顶管施工视频 管道 [高速施工对顶管穿越输气管道安全影响分析]

　　摘要：西气东输二线管道在深圳市穿越机荷高速公路，EPC项目部在办理公路穿越通过权时，高速管理方提出高速公路将进行扩建施工，要求输气管道穿越高速公路施工方案需按照高速管理方提出的建设技术参数进行调整。为节省工期及费用，输气管道设计人员根据高速管理方提出的技术参数，核算在高速施工过程中，管线是否满足安全生产要求。
　　关键词：顶管；高速公路穿越；混凝土套管；强度校核；管道安全
　　中图分类号：TU990 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）27-0068-04
　　顶管施工是一种现代化的埋设地下管线的施工方法，它在不扰动管外层土层结构的条件下，利用顶进、挤压等多种予力手段的予力技术作用原理，自控自支护自平衡土压力，使管壁与原土层紧密结合，不会形成埋管回填土中的积水带及浮力区，对地上地下环境的保护、对地上地下设施的无干扰破坏、施工安全可靠性、施工经济效益等方面都具有较大的优越性。该施工工艺可在不阻断交通的情况下进行施工，已经在国内外穿越公路中得到广泛
　　应用。
　　1 工程概括
　　西气东输二线管道工程在深圳境内采用顶管方式穿越机荷高速公路，管线与高速交叉角为72°，穿越长度72m，穿越保护套管顶距离高速公路路面3.1m，满足国家相关设计规范要求。管道穿越施工前，由高速管理方进行穿越施工方案审批。根据高速管理方施工方案审批意见，输气管道穿越高速需要在穿越段采取箱涵保护。现根据高速管理方提供的高速施工技术条件对管线及保护套管安全性进行校核。
　　机荷高速业主方提供机荷高速维修及改（扩）建范围、施工条件技术参数如下：
　　1.1 高速公路扩建路基施工影响范围及管道保护措施
　　1.1.1 管道穿越机荷高速公路时，考虑到未来路基加宽，要求西二线穿越路基段在预留高速公路加宽施工范围应采取保护措施，且管道两侧各10m（垂直投影距离）范围内的土基应予压实，压实度不低于96%，以避免道路施工及路基差异沉降影响管道安全。具体范围为：机荷高速现公路用地线两侧各30m（垂直投影距离）。
　　1.1.2 西二线穿越现有高速公路时的管道顶部埋深应在现有地表面5m以下，建议穿越预留高速公路加宽施工范围时采用箱涵进行保护，其余范围采取套管保护。
　　1.2 拼宽路基施工工艺和压路机施工参数
　　1.2.1 压路机施工参数。振动压路机质量30000kg，压路机宽度2.4m，长度为5.4m，振动频率（v）33Hz，振幅（A）2mm。
　　1.2.2 路基填土高度及要求。路基设计填土高度达到与现有高速公路高程一致，采用分层碾压填筑。
　　1.2.3 施工工况。两台压路机同时振动行驶至垂直穿越路基的管道顶面时，两台压路机的振动能量、压路机及填土荷载对管道产生的压力对西二线的影响最大。
　　1.3 施工运输车辆荷载
　　施工运输车辆最大载荷重量可达120t。
　　1.4 设计荷载指标
　　高速公路设计计算荷载为公路I级。
　　2 研究目标
　　西气东输二线管道穿越机荷高速公路，输气管道采用顶进圆形钢筋混凝土套管施工工艺。根据深圳高速公路股份有限公司提供的机荷高速公路维修及改（扩）建施工范围及施工条件技术参数，本研究主要计算西气东输二线所选用套管在强度上是否安全可靠，同时分析机荷高速公路维修及改（扩）建时，压路机产生的振动是否对已建天然气管道的安全运营产生影响。
　　3 套管结构受力计算
　　根据西气东输二线机荷高速穿越0版施工图，穿越机荷高速公路的圆形套管内径为R=1.5m，壁厚为t=0.15m，设计采用《顶进施工法用钢筋混凝土排水管》（JC/T 640-2011）规范推荐的DRCP Ⅲ1500×2000A型钢筋混凝土套管。
　　3.1 计算条件
　　套管顶填土高度 H=5m
　　土的内摩擦角 φ=27°
　　填土容重 γ=18.2kN/m3
　　地基容许承载力 [σo]=200kPa
　　施工运输汽车总重 120t
　　压路机总重 30t
　　内摩擦角φ 27°
　　3.2 强度校核
