长输管道沉管下沟过程应力分析

谷青悦，刘纯婧，林智敏

1.北京斯派克工程项目管理有限责任公司，北京 100083

2.中国石油第七建设公司，山东青岛 266000

3.莆田学院，福建莆田 351100

长输管道下沟施工中通常采取吊管下沟或沉管下沟方式，长输管道下沟过程中由于重量大，因而易发生管道不稳定等安全事故。当大管径长输管道以吊管方式下沟时，一般会配置6台90 t 吊管机，在管道发生振动的情况下，若某台吊管机未提供有效吊力或失稳，或沟边土质承载力不足，可能会出现吊管机倾覆、滚管事故，现场施工质量安全风险极大。当采用沉管方式下沟时，虽然能够降低滚管等风险事故的发生，但在施工过程中容易造成应力集中，给管道运行安全留下隐患[1]。本文以某D1 219 mm×21.4 mm 的X80 管道双侧沉管下沟项目为例，采用有限元分析法比较了管道在端部沉管下沟和中间沉管下沟过程中的应力及其变化情况，论证其下沟方式的可靠性。

1 沉管下沟原理

沉管下沟指的是沿管道开挖管沟，利用管道自身重力作用缓慢将管道自然下沉到管沟内的施工方法[2]。根据挖掘机台数及其相对于管道的挖掘位置，依据Q/SY GDJ 0387-2014《油气输送管道沉管下沟施工规范》，可将沉管下沟分为单侧沉管下沟和双侧沉管下沟。

单侧沉管下沟指在管道轴线一侧布置挖掘机，沿管道单侧开挖管沟，利用管道自身重力作用缓慢地将管道自然降落到管沟内的施工方法[3]，见图1。

双侧沉管下沟指在管道轴线两侧布置挖掘机，沿管道双侧同时开挖管沟，利用管道自身重力作用缓慢地将管道自然降落到管沟内的施工方法[4]，见图2。

图1 单侧沉管下沟

图2 双侧沉管下沟

2 有限元模型及沉管下沟过程分析

应用ANSYS 有限元软件对某长输管道不同工况下采用双侧沉管下沟过程的应力进行计算和分析，包括端部沉管下沟模型（见图3）和中间沉管下沟模型（见图4）。

图3 端部沉管下沟模型

图4 中间沉管下沟模型

2.1 建立有限元模型

2.1.1 端部沉管下沟方式的力学模型

在计算端部沉管下沟时，将管道本体简化为以下力学模型：

（1）将管道简化为3 维管单元，采用ANSYS软件中的PIPE 20 单元模拟。

（2）沉管下沟过程中，管道与土体之间的摩擦和支撑作用采用接触单元CONTAC52 3D 进行模拟。

（3）沿轴向在管道沉管下沟范围两侧各建200 m 长的管道模型，以模拟附近管道对计算管段的约束作用。

（4）在未下沟的地面管道端部对所有自由度施加约束，模拟地面远端管道的嵌固作用。

（5）在已下沟的沟下管道端部对轴向之外的其他自由度施加约束，模拟沟下远端管道的嵌固作用。

（6）管材采用线弹性材料模拟。（7）考虑管道大变形。

2.1.2 中间沉管下沟方式的力学模型

在计算中间沉管下沟时，将管道本体简化为以下力学模型：

（1）～（3）与上述的端部沉管下沟力学模型相同。

（4）在计算管段端部对所有自由度施加约束，模拟地面远端管道的嵌固作用。

（5）管材采用线弹性材料进行模拟。

（6）考虑管道大变形。

2.2 沉管下沟过程计算分析

2.2.1 端部沉管下沟

以D1219mm×21.4mm的X80管道沉管深度为4 m 作为算例，得到管道沉管过程中悬空长度、下沟深度、管道应力与下沟长度的关系曲线，如图5～7所示。

图5 端部沉管过程中悬空长度与下沟长度的关系

图6 端部沉管过程中下沟深度与下沟长度的关系

图7 端部沉管过程中管道最大应力与下沟长度的关系

通过分析计算可知：

（1）直管段端部沉管下沟过程中，管道最大应力一直出现在沟上支点附近。

（2）当管沟开挖53.5 m 后，直管段端部与管沟沟底刚接触，此时管道应力最大（331.6 MPa）。

（3）当直管段端部与管沟沟底接触后，随着管道下沟长度的增加，管道应力先逐渐减小后逐渐增大，最终趋于稳定；在管道悬空长度为77.4 m时，管道应力最小（277.8 MPa）；在管道悬空长度达到93.3 m 时，悬空长度及管道应力趋于稳定（311.7 MPa）。

