输气管道工程山岭隧道内外管道应力分析与安装设计

石 油l 程 建 设 山岭隧道 与安装设计 陈 霖 ( 胜利勘察设计研究院有限公司，山东东营 2 5 7 0 0 0 ) 摘 要：文章以我国东南沿海地区某输气管道工程为例，介绍了山岭隧道内输气管道的敷设安装方式， 通过 采用 C A E S A RI I 应力分析软件分析 了该输 气管道 采用低跨 连续梁式 支墩敷设 以及 土堤埋设 时的稳 定性等问题计算了管道处于不同敷设方式及不同工况下的推力，根据分析结果对管道敷设及其附属 设施进行 了优化 关键词 ：输气管道；山岭隧道 ；管道敷设 ；应力分析 d o i ： 1 0 3 9 6 9 4 i s s n 1 0 0 1 2 2 0 6 2 0 1 2 0 6 0 1 1 0 引言 随着我国天然气长输管道建设 高峰期的到来 采用 山岭 隧道方式在 山区敷设 管道 的形式越来越 多本文以我国东南沿海地区某输气管道为例 介 绍山岭隧道内及进出洞 口附近的管道敷设方式 并 采用 C A E S AR I I软件对管道模 型进行 应力分 析 优化了管道敷设方式及其附属设施的布置方式 我国东南沿海地区某输气管道工程共设 山岭隧 道 l 8处 总 长约 1 8 5 k m 隧道 内管道敷设可采用土堤敷设或支墩架设的 方式 一般情况下土堤敷设适合于小坡度 的长 隧 道 支墩架设适合于大坡度的短隧道。无论采用哪 一 种方 式 都应把 隧道 内管 道和 隧道外 进 出 口一段 范围内的管道作为一个整体进行详细的应力分析计 算 ，以确定安装方式及补偿 、锚固方案 。其中分析 的要 点为 ： ( 1 )关键点弯头的受力分析。 ( 2 )隧道内直管段的轴 向、径向稳定性分析 。 ( 3 )洞 口自然补偿器和固定墩的优化设计。 1典型 隧道 的选取 经过对 1 8条山岭 隧道的初步分析 并 考虑隧 道长度、纵断面线型、敷设方式等因素 ，本次选取 3号隧道 、l 1号隧道 、1 3号隧道 、l 5号 隧道共 4 条典型山岭隧道进行分析 具体选取隧道明细及选取理由见表 1 表 1 典型隧道选取 明细 管壁厚 实际 纵断面 敷设 隧道名称 选取理 由 m m 长度 m 形式 方式 最 长 的单 坡 堤 埋 3号隧道 1 2 7 2 l l 3 斜线 堤埋敷设 敷设隧道 最 长 的人 字 坡 堤 1 1号隧道 1 2 7 1 4 7 0 人字坡 堤埋敷设 埋敷设隧道 较 长 的大 坡 度 支 1 3号隧道 1 5 9 1 5 0 1 折线 支墩 敷设 墩敷设隧道 坡 度 最 大 的支 墩 1 5号隧道 1 2 7 5 7 8 折线 支墩敷设 敷设隧道 2模 型建 立 2 1 堤 埋敷设 隧道 3号隧道与 1 1号隧道内管道采用堤埋方式敷 设 采用堤埋敷设方式的隧道在管道进 出隧道洞 I；3 的外侧均设置 自然补偿器 在 自然补偿器远离隧道 洞 口端设置埋地固定墩 ：其 中 1 l号隧道为人字坡 隧道 在隧道 中部变坡点处两侧各 1 5 m处设置 固 定墩 。 隧道安装模型见 图 1 3 2 2支墩敷 设 隧道 1 3号隧道与 1 5号隧道 内管道采用支墩方式敷 设 采用支墩敷设方式的隧道 在隧道内管道上设 置导向滑动支墩( 轴 向可位移 ) ，原则上支墩间距 为 1 0 r I 1 在管道进出隧道洞 口的外侧均设置 自然 补偿器 在 自然补偿器远离隧道洞 口端设置埋地固 第 3 8卷第 6期 陈 霖 输气管道 程山岭隧道内外管道应 力分析与安装设计 4 5 ( a )平面俯视 固定 固定墩 图 1 3号 隧道管道敷设模型( 长度单位 ：m) 水平弯头 ( a )平面俯视 ( b ) 纵 断 面 刮 视 图 2 1 1号隧道 管道敷设模型 定墩 在隧道内长斜边段 中点设置 固定墩锚 固，见 图 46 。 