天然气管道定向钻穿越高速公路质量控制与安全措施.pdf
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1、犇 犗 犐:天然气管道定向钻穿越高速公路质量控制与安全措施刘新峰,刘福林,尹泽政(广东华路交通科技有限公司,广东 广州 )摘要:天然气管道下穿高速公路涉路工程危险性较高,对公路及其附属设施影响较大,给高速公路运营及远期扩建带来安全隐患。文中通过工程实例对天然气管道下穿高速公路路基的设计方案进行探讨,分别从天然气管道下穿对高速公路路基沉降的影响、压路机与高速公路堆载对管道的影响、天然气管道应力与位移控制等方面进行分析,提出有针对性的保护措施,为涉路工程质量和安全评价提供借鉴。关键词:公路;天然气管道;高速公路;路基沉降;管道应力;位移控制中图分类号:文献标志码:文章编号:()近年来中国各地相继颁
2、布涉路工程施工质量和安全评价管理规范,旨在规范化管理涉路工程施工,规避工程施工及各工程之间的远期冲突、安全隐患。天然气管道涉路工程在公路相关规范中有明确规定,是涉路工程管理的关注重点之一。广东省交通运输厅关于公路路政许可涉路施工质量和安全技术评价的管理办法对管线下穿高速公路的评价要点包括穿越位置、管线埋深、远期规划、交叉角度、水平净距、施工、意外险情处理、路面路基沉降与修复等,还要求围绕涉路工程施工方案合理性、运营安全保障、公路改扩建影响等对既有公路结构物功能及运营安全进行评价,但并未明确指出安全性评价的具体内容。本文以天然气管道下穿高速公路路基工程为例,从高速公路路基沉降、压路机与高速公路堆
3、载对管道的影响、管道应力与位移控制等方面对天然气管道涉路施工安全性进行分析。天然气管道涉路工程的风险天然气管道事故发生原因有第三方施工损害、土体移动、管壁腐蚀及材料、设计和施工缺陷等。设计缺陷包括管道抗压、抗拉、抗弯所需管壁厚度不足,埋深不合理,防腐措施不当及未考虑远期外界因素对管道的影响等。管道沿线的警示、警告标志及指示标志清楚与否也会影响管道运营安全。天然气管道施工对高速公路的主要影响:高速公路路面发生较大沉降,进而影响车辆通行安全性;天然气泄漏引发爆炸,损坏高速公路结构,导致交通事故,造成人员伤亡。高速公路对天然气管道的影响:汽车尤其是重型运载车通过时,荷载作用通过地面传递至管道或形成冲
4、击力反复作用在管道上,使管道发生蠕变,加上土压力、土体形变的叠加作用,管道发生变形甚至破裂、爆炸;远期高速公路扩建,路面大面积堆载造成管道压应力增大、变形过大,管道次生应力增加,导致管道破损、泄漏;压路机碾压可能导致管道承受压力过大而变形破坏,造成安全事故。工程概况广东省粤西天然气主干管网阳江江门干线于江门市台山市大江镇岐岭村采用水平定向钻下穿新台(新会台山)高速公路路基,管径为 ,壁厚为,钢管屈服强度为 ,设计压力为。定向钻穿越长度为 ,曲线段管顶距离路基顶面、距离路基坡脚,水平段管顶与地面的最大距离为。如图所示,图天然气下穿高速公路工程平面图公路与汽运总第 期犎 犻 犵 犺 狑 犪 狔 狊
5、犃 狌 狋 狅 犿 狅 狋 犻 狏 犲犃 狆 狆 犾 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀 狊入土点、出土点均位于水田中,场地开阔,附近有乡村道路通行,交通方便,穿越工程等级为中型;下穿位置高速公路路基宽度为 ,路基高度为。对高速公路路基沉降的影响 :给水排水工程顶管技术规程 要求穿越施工造成的公路路面沉降应小于或等于。根据 公路技术状况评定标准,路面局部沉降损坏程度中,轻度为沉陷深度 ,行车无明显颠簸感;重度为沉陷深度大于,行车有明显颠簸感。天然气管道一般采取定向钻工艺施工和顶管工艺施工,施工过程中对土体的扰动及扩孔孔壁与管道外壁之间泥浆失水收缩均会引起地层发生变形,导致高速公路路基产生沉降。沉降计算
6、一般采用 经验公式:犛 犞犻槡()式中:犛 为管道轴线上方的最大地面沉降量();犞为管道单位长度的土体损失量(),犞狉;狉为孔道半径();为土体损失率();犻为地面沉降槽宽度系数(),犻犎 ();犎为顶管埋深();为土体内摩擦角()。利用 经验公式计算管道施工引起的沉降有两种思路:一种是采用土体损失率法;另一种是假设扩孔孔壁与管道外壁之间的空隙量为土体损失量,即犞(狉犱)(犱为管道外径)。顶管施工中管道外径与钻孔直径的空隙较小,而定向钻施工中管道外径与钻孔直径相差较大,钻孔外径为管道外径的倍,空隙较大,对土体的扰动及土体损失均较大。根据经验,建议顶管施工时采用以空隙量为土体损失量的方法,定向钻
7、施工时采用土体损失率法。土体损失率根据土体性质、施工工艺及工程经验选取,目前针对地铁盾构施工引起地面沉降的土体损 失 率 研 究 较 多,土 体 损 失 率取 ;对于黏土,通常取;对于均质土,通常取,其中砂土取,软土取。针对定向钻施工工艺的土体损失率研究缺乏。本文根据工程经验,确定定向钻下穿高速公路时土体损失率为。该项目按 照 六 级 扩 孔,每 级 扩 孔 相 差 ,最终成孔为 。穿越位置地层从上自下为素填土、粉质黏土、中粗砂和砂质黏土、全风化花岗岩,管道位于中粗砂层中。管道距离路基顶面,按照土层厚度加权法取土体综合内摩擦角为 ,损失率取,按照 经验公式计算得路基最大沉降为,小于路面轻度沉陷
8、深度限值(),不影响高速公路行车安全。建议在管道回拖完成后采用水泥砂浆置换管道与孔壁环空间隙内的泥浆,以减小土体损失率。压路机对管道的影响远期高速公路路基加宽,压路机施工对管道的影响主要为压路机荷载的影响及压路机振动的影响(见图)。在一个周期内,压路机施工荷载随时间的变化见式()()。图压路机对管道影响示意图犘犌犉 狋,犌犉 狋犘,犌犉 狋()狆犘犔 犅()犅犱 ()式中:犘为振动轮对被压实层施加的垂直作用力;犌为振动轮净质量;犉为激振力;为振动角速度;狋为时间;狆为振动压应力,振动钢轮与被压实层材料的接触面近似为矩形,并假设振动压应力均匀分布;犔为振动轮宽度;犅为振动轮接地宽度;犱为振动轮直
9、径;为振动轮阻角,取 。根据式()(),运用土力学原理,按照应力扩散角法或布辛内斯克解可计算得到一定深度范围内管顶的压应力。压路机引起的管道振动速度计算公式为:狏速度 犳犃狉线位移()犃狉线位移犃狉狉狉狉槡()犳犪(狉狉)()式中:狏速度为振动速度;犳为基础上压路机的扰力频率();犃狉线位移为距振动基础中心狉处地面上的振动线位移();犃为振动基础的振动线位移();公路与汽运 年月狉为圆形基础半径();为无量纲系数;为地基土能量吸收系数()。依据 动 力 机 器 基 础 设 计 规范,无套管穿越公路时,管道埋深为,车辆荷载对管道产生的环向应力为 。路基压实阶段,压路机的振幅为,振动轮宽度为,振动
10、轮接地宽度为 ,振动频率为 ,对管顶产生的压力为 ,引起的管道振动速度为,按控制标准 取倍安全系数为。管道埋深为 时压路机压力与振动不会影响管道安全。车辆荷载作用影响深度为路面以下,以内影响较显著,影响急剧减小。依据上述公式计算管顶埋深下 压路机对管道压力和振动的影响,结果见图、图。图不同埋深下压路机对管道的压力图不同埋深下管道的振动速度由图可知:路基扩建填土范围内,管顶埋深为时,管道承受的压路机压力为 ;埋深为、时,压 力分 别 减小、。由图可知:管顶埋深为时,管道振动速度为 ,大于,不满足要求;埋深为时,管道振动速度为 ,小于,满足要求。综合分析,管顶埋深内应考虑压路机压力和振动的影响。高
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