張運濤(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

隧道下穿高壓管道沉降控制標準分析

張運濤
(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

伴隨地鐵隧道和高壓燃氣管道的加速建設，新建地鐵隧道工程下穿高壓燃氣管道的案例也逐漸增多。而我國相關規(guī)范只給出了有關高壓管道的曲率半徑的控制指標，實際工程常以沉降變形作為高壓管道的控制指標，而且絕大多數(shù)的控制標準缺乏理論依據(jù)。本文依據(jù)規(guī)范規(guī)定的彈性敷設管道的曲率半徑計算公式以及修正的沉降槽寬度計算公式，從理論上推導出高壓管道沉降控制標準計算公式，結合模型分析和實測結果，驗證了理論分析結果的可靠性。

隧道；高壓管道；曲率半徑；沉降槽寬度；沉降標準

地鐵建設中難免遇到各種不同的管線，特別是壓力管線，一旦發(fā)生險情，其危害難以控制。近年來，隨著國內各大城市地鐵建設的蓬勃發(fā)展以及天然氣管道的加速建設，必將出現(xiàn)地下工程下穿高壓燃氣管道的建設問題。以廈門為例，自2008年以來，廈門市現(xiàn)已建成兩座天然氣接收門站、6座高中壓調壓站，敷設高壓輸氣主干管38 km、中壓管網700 km。同時，至2020年廈門城市軌道交通項目已規(guī)劃了6條線路，總計里程232 km。

目前，國家和地方相關規(guī)范對地下工程下穿管道的要求尚有不足，多數(shù)管道設計規(guī)范只明確了對管道曲率半徑的要求。如文獻[1]只規(guī)定了彈性敷設管道的曲率半徑應滿足其強度的要求，且不應小于鋼管外徑的1 000倍，垂直面上彈性敷設管道的曲率半徑還應大于在自重作用下產生的撓度曲線的曲率半徑。文獻[2]對于水平定向鉆法穿越設計采用彈性敷設時，穿越管段曲率半徑不應小于1 500鋼管外徑，且不應小于1 200倍鋼管外徑。多數(shù)地方性城市軌道交通規(guī)范依據(jù)工程經驗規(guī)定了隧道下穿管道的一般性沉降控制標準，一些文獻也對此進行了探討。如文獻[3]結合以往盾構區(qū)間隧道下穿管道控制標準制定的經驗值，并根據(jù)管道的特性及其所處的工程地質條件，得出了將30 mm作為管線下方土體失效后管線沉降的控制標準。除此之外，一些工程實例結合工程經驗和規(guī)范對管線沉降控制標準做出了規(guī)定，但在實際工程中這些標準過于保守，如深圳地鐵5號線，在監(jiān)測過程中大多數(shù)管線的沉降都超過了35 mm的控制值，但管線還是安全的[4]。

通過分析規(guī)范要求，結合一定的理論計算，對隧道施工下穿高壓管道的沉降控制標準進行理論推導，得出理論允許沉降量。

1 高壓管道曲率半徑計算原理

高壓鋼管管道在彈性敷設條件下具有一定的彎曲變形能力，且管道間均為焊接連接，因此管道具備一定的軸向彈性變形能力，管道的沉降控制標準值可通過管道的軸向允許曲率半徑的大小確定。在彈性敷設假定條件下，管道周邊土體發(fā)生不均勻沉降而造成的鋼管軸向彎曲變形，主要體現(xiàn)在管道的豎向曲率半徑上[5]，規(guī)范中明確給出了兩種關于高壓鋼管管道的豎向曲率半徑的取值方法：

(1)根據(jù)《輸氣管道工程設計規(guī)范》(GB 50251-2015)確定曲率半徑。

彈性敷設管道的曲率半徑除應滿足其強度要求外，還不應小于鋼管外徑的1 000倍，垂直面上彈性敷設管道的曲率半徑還應大于管在自重作用下產生的撓度曲率半徑，曲率半徑計算公式為：

(1)

式中：R為彈性彎曲曲率半徑，m；a為管道的轉角，(°)；D為鋼管外徑，cm。

根據(jù)規(guī)范的定義，管道在自重作用下產生的豎向撓曲率半徑可以由(1)式確定，管道轉角可解釋為在彈性敷設條件下，管道由于自重作用發(fā)生軸向彎曲產生的管道轉角變形。一般情況下，管道在實際工程中由于自重產生的轉角a相對較小，公式(1)可以簡化為：

(2)

式中：符號同前。

(2)根據(jù)《油氣輸送管道穿越工程設計規(guī)范》(GB 50423-2013)確定曲率半徑[2]。

對于水平定向鉆法穿越設計采用彈性敷設時，穿越段管道的曲率半徑不應小于1 500鋼管外徑，且不應小于1 200倍鋼管外徑，即：

R≥1500D

(3)

(3)考慮到工程的實際需要以及高壓、超高壓天然氣管道對長期運營安全的需要，建議在役高壓及超高壓彈性敷設的管道，沉降后的曲率半徑應滿足：

(4)

2 沉降槽寬度的確定

為分析隧道下穿高壓管道的沉降控制標準，在明確鋼管管道的最小曲率半徑的基礎上，還需要確定管道在彈性敷設條件下，周邊土體發(fā)生不均勻沉降的橫向寬度，即沉降槽寬度。

2.1 定義

當采用暗挖法進行土體開挖時，會不可避免地造成地層移動，從而造成地表發(fā)生沉降，這種沉降在水平方向上的延伸長度稱為沉降槽寬度。一般情況下，對環(huán)境和各類建(構)筑物造成不利影響的距離稱為沉降槽寬度[6-7]。目前具有代表性的沉降槽寬度計算方法有兩種：

(1)R.B.PECK公式，目前由于地層開挖所引起的沉降計算常采用Peck公式進行計算預測，Peck提出土體開挖后正上方地表沉降槽的形態(tài)可用正態(tài)分布函數(shù)來表述[8]，即：

(5)

式中：x為距隧道中線的距離；S為距隧道中線為x的地表沉降量；Smax為隧道中線處的最大沉降量；i為沉降槽寬度系數(shù)。

(2)隨機介質理論法：根據(jù)隨機介質理論的定義，針對某開挖單元，在不排水、不固結、密度不變的條件下，隧道開挖引起上部土層某點(x,y,z)處的沉降量為[9]：

(6)

式中：r(z)為微單元開挖在深度為z的水平面上的主要影響半徑，或稱為主要影響范圍，即沉降槽寬度。

文獻[6-7]總結并分析了Peck公式和隨機介質理論之間的對應關系，Peck公式是隨機介質理論方法的一種近似。兩者與沉降槽寬度有關的系數(shù)(即隨機介質理論中的主要影響半徑和Peck公式中的參數(shù)i)之間有如下關系：

(7)

2.2 沉降槽寬度系數(shù)

(8)

式中：i為沉降槽寬度系數(shù)；z0為隧道中心處的埋深；φ為隧道拱頂上部土體各土層內摩擦角的加權平均值。

3 高壓管道理論沉降分析

目前對于高壓管道及超高壓鋼管管道的理論允許沉降值分析常采用兩種理論確定：一種是基于圓曲線沉降槽分布曲線進行求解；二是基于PECK 沉降槽理論進行分析。

3.1 基于圓曲線沉降槽理論進行管道沉降分析

文獻[3]、[5]、[11]給出了圓曲線沉降槽分布理論的分析成果，根據(jù)文獻中的假定，隧道下穿管線引起的管線沉降曲線如圖1所示，管道未發(fā)生沉降下為直線狀態(tài)，當采用暗挖進行管線下部土體開挖時，管道由先前的直線狀態(tài)轉變?yōu)閳A曲線分布狀態(tài)，這里整條圓曲線具有相同大小的曲率半徑，其中，F(xiàn)和F’為圓曲線的反彎點。

根據(jù)管線沉降示意圖1中的幾何關系可以得出管道沉降量的基本關系式：

h=R(1-cosβ)

(9)

Smax=2h

(10)

式中：β為管道周邊土層發(fā)生不均勻沉降導致管道發(fā)生的轉角；Smax為管道最大沉降值。

圖1 管道沉降曲線示意圖 圖2 管道沉降量示意圖

根據(jù)圖2管道沉降量示意圖，將弧FA對應的直線段管道等分成n份，每段長度為L，則根據(jù)勾股定理可以得出：

(11)

其中，kh?R，因此可以近似得到：

hn=(nL)2/2R

(12)

公式(12)的結果表明：沉降曲線上各點的理論沉降量與曲率半徑R成反比，與各點距離隧道中心的水平距離成反比。

根據(jù)圓曲線沉降分布的分析結果，在役高壓燃氣管道的理論允許沉降量需根據(jù)管道曲率半徑和沉降槽寬度共同確定，假定圓曲線分布狀態(tài)下的沉降槽寬度與PECK 理論下沉降槽寬度相等，因此可以求得管道沉降最大控制值：

