综述地面沉降对埋地燃气管道的影响研究

上海煤气第一管线工程有限公司 顾军

我国城市化进程中，许多城市都面临着显著的地面沉降效应，大量的高密度建筑群已成为城市沉降的主要诱因。地面沉降会对地下管道产生破坏，进而导致埋地燃气管道泄漏，威胁生命财产安全。研究城市地面沉降对埋地燃气管道的影响，保证运行安全，具有重要的现实意义。本文详细综述了国内外埋地管道的受力研究现状，以此为基础，重点分析了沉降情况下埋地燃气管道的受力特点与防护对策，指出了目前研究现状中存在的问题，为进一步的研究提供了方向。

1 地面沉降与管道失效

地面沉降是在自然和人为因素作用下，由地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象，具有进展缓慢、持续时间长、影响范围广、成因复杂和防治难度大等特点，主要分均匀沉降和不均匀沉降两种。地面沉降严重影响资源利用、环境保护和经济发展，对城市建设和人民生活构成巨大灾害，是世界各地面临的共同课题。

地面沉降成因主要有熔岩塌陷、地下资源开采和工程环境效应，城市地面沉降主要由于地下水开采与工程建设导致。随着城市建设发展，高层建筑不断增多，密集的高层建筑群等工程环境效应已成为城市地面沉降的主要诱因，国内以上海软土地基为典型的土质地区沉降最为明显，特别是 20世纪90年代以来，上海城市建设迅猛发展，中心城区年均沉降11.9 mm。长期的累计沉降易造成道路开裂、管线受损、建筑物倾斜或者开裂等，给城市居民带来严重的不便，并造成巨大的经济损失。众多学者以此为背景对地面沉降的机理、预测等方面进行了大量研究。

敷设在软体地基中的管道因沉降会产生各种变形，均匀沉降对管道影响不大，当发生不均匀沉降时，管道就有可能发生变形甚至破坏。管道失效形式多样，在早期文献中，Clarke系统地总结了管线的各种破坏类型与原因。Attewell等人提出了金属管道功能失效的几种形式：

(1)纵向弯矩引起横向断裂；

(2)环向弯矩引起纵向劈裂；

(3)熔断、长期腐蚀引起孔洞或穿孔；

(4)管线接头处发生泄露；

(5)引入连接点处发生泄露；

(6)直接冲击引起损伤。

管道的破坏形式与材料、埋设情况、接头形式、几何尺寸等多种因素有关，其中地面沉降引起的管道破坏形式主要为纵向弯矩引起的横向断裂。

2 管道受力分析

研究管道的受力状态，关键是确定管道与土体之间的相互作用力。软土、填土地基属于多相松散体，具有高压缩性、粘弹塑性、低抗剪切度等特点。同时管道与土体之间存在相互作用耦合性、地基差异沉降致使土体运动存在不确定性，这都使得分析软土地基中管道受力性状变得十分复杂。

国内外对埋地管道的受力研究主要基于两个方面的背景：

(1)地震引发的断层对管道的屈服破坏；

(2)地面缓慢不均匀沉降引起的管道变形或者破坏。

地震引发的灾害破坏作用明显、危害大，故早期的研究大多以此为焦点：

O'Leary等人以弹簧代替管道周围土壤对埋地管道受地震影响时的峰值应力进行了分析，得出刚度是地面震动的波长和频率的函数。

Datta等人在埋地管道的地震响应方面进行了综述，包括管土模型和地震激励模型的建立，埋地管道响应的分析方法，在不同参数变量条件下埋地管道的抗震性能，以及在弯头和十字接头处地震引发的应力分析。

赵林等人回顾了埋地管线抗震研究的发展历程，并提出了一种新的建模方法：管土相互作用分析模型。

吕培培研究了地震作用下跨越断层埋地管道的受力问题，通过有限元软件的模拟，分析比较了管道直径、壁厚、埋深、管道周围土体特性以及管道与断层的交角等参数对跨断层埋地管道动力响应的影响。

张坤通过弹性地基梁模型的假设，对埋地管道存在活断层载荷的情况下的受力进行分析，并提出了活断层载荷作用下最大应变计算方法。

随着社会的发展，地下水开采和城市建设导致的地面不均匀沉降效应逐渐凸显，受地面沉降的影响，地下管道会发生不同程度的变形甚至破坏。特别是敷设于软土地基中的管道，经常出现的土壤差异沉降会导致管道存在附加荷载或者应力集中，这样不仅会影响管道工程的正常使用，而且还可能发生管道断裂等失效事故。

一些学者通过对埋地管道的受力分析，得出了管道挠度、弯矩、转角、应力等变化情况。

Daines等人研究了压力管道在土壤和车辆荷载下的二次应力。

Kim等人通过有限元方法，分三种情况研究了回填土深度与沉陷宽度对管道沉降和应力的影响。

张小趁在直埋供热管道直管的应力分析中，将直埋管道直管段作为柱壳处理，首次在理论上获得了曲线坐标下直埋供热管道直管段的应力解析解。

Limura针对三种不同的管道：埋地管道、裸露管道、以及介于两者之间的部分，一方面，通过传统的有限元方法，建立弹性地基梁模型，模拟出管道的应力分布；另一方面依据文克尔弹性地基梁公式，推导出了已知沉降情况下的应力求解公式。通过对比分析，进行了模型的简化和公式的修正，最后得出简化的应力计算公式。

刘全林在研究地埋管与土相互作用分析模型中指出地埋管与土的相互作用问题可归结为界面处接触应力的确定，在对地埋管道的受力特性及变形性能分析计算中必须考虑管土相互作用问题。并建立了埋地管道与土的相互作用分析组合模型。

刘兰兰以天然气分输站阀室为研究对象，通过现场应力与沉降测试，得出管道实际受力情况，通过应力分析软件 CAESAR对管道进行受力模拟，综合分析了不均匀情况下管系的应力水平与沉降情况，并提出了相应的改进措施。

3 管道受力模型及数值模拟

3.1 管道受力模型

随着计算机和有限元技术的进步，管道受力模型也不断发展。根据地面差异沉降下管道与土体受力特征，较为常见管道受力模型有三种：弹性地基梁模型、土弹簧模型和非线性接触模型。

弹性地基梁模型是一种静力分析模型，主要考虑土体最终位移对管线的作用。假设前提如下：

(1)管线为梁模型；

(2)管线周围土体均匀分布。

根据文克尔假设，地基任一点所受的压力强度只与该点得地基变形成正比，而压力强度不影响该点以外的变形。弹性地基梁的地基反力与沉降成正比。该理论模型简单明了，易于手算，被工程界广泛接受，并被我国及美国输油(气)抗震规范所采用。

土弹簧模型来源于地下结构土结相互作用分析简化模型，它的主要原理是将管线周围土体简化为一系列的等效弹塑性弹簧，弹簧的刚度和自由度由填覆土质和沉降形式决定。此模型虽可以模拟土壤与管道的三维作用，却不能模拟两者间的接触非线性特点，而且不能较理想地模拟土壤与管道间的非线性摩擦。

对于非线性接触模型，现阶段仍处于不断的研究和探索中，因此没有明确的定义。近年来对于埋地管道的受力分析的研究表明，管土作用实质是两个物体相互接触的问题，受土壤的变形特性和管道结构的刚度的影响。但由于管道结构的刚度和土壤的相对刚度的影响，导致整个受力问题成为一个非常复杂的非线性问题，使计算难度大大增加，因此管土相互作用需要一个精度更高，状态更完整的模型来进行描述。随着接触理论的发展，利用理论分析和数值手段相结合建立管土相互接触的非线性模型成为一种更合理的解决方案。

3.2 管道受力的数值模拟

对于管道的受力分析，由于影响因素较多，计算复杂，普通的手算方法无法得出其精确解，因此有必要利用有限元方法对管道进行受力分析，得出满足一定条件下的数值解，对实际工程问题的解决具有重要意义。利用数值方法对管道应力进行研究，关键是建立正确的管土受力模型，针对埋地管道真实的受力状态通过建模分析进行真实还原。

目前在埋地管道应力分析方面比较常用的软件有ANSYS、ABAQUS等，ANSYS是应用最广泛的受力分析软件，ABAQUS可以较好模拟管土接触非线性的特点，在埋地管道受力分析中发挥了重要作用。国内一些研究者通过软件模拟分析方法取得了研究成果：

