壓力管道穿越公路安全評估方法的研究

熊師遠，文昌盛

（廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530007）

0 引言

隨著高速公路網的形成，新建壓力管道下穿既有公路的涉路施工激增。新建壓力管道下穿施工必然會對既有公路的安全運營和周邊環境的安全產生不利影響，嚴重的會造成公路破壞，引起較大的安全事故和經濟損失。

根據《公路安全保護條例》，“跨越、穿越公路修建橋梁、渡槽或者架設、埋設管道、電纜等設施”，建設單位應當向公路管理機構提出申請，并提交下列材料：“（一）符合有關技術標準、規范要求的設計和施工方案；（二）保障公路附屬設置質量和安全的技術評價報告；（三）處置施工險情和意外事故的應急預案。”故研究壓力管道下穿既有公路的安全評估方法是十分必要的、合法的。

1 管道穿越的危險性分析

1.1 管道自身危險性

壓力管道輸送距離較長，輸送壓力較高，同時輸送介質具有一定的危險性。在設計中存在管道強度計算不準確、管道穿越位置選址不合理、材料選擇不合理等因素，壓力管道自身可能引發事故。在運營管理中，可能因腐蝕、疲勞等因素，造成管道或連接部位泄漏而引起事故。

1.2 管道對公路的安全影響

壓力管道穿越對公路及其附屬設施的影響主要表現在：路面沉降、塌陷；泥漿污染；交通干擾等。

路面沉降、塌陷誘發因素有：出、入土點距離路基較近；路基地質條件較差；穿越預擴孔直徑過大；未進行沉降觀測等。從而導致路基塌陷或破壞，路面結構層龜裂甚至塌陷。

由于大口徑管道的穿越泥漿使用量較大，泥漿池存儲的泥漿意外泄漏之外，穿越公路過程中的冒漿、跑漿可能造成公路邊溝、耕地、水域污染。

施工人員交通安全意識參差不齊，施工中隨意橫穿公路；機械設備、材料進退場占用行車道，交通管制措施不完善；因施工事故引起道路設施破壞等，均可導致交通干擾或交通事故。

1.3 公路對管道的安全影響

壓力管道穿越公路施工過程中，公路不能中斷交通，過往車輛荷載必然對路面沉降變形加劇，影響管道施工。

管道運營期，隨著公路交通量的增加，汽車荷載作用在管道上的應力增加，可能導致管道破壞。

2 管道穿越公路安全評估標準

根據對壓力管道穿越公路的危險性分析，主要針對穿越位置、管道埋深、路面沉降、套管壁厚、地基承載力進行評估標準分析。

2.1 穿越位置評估

壓力管道與公路交叉時，一般采取垂直交叉，從公路路基下穿越，如需斜交，交角應≥60°，受限制時應≥45°，山嶺地區特別困難路段應≥30°。

穿越位置宜避開潮濕地帶、石方區、陡坡地段或需要深挖才能穿越的地方。其穿越點周圍應有足夠的空間，滿足管道穿越施工和維護的要求，滿足鄰近建構筑物和設施安全距離的要求。

2.2 管道埋深評估

2.2.1 一般要求

根據《涉路工程安全評價規范》（DB34／T 790－2008），穿越公路的管道最小埋深應滿足表1的要求。

表1 穿越管道最小覆土深度數值表

使用套管時，埋深從套管頂端開始計算。管道埋深及套管端部伸出路基坡腳的長度見圖1。

圖1 帶套管的管道埋深示意圖

2.2.2 路基工作區

管道穿越公路施工，由于不中斷公路交通，路基工作區內的土基強度和穩定性是保證路面穩定極其重要的因素。同時為了避免管道受到汽車荷載的不良影響，需保障管道埋深至路基工作區以下。

