李勐

摘 要：穿越隧道管道跨度较大，受力情况复杂，敷设方式不当很容易导致管道失效。基于非線性有限元方法，建立了穿越隧道管道有限元模型，使用管单元模拟管道，非线性土弹簧模拟管土相互作用。参考实际工程数据，考虑了温度和内压组合荷载的作用，对比计算了不同敷设方式、回填土性质和滑动支撑间距等参数下的管道应力及位移，通过分析得到：直埋敷设能更好地保证管道的安全运行，该敷设条件下管道优先选择用黏土回填并进行夯实；若采用支墩敷设的方式，滑动支撑的间隔应取20 m左右，并且对弯管处管道壁厚进行加厚。研究结果可为穿越隧道管道的敷设设计提供一定的参考。

关 键 词：穿越隧道管道；非线性有限元法；直埋敷设；支墩敷设

中图分类号：TQ 018 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1978-05

Abstract： The span of pipeline crossing tunnel is long， and the stress situation is complex， improper laying mode is easy to cause pipeline failure. Based on the nonlinear finite element method， a finite element model of pipeline crossing tunnel was established， the pipe element was used to simulate the pipe， nonlinear soil springs were employed to simulate the constraint effect of soil on the pipeline. Referring to the actual engineering data， the effect of combined loads of temperature and internal pressure was considered， the stress and displacement of pipeline under different parameters such as laying mode， properties of backfill soil and span of sliding support were calculated and compared. The results show that，the directly buried laying can better guarantee the safety of pipeline operation， its better to backfill the pipeline with clay and compacting it； if we use support laying， the span of sliding support should be about 20 m， and the wall thickness of elbow pipe should be thickened. The results can provide references for laying design of pipelines crossing tunnel

Keywords： pipeline crossing tunnel； nonlinear finite element method； directly buried laying； