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.國家管網集團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。以現場地層參數為基礎，采用有限元數值計算方法，對工程空間關系、隧道開挖、管道直徑、管道運行參數等因素所導致的地表位移及由此引發的管道應力集中進行分析，通過與管材強度對比，得出隧道施工時管道運行狀態安全結論，并提出開挖施工安全保障措施建議。

關鍵詞：在役管道；隧道開挖；地表沉陷；管道應力

隧道開挖常因地質條件、施工方法、支護結構等因素導致地層結構不穩定甚至地表塌陷[1,2]，而地表塌陷會使敷設于上部土層的油氣管道發生變形、應力集中直至管道破壞[3]，是管道風險識別應重點關注的隱患之一，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行應力分析[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，為后續工程提供參考與借鑒。

1  工程概況

銀昆高速隧道規劃路由位于西氣東輸管道下方，相對位置關系見圖 1。管道設計壓力10 MPa，管徑1219 mm，壁厚18.4 mm，鋼管材質L555，埋設于地表以下約2 m。隧道開挖斷面大（掘進直徑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。

圖 1 公路隧道與管道相對位置平面圖

2  地質條件

施工場地位于西北地區，根據地質資料，場地巖土體的物理力學參數如表 1所示。

為方便分析計算，將地層簡化為統一物理參數巖土作為研究對象，隧道埋深較厚土體為超固結性黃土，據最新土層參數資料，選取的穿越地層為單一地層，其物理參數為：壓縮模量13 MPa、泊松比0.3、黏聚力18 kPa、內摩擦角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力應變狀態[5]。

3.2  模擬單元

考慮隧道軸向應力變化不大，可以建立平面應變模型進行土體變形研究，考察典型界面上隧道應力位移的變化規律。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

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

（1）ANSYS程序通過修改單元剛度實現單元生死功能。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（系統默認系數1.0×10-6），再用ESTIF進行修改。

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

3.4  基本假設

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

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

（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土，即認為隧道施工前巖土層在自重作用下不再發生變形；場地土的變形與時間無關，即不考慮土層的蠕變特性；土層為各向同性均勻介質。

（5）平面應變模型計算過程中不考慮襯砌對地表沉降的影響。

（6）研究范圍內兩側邊界線不產生橫向變形；底部邊界線不產生任何方向變形，即底部節點為全約束狀態。

（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，再根據管段與隧道的相對位置進行地表沉降量折算。

3.5  建立模型

所建模型如圖 2所示。

圖 2 隧道（局部）開挖及巖土地層網格劃分

4  計算結果

4.1  計算步驟

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

（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）假定在土體連續變形情況下，管道與下方土體發生共同變形，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的情況下，該段管道（長530 m）的應力情況。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；管道不同節點的差異性沉降值。有限元計算結果如圖 5、圖 6所示。

圖 5 隧道正上方第三強度管道局部應力值（ Pa）

圖 6 隧道正上方第四強度管道局部應力值（ Pa）

由此可知：

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

（2）管道同一位置的第三強度當量應力值稍大于第四強度當量應力值。

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

可見，隧道開挖產生地表均勻變形情況下，埋深2 m管道在正常工況下運營安全。

5  結論及建議

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

（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生。地表坍塌事故等特例工況下的管道應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性低的黃土地區，盡可能采用機械開挖方式（例如盾構隧道、頂管隧道）避免傷及管道。如果采用礦山法開挖，應采取短掘短砌、及時支護、分步開挖、及時監控等方式，尤其在管道穿越段隧道前后各50 m區域內，必須采用超前管棚注漿方式等做好超前支護，在保證巖體穩定的情況下再行開挖。

（4）隧道施工技術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域每隔0.5 m布置地面位移及管道應力監測設備，在管道全生命周期持續監測，以消減管道安全風險。

 

參考文獻： 

[1]張歡. 隧道工程施工過程中的力學分析[J]. 城市建設理論研究：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：中原工學院，2015.

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

[5]趙宣朝. ANSYS在土木工程中的應用[J]. 計算機產品與流通，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用[J]. 科技創新與應用，2016(13)：52.

 

作者簡介：韓桂武，1977年生，工學博士，高級工程師，現從事管道應力分析及巖土工程、地下儲油庫工程設計及研究工作。聯系方式：15081677911，hanguiwu@cnpc.com.cn。