新建管道与在役管道并行施工安全评价方法_才政.pdf

46检测与完整性|Inspection&Integrity2023 年 1 月第 42 卷 第 1 期网络出版时间：2022-06-21T17:54:29网络出版地址：http:/ LNG 管道为例，利用上述方法对其安全性进行校核，结果表明：当新建唐山LNG 管道挖深 3 m，采用 9 m 钢板桩支护管沟，并在两侧在役管道、上方堆土不超过 2 m 时，在役管道、的本体安全及新建管道的支护安全均满足安全性要求。该方法对于相似施工空间受限条件下进行沉管作业时确定并行施工安全性具有参考价值。（图 5，表 3，参 20）关键词：新建管道；在役管道；并行施工；安全评价，本体安全；支护安全中图分类号：TE88文献标识码：A文章编号：1000-8241（2023）01-0046-08DOI：10.6047/j.issn.1000-8241.2023.01.007Safety evaluation method for parallel construction of new and in-service pipelinesCAI Zheng1,HAO Shuyang1,LI Yanlong1,TANG Wendou1,ZHANG Tianmin1,WANG Bingren1,WANG Shuli21.Caofeidian Xintian LNG Co.Ltd.;2.Quanzhou Vocational and Technical UniversityAbstract:In the case that a new pipeline is constructed in parallel to an in-service pipeline,the construction method of steel sheet pile support and soil accumulation above the in-service pipelines is required for the excavation of new pipeline trenches due to the limited construction space in some areas.In order to ensure the ontological safety of in-service pipelines and the support safety of new pipelines in such cases,a method was proposed to check the radial stability and girth weld stress of in-service pipelines.Meanwhile,a calculation method was also developed for the stress of support structure,stability,displacement and cross-section strength of new pipelines.Hereby,the safety of new Tangshan LNG Pipeline and the in-service pipelines and was checked with the above methods.The excavation depth of the new Tangshan LNG Pipeline was 3 m with 9 m steel sheet piles supported the pipe trench,and the height of soil piles above the in-service pipelines and on both sides were not more than 2 m.In such case,the ontological safety of the in-service pipelines and as well as the support safety of the new pipeline could meet the safety requirements.Generally,this method could provide rererence to determine the safety of parallel construction during pipe sinking under similar conditions of limited construction space.(5 Figures,3 Tables,20 References)Key words:new pipelines,in-service pipelines,parallel construction,safety evaluation,ontological safety,support safety随着中国经济、社会的不断发展，石油、天然气的需求持续增加。国家能源局曾在 中长期油气管网规划 中指出，到 2025 年，将逐步形成“主干互联、区域成网”的全国天然气基础网络。目前，中国已经形成了横跨东西、纵贯南北的油气输送管网。但在许多地区，受到地形、环境保护、地区规划的影响，经常出现新建管道与在役管道并行、交叉的现象1-3。部分地区因施工空间受限，新建管道沉管时需采用钢板桩支护，并采用引文：才政，郝曙阳，李彦龙，等.新建管道与在役管道并行施工安全评价方法J.