長輸管道沉管下溝過程應力分析

谷青悅，劉純婧，林智敏

1.北京斯派克工程項目管理有限責任公司，北京 100083

2.中國石油第七建設公司，山東青島 266000

3.莆田學院，福建莆田 351100

長輸管道下溝施工中通常采取吊管下溝或沉管下溝方式，長輸管道下溝過程中由于重量大，因而易發生管道不穩定等安全事故。當大管徑長輸管道以吊管方式下溝時，一般會配置6臺90 t 吊管機，在管道發生振動的情況下，若某臺吊管機未提供有效吊力或失穩，或溝邊土質承載力不足，可能會出現吊管機傾覆、滾管事故，現場施工質量安全風險極大。當采用沉管方式下溝時，雖然能夠降低滾管等風險事故的發生，但在施工過程中容易造成應力集中，給管道運行安全留下隱患[1]。本文以某D1 219 mm×21.4 mm 的X80 管道雙側沉管下溝項目為例，采用有限元分析法比較了管道在端部沉管下溝和中間沉管下溝過程中的應力及其變化情況，論證其下溝方式的可靠性。

1 沉管下溝原理

沉管下溝指的是沿管道開挖管溝，利用管道自身重力作用緩慢將管道自然下沉到管溝內的施工方法[2]。根據挖掘機臺數及其相對于管道的挖掘位置，依據Q/SY GDJ 0387-2014《油氣輸送管道沉管下溝施工規范》，可將沉管下溝分為單側沉管下溝和雙側沉管下溝。

單側沉管下溝指在管道軸線一側布置挖掘機，沿管道單側開挖管溝，利用管道自身重力作用緩慢地將管道自然降落到管溝內的施工方法[3]，見圖1。

雙側沉管下溝指在管道軸線兩側布置挖掘機，沿管道雙側同時開挖管溝，利用管道自身重力作用緩慢地將管道自然降落到管溝內的施工方法[4]，見圖2。

圖1 單側沉管下溝

圖2 雙側沉管下溝

2 有限元模型及沉管下溝過程分析

應用ANSYS 有限元軟件對某長輸管道不同工況下采用雙側沉管下溝過程的應力進行計算和分析，包括端部沉管下溝模型（見圖3）和中間沉管下溝模型（見圖4）。

圖3 端部沉管下溝模型

圖4 中間沉管下溝模型

2.1 建立有限元模型

2.1.1 端部沉管下溝方式的力學模型

在計算端部沉管下溝時，將管道本體簡化為以下力學模型：

（1）將管道簡化為3 維管單元，采用ANSYS軟件中的PIPE 20 單元模擬。

（2）沉管下溝過程中，管道與土體之間的摩擦和支撐作用采用接觸單元CONTAC52 3D 進行模擬。

（3）沿軸向在管道沉管下溝范圍兩側各建200 m 長的管道模型，以模擬附近管道對計算管段的約束作用。

（4）在未下溝的地面管道端部對所有自由度施加約束，模擬地面遠端管道的嵌固作用。

（5）在已下溝的溝下管道端部對軸向之外的其他自由度施加約束，模擬溝下遠端管道的嵌固作用。

（6）管材采用線彈性材料模擬。（7）考慮管道大變形。

2.1.2 中間沉管下溝方式的力學模型

在計算中間沉管下溝時，將管道本體簡化為以下力學模型：

（1）～（3）與上述的端部沉管下溝力學模型相同。

（4）在計算管段端部對所有自由度施加約束，模擬地面遠端管道的嵌固作用。

（5）管材采用線彈性材料進行模擬。

（6）考慮管道大變形。

2.2 沉管下溝過程計算分析

2.2.1 端部沉管下溝

以D1219mm×21.4mm的X80管道沉管深度為4 m 作為算例，得到管道沉管過程中懸空長度、下溝深度、管道應力與下溝長度的關系曲線，如圖5～7所示。

圖5 端部沉管過程中懸空長度與下溝長度的關系

圖6 端部沉管過程中下溝深度與下溝長度的關系

圖7 端部沉管過程中管道最大應力與下溝長度的關系

通過分析計算可知：

（1）直管段端部沉管下溝過程中，管道最大應力一直出現在溝上支點附近。

（2）當管溝開挖53.5 m 后，直管段端部與管溝溝底剛接觸，此時管道應力最大（331.6 MPa）。

（3）當直管段端部與管溝溝底接觸后，隨著管道下溝長度的增加，管道應力先逐漸減小后逐漸增大，最終趨于穩定；在管道懸空長度為77.4 m時，管道應力最?。?77.8 MPa）；在管道懸空長度達到93.3 m 時，懸空長度及管道應力趨于穩定（311.7 MPa）。