胡明祎利用ANSYS软件对跨越断层的埋地管道地震反应进行了数值模拟，讨论了有效计算区的确定方法，模型单元及状态实现，非线性分析实现等问题。

杨俊涛应用ABAQUS有限元软件对静载荷冲击荷载作用下管道的力学响应进行了计算，探讨了各种受力影响因素对管道力学性状的影响。

任艳荣利用ABAQUS软件建立了管土作用的有限单元模型，通过模拟海床土体与海底管道间的相互作用，得到了管道沉降量与管重间的关系。

柳春光综合考虑了材料非线性，几何非线性以及管土接触非线性，利用ANSYS软件建立三维薄壳有限元模型来模拟沉陷情况下的埋地管线受力和变形，较好地模拟了管线的破坏过程。

李其鹏介绍了有限元软件ABAQUS及其在管土相互作用分析的数值模拟中的原理和软件实现，系统分析了土体模型及其力学本构关系。

陈国华利用ABAQUS软件对地基差异沉降下埋地管道力学性状进行分析，得出应力最大部位出现在地面管道和埋地管道相连接的相贯区。

4 埋地燃气管道受力特点及防护对策

4.1 燃气管道受力特点

燃气具有易燃、易爆等特点，燃气管道一旦发生事故，后果将非常严重。因此，对燃气管道的受力分析应予以重视。现役燃气管道多为埋地钢制管道，其受力情况与水管、供热管相似，受力分析方法与计算模型大致相同。但是燃气管道又存在其自身特点：燃气管道存在内压，特别是高压燃气管道压力可达4.0 MPa以上，对管道本身的受力有一定影响；燃气管道对埋深有一定要求。其分析方法与普通管道受力存在区别，在建立模型时，要综合考虑多种因素对埋地燃气管道的受力影响。

4.2 埋地燃气管道防护对策

对于建筑周围和建筑物内的燃气管道引入管段，多采用柔性软管代替钢管，增加管道伸缩量，避免漏气等事故的发生。这种方法也是目前燃气行业研究人员普遍采用的防护对策。

对于埋地管道的防护，主要以观测埋地管道附近的建筑物以及道路的沉降情况从而人为预测管道变形。如果管道周围建筑物或者道路沉降差超过一定范围，就可以大致预测埋地燃气管道受到了不同程度的损害，此时应当及时开挖并对管道进行应力释放；当建筑物发生明显差异沉降、道路出现严重裂缝，表明管道损害严重，应立即对燃气管道断气并进行详细检修，必要时对燃气管道进行浅埋并严密监测。

目前针对燃气管道受力与防护方面的研究：

朱小明研究了不同地面沉降形式对燃气管道的破坏作用，利用随机介质力学方法，得到了单元下沉盆地及单元水平位移表达公式，并给出了先预测、再施工的天然气管道防护方案。

张昊针对不均匀沉降造成的燃气管道变形，利用CAESAEⅡ计算钢管允许变形的最小曲率半径，进而确定管道轴向允许弯曲变形量，并给出了管道沉降监布置的推荐间距和报警原则。

陈雪琴分析了车辆荷载、土体自重及其叠加压力对对埋地燃气管道的受力影响，给出了计算公式，并制定了相应的补偿措施。

赵京生对北京昌平区某小区的调查发现，燃气泄漏隐患位置多集中在立管三通分流处和水平燃气管道变径弯头处，计算了其预补偿量，采用波纹管对管道进行结构补偿。并设计了一种燃气管道状态自动监测系统，通过分布式数据采集技术和通信技术，对管道的结构变化进行实时监控。

5 小结

高层建筑引起的地面沉降对埋地燃气管道产生严重影响，研究埋地燃气管道受力及沉降防护，对保证管道运行安全具有重要的现实意义。

管道受力研究在理论分析和模型建立方面，逐渐发展成熟，而针对埋地燃气管道的研究，相比一般管道，受制于其受力的特殊性和实验条件的不完善，故研究还不够深入，这就使得埋地燃气管道防护的理论支撑不足，因而防护措施不完善。结合埋地燃气管道受力特点，研究管道的安全性，对于提高防护能力，制定正确的防护措施具有重要意义。