油气储运，2023，42（1）：46-53.CAI Zheng,HAO Shuyang,LI Yanlong,et al.Safety evaluation method for parallel construction of new and in-service pipelinesJ.Oil&Gas Storage and Transportation,2023,42(1):46-53.47Inspection&Integrity|检测与完整性HAW （2）式中：x为管道最大变形量，m；D为管道外径，m；E为管材弹性模量，N/m2；I为截面惯性矩，m4/m；ES为土壤变形模量，N/m2；Z为变形滞后系数；k 为基床系数；W为单位管长上总竖向载荷，N/m；W1为竖向永久载荷，N/m；W2为竖向可变载荷，N/m；0为壁厚，m；H为管顶极限覆土高度，m；为土壤容重，N/m3；A为单位管长上覆土面积（与单位管长上所铺钢板面积A相同），m2。在役管道上方铺设钢板后堆土所产生的载荷近似于均匀分摊，根据新建管道开挖时的每延米土壤体积V以及单位管长上所铺钢板的面积A，通过式（3）得到管道上方实际堆土高度h。当管道埋深与实际堆土高度之和小于管顶极限覆土高度时，说明在役管道径向稳定性满足要求。hAV （3）1.2管道上方堆载下环焊缝应力目前，国内外尚无校核管道上方存在堆载条件下环焊缝应力是否满足安全运行要求的相关规范。参考API RP 1102-2007 横穿铁路和公路的钢管，并与实际工程相结合，环焊缝应力校核可通过将管道上方堆载近似成管道穿越公路时埋深加深，同时在管道上方增加动载荷的方式来实现，路面类型选取无铺砌情况11。当环焊缝疲劳极限FG与设计系数F的乘积和管道上方活载形成的周期轴向应力 L满足式（4）时，即可确定在役管道环焊缝应力满足要求。LFGF （4）LkLhGLhRLYp （5）式中：kLh为周期轴向应力刚性系数；GLh为周期轴向应力几何系数；R为路面类型系数；L为组合系数；Y为冲击系数；p为外加设计表面压力，kPa。2新建管道钢板桩支护安全性 天津市地下水位高、管道规划紧凑，该市所发布的 DB 29-2022010 建筑基坑工程技术规范 对于受限空间下确定钢板桩支护安全的指导作用更具针对性12。因此，参考该标准对钢板桩支护安全性进行校核。计算中考虑在役管道一侧地面堆土情况，通过校在役管道上方铺设钢板后堆土的施工方式，以减少土体侧向位移及堆土占压对在役管道本体安全的影响4-6。但采用这种方式，是否会对在役管道的径向稳定性及环焊缝应力产生影响，是否给新建管道的施工安全带来隐患，尚缺少理论依据的支持。李晓霜7利用 ABAQUS有限元软件分析了堆土作用下埋地管道的应力，得到影响管道应力的主要因素为堆土高度与堆土距离，并根据管道临界状态判断方法建立了堆土作用下管道的安全预警方法，但该方法仅适用于 D630、D720 管道。丁锐8通过研究软土地质深基坑工程，总结了多种深基坑的支护形式，并指出钢板桩支护具有强度高、挡土挡水能力强的特点，但不适用于基坑深度大于7 m的情况。上述研究主要探讨了单方面问题，难以应用于施工空间受限条件下并行施工管道的安全评价。因此，有必要从两个方面验证新建管道与在役管道并行施工过程的安全：考虑施工过程中在役管道本体安全，验算堆土作用下在役管道径向稳定性及环焊缝应力是否满足要求；考虑新建管道采用钢板桩支护管沟的支护安全，验算支护结构应力、稳定性、位移以及截面强度是否满足要求。以实际工程为例，利用上述方法进行管道安全评价，以期为并行管道工程的安全施工提供理论依据。1在役管道安全性 1.1管道径向稳定性施工空间受限条件下在在役管道上方铺设钢板进行堆土占压产生的载荷较大，容易造成管道变形，影响安全运行。参考 GB 502512015 输气管道工程设计规范 和 GB 502532014 输油管道工程设计规范 可知，当管道埋深较深或外载荷较大时，应通过式（1）计算管道变形量，当变形量不超过管道外径的 3时，管道刚度符合要求9-10。为验算堆土占压下在役管道径向稳定性是否符合要求，通过式（1）反推出埋地在役管道极限竖向载荷量，从而根据式（2）计算管顶上方极限覆土高度。径向稳定性是否符合要求最终通过对比管道实际埋深与堆土高度之和是否小于极限覆土高度来确定。x8 EI0.061 ESD3ZkWD3x0.03 DWW1W2I03/12 （1）才政，等：新建管道与在役管道并行施工安全评价方法48检测与完整性|Inspection&I2023 年 1 月第 42 卷 第 1 期库伦土压力公式，其中，对黏性土按照水土合算的原则计算 式（9），对砂性土、粉土则按照水土分算的原则计算 式（10）。pbj1ijhjkbj2 cjkbhj （9）pbj1ijhjzhwkbj2 cjkbhj （10）kbj1cosjsin2 jsinj2cos2j （11）kbhj（1sin2 j）2cos4j （12）式中：pb为钢板桩受到的被动侧土压力，kPa；kbj、kbhj分别为第j层库伦被动、库伦主动压力系数。2.1.3水压力参考 DB 29-2022010，地下水近似成无渗流作用，作用于支护结构的水压力按静水压模式计算，其计算式为：pwwHw1A1wHw2A2 （13）式中：pw为钢板桩受到的水压力，kPa；Hw1、Hw2分别为堆土侧、开挖侧钢板桩静水压力受力面形心距桩底高度，m；A1、A2分别为堆土侧、开挖侧钢板桩静水压力受力面积，m2。2.1.4结构应力根据计算式求得钢板桩支护的土压力及水压力后，通过有限单元法求解式（14）中的微分方程，最后绘制钢板桩嵌入深度为hL时的包络图，当土体抗力的安全系数大于 1 时，表明钢板桩支护结构应力满足安全要求17，其中安全系数根据桩身设计最大应力与桩身受到最大抗力的比值来确定。核钢板桩的支护结构应力、稳定性、位移以及截面强度，确定采用钢板桩支护时新建管道的安全性是否满足要求13-15。2.1支护结构应力当采用钢板桩支护时，钢板桩两侧的土体在自然状态下水平方向存在效应力，土体的水平应力状态会因土体的侧向位移发生改变，随着位移和方向的变化呈现两种极限平衡状态。当支护结构处于主动极限平衡状态时，钢板桩受主动土压力作用；当支护结构处于被动极限平衡状态时，钢板桩受被动土压力作用16。此外，由于地下水的影响，支