（4）在直管段端部接觸溝底后，隨著管道下溝長度的增加，管道懸空長度繼續增加，當與溝底接觸的管段足以提供穩定的支撐力后，懸空長度趨穩。

綜上可知，在直管段端部沉管下溝過程中，應將直管段端部與管溝溝底剛接觸時的應力作為整個沉管下溝過程中的應力控制點，確保其滿足應力要求。

分別計算了下溝深度為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m 時，沉管端部下溝的懸空長度和管道應力，計算結果如表1 所示。

表1 D1 219 mm×21.4 mm 管道端部沉管下溝計算結果

2.2.2 中間沉管下溝

以D1219 mm×21.4mm X80管道中間沉管深度為4m作為算例，得到管道沉管過程中懸空長度、下溝深度、管道應力與下溝長度的關系曲線，如圖8～10所示。

通過分析計算可知：

（1）直管段中間沉管下溝過程中，最大應力開始出現在懸空段管道的中間位置，隨著下溝的繼續推進，最大應力點轉移至管道溝上支點附近。

（2）當直管段中間與管溝溝底剛接觸時，管道應力最大，此時管道懸空長度202.7 m，管道應力為355.6 MPa。

圖8 中間沉管過程中懸空長度與下溝長度的關系

圖9 中間沉管過程中下溝深度與下溝長度的關系

圖10 中間沉管過程中管道最大應力與下溝長度的關系

（3）當直管段中間與管溝溝底接觸后，隨著管道下溝長度的增加，管道應力逐漸減小，最終趨于穩定（穩定狀態時應力為338.1 MPa）。

（4）在直管段中間接觸溝底后，隨著管道下溝長度的增加，管道懸空長度略有減小后逐漸增加，當與溝底接觸的管段足以提供穩定的支撐力后，懸空長度趨于穩定（最大懸空長度為218.7 m）。

綜上可知，在直管段中間下溝過程中，應將直管段中間與管溝溝底剛接觸時的應力作為整個直管段中間沉管下溝過程中的應力控制點，確保其滿足應力要求。

分別計算了下溝深度為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0m時，中間沉管下溝的懸空長度和管道應力，計算結果如表2所示。

3 沉管下溝安全控制措施

3.1 布置臨時固定墩

為避免下溝過程中管道應力集中，在下溝過程中可以設置臨時固定墩[5]，具體技術要求如下：

表2 D1219 mm×21.4 mm 管道中間沉管下溝計算結果

（1）臨時固定墩只限制管道側向擺動，不限制端部翹起。

（2）臨時固定墩應有足夠的穩定性，以限制管道端部側向擺動。

（3）臨時固定墩距離管道端部2 m。

（4）臨時固定墩的設置條件滿足表3 中的要求。當管溝開挖邊界距離管段端部的距離達到表3的要求（設置臨時固定墩管溝開挖邊界距離管段端部的最小距離）之前，即應開始布置臨時固定墩。

表3 臨時固定墩的設置條件

3.2 分層開挖

為降低管溝底部和地表高度差，可以采用分層開挖方式降低管道所受應力[6]。具體技術要求如下：

（1）第1 層開挖深度不大于0.7 m，加上支墩高度0.5 m，相當于第1 層開挖后管道下沉1.2 m。

（2）除第1 層外，其余每層開挖深度≤1.4 m。

（3）開挖寬度即管溝寬度[7]。

（4）沿管道軸向的分層開挖長度不小于80 m。

（5）分層開挖長度80m、第1 層開挖深度0.7m時，計算得到下溝深度為2.5 ～5.0 m 對應的管段端部最大翹起高度（相對于地面）[8]如表4 所示。

表4 管段端部最大翹起高度

4 結論

本文采用有限元方法論證了某長輸管道項目采用管段端部沉管下溝或管段中間沉管下溝的施工方法都是可行的。計算表明，該管道直管段在雙側端部沉管下溝、雙側中間沉管下溝且管溝深度在5 m以內時，管道最大應力不超過X80 鋼級管材最小屈服強度的80%[9]。為了避免下溝管段末端翹起導致管道側向擺動而發生危險，在計算分析的基礎上，本文給出了設置臨時支墩和分層開挖兩種控制措施，可根據施工現場情況選擇控制措施。當管溝深度超過3.5 m 時，為了最大限度保證施工作業安全，建議分2 層開挖，每層挖深2 ～3 m，開挖同時嚴格控制溝邊坡坡度。