Smax=(1.25i)2/R

(13)

3.2 基于 PECK 公式進行管道沉降分析

PECK提出了地表沉降分布形態(tài)為正態(tài)分布曲線，即公式(5)給出表達形式，可以看出在正態(tài)分布假定下，沉降槽各點處的曲率半徑是不同的。為分析在基于沉降變形曲線為正態(tài)分布函數(shù)下各點處的最小曲率半徑，可以對公式(5)求導并根據(jù)曲線某點處的曲率半徑公式得到：

(14)

(15)

將公式(3)確定的管道最小曲率半徑帶入公式，即可得到最大理論沉降值為：

(16)

3.3 結果對比

兩種不同假定下的分析結果表明：管道理論最大沉降量與兩個因素有關，一是沉降槽寬度系數(shù)，二是管道的曲率半徑的大小。管道最大的理論沉降量與管道的曲率半徑成反比，與沉降槽寬度系數(shù)的平方成正比。相比之下，管道在圓曲線理論假定下其最大理論沉降量要比PECK 公式假定下的解大56%，即表明由PECK公式得到的管道沉降控制標準值更為嚴格。對于高壓及超高壓管道應采用公式(16)確定管道沉降控制標準。

4 工程實例

4.1 工程概況

某市地鐵區(qū)間下穿高壓LNG燃氣管線，管線埋深4.78～5.16 m，區(qū)間隧道頂部距離LNG管線中心距離約為11.7 m。區(qū)間隧道下穿段的土層主要為素填土、粉質黏土、殘積礫質黏性土、全風化花崗巖、散體狀強風化花崗巖和碎裂狀強風化花崗巖。隧道下穿LNG管線段見圖3。

圖3 隧道下穿高壓管道橫剖面圖(單位：m)

4.2 管道理論沉降量分析

采用公式(8)對本盾構區(qū)間地表沉降槽寬度進行了預測，隧道半徑為3.1 m，結構頂部距離管道中心為11.6 m，根據(jù)表1中所給地層參數(shù)計算得到隧道上部土體加權平均摩擦角為24.6°，分析得出單線隧道施工完成后其沉降槽寬度為19 m，管道發(fā)生軸向彎曲的最小曲率半徑為R=1 066.5 m。

根據(jù)公式(8)可求解得到沉降槽寬度系數(shù)i=3.8 m。

在PECK分布假定下，由公式(16)可以得出最大理論沉降量為13.5 mm；而根據(jù)圓曲線分布假定下，得到管道最大理論沉降量為21.2 mm。

根據(jù)對LNG燃氣管道的重要程度判別為重要管道，發(fā)生風險等級較高，管道周邊地質條件主要為黏土以及強風化花崗巖；同時結合管道產權單位的要求，綜合分析后得出對高壓燃氣LNG管道，單線隧道開挖后管道發(fā)生最大理論沉降量為13.5 mm，以此作為高壓LNG管道的沉降控制標準。

表1 地層參數(shù)

4.3 有限元分析

為分析管道沉降控制標準值的有效性，根據(jù)LNG管線所處地層的特性，建立了二維有限元模型，模型嚴格按照表1及圖3中的地層參數(shù)，管道及管片均采用梁單元模擬，土層采用平面應變單元。所建模型的尺寸長為80 m，高為30 m，X方向為管道的縱向方向，即管道的縱向長度取80 m。

圖4 管道垂直沉降 圖5 管道沉降

圖4給出了隧道開挖后管道的垂直沉降曲線。從圖4可以看出：對于單線隧道開挖后，管道最大沉降為10 mm，最大沉降發(fā)生在隧道中心正上方；雙線隧道開挖后，管道最大沉降為11 mm，最大沉降發(fā)生在雙線隧道中心某處。通過有限元分析結果與理論計算得到的沉降控制標準進行對比發(fā)現(xiàn)，隧道開挖后，管道的沉降均未超過所制定的沉降控制標準，即表明了所制定的沉降控制標準具有一定的適用性和有效性。

4.4 管線沉降監(jiān)測

LNG管道埋深較大，采用人工探孔的方式在管道周邊范圍進行布點測設。深層點的埋設5m深，基本位于監(jiān)測管線的深度，測得的數(shù)據(jù)較真實，可作為反映LNG管道的實際沉降值。

