在役天然气管道与道路交叉保护设计方案研究

邓小涛，连大焕，曹林晓

（中国石油天然气管道工程有限公司珠海分公司，广东 珠海 519015）

道路工程与在役油气管道工程同为城市繁荣发展的基础性线性工程，道路在建设过程中不可避免地会与在役油气管道工程存在位置冲突问题。当前，由于地方政府对油气管道的管控愈加严格，对油气管道的限制条件越来越多，油气管道迁改及管道连头工程投资大，且在役管道迁改会对下游用气用户造成一定影响，因此管道迁改难度越来越大，这就迫切需要对在役油气管道进行保护。

对与道路交叉的在役天然气管道进行保护，一方面可减少道路施工对管道安全运行带来的影响，如堆土占压管道、机械碾压及管道上方公路地基处理时荷载超出管道承受能力；另一方面，对管道进行保护有利于道路建设的顺利进行。文章结合工程实例，对新建道路与在役天然气管道交叉时在役管道的保护设计方案进行研究分析。

1 工程概况

某在役管道设计压力为4MPa，管径为D508mm，管道埋深约为1.2～1.5m，位于新建道路辅道下方，交叉长度约50m，如图1所示。根据道路设计单位提供的资料，道路辅道采用堆载预压方式进行处理，堆载预压填土高度为3m，道路等级按照Ⅰ级道路进行设计。由于地方政府及规划部门要求，管道无迁改路由，为防止道路施工对在役天然气管道运营安全造成影响，需要对在役天然气管道进行保护设计。

图1 新建道路与在役天然气管道交叉示意图

为确保管道保护方案设计合理，对该段管道周边进行了地质勘察，地层资料如下：

（1）填土（Q4ml）：灰褐色、杂色，湿，稍密—中密，主要由黏性土、砂土、砾石组成，局部为路基填料及水泥地坪面层，堆积年限小于10年。层厚1.8～2.0m，层底高程为-1.2～-0.7m，土石等级为Ⅱ级，普氏分类Ⅱ类。

（2）淤泥（Q4mc）：灰黑色、灰褐色，流塑—软塑，土质均匀，稍有光泽，干强度中等，韧性中等。层厚18.0～18.2m，层底高程为-19.2～-18.9土石等级为Ⅰ级，普氏分类Ⅰ类。

参照《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）及《工程地质手册》（第五版）等有关规程规范，结合当地经验，场地岩土承载力特征值如表1所示。

表1 场地岩土承载力特征值 单位：kPa

2 管道保护方案设计研究

管道保护设计方案应结合道路处理方式，并考虑道路在施工期及运营期所处的不同荷载工况来确定，确保在役管道在道路施工及运营期不受影响。

2.1 管道保护设计方案——盖板涵保护

根据道路建设和在役管道基本情况，结合以往管道保护工程实践经验，选择较为常见的盖板涵保护设计方案，如图2所示。盖板涵保护包括涵台基础、涵台、台帽和上覆盖板。盖板涵跨径为3m，涵台边缘距离管道0.95m。

图2 盖板涵保护设计方案示意图

2.2 盖板涵保护方案校核

根据以往类似工程管道保护实践，采取盖板涵保护方案原则上可行，但也应结合工程实际情况对道路堆载预压过程中、道路建设过程中以及运营过程中的不同工况进行必要的结构安全校核。

（1）盖板涵上覆荷载选取。根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）规定，应按施工期、营运期不同荷载工况分别验算地基安全性。其中，施工期的荷载应按计算需要及结构所处条件而定，营运期的荷载应包括路堤自重、路面的增重及行车荷载。

公路施工期荷载。根据该工程实际工况，在完成管道保护措施后，进行公路软基的一般堆载预压，完成后再进行道路工程的施工。因此，公路施工期间的荷载分为堆载预压荷载和道路路面面层施工荷载两种工况，并应取两种工况下的不利荷载作为施工期荷载。

第一，根据道路设计单位提供的堆载预压处理方案，该工程管道上方堆载预压的最大堆土高度为3m。堆载预压荷载为堆土自重荷载。可得，该工况下最大荷载取值为 60kN/m2。

第二，道路路面面层施工荷载包括路面施工人员和施工机具设备荷载。根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）第4.1.4条，上述荷载应作为可变荷载组合加以考虑。经与道路施工单位核实，22t压路机施工时产生的最大激振力为400kN。

考虑荷载在填土层中的应力扩散，单位面积荷载扩散计算方法参照《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）中公式：