3 边界 条 件设 置 该输气管道及周边环境的基本设计参数如下 ： ( 1 )天然气气相密度 0 7 4 6 4 k g m3( 0) ，设 计温度 2 0 c IC ( 2 )设计压力 7 5 MP a 。 ( 3 )安装温度 l 0l 5 o C ( 考虑到洞内安装 ) 。 ( 4 )最高操作温度 3 0。 水平弯头 图 3隧道 内管道堤埋敷设横断面模型 ( 5 )防腐层为加强级 3 P E外 防腐 。 ( 6 )试压介质为洁净水。 ( 7 )热煨弯头 曲率半径取 6 D ( D为管径) ，冷 弯弯管取 4 o D ( 8 )土壤物理力学参数。堤埋敷设管道周边回 填土壤的物理性能参数可按照表 2选用 考虑实际 施工情况 回填土物理力学性能参数可按照粘聚力 较小的松散砂土选取 表 2 各类型土壤物理性能参数 土壤 天然含 土的密度 天然孔 内摩擦 黏聚力 变形模 类型 水量 W p ( k g m3 ) 隙比 e 0 角 西 ( 。 ) c k P a 量 M P i 砂 土 1 5 1 8 2 O 5 0 40 5 4 2 2 4 6 粉土 1 92 2 2 0 5O 6 2 8 7 1 4 黏土 3 03 4 1 8 5 0 80 9 1 8 1 l 1 3 ( a )平面俯视 隧道坡度一 2 9 6 ( b)纵断面 1 5 。 图 4 1 3号隧道管道敷设模型 ( 长度单位 ：m) 墩 平弯头 9 0 。 石 油,it jc建 设 0l l 水 固定墩 纵 向弯头 水平弯头 3 0 。 ( a )平面俯视 水平弯头 定墩 隧道坡度 5 4 6 1 5 。 隧道坡度 1 7 f b 1纵断面剖视 图 5 1 5号隧道管道敷设模型 ( 长度 单位 ：i n ) L 二 1 0 5 一 图 6 隧道 内管道支墩敷设横 断面模型 ( 9 )输气管道用钢管的其他参数。模型中管道 其他参数见表 3 4运行 工况应 力计算 结 果及分 析 C A E S A R I I 是 C O A D E公 司 的一 款 管道 应 力 分 析软件。本次设计主要是利用该软件的静力分析模 块进行建模分析包括对一次应力与二次应力进行 分析 ： ( 1 )压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计 算防止塑性变形破坏 ( 2 )管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷 载作用下的二次应力计算防止疲劳破坏 4 1 3号 隧道 4 1 1 运行工况关键节点受力计算结果 ( 见表 4 ) 表 3 管材参数 明细 外径 壁厚 管道 有效内截 管壁截 每米管外表 每米管质 每米管充水后质 转动惯量 截面系数 管道支墩计算跨 管道支墩选用跨 mm mm 材 质 面积， c m 面积， c m 面积 ( m2 m1 “l ( k g m) 量( 无保温) ( k 咖 ) ， 0 c m 4 0 c m 度 ( 无保温 ) ， m 度( 无保温) m 8 l 3 1 2 7 I J48 5 4 8 6 9 3 1 9 2 5 5 2 4 9 7 3 6 2 6 0 4 5 4 6 4 0 7 2 3 9 6 1 O 81 3 1 5 9 L 4 8 5 4 7 9 1 3 9 8 2 5 5 3 1 O 7 8 9 3 22 2 31 7 9 2 7 2 5 7 3 1 0 表 4 3号 隧道运行工况下关键节 点受力分析 k N 沿管道轴向 垂直管道向 管道水平径 向 节点号 位置 ( 输气介质 上f 垂直 向 ( 输气介质流 向 流 向为正 ) 上为正 ) 右侧 为正 ) 1 O 洞外固定墩 一 9 2 8 3 2 l _3 - l 1 O 洞外 固定墩 9 2 7 - 3 2 1 3 4 1 2 结 果分析 