路基工作區深度Za的近似計算式：

式中：K ——應力系數 K＝3／2π＝0.477 5；

n ——系數，取n＝5～10；

P ——作用在路基上的車輪荷載（kN）；

γ ——路 基 土 的 容 重 （kN／m3），一 般 可取18.9kN／m3。

不同等級的公路對應作用不同的荷載，其路基工作區深度見表2。

表2 各等級公路路基工作區深度數值表

壓力管道穿越干線公路，管道埋深應符合相關規范標準的要求，還應埋深在路基工作區深度以下，避免汽車荷載對管道的不利影響。

2.3 路面沉降評估

2.3.1 路面沉降計算

壓力管道穿越施工引起的地面沉降計算方法主要有經驗法和解析法。采取Peck提出的地面沉降橫向分布估算公式：

式中：S（x）——地面沉降量（m）；

x ——離管道軸線的水平距離（m）；

Smax——管道軸線上方的最大地面沉降量（m）；

i ——地面沉降槽寬度系數（m）；

Vs——管道單位長度的土體損失量（m3／m），Vs＝πR2η；

η ——土體損失百分率；

R ——管道外半徑（m）。i的經驗公式為：

式中：H ——管道埋置深度（m）；

φ ——土的內摩擦角。

通過上述計算公式，可得地面最大沉降量Smax。

2.3.2 沉降評估標準

路面沉降主要體現在公路路面平整度的變化。

根據對路面養護標準的平整度的要求來確定平整度變坡指標如表3所示。

表3 各等級路面的平整度變坡指標表

對軟土地基沉降控制標準見表4。

表4 軟土路基容許工后沉降數值表

穿越施工造成的公路路面沉降量應≤20mm。

2.4 管道壁厚評估

2.4.1 鋼管壁厚評估

鋼管最小公稱壁厚計算：

式中：σ——鋼管計算壁厚（mm）；

P——設計壓力（MPa）；

D——鋼管外徑（mm）；

σs——鋼管的最低屈服強度（MPa）；

φ ——焊縫系數，取1.0；

F——強度設計系數。

2.4.2 套管壁厚評估

根據《油氣輸送管道穿越工程設計規范》，套管穿越時，套管最小壁厚應不小于表5的要求。當覆蓋厚度不能滿足要求時，宜加大套管壁厚、管溝回填土處理等措施。

表5 穿越公路套管最小壁厚數值表

2.5 地基承載力評估

當地基只受軸心荷載時，基底巖土承載力應滿足：

式中：pk——相當于作用的標準組合時，地基處的平均壓力值（kPa）；

fa——修正后的地基承載力特征值。

地基底面的壓力，可按下列公式計算：

式中：Fk——傳至地基頂面的車輪荷載（kN）；

Gk——管道自重和管道上的土重（kN）；

A ——地基受力面積（m2）。

3 工程實例

3.1 項目概況

宜州至柳州高速公路穿越工程位于柳州市柳江縣進德鎮西南宜（州）至柳（州）高速公路K213＋492m處，輸油管道與高速公路夾角82°，穿越長度50m，套管穿越，套管頂距路面高度2.2m，套管為DRC 1 500×2 500ⅢAJC／T640鋼筋混凝土結構，管壁厚度175mm。由兩根D168.3×5mm的20＃無縫鋼管和一根D114×4mm光纜保護熱鍍鋅鋼管組成，管線設計壓力為4.0 MPa。

3.2 基本參數

公路設計荷載：公路－Ⅰ級；填土高度（含路面結構）：H＝2.2m，土容重（綜合）γ＝18kN／m3，土的內摩擦角φ＝35°；套管節內徑D內＝1 500mm，外徑 D外＝1 850mm，套管節長度L＝2 500mm，套管壁厚度t＝175mm，采用混凝土C40，容重γ1＝25kN／m3；鋼管設計壓力P＝4.0 MPa，σs＝360 MPa，F＝0.6；修正后的地基土基本承載力容許值［fa］＝250 kPa。

3.3 安全評估

3.3.1 穿越位置

管道穿越公路其交叉角度為82°，穿越位置均滿足要求。

3.3.2 管道埋深

本項目管道穿越公路套管頂距路面高度為2.2m，滿足規范管道穿越公路最小埋深的要求，同時根據表2，車輛荷載與路基自重引起的應力比約為1／5，套管埋深處于路基工作區深度以下，可避免汽車荷載對管道的不利影響。

3.3.3 路面沉降

結合本工程的實際情況，土體損失百分率取0.5%。

參考相關規范和沉降評估標準，本工程穿越公路段沉降滿足要求。

3.3.4 管道壁厚

鋼管計算最小公稱壁厚為：

其鋼管壁厚為5mm，大于計算最小壁厚的要求。

其套管內徑為1 500mm，壁厚為175mm。依據表5，滿足內徑為1 500mm時，最小壁厚19.8mm的要求。

3.3.5 地基承載力

單位面積內，管道自重和管道上的土重為：

Gk＝（（2.2＋1.85）×18.0＋25×0.175×π）×1＝86.64kN

由于管道埋深在路基工作區之外，汽車荷載約為路基自重引起的應力比的1／5，即Fk≈0.2 Gk。

故單位面積內地基承載力為：

pk≤fa＝250 kPa；

基底巖土承載力滿足地基承載力特征值的要求。

綜上所述，本工程壓力管道穿越公路，其穿越位置、管道埋深、路面沉降、管道壁厚、地基承載力等均滿足評估標準的要求。

4 結語

通過對壓力管道下穿公路安全評估方法的研究，得出如下結論：（1）明確了壓力管道下穿公路安全評估的合法性；（2）對管道穿越的危險性分析，說明了研究其安全評估方法的必要性；（3）針對穿越位置、管道埋深、路面沉降、套管壁厚、地基承載力進行評估標準分析；（4）通過工程實例驗證了壓力管道下穿公路安全評估方法的可行性。

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