中石化天然氣分公司川氣東輸銷售營業(yè)部 吳剛強

0 概述

隨著我國天然氣產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，天然氣輸送管道發(fā)生受損的事故時有發(fā)生。造成天然氣管道受損的主要原因有:外力作用的破壞、腐蝕、焊接材料缺陷和地基的不均勻沉降。對于填海區(qū)域內(nèi)的高壓天然氣管道而言，尤其應(yīng)考慮地面沉降對其造成的影響，由于填海區(qū)的沉降數(shù)值普遍較大，對于地下管道來說，沉降會造成管道變形，而填海區(qū)域經(jīng)常發(fā)生的不均勻沉降會對管道造成更大的影響。雖然鋼制管道具有一定的韌性，能夠承受一定程度的變形，但當(dāng)變形造成的當(dāng)量應(yīng)力超過材料的最小屈服強度，鋼管就有可能發(fā)生破損或者斷裂，造成天然氣泄漏。管道中的高壓天然氣一旦泄漏，壓縮氣體會迅速膨脹，釋放大量的能量。泄漏的天然氣與空氣混合后，遇到火種將引起爆炸、火災(zāi)，將會造成巨大的損失，對周圍的環(huán)境和人員產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。此外，即使沒有發(fā)生爆炸，但管道發(fā)生泄漏后必然中斷供氣，將導(dǎo)致下游用戶特別是大用戶(如天然氣電廠、大型工業(yè)用戶等)的非正常停氣，影響大用戶的正常生產(chǎn)，造成相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 管道沉降分析

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)和各項建設(shè)的快速發(fā)展，土地緊張的矛盾日益突出，在國家收緊土地“閘門”的情況下，合理的填海造地不失為解決這一問題的一種方法。然而，受填海技術(shù)的局限性，填海區(qū)域普遍存在比較嚴(yán)重的地面沉降現(xiàn)象，會對填海區(qū)內(nèi)的各類建構(gòu)筑物、地下管道等設(shè)施產(chǎn)生一定的影響。

1.1 工程地質(zhì)分析

經(jīng)過對某填海地區(qū)的地質(zhì)勘探，將該項目路段地基土層劃分為6個工程地質(zhì)層及分屬不同層次的亞層(見表1)。工程區(qū)域內(nèi)工程地質(zhì)層總體上分布較為穩(wěn)定，各土層埋深、厚度變化不大。①層為填土，土質(zhì)松散，工程性質(zhì)差；②層為典型的軟土層，強度低，壓縮性高，是可能產(chǎn)生較大沉降的主要壓縮層。①、②、②1、③、④為管道工程影響深度范圍內(nèi)的主要地基土層。

表1 工程區(qū)域內(nèi)工程地質(zhì)層劃分

1.2 欠固結(jié)軟土沉降特征

軟土地質(zhì)的工程特性是其變形孕災(zāi)的內(nèi)因。工程所在區(qū)域范圍內(nèi)的軟土具有含水量高、土體接近完全飽和、天然孔隙比大、垂向滲透性低、承載力低、凝聚力小而抗剪能力弱、靈敏度高而結(jié)構(gòu)性強的物理力學(xué)性質(zhì)。軟土還具有非線性、蠕變性等特性。工程沿線普遍發(fā)育多個軟土層的區(qū)段，從深部軟土層到淺部軟土層，隨軟土層埋深變小，含水量(w)、液限(wL)、液性指數(shù)(IL)、孔隙比(e)隨之增大，而力學(xué)強度隨之則減弱。

地面形變除與軟土工程地質(zhì)特性有關(guān)外，主要與圍墾、填土建設(shè)等工程活動密切相關(guān)。圍墾為城市提供了重要的城市發(fā)展空間。在自重固結(jié)沉降未完成的淤泥質(zhì)軟土區(qū)進(jìn)行填土加載、快速開發(fā)建設(shè)，人為地加速了軟土的排水固結(jié)—壓縮沉降過程，是軟土區(qū)出現(xiàn)大面積地面下沉與工程建筑損壞的主要原因，見圖1。

圖1 欠固結(jié)沉降模式(珠江三角洲平原)

地面形變量與軟土沉積時代、軟土層厚度、埋藏情況及其上覆的填土厚度大小相關(guān)。軟土沉積時代越老、埋深越大、軟土與填土層厚度越小的區(qū)段，地面形變量越小，對工程的影響越小；而沉積時代越新、埋藏越淺，軟土與填土層厚度越大的區(qū)段，地面形變量就越大，對工程的影響越大。