（4）在直管段端部接触沟底后，随着管道下沟长度的增加，管道悬空长度继续增加，当与沟底接触的管段足以提供稳定的支撑力后，悬空长度趋稳。

综上可知，在直管段端部沉管下沟过程中，应将直管段端部与管沟沟底刚接触时的应力作为整个沉管下沟过程中的应力控制点，确保其满足应力要求。

分别计算了下沟深度为2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m 时，沉管端部下沟的悬空长度和管道应力，计算结果如表1 所示。

表1 D1 219 mm×21.4 mm 管道端部沉管下沟计算结果

2.2.2 中间沉管下沟

以D1219 mm×21.4mm X80管道中间沉管深度为4m作为算例，得到管道沉管过程中悬空长度、下沟深度、管道应力与下沟长度的关系曲线，如图8～10所示。

通过分析计算可知：

（1）直管段中间沉管下沟过程中，最大应力开始出现在悬空段管道的中间位置，随着下沟的继续推进，最大应力点转移至管道沟上支点附近。

（2）当直管段中间与管沟沟底刚接触时，管道应力最大，此时管道悬空长度202.7 m，管道应力为355.6 MPa。

图8 中间沉管过程中悬空长度与下沟长度的关系

图9 中间沉管过程中下沟深度与下沟长度的关系

图10 中间沉管过程中管道最大应力与下沟长度的关系

（3）当直管段中间与管沟沟底接触后，随着管道下沟长度的增加，管道应力逐渐减小，最终趋于稳定（稳定状态时应力为338.1 MPa）。

（4）在直管段中间接触沟底后，随着管道下沟长度的增加，管道悬空长度略有减小后逐渐增加，当与沟底接触的管段足以提供稳定的支撑力后，悬空长度趋于稳定（最大悬空长度为218.7 m）。

综上可知，在直管段中间下沟过程中，应将直管段中间与管沟沟底刚接触时的应力作为整个直管段中间沉管下沟过程中的应力控制点，确保其满足应力要求。

分别计算了下沟深度为2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0m时，中间沉管下沟的悬空长度和管道应力，计算结果如表2所示。

3 沉管下沟安全控制措施

3.1 布置临时固定墩

为避免下沟过程中管道应力集中，在下沟过程中可以设置临时固定墩[5]，具体技术要求如下：

表2 D1219 mm×21.4 mm 管道中间沉管下沟计算结果

（1）临时固定墩只限制管道侧向摆动，不限制端部翘起。

（2）临时固定墩应有足够的稳定性，以限制管道端部侧向摆动。

（3）临时固定墩距离管道端部2 m。

（4）临时固定墩的设置条件满足表3 中的要求。当管沟开挖边界距离管段端部的距离达到表3的要求（设置临时固定墩管沟开挖边界距离管段端部的最小距离）之前，即应开始布置临时固定墩。

表3 临时固定墩的设置条件

3.2 分层开挖

为降低管沟底部和地表高度差，可以采用分层开挖方式降低管道所受应力[6]。具体技术要求如下：

（1）第1 层开挖深度不大于0.7 m，加上支墩高度0.5 m，相当于第1 层开挖后管道下沉1.2 m。

（2）除第1 层外，其余每层开挖深度≤1.4 m。

（3）开挖宽度即管沟宽度[7]。

（4）沿管道轴向的分层开挖长度不小于80 m。

（5）分层开挖长度80m、第1 层开挖深度0.7m时，计算得到下沟深度为2.5 ～5.0 m 对应的管段端部最大翘起高度（相对于地面）[8]如表4 所示。

表4 管段端部最大翘起高度

4 结论

本文采用有限元方法论证了某长输管道项目采用管段端部沉管下沟或管段中间沉管下沟的施工方法都是可行的。计算表明，该管道直管段在双侧端部沉管下沟、双侧中间沉管下沟且管沟深度在5 m以内时，管道最大应力不超过X80 钢级管材最小屈服强度的80%[9]。为了避免下沟管段末端翘起导致管道侧向摆动而发生危险，在计算分析的基础上，本文给出了设置临时支墩和分层开挖两种控制措施，可根据施工现场情况选择控制措施。当管沟深度超过3.5 m 时，为了最大限度保证施工作业安全，建议分2 层开挖，每层挖深2 ～3 m，开挖同时严格控制沟边坡坡度。