式中：b为基础底边的宽度，m；Pc为基础底面处土的自重压力值，kPa；z为基础底面至软弱下卧层顶面的距离，m；θ为地基压力扩散线与垂直线的夹角，°。

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）第4.3.4节要求，盖板上部汽车荷载引起的竖向土压力，车轮按其着地面积的边缘向下作30°角分布（扩散面积以最外边的扩散线为准）。

经计算，该工况下荷载取值为D+L=60+80=140kN/m2。其中，自重荷载均按永久荷载考虑（即恒载D），荷载分项系数按1.3取值；车辆荷载为路面可变荷载（即活载L），荷载分项系数按1.5取值。

公路运营期荷载。公路建成运营后，盖板上方的荷载包括1.5m的填土自重荷载、公路路面层（约0.5m）的自重荷载以及路面行车荷载。经计算，恒载D=42.5kN/m2。根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015），车辆荷载分布如图3所示，车辆荷载的主要取值标准如表2所示。

图3 车辆荷载的立面、平面尺寸

表2 车辆荷载的主要技术指标

根据前述施工设备荷载计算方法，同理可得，车辆荷载应考虑多个轮压下综合影响传递到盖板顶部的车辆荷载，计算取值为55kN/m2。

道路运营期荷载为D+L=42.5+55=97.5kN/m2。

荷载取值。根据对公路施工期和运营期荷载的分析，不同工况下荷载标准值取值如表3所示。

表3 不同工况下荷载标准值取值

（2）盖板涵保护校核计算结果。采取盖板涵保护设计方案，根据盖板涵在道路堆载于预压期和道路运营期的最不利工况，荷载取值为140kN/m2，经核算，盖板涵基础底地基承载力特征值fak≥90kPa。根据勘察资料，该地区淤泥质土地基承载力特征值为50kPa，不满足要求。因此，采用盖板涵保护管道设计方案时必须进行地基处理。

2.3 保护设计方案优化——桩基+盖板

（1）保护设计方案优化。根据该地区同类型项目设计经验，考虑管道保护设计方案的经济性、施工可行性，采用深层水泥土搅拌桩对管道两侧淤泥质软土进行地基处理。管道两侧各设置2排搅拌桩，梅花状布置；同时取消盖板涵涵身设置，直接将钢筋混凝土盖板设置于复合地基上；同步优化盖板跨度，结合实际施工作业面需求，取单块盖板跨度为2m，两侧搭接长度均为1m，最终单块盖板长度为4m。水泥土搅拌桩桩径取500mm、桩间距取1m、单根设计桩长取15m，桩顶设置200mm厚级配碎石褥垫层。桩基与混凝土盖板保护设计如图4所示。

图4 桩基与混凝土盖板保护设计

（2）优化保护设计方案校核计算。桩基处理承载力校核。深层水泥土搅拌桩复合地基承载力根据《复合地基技术规范》（GB/T 50783—2012）公式计算。

其中，水泥土搅拌桩单桩竖向抗压承载力特征值按以下公式取值：

求得，单桩竖向抗压承载力特征值Ra=310kN；处理后复合地基承载力特征值不低于90kPa，满足地基承载力要求。

混凝土盖板校核。混凝土盖板按单向板计算，四端简支按弹性板设计。均布荷载作用下，盖板跨中处截面为正截面受弯、斜截面受剪的最不利截面，根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）（2015年版），矩形截面正截面受弯承载力计算公式如下：

盖板挠度按受弯构件进行验算，其中，短期刚度BS根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）（2015年版）公式计算：

求得，盖板配筋为E20@150（双层双向），盖板计算挠度为0.8mm＜fmax=5mm，经校核，承载力、挠度验算均满足要求。搅拌桩地基处理示意图如图5所示。

图5 搅拌桩地基处理示意图（单位：mm）

经对盖板涵保护设计方案的校核及优化，该工程采用搅拌桩+混凝土盖板保护设计方案，一方面可以满足道路建设对在役天然气管道的保护，另一方面满足道路建设在施工期和运营期的要求。

3 结束语

在役管道与新建道路交叉，在地质情况为淤泥质软土的情况下，应结合工程地质条件，对采用的管道设计方案进行优化校核，同时应考虑新建道路的地基处理方式，分析道路在施工期和运营期可能承受的最大荷载，从经济性、安全性、方便施工等角度综合考虑，采取合适的管道保护设计方案。该工程通过核算，将盖板涵保护设计方案优化调整为桩基处理+混凝土盖板的保护方案，对类似的新建道路与在役天然气管道交叉保护设计方案具有借鉴意义。