　　按套管受力最大的情况来校核，因此，校核套管强度时荷载组合为：土壤压力+活荷载。土壤压力按照最极端工况，即顶管穿洞时未被破坏的土壤形成的消力拱作用丧失，套管承受上方全部土壤
　　压力。
　　3.2.1 土壤垂直荷载：
　　式中：
　　：沟埋式土壤垂直荷载，N/m2；
　　：土壤密度，kg/m?；
　　：重力加速度，m/s2；
　　：管子外径，m；
　　：考虑填土沉陷时，土壤摩擦力影响系数。
　　根据埋管的及的值取=4.12。
　　：由管顶到路面的填土厚度，m；
　　：由沟底基底到管顶的距离，m；
　　S：根据管子刚度和基底性质决定的系数。
　　计算得出=132.3kN/m2。
　　3.2.2 活载。施工运输汽车总重120t，压路机总重30t，取施工运输汽车荷载作为最大活载参与组合计算。套管顶覆土厚度为5m，覆土对汽车的轮压具有扩散作用，在覆土中汽车轮压扩散角度按30°考虑，覆土越厚，汽车轮压扩散越充分，当覆土厚度满足够厚，轮压扩散足够充分时，汽车轮压荷载可按均布荷载考虑。本次计算根据《给水排水工程埋地管芯缠丝预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管管道结构设计规程》（CECS140-2002）附录C进行计算，计算如简图1所示：
　　a.顺轮胎着地宽度的分布 b.顺轮胎着地长度的分布
　　图1 地面车辆荷载作用套管顶标准值计算简图
　　车辆轮压产生的管顶处单位面积上竖向压力标准值，其计算公式为：
　　（2）
　　式中：
　　：车辆轮压产生的管顶处单位面积上竖向压力标准值（kN/m2）； 　　：动力系数，由于覆土5m，本次计算取=1；
　　：地面车辆的单个轮压标准值，由于本次计算的汽车载重为120t，取=70kN；
　　：单个车轮着地分部长度，本次计算取=0.6m；
　　：单个车轮着地分部宽度，本次计算取=0.2m；
　　：设计管顶至地面的深度，本次计算=5m。
　　通过计算得出，车辆轮压产生的管顶处单位面积上竖向压力标准值=1.3kN/m2。
　　套管总垂直荷载Q=+=133.6kN/m2。
　　根据《顶进施工法用钢筋混凝土排水管》（JC/T 640-2010）标准，型号为DRC1500×2000G Ⅲ A钢筋混凝土套管裂缝荷载为135kN/m2，破坏荷载为203kN/m2，套管总垂直荷载小于钢筋混凝土套管裂缝荷载及破坏荷载，因此该套管满足要求。
　　4 压路机震动对管道的影响分析
　　高速公路路基压实施工必须采用较大吨位的钢轮振动压路机对路基土体进行碾压，使其达到规范要求的路基密实度指标。
　　4.1 计算原理
　　压路机振动碾压路基产生振动波，振动波在土中传播时，由于土的内部阻力及振波的能量扩散，使振波的振幅随离开振源距离的增大而逐渐减小，衰减后离震源一定距离的土体震动质点的简谐振幅的大小，直接决定着震波传播到该点震动能量的大小。当压路机作为震源做竖向或水平向振动时，距该振动点中心一定距离处地面质点的竖向或水平向的振动线位移及质点振动速度，可根据机械工业部《动力机器基础设计规范》（GB50040-96）中关于地面振动衰减的经验公式计算确定。因此，可以得出水平方向上距离压路机不同距离地表质点的受影响情况。
　　4.2 计算条件
　　路基施工时，压路机碾压路基征地红线边缘处的地基可认为距离未受套管保护的管道最近，振动能量最大，对管道破坏影响程度最高，为最危险的控制点。因此，以压路机碾压在路基红线位置为计算起点位置，未受套管保护的油气管道距离路基红线的距离为计算分析距离。
　　本次计算振动压路机质量30000kg，压路机宽度2.4m，长度为5.4m，振动频率（v）33Hz，振幅（A）2mm。
　　选取距离震源15m范围内，1m为间距设置15个计算点，计算不同位置地表质点最大振动线位移及最大振动竖向速度。
　　4.3 计算简图
　　4.4 理论计算分析
　　理论计算公式采用《动力机器基础设计规范》（GB50040-96）中地面质点振动衰减的经验公式，表达式如下：
　　（3）
　　对于方形基础：
　　对于圆形基础：
　　式中：
　　：距振动基础中心r处地面上的振动线位移（m）；
