隧道开挖对在役油气管道影响分析
清道夫 
x2韩桂武1 余海坤2 姚红亮2 郜福利2 黄旭2 高显泽1
1.中国石油天然气管道工程有限公司； 2.国家管网集团西气东输银川输气分公司
摘要：以某高速公路隧道开挖工程为背景，分析其对在役油气管道造成的影响。以现场地层参数为基础，采用有限元数值计算方法，对工程空间关系、隧道开挖、管道直径、管道运行参数等因素所导致的地表位移及由此引发的管道应力集中进行分析，通过与管材强度对比，得出隧道施工时管道运行状态安全结论，并提出开挖施工安全保障措施建议。
关键词：在役管道；隧道开挖；地表沉陷；管道应力
隧道开挖常因地质条件、施工方法、支护结构等因素导致地层结构不稳定甚至地表塌陷[1,2]，而地表塌陷会使敷设于上部土层的油气管道发生变形、应力集中直至管道破坏[3]，是管道风险识别应重点关注的隐患之一，有必要针对隧道开挖所引起的土体沉降对管道的受力情况进行应力分析[4]。本文以某高速公路隧道开挖工程为背景，分析对在役管道造成的影响，提出开挖施工安全保障措施，为后续工程提供参考与借鉴。
1 工程概况
银昆高速隧道规划路由位于西气东输管道下方，相对位置关系见图 1。管道设计压力10 MPa，管径1219 mm，壁厚18.4 mm，钢管材质L555，埋设于地表以下约2 m。隧道开挖断面大（掘进直径13.5 m，隧道顶部埋深约82 m），位于管道下部平均夹角约15°，有2处交叉点。
图 1 公路隧道与管道相对位置平面图
2 地质条件
施工场地位于西北地区，根据地质资料，场地岩土体的物理力学参数如表 1所示。
为方便分析计算，将地层简化为统一物理参数岩土作为研究对象，隧道埋深较厚土体为超固结性黄土，据最新土层参数资料，选取的穿越地层为单一地层，其物理参数为：压缩模量13 MPa、泊松比0.3、黏聚力18 kPa、内摩擦角18°、土层密度16 kN/m3。
3 有限元建模
3.1 有限元软件
由于隧道几何形状的不均匀性和隧道衬砌作用，很难通过解析得到隧道及地表沉降的计算值，有限元计算工具则提供了有效途径。如ANSYS软件既能模拟土体和管道的变形情况也能计算得知管道的应力应变状态[5]。
3.2 模拟单元
考虑隧道轴向应力变化不大，可以建立平面应变模型进行土体变形研究，考察典型界面上隧道应力位移的变化规律。采用plane42单元模拟土体、PIPE288单元模拟管道[6]。
3.3 单元生死技术
ANSYS隧道开挖模拟是通过单元生死来实现的。单元生死功能被称为单元非线性，是指一些单元在状态改变时表现出的刚度突变行为，原理如下[7]。
（1）ANSYS程序通过修改单元刚度实现单元生死功能。首先不是真正去掉“死”单元，而是给单元刚度乘以一个很小的系数（系统默认系数1.0×10-6），再用ESTIF进行修改。
（2）同理，单元“活”时，也通过修改刚度系数实现。所以，建模时就必须建立被激活单元，否则无法实现单元的杀死与激活。单元被重新激活时，其刚度、质量与荷载等参数返回到真实状态。
3.4 基本假设
（1）隧道开挖施工位于管道下部约80 m处，垂直距离远远超过2.5倍隧道外径，可认为不易发生地表的断裂变形，即认为隧道开挖引起地表的连续性沉降。
（2）取典型土层和隧道模型剖面作为基础，建立平面应变模型（即在隧道轴线方向不发生应变）。
（3）研究范围为隧道周边250 m，影响范围取值2.5倍隧道外径。
（4）场地岩土层为正常固结土，即认为隧道施工前岩土层在自重作用下不再发生变形；场地土的变形与时间无关，即不考虑土层的蠕变特性；土层为各向同性均匀介质。
（5）平面应变模型计算过程中不考虑衬砌对地表沉降的影响。
（6）研究范围内两侧边界线不产生横向变形；底部边界线不产生任何方向变形，即底部节点为全约束状态。
（7）管道与隧道斜角15°，以隧道断面为管道正下方截面建立平面模型，再根据管段与隧道的相对位置进行地表沉降量折算。
3.5 建立模型
所建模型如图 2所示。
图 2 隧道（局部）开挖及岩土地层网格划分
4 计算结果
4.1 计算步骤
（1）隧道开挖前，土层在自重作用下产生自然沉降作用值（示例工程在管道敷设之前已经完成）。
（2）隧道全断面开挖后，周围岩土层向隧道空间方向变形，带动周围土层的横向和纵向位移值。
（3）隧道开挖对地表土层的位移影响为工况2（步骤2）与工况1（步骤1）的差值，计算得知隧道变形如图 3所示，土层纵向变形如图 4所示。
图 3 隧道开挖后土层纵向位移（ m）
图 4 隧道开挖造成的土层纵向位移（ m）
4.2 管道校核
（1）假定在土体连续变形情况下，管道与下方土体发生共同变形，可将图 4中的纵向位移值赋予管道位移特征，研究在两端管道固结的情况下，该段管道（长530 m）的应力情况。采用PIPE288管单元模拟输气管道，输入条件：管道外形特征；温差变化30 ℃；输送压力10 MPa；管道不同节点的差异性沉降值。有限元计算结果如图 5、图 6所示。
图 5 隧道正上方第三强度管道局部应力值（ Pa）
图 6 隧道正上方第四强度管道局部应力值（ Pa）
由此可知：
（1）在530 m管段范围内，管道最大组合应力值发生在隧道正上方的管道外壁。
（2）管道同一位置的第三强度当量应力值稍大于第四强度当量应力值。
（3）最大组合应力值为456 MPa，小于管材屈服强度（0.9σs=499.5 MPa）。
可见，隧道开挖产生地表均匀变形情况下，埋深2 m管道在正常工况下运营安全。
5 结论及建议
（1）研究模型基于隧道不发生坍塌事故情形及隧道地表均匀沉降工况，计算结果验证了管道处于安全运营状态。
（2）采取保守隧道施工方法和地层加固措施，防止隧道地表塌陷事故发生。地表坍塌事故等特例工况下的管道应力分析需要采取其他针对性方法。
（3）隧道施工场地位于地层力学性低的黄土地区，尽可能采用机械开挖方式（例如盾构隧道、顶管隧道）避免伤及管道。如果采用矿山法开挖，应采取短掘短砌、及时支护、分步开挖、及时监控等方式，尤其在管道穿越段隧道前后各50 m区域内，必须采用超前管棚注浆方式等做好超前支护，在保证岩体稳定的情况下再行开挖。
（4）隧道施工技术方案必须取得地方政府管道管理部门的许可。
（5）在管道与隧道交叉附近区域每隔0.5 m布置地面位移及管道应力监测设备，在管道全生命周期持续监测，以消减管道安全风险。
参考文献：
[1]张欢. 隧道工程施工过程中的力学分析[J]. 城市建设理论研究：电子版，2015(20)：7561-7562.
[2]胡文君，马红. 管道隧道开挖过程数值模拟分析[J]. 天然气与石油，2010(01)：49-53.
[3]谷国丰. 浅埋暗挖隧道对上部交叉管道的影响及控制研究[D]. 郑州：中原工学院，2015.
[4]王丽. 暗挖隧道施工诱发的邻近管线变形规律与控制技术[D]. 西安：西安科技大学，2017.
[5]赵宣朝. ANSYS在土木工程中的应用[J]. 计算机产品与流通，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]张敬博，刘辉. ANSYS单元在隧洞模型中的应用[J]. 科技创新与应用，2016(13)：52.
作者简介：韩桂武，1977年生，工学博士，高级工程师，现从事管道应力分析及岩土工程、地下储油库工程设计及研究工作。联系方式：15081677911，hanguiwu@cnpc.com.cn。