3号隧道为采用堤埋敷设方式的小角度平坡隧 道 其 内部管道受力均匀 洞外可设置抗 1 5 0 0 k N 推力的固定墩 4 2 1 1号隧道 4 2 1 运行 工况关键 节点受力计 算结果 ( 见表5 ) 4 2 2结果分析 1 1号隧道为采用堤埋敷设方式 的小角度人字 坡隧道 其内部管道受力均匀 洞内弯头两侧 应 力较小 为防止管道轴 向失稳起拱 在洞 内弯头 第 3 8卷第 6期 陈霖 ：输 气管道工程 山岭 隧道 内外管道应力分析 与安装 没计 4 7 表 5 l 1号隧道运行工况下关键节点 受力分析 l N 沿管道轴向 垂直管道 管道水平径 向 节点 位置 ( 输气介质流 向上 ( 垂直向 ( 输气介质流 号 向为正 1 上 为正 向右侧为正 、 1 0 洞外 固定墩 一 l 3 3 9 - 4 1 9 3 1 2 4 0 洞 内固定墩 4 0 1 O 6 O 洞 内固定墩 - 2 7 O O 1 1 O 洞外 固定墩 1 0 4 4 1 9 5 7 9 两 侧设 置抗 5 0 0 k N推力 的 固定墩 洞 外设 置抗 1 5 0 0 k N推力的固定墩。 4 3 1 5号 隧道 4 3 1 运行工况关键节点受力计算结果 ( 见表6 、表 7 ) 表 6 1 5号隧道运行工况下长斜边设置固定墩时关键节点受力 分 析几 N 沿管道 轴向 垂 直管 道 管道径 向 节点 位置 ( 输气介质流 向上f 垂直 向 ( 输气介质流 号 向为正 ) 上为正 ) 向右侧为正 1 0 洞外 固定墩 - 5 2 5 8 一 O 8 - 2 6 1 3 0 洞 内弯头之前 1 0 5 3 1 7 O 1 5 0 洞 内弯头之后 - 8 7 - 2 9 8 O 3 9 0 长斜边 中间 固定墩 3 0 2 0 0 6 5 0 洞外 固定墩 9 7 2 0 1 2 表 7 l 5号隧道运行工况下长斜边未设置固定墩时关键节点 受 力 分 析， k N 沿管道轴 向 垂 直管 道向 管道水平径 向 节点 位置 ( 输气介质流 上 ( 垂直向 ( 输气 介质流 号 向为正 ) 上为正) 向右侧 为正) 1 0 洞外 固定墩 一 5 9 2 5 - 0 9 - 3 2 l 3 O 洞 内弯头之前 1 1 6 - 3 5 2 O 1 5 0 洞 内弯头之后 - 9 3 - 3 3 8 0 6 5 0 洞外 固定墩 8 1 6 0 1 1 4 3 2结果 分析 在支墩敷设段 的长斜边中间设置固定墩时 洞 内架空处弯头受力减小 且洞 内固定墩受 推力较 小 在洞 内设置抗 5 0 0 k N推力 的固定墩 即可满足 推力要求 ，且便于在小截面隧道内施工 洞内增加 固定墩 对于洞外固定墩推力有一定 影响但是由于洞外固定墩施工不受空间影响 因 此可以接受洞外固定墩处所受推力的变化 洞外可 设置抗 1 5 0 0 k N推力的固定墩 4 4 1 3号 隧道 4 4 1 运 行工况关键 节点受力计算结果 ( 见表 8 、 表 9 ) 表 8 1 3号隧道运行 工况下长斜边设置 固定墩时关键节点受力 分 析 ， k N 沿管道轴 向 垂直管道 向 管道径向 节点 位置 ( 输气介质流 上 ( 垂直 向 ( 输气介质流 号 向为正) 上为正) 向右侧为正) 1 O 洞外 固定墩处 一 l 2 8 7 4 - 5 9 3 1 3 7 o 0 长斜边中点固定墩处 1 3 0 2 6 4 6 O 1 5 7 0 洞外固定墩处 1 2 4 4 5 0 9 一 2 8 7 表 9 1 3号隧道运行 工况 下长斜边未设置 固定墩时关键 节点 受力 分 析 I 【 N 节点 位置 管道轴 向 ( 输气 垂直管道 向 管道水平径向 上f 垂直 向 ( 输气介质流 号 介质流 向为正 ) 上为 1 囱右侧为正) 1 O 洞外固定墩处 - 1 2 5 9 - 7 7 5 3 1 5 7 0 洞外固定 墩处 1 3 3 9 l 3 1 4 4 2结 果分析 比较 1 3号隧道与 1 5号隧道可 以得出以下结 论 ： 采用同种敷设方式的管道 隧道长度 比隧道坡 度对隧道内管道受力的影响更大 坡度较小时长斜边中点处的固定墩所受到的推 力 较小 。 