管道穿越水网地段沉管下沟技术对策研究

(1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都 610500；2.中国石油集团工程设计公司西南分公司，四川成都 610041)

摘要：在管道穿越水网地段时，会遇到管沟不易成型等困难，而沉管下沟技术是解决该问题的关键点。针对水平直管段、水平弯管段两种工况，先简化出管道和土体相互作用的物理模型——土弹簧模型，进而利用ANSYS软件进行力学分析。在土弹簧模型中，根据工程实例，确定了土弹簧的刚度k=776 690 100，利用单元生死原理，模拟挖掘机顺延管道移除土体的情景。通过软件计算，得到管道能进行沉管下沟的开挖长度。文中还对直管段作了简单的网格无关性分析，说明应用ANSYS软件模拟达到了要求的精度。最后依据计算机仿真结果给出在施工中的建议。

关键词：管道; 水网地段；沉管下沟；ANSYS软件; 土弹簧模型；影响因素分析

0 引言

在管道建设过程中，管道一般要跨越河流，经过冲沟、水田(沼泽)、山区、丘陵、岫岩等各种地带，其中水网地段(水田、季节性湿地、盐碱性沼泽和常年积水的水塘)给管道建设带来很大困难，如大型工程机械无法进场，管材无法运输，管沟不易成型，管沟降水费用高，管道焊接作业湿度大，腐蚀严重等。合理的管道建设方法不仅加快工程进度，降低施工成本；还能减小对当地自然环境的破坏，降低管道的运营成本[1-3]。

大口径长输管道在水网地段的施工工艺流程一般为：测量放线—修筑便道—清理作业带—加强作业带—修筑堆管场—布管—组焊—焊缝检测—补口补伤—安装配重块—沉管下沟—辅助稳管—阴极保护—回填—恢复地貌[4-5]。而沉管下沟法结合具体地形地貌和施工条件分析是水网地段管道施工工艺中的关键点和难点。

1 管道的基本概况和沉管下沟技术简介

1.1 管道的基本概况

管道设计压力为6.3 MPa。全线钢管材质选用L485，管径为813 mm，采用国产螺旋缝双面埋弧焊钢管和直缝埋弧焊钢管[6]。壁厚等基本参数见表1。

表1 管道的基本参数

材料外径/mm壁厚/mm操作压力/MPa许用应力/MPaX70钢8138.86.3485

1.2 沉管下沟技术简介

一般来说，按照管道下沟就位方式的不同，下沟方式可以分为吊管下沟、单侧沉降、双侧沉降三类。

1.2.1 吊管下沟

吊管下沟采用挖掘机挖沟，吊管机将焊接好的管道直接吊到沟里合适的位置。地下水位低或不含地下水时，管沟不易塌方、成型好的地段采用吊管下沟方式。

1.2.2 单侧沉降

沉管下沟是管道利用自身的压力和挖掘机侧面的推力塌落到沟底，挖掘机从侧面挖出土，挖到设计深度后后退，进而将管道埋入沟中。

如果地下水位较高(但在1 m以下)或管沟土质较差、塌方较严重、成型困难的，又属于城郊附近用地的，应采用单侧沉降[7-8]。

1.2.3 双侧沉降

如果地下水位很高(在1 m以上)或管沟土质很差、塌方非常严重、成型很困难的普通地段应采用双侧沉降，但双侧沉降占地现象较严重，需要大量的挖沟设备，并需要挖掘设备不间断地连续作业[9]。

2 沉管下沟土弹簧模型的研究

在软土地段，土体对管道的作用可以简化为一段具有特定刚度的弹簧对土体的支撑。通过对土弹簧刚度和自由度的设定，可以模拟出埋地管道的受力情况。

一般情况下，土弹簧刚度系数可以通过解析法、有限元法和实验法等方法确定。本模型中，弹簧参数根据文献[10]和有限元模型中土弹簧参数计算方法确定[11]，土弹簧刚度k=776 690 100。

在加载过程中,需要在结构中移除材料，这时就希望能使模型中的某些单元不存在。在模型加载过程中的某一指定时间(载荷步)中，利用单元的生与死选项来注销或重新激活选定的单元。被选定的注销单元，其刚度系数乘以极小的减缩系数(默认为10-6)。挖掘机挖土的过程即可以通过使用单元生死原理来模拟。

2.1 水平直管段的土弹簧模型

对45 m长的水平直管进行分析：利用ANSYS软件作应力分析，钢管使用PIPE 288单元，管周土体由弹簧单元COMBIN 14进行模拟；将45 m长的管道网格划分为45段，即有46个节点。利用循环语句，在每个节点处都设置一个Y向的弹簧[12-13]。参考工程实例，土弹簧刚度k=776 690 100。根据单元生死原理，模拟顺延管道挖沟时的情况。通过仿真计算，得到表2、图1。

