)，管道發(fā)生了較大變形，管道變形的最不利段在沉降區(qū)。

對于沉降區(qū)，受沉降影響后的管道變形曲線主要為弧線ADC，其曲率半徑為R。管道變形曲線與所在地層變形曲線基本一致，因此管道的最大沉降量、沉降影響寬度的計算式為：

LBD=δmax

(7)

LAC=5ih

(8)

式中LBD——點B、D間的長度，m

LAC——點A、C間的長度，m

其他參數(shù)計算式為：

LAB=2.5ih

(9)

R2=(R-LBD)2+LAB2

(10)

(11)

式中LAB——點A、B間的長度，m

由式(7)～(11)可得：

(12)

(13)

圖2 受沉降影響的管道變形模型

6 燃氣管道的允許最小曲率半徑及最大轉(zhuǎn)角

① GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》第4.3.15條規(guī)定，彈性敷設(shè)管道的曲率半徑應(yīng)滿足管子強度要求，且不應(yīng)小于鋼管外徑的1 000倍，垂直面上彈性敷設(shè)管道的曲率半徑還應(yīng)大于管在自重作用下產(chǎn)生的撓度曲線的曲率半徑，曲率半徑應(yīng)按下式計算：

(14)

式中D——管道外徑，cm

② GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》第5.1.2條規(guī)定：采用彈性敷設(shè)時，穿越管道曲率半徑不宜小于1 500倍鋼管外徑；且不應(yīng)小于1 200倍鋼管外徑。

故根據(jù)公式(12)計算得出的管道彎曲曲率半徑應(yīng)滿足以上兩點要求。

7 計算結(jié)果

已知本工程d=1.84 m，D=0.406 4 m，δd=26.3 m，h=18.9 m，as取5%，φ=11°,根據(jù)公式(1)～(13)求得R=2 721 m，α=0.38°。根據(jù)公式(14)求得的R應(yīng)大于或等于2 727 m，因此管道彎

曲曲率半徑不符合規(guī)范要求。需調(diào)整頂管施工深度，驗算可知，本次給水管道頂管施工深度需加深至26.8 m，燃氣管道彎曲曲率半徑可以滿足規(guī)范要求，燃氣管道才能安全運行。