軟基沉降方式分為自重固結(jié)沉降和加荷固結(jié)沉降兩個類型。前者沉降緩慢，沉降跡象不如后者明顯，主要表現(xiàn)為垂向沉降，工程建筑與地面同步下沉；后者主要由工程建設(shè)等人類活動引起，沉降量大小直接取決于軟土厚度和上覆填土厚度(填土重量)。以往調(diào)查結(jié)果表明，軟土地面沉降過程一般都經(jīng)歷大幅沉降——降幅減小——趨于穩(wěn)定三個階段。

1.3 沉降案例分析

以澳門特別行政區(qū)為例:澳門陸上天然氣輸入傳輸系統(tǒng)位于澳門路環(huán)島，自2007年12月竣工以來，該工程天然氣管道和場站已運行7年多。該項目實施時考慮到填海區(qū)的沉降問題，因此輸氣管道和場站工藝裝置區(qū)均采用樁基支撐，并設(shè)置了承臺和管槽，以確保管道和工藝裝置不發(fā)生沉降。從現(xiàn)場照片中可以看出，由于采取了有效的支撐，管道和工藝裝置沒有發(fā)生明顯的沉降，但周圍地形的沉降現(xiàn)象非常嚴(yán)重。

圖2反映的是管道沿線道路的情況，可以看出管道所在位置的路面出現(xiàn)較明顯的拱起，這是由于管道維持原標(biāo)高而周邊路面下沉造成的；圖3反映的是場站內(nèi)的情況，工藝裝置區(qū)基本沒有沉降，但周邊的地面已有相當(dāng)明顯的下沉，場站內(nèi)的地坪已出現(xiàn)比較嚴(yán)重的損壞。

圖2 澳門道路沉降情況示意

同樣，澳門陸上天然氣輸入傳輸系統(tǒng)的上游工程——橫琴輸氣管道工程也出現(xiàn)了類似的情況，如圖3所示。

圖3 橫琴輸氣首站沉降情況示意

根據(jù)以上現(xiàn)場實際情況可見，填海區(qū)內(nèi)的沉降現(xiàn)象是比較嚴(yán)重的，如果不對管道和工藝裝置采取有效的支撐措施，地面的不均勻沉降極有可能導(dǎo)致天然氣管道和設(shè)施出現(xiàn)問題。

本文將結(jié)合填海地區(qū)的地質(zhì)情況，在沉降計算以及應(yīng)力計算的基礎(chǔ)上，對管道基礎(chǔ)進(jìn)行比選，提出相應(yīng)管道沉降控制推薦方案。

1.4 管道沉降影響因素分析

1.4.1 地面沉降對管道沉降的影響

根據(jù)對上海某段管道的沉降監(jiān)測，取工程沿線位置對應(yīng)的兩組管道沉降和地面沉降監(jiān)測點G9－S34和G49－S7進(jìn)行分析。其沉降和沉降速率比較曲線如圖4和5所示。

圖4 管道直接點G9和對應(yīng)水準(zhǔn)點S34沉降曲線對比

圖5 管道直接點G49和對應(yīng)水準(zhǔn)點S7沉降曲線對比

由以上兩圖可知，管道沉降和地面沉降間有如下關(guān)系:

(1)管道沉降比地面沉降量大。

(2)兩者變形規(guī)律基本一致，即隨著時間的發(fā)展，變形量逐漸增大，并且，在竣工后一年時間內(nèi)，沉降發(fā)展較快，沉降量較大。

(3)前期管道沉降速率大于地面點沉降速率；后期管道沉降速率與地面沉降趨于接近。

(4)兩者沉降速率都經(jīng)歷了前期沉降速率較大，后期沉降速率逐漸較小的趨勢，管道在竣工初期沉降尤為明顯。

這些表明，管道的沉降在很大程度上是受區(qū)域地面沉降所控制的。

1.4.2 其他管道沉降影響因素

1.4.2.1 工程地質(zhì)條件差異對管道沉降的影響

通過1.1及1.2節(jié)的分析，工程地質(zhì)的差異對管道的沉降也有一定的影響。由于燃?xì)夤艿缆裨O(shè)深度一般都較淺，影響燃?xì)夤艿莱两档闹饕菧\部土層的分布。軟土層為產(chǎn)生較大沉降的主要壓縮層，在上部荷載作用下，軟土層固結(jié)過程緩慢、沉降穩(wěn)定時間較長，工程后期總沉降量較大。而粉土層相對較厚，管道的持力層相對較好。后期沉降相對較小。