表2 不同开挖长度下管道土弹簧模型计算表1

开挖长度/mDMX/mSMX/GPa101.0540.223201.4510.246302.1380.335

图1 水平直管段土弹簧模型分析图

从图1可以看出，管道在固定端处的Von Mises应力最大，故该截面为最大危险截面。当开挖30 m时，即注销31个弹簧单元，管道所受最大应力335 MPa，小于钢材的许用应力[14-15]；且此时管道末端Y方向形变量为2.14 m，正好可以到达沟底部。

通过细化网格，比较仿真结果，进行网格无关性分析，确保模拟达到了要求的精度[12]。同样，钢管使用PIPE 288单元，管周土体由弹簧单元COMBIN 14进行模拟；将45 m长的管道网格划分为90段。土弹簧的设计参数同图1。计算求解，得到图2。

图2 网格无关性分析图

对应于同一开挖长度，网格细化前后，仿真模拟结果基本没有变化；故模拟达到了要求的精度，所得结果与网格的细化程度无关。

2.2 水平弯管段的土弹簧模型

对L1=45 m、L2=45 m的水平直角弯管进行分析。

利用ANSYS软件作应力分析，钢管使用PIPE 288单元；通过线网格划分为88段。同样在每个节点处都设置1个Y向的弹簧，土弹簧刚度k=776 690 100，根据单元生死原理，模拟顺延管道挖沟时的情况。通过仿真计算，得到表3、图3。

表3 不同开挖长度下管道土弹簧模型计算表2

开挖长度/mDMX/mSMX/GPa201.2260.290301.7210.284352.0720.287

图3 水平弯管段土弹簧模型分析图

从图3可以看出，管道在固定端处的Von Mises应力最大，故该截面为最大危险截面。当开挖35 m时，即注销36个弹簧单元，管道所受最大应力287 MPa，小于钢材的许用应力；且此时管道末端Y方向形变量为2.072 m，正好可以到达沟底部。

3 结果与讨论

参考工程实例，取土弹簧刚度k=776 690 100。根据单元生死原理，模拟顺延管道挖沟时的情况。建立了水平直管段、水平弯管段两种工况下的管道应力分析模型。在每m管道处，设置1根重力方向的弹簧，通过注销弹簧，来模拟开挖的情景。计算管道达到2 m左右的管沟深度时，需要的开挖长度和管道所受应力情况。

首先通过对水平直管段进行网络细化，来细化弹簧分布，作简单的网络无关性分析，验证模拟已经达到了要求的精度。总结出以下结论：

(1)45 m长的水平直管段，开挖30 m时，可以达到沟底；L1=45 m、L2=45 m的水平直角弯管段，当开挖35 m时，可以达到沟底。

(2)针对水平直管段，对应于同一开挖长度，网格细化前后，仿真模拟结果基本没有变化，模拟达到了要求的精度，所得结果与网格的细化程度无关。

4 结论

借鉴西气东输管道工程建设中的施工经验，总结出管道穿越水网地段沉管下沟技术要点。在软土地段，土体对管道的作用可以简化为一段具有特定刚度的弹簧对土体的支撑。根据单元生死原理，模拟顺延管道挖沟时的情况。利用土弹簧模型仿真模拟，确定能进行沉管下沟的开挖长度。在施工中，需要再从安全性、经济性等角度考虑，来优化沉管下沟的管道长度。

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Immersed Ditch Technical Countermeasures Research of Pipeline Through Water Network Area

MENG Jia1, KANG Kai2

(1.Oil & Gas Engineering College，Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;2.China Petroleum Engineering Co., Ltd. Southwest Branch, Chengdu 610041,China)

Abstract:When pipeline go through the water network area, it often encounters difficulties such as hard to shape ditch. Immersed ditch technology is the key point to solve this problem. For pipes in different conditions of horizontal straight pipe and horizontal right angle bend pipe, its interactional physical model between pipeline and soil mass named soil spring model was simplified，and then the ANSYS software was used proceed mechanical analysis. In the soil spring model, according to project experience, stiffness of soil spring was determined, k=776 690 100,and through element birth & death principle, the scene of excavator removing the soil was simulated. By software simulation, pipeline immersed ditch excavation length was got. Through the simple grid independence analysis of straight pipe, it is explained that the ANSYS software simulation reached the requirement precision. Finally, suggestion in the construction was given accults.

Keywords:pipeline; water network area; immersed ditch; ANSYS software; soil spring model; analysis of influencing factors

收稿日期：2016-10-11

中图分类号：TE88

文献标识码：A