洞 内可 以设置抗 5 0 0 k N推力 的固定墩 洞外 采用 1 5 0 0 k N推力 的固定墩 5 水压 试 验 时管道 应力校 核 因水压试验工况温差较小 可以不考虑二次应 力 的影响 仅针对强度试压时内压及介质载荷产生 的一次应力进行校核 本次设计根据 “ 试验压力应以最高点压力为准 ( 最低试验压力应符合规范规定 ) ，且低点的管道环 向应力不得超过钢管最低屈服强度 的 0 9倍”的原 则进行校核 各种壁厚管道对应的试验压力及允许 高差见 表 1 O 表 1 0隧道 内各种壁厚管道允许高差对照 钢管外 钢管壁 设计压 最低强度试 管材最低屈 允许水柱高 径 m m 厚， mm 炙 MP a 验压力 MP a 服强度 MP a 差 0 9 o J m 8l 3 1 2 7 7 5 1 1 2 5 4 8 5 2 4 3 81 3 1 59 7 5 1 1 2 5 4 8 5 5 9 3 注 ： 为管材屈服强度 根据隧道高差明细以及 以上校核 可 以得 出 9 号 隧道 、1 3号 隧道 、1 4号 隧道 内管 道需要 采用 1 5 9 m m壁厚管材 其他 隧道 内管道采用 l 2 7 m m 壁厚 ，即可满足水试压要求 。 石 油工 jf 建 设 6结束语 结合本输气管道工程 对隧道内管道安装的两 种形式进行 了参数计算与分析 根据分析得出本工 程管道安装设置 的一般原则如下 ： f 1 )对于小角度隧道宜采用土堤埋设的方式进 行管道安装 对于坡度较大的隧道宜采用支墩敷设 的方式进行管道安装 f 2 )在隧道出入 E l 处需结合地形地貌利用管道 转 向设置 自然补偿器 补偿器角度宜为 6 0 。 9 0 。 。 ( 3 )若安装空间允许 ，宜在管道洞外弯头两侧 各 2 0 m 的地方设置固定墩 利用弯头适 当补偿。 ( 4 )对于人字坡隧道 为防止管道失稳 ，在满 足上述设置原则 的情况下 还应在折点弯头两侧各 1 5 1T I 的地 方设 置 固定墩 ( 5 )对于采用支墩敷设方式的隧道 大 口径管 道 ( D 8 0 0m m以上)支墩设置间距原则上为 1 0m， 采用混凝土墩与 U形管卡式滑动支座相 结合 的方 式 U形管卡用螺栓直接锚 固在支座 内以防止管 道 发生 径 向失稳 ( 6 )对于采用支墩敷设方式的隧道 ，在长斜边 中点处设置一个抗推力 的固定墩 ( 7 )对于堤埋方式的隧道 尽量采用摩擦力与 粘滞力指标较为均衡的黏土回填在管道周边 回填 后需进行夯实 ，夯实系数不小于 0 9 2 。 每一项工程都有其特殊性 隧道管道敷设方式 也不尽相同 应结合工程的具体情况 确定受力边 界条件 ，按确定的计算模型进行综合计算 、分析 ， 应特别注意温差导致 的二次应力以及隧道内管道的 水试压工况的应力校核 ，以制订合理 的、安全 的、 经济的管道敷设方案。 参考文献 ： 1 G B 5 0 4 2 3 2 0 0 9， 油气输送管道穿越工程设计规范 S 】 2 刘建武 ， 付 超 ， 闫彦 长输 管道 穿越山岭 隧道设计 的有关 问题 J 1 石油工程建设 ， 2 0 0 9， 3 5 ( 2 ) ： 2 3 2 4 3 王进 ， 刘 武 输 气 管线 山岭 隧道 设计 探 讨 J 天 然气 与石 油 ， 2 0 0 6， ( 3 ) ： 3 3 3 4 4 l 李 长阁， 李淑娟 长输管道穿越 山岭隧道施工技术 J 石油工程建 设 2 0 0 2， 2 8 ( 4 ) ： 2 2 2 5 5 陆