　　：振动基础的振动线位移（m）；
　　：基础上机器的扰力频率（Hz），一般为50Hz以下，对于冲击机器基础，可采用基础的固有频率；
　　：圆形基础的半径（m）或矩形及方形基础的当量半径；
　　：无量纲系数，按《动力机器基础设计规范》（GB50040-96）附录E.0.2条规定采用；
　　：地基土能量吸收系数（s/m），按《动力机器基础设计规范》（GB50040-96）附录E.0.3条规定采用；
　　：动力影响系数，按《动力机器基础设计规范》（GB50040-96）附录E.0.4条规定采用。
　　计算：
　　4.4.1 振动压路机质量30000kg，压路机宽度2.4m，长度5.4m，振动频率（v）33Hz，振幅（A）2mm。
　　4.4.2 无量纲系数与地基土的性质和振动基础的底面积大小有关，其值按《动力机器基础设计规范》（GB50040-96）附录E.0.2条规定，本次计算压路机震源基础按矩形考虑，当量半径为小于0.5m，确定取0.8。
　　4.4.3 地基土能量吸收系数（s/m），按《动力机器基础设计规范》（GB50040-96）附录E.0.3条规定采用，本次计算取1.8×10-3。
　　4.4.4 动力影响系数，本次计算基础底面积小于10m2，按《动力机器基础设计规范》（GB50040-96）附录E.0.4条规定采用，取1.0。
　　4.4.5 计算结论。选取距离震源15m范围内，以1 m为间距设置15个计算点，计算不同位置地表质点的振动线位移及振动速度，其结果如下表：
　　根据普通物理学理论，振动压路机工作时地面振动速度与振幅成正比，由压路机振动引起地面质点的振动速度计算公式为：
　　式中：
　　：地面质点的最大速度（m/s）；
　　：距振动基础中心r处地面质点的振动线位移（m）；
　　：振动固有频率（Hz）。
　　根据计算结果可知，单个压路机施工时，当管道距离高速公路路基征地红线10m时，管道处的质点振动线位移为1.0×10-4m，质点振动速度为2.1cm/s，可以判断高速公路征地红线范围10m时（垂直距离）天然气管道处于安全状态。根据深圳高速公路有限公司提供的资料，施工时考虑两台压路机同时施工，两台压路机引起的振动波会出现叠加，安全距离应辅以适当的安全系数，本次计算取1.5的安全系数，得出高速公路征地红线范围15m时（垂直距离）天然气管道处于安全状态，亦即从高速公路征地红线范围处至征地范围外15m（垂直距离）内的天然气管道应受钢筋混凝土套管保护。
　　5 结语
　　（1）通过计算分析得出：西气东输二线输气管道与高速公路交叉的地段，埋地管道采用DRC 1500×2000GⅢ A型圆形钢筋混凝土套管进行保护，混凝土套管结构安全。
　　（2）为满足机荷高速公路维修及改（扩）建的要求，未受钢筋混凝土套管保护的输气管道距离高速公路征地红线的最小安全距离不应小于15m（垂直距离）。
　　通过本次校核，西气东输二线穿越机荷高速公路最终采用DRC 1500×2000GⅢ A型圆形钢筋混凝土套管保护输气管道，并控制输气管道保护套管长度超出高速公路征地红线不小于15m，否定了机荷高速业主方提出的“穿越预留高速公路加宽施工范围时采用箱涵进行保护，其余范围采取套管保护”的要求，本校核结论最终得到机荷高速管理方的认可，机荷高速穿越按顶混凝土套管方案顺利实施，缩短工程施工周期30天，节省工程投资约50万元，取得了良好的经济效益。
　　参考文献
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　　[4] 顶进施工法用钢筋混凝土排水管（JC/T 640-2010）[S].北京：建材工业出版社，2010：2.
　　[5] 动力机器基础设计规范（GB50040-96）[S].北京：中国计划出版社，1996：86-88.
　　作者简介：晏金龙（1980-），中国石油辽河工程有限公司油气管道所工程师，研究方向：油田地面建设及长输管道设计。
　　（责任编辑：周 琼）

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