根據(jù)本文分析結果，將理論分析得到的最大沉降量13.5 mm作為LNG管線的沉降控制標準，實際監(jiān)測結果及計算結果對比見圖5。

通過管道理論沉降分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場監(jiān)測結果分析可知，數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合，最大沉降發(fā)生在雙線隧道中心線附近，最大沉降為12.62 mm，且未超過理論分析得出的管道沉降控制標準。說明本文分析得出的管道沉降控制計算公式基本合理可靠。

5 結語

本文結合規(guī)范給出的最小曲率半徑計算方法和修正的沉降槽寬度計算公式，提出了隧道下穿高壓管道的沉降控制標準理論計算方法，通過本文的分析可以得到以下結論：

(1)對在役高壓及超高壓管道，應著重考慮運營階段的安全性和完整性，對于彈性敷設管道沉降后曲率半徑應按公式(4)的要求且應考慮在自重作用下的管道轉角。

(2)經理論推導，在役高壓、超高壓管道理論沉降量與管道的曲率半徑及管道發(fā)生沉降后的沉降槽寬度有關，本文建議對高壓及超高壓管道的沉降控制標準應按照公式(18)給出的結果，以此作為高壓、超高壓管道的沉降控制標準。

(3)計算與實測結果表明：LNG管道的沉降并未超過沉降控制標準。通過該工程管道沉降的安全性評價，進一步表明了本文制定的高壓及超高壓管道沉降控制標準值的有效性，為類似工程提供了較為全面的參考。

(4)在實際監(jiān)測中，本文建議應當將規(guī)范規(guī)定管道的允許曲率半徑和允許最大沉降量同時作為高壓及超高壓管道的變形控制標準，能有效保證管道處于安全可控狀態(tài)。

[1] 中華人民共和國建設部. 輸氣管道工程設計規(guī)范:GB 50251-2015[S].北京:中國計劃出版社,2015.

[2] 中華人民共和國建設部. 油氣輸送管道穿越工程設計規(guī)范:GB 50423-2013[S].北京:中國計劃出版社,2013.

[3] 張竹清. 地鐵盾構隧道下穿高壓LNG(液化天然氣)管線距離控制要求及沉降控制標準探討[J].隧道建設, 2016, 36(5): 531-536.

[4] 向衛(wèi)國. 隧道開挖引起地下管線變形和安全性狀的研究[D].北京:中國鐵道科學研究院, 2011.

[5] 張昊. 天然氣埋地管道的允許變形沉降量計算[J].上海煤氣, 2010(4):14-15,46.

[6] 韓煊, 李寧. 隧道施工引起地層位移預測模型的對比分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2007, 26(3): 595-600.

[7] 韓煊,羅文林,李寧. 地鐵隧道施工引起沉降槽寬度的影響因素[J]. 地下空間與工程學報, 2009, 5(6): 1188-1193,1219.

[8] 劉建航,侯學淵. 盾構法隧道[M]. 北京：中國鐵道出版社, 1991.

[9] 陽軍生,劉寶琛. 城市隧道施工引起的地表移動及變形[M]. 北京：中國鐵道出版社, 2002.

[10] Knothe, S.Observations of surface movements under influence of mining and their theoretical interpretation [C]. In: Proc. European Conf. on Ground Movement. 1957：210-218.

[11] 楊志鳴, 蘇耀軍.在役天然氣管道沉降控制值的分析探討[J]. 中國市政工程, 2006(4):66-68,71,109.

Standard analysis of settlement control for tunnel crossing underneath high-pressure pipeline

ZHANG Yun-tao
(ChinaRailwayFirstSurveyandDesignInstituteGroupLtd.,Xi'an710043,China)

Cases of new subway tunnels crossing underneath high-pressure gas pipelines is increasing with the accelerated construction of metro tunnels and high-pressure gas pipelines. The Chinese specifications only describe the radius of curvature of the high-pressure pipeline control parameters. The settlement deformation has been widely used as control parameters have no sufficient theoretical background. Based on the curvature radius of elastic pipeline laying standard calculation formula and the modified settlement groove width formula, a settlement control standard calculation formula has been proposed, and combined with the model analysis and measured results, the reliability of the theoretical analysis is verified, which provides a theoretical formula for the reference similar crossing engineering.

tunnel; high-pressure pipeline; radius of curvature; settlement groove width; settlement standard

2017-03-06

張運濤(1988—)，男，陜西西安人，碩士，工程師。

1674-7046(2017)02-0033-07

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.02.007

U25

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