1.4.2.2 管道施工工藝的不同對管道沉降的影響

由于地質(zhì)條件和周圍環(huán)境條件的不同，管道敷設(shè)選用了開溝直埋、圍堰直埋、頂管和定向穿越等不同的施工工藝。由于不同埋設(shè)方式的管道受力情況有明顯差異，必然會對相應(yīng)區(qū)段的管道造成不同程度的影響。

此外，管道地基處理措施方式的不同對管道沉降也有較大的影響。若管道地基處理措施不當(dāng)，管道在竣工初期容易產(chǎn)生較大的工后沉降，其后隨著管道地基土因壓密而造成的工后沉降過程的完成，管道沉降量逐漸趨于穩(wěn)定。

1.4.2.3 沿線工程活動對管道沉降的影響

建造建(構(gòu))筑物或者從事打樁、基坑開挖和頂進(jìn)作業(yè)等施工活動，必然會對一定范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生不同程度的影響，并可能對鄰近范圍內(nèi)的地下、地上各類建(構(gòu))筑物的安全構(gòu)成威脅。為保障燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全運營，在管道保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行可能危及管道安全的各類施工活動時，均需對管道進(jìn)行保護(hù)性的沉降(位移)監(jiān)測，以便發(fā)生問題時及時采取措施。

1.5 沉降變形的計算原理

因周邊土壤不均勻沉降造成的鋼制管道的軸向彎曲變形量，主要體現(xiàn)在管道的豎向曲率半徑上。確定鋼管允許的豎向曲率半徑主要有以下3種方法:

方法一:根據(jù)鋼管許用應(yīng)力確定曲率半徑。

該方法的思路在于模擬埋地管道的工作狀態(tài)(內(nèi)壓、自重、土壤荷載等)建立模型，利用專業(yè)的應(yīng)力計算軟件CAESARⅡ?qū)ζ溥M(jìn)行分析計算，以管道所受應(yīng)力不超過許用應(yīng)力為條件進(jìn)行倒推計算，算出管道能夠承受的最小彎曲曲率半徑。

方法二:根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50251—2003)確定曲率半徑。

《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，垂直面彈性敷設(shè)管道的曲率半徑不得小于鋼管外徑的1 000倍，且應(yīng)大于管子在自重作用下產(chǎn)生的撓度曲線的曲率半徑，其計算公式如下:

式中:R1——管道彈性彎曲曲率半徑，m；

D——管道外徑，cm；

α——管道的轉(zhuǎn)角，°。

方法三:參照水平定向鉆技術(shù)要求確定曲率半徑。

《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50423—2013)規(guī)定，定向鉆管道穿越管段曲率半徑不宜小于1 500D，且不應(yīng)小于1 200D(D指管道外徑)。

以上3種方法反映的是不同的工程含義:

方法一體現(xiàn)的是鋼管材質(zhì)的力學(xué)性能，反映的是鋼管能夠承受的曲率半徑極限值(最小允許曲率半徑)。當(dāng)曲率半徑小于該極限值時，鋼管所受應(yīng)力將大于許用應(yīng)力，不能確保管道長期安全運行；

方法二是考慮管道連續(xù)敷設(shè)、支承條件介于簡支梁和兩端嵌固的中間狀態(tài)，撓度系數(shù)取3/384推導(dǎo)而出，反映的是管道正常開挖施工所允許的曲率半徑；

方法三是管道處于非開挖施工條件下的要求。水平定向鉆敷設(shè)的穿越管段，一般采用彈性曲線敷設(shè)，若彈性敷設(shè)曲線的曲率半徑合適，管段回拖就可能在泥漿中順利進(jìn)行，既不會損傷防腐涂層，也能保證管段有足夠的強度安全裕量。若曲率半徑過小，管道在彈性范圍內(nèi)將產(chǎn)生向上的彈性抗力，在回拖過程中有可能使管身貼著鉆孔孔壁，增大管身與管壁摩擦，損傷防腐層。

考慮到工程實際情況以及高壓天然氣輸氣管道對長期安全運行的要求，建議按方法二計算管道允許變形的最小曲率半徑，并按照方法一進(jìn)行校核計算。

2 管道基礎(chǔ)處理方案

根據(jù)上述分析，為預(yù)防管道沉降，除了加強管道設(shè)計、施工等各環(huán)節(jié)的質(zhì)量外，還需對管道基礎(chǔ)進(jìn)行處理以及加強管道的沉降監(jiān)測。

對于管道的基礎(chǔ)處理，需滿足以下兩大原則:

(1)基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)滿足工藝要求和結(jié)構(gòu)要求，遵循結(jié)構(gòu)安全可靠，施工快捷方便，造價經(jīng)濟(jì)合理原則。

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)工程場地的工程地質(zhì)、水文資料及當(dāng)?shù)氐氖┕ぜ夹g(shù)水平，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，選擇合理的方案。

對于擬建場地淤泥土層普遍較厚，且為高壓縮性土。當(dāng)下臥軟弱土層較薄時，可充分利用下臥良好土層，采用施工方法最為簡便的換填法。當(dāng)下臥軟弱土層較厚時，采用樁基加固基礎(chǔ)?？紤]到管道沿線可能建造高架及快速路，周邊工程施工時可能對管道基礎(chǔ)及下臥土層產(chǎn)生一定影響，并且填海地區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，夾層多，拋填石料可能存在較大石塊，因此所選樁基應(yīng)具有抗擾動能力強，穿透能力強的樁基。

管道的基礎(chǔ)處理主要有以下兩種方案:

(1)鉆孔灌注樁樁基加固法方案:樁長可根據(jù)實際地質(zhì)情況按需取值，樁徑一般為600 mm，縱向兩排布置，以穿過淤泥層進(jìn)入持力層為原則。根據(jù)管道沿線管徑設(shè)立支撐點，如DN800管徑可每間隔25 m設(shè)一樁基支撐點，DN500管道每間隔15 m設(shè)一樁基支撐點；樁基上設(shè)500 mm厚承臺，長度1.2 m；相鄰承臺上架設(shè)2 m長混凝土管槽。天然氣管道敷設(shè)在管槽內(nèi)，并用PE柔性支架支撐天然氣管道，管道周圍300 mm范圍內(nèi)回填中粗黃沙，管槽內(nèi)其余部分用細(xì)土填實。此外推薦在管道上方全線鋪設(shè)鋼筋混凝土蓋板。

(2)管道地基基礎(chǔ)加固法方案:管溝開挖后首先對溝底地基進(jìn)行夯實，鋪設(shè)100 mm礫石砂墊層并夯實，隨后在礫石砂墊層上鋪設(shè)厚度為150 mm的鋼筋混凝土墊層。鋼筋混凝土墊層和天然氣管道之間設(shè)置PE管托，管托設(shè)置間距根據(jù)管道口徑確定(DN800管道間隔25 m設(shè)置1處管托，DN500管道間隔15 m設(shè)置1處管托)。管道周圍用細(xì)土回填并夯實。

根據(jù)對管線應(yīng)力的分析以及對不良地質(zhì)條件下管道基礎(chǔ)處理方案的分析比較，當(dāng)燃?xì)夤艿婪笤O(shè)在軟弱土層中，為減少地基的不均勻沉降、協(xié)調(diào)基礎(chǔ)變形、滿足燃?xì)夤艿赖恼Ｊ褂谩⒈M可能使管道的受力均勻，建議按照不同地區(qū)的地質(zhì)情況進(jìn)行分段研究。在地質(zhì)條件較差，管道不能通過二次應(yīng)力校核的情況下采用鉆孔灌注樁樁基加固法作為地基處理方案,鉆孔灌注樁較適應(yīng)不同的地質(zhì)條件；在地質(zhì)條件較好，管道能夠通過二次應(yīng)力校核的情況下采用開挖直埋并加設(shè)鋼筋混凝土墊層的排管工藝。

3 管道沉降監(jiān)測

為預(yù)防管道沉降，還需結(jié)合管道敷設(shè)方式和地質(zhì)環(huán)境條件，充分運用新方法、新技術(shù)，在對燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)沉降監(jiān)測的同時，還應(yīng)對局部危險性較大的管道進(jìn)行重點監(jiān)測。

從20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外的運行安全監(jiān)測技術(shù)迅速發(fā)展并廣泛應(yīng)用，主要運用常規(guī)水準(zhǔn)測量監(jiān)測方法對大壩、橋梁、高層(聳)建筑物、防護(hù)堤、邊坡、隧道、地鐵、地表沉降及標(biāo)志性建筑物等進(jìn)行變形監(jiān)測。發(fā)展到近階段，除常規(guī)水準(zhǔn)測量監(jiān)測方法以外，自動化監(jiān)測技術(shù)、GPS技術(shù)、INSAR技術(shù)等監(jiān)測技術(shù)方法已逐步得到廣泛應(yīng)用。

借鑒城市輸氣管網(wǎng)沉降監(jiān)測工作積累的經(jīng)驗及研究成果，和以往一些同類重大工程的沉降變形監(jiān)護(hù)的經(jīng)驗，一般采取如下的管道沉降監(jiān)測技術(shù)方案:

3.1 監(jiān)測點布設(shè)原則

管道沉降監(jiān)測點的布設(shè)主要根據(jù)管道施工工藝和沿線地理環(huán)境確定，為區(qū)分區(qū)域地面沉降變化量與管道自身沉降變化量，還需在管道沿線布設(shè)地面水準(zhǔn)點，與管道監(jiān)測點共同組成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜合監(jiān)測:

(1)管道自身的沉降和位移變化,可在管道上設(shè)置監(jiān)測點，并采用傳統(tǒng)的常規(guī)測量方法進(jìn)行監(jiān)測或者自動化監(jiān)測方法獲取沉降信息。

(2)工程沿線的區(qū)域地面沉降信息及發(fā)展趨勢，可通過布設(shè)局部的區(qū)域地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)及采用傳統(tǒng)的常規(guī)精密水準(zhǔn)測量方法或者自動化監(jiān)測方法實現(xiàn)。

(3)管道自身的應(yīng)力變化信息,可通過在管道上設(shè)置應(yīng)力計并通過自動化監(jiān)測的方法獲取監(jiān)測信息。

3.2 監(jiān)測點設(shè)計原理

(1)管道直接監(jiān)測點采用人工開挖至管道底部位置，并將四周及下部略掏空，然后將事先加工好的圓形抱箍圍住管道并用螺絲固定牢，將圓形抱箍上焊接好的不銹鋼圓柱伸出至地面，并且在四周澆筑砼柱(20×20 cm)至地面(略低于不銹鋼圓柱)，外面用磚塊砌好保護(hù)井(與砼柱的間距10 cm)，頂端做窨井蓋保護(hù)好監(jiān)測點。埋設(shè)如圖6所示。

圖6 管道直接監(jiān)測點埋設(shè)示意

(2)管道間接監(jiān)測點埋設(shè)方法如下:首先利用地下管線探測儀確定管道的具體位置，為避免破壞管道防腐層影響管道的安全，采用人工開挖至距管道頂部1 m左右的位置，澆筑砼柱(20×20 cm)至地面(略低于不銹鋼圓柱)，外面用磚塊砌好保護(hù)井(與砼柱的間距10 cm)，頂端做窨井蓋保護(hù)好監(jiān)測點。埋設(shè)如圖7所示。

圖7 管道間接監(jiān)測點埋設(shè)示意圖

3.3 監(jiān)測方案

在需要加強沉降監(jiān)測的局部管道上，管道沉降監(jiān)測的布點和報警原則如下表所示:

表2 管道沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)表

對埋地高壓天然氣管道的沉降監(jiān)測應(yīng)是一個長期過程。輸配管理單位應(yīng)定期收集各監(jiān)測點的沉降數(shù)據(jù)，繪制出管道的實際3D模型，并運用專業(yè)的應(yīng)力分析軟件對其進(jìn)行分析計算，檢驗其應(yīng)力分布情況，并做出安全評估。當(dāng)發(fā)現(xiàn)管道局部產(chǎn)生較大的不均勻沉降時，應(yīng)分析其沉降原因，并采取必要的管基加固措施。

5 結(jié)語

(1)研究范圍內(nèi)的填海區(qū)域普遍存在不同程度的沉降情況，將對按常規(guī)方式直埋敷設(shè)的管道造成非常大的影響，有可能導(dǎo)致管道破損和斷裂，造成嚴(yán)重的天然氣泄漏事故。

(2)為保證填海區(qū)內(nèi)高壓天然氣管道的長期安全運行，應(yīng)對管道基礎(chǔ)進(jìn)行必要的處理。本研究報告建議考慮采用鉆孔灌注樁樁基加固法，并在樁基處設(shè)混凝土管槽支撐，利用樁基和管槽承臺對管道進(jìn)行有效的支撐，防止管道發(fā)生不均勻沉降；并重新校核土層沉降量和管道應(yīng)力情況。

(3)在進(jìn)行管道設(shè)計時應(yīng)綜合考慮地質(zhì)條件和施工環(huán)境等因素，選擇合理的施工工藝，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行相應(yīng)的管道地基處理。

(4)充分利用自動化監(jiān)測、GPS等新方法、新技術(shù)，有針對性的采用不同監(jiān)測手段對管道進(jìn)行全方位的沉降變形監(jiān)測。

(5)管道竣工后應(yīng)對管道的標(biāo)高進(jìn)行測定，作為管道的基準(zhǔn)標(biāo)高，以便于今后的監(jiān)測工作的開展。管道沉降監(jiān)測信息應(yīng)納入管道數(shù)據(jù)監(jiān)控與采集系統(tǒng)中，以便隨時監(jiān)控管道沉降變形情況，及早采取防治措施將事故隱患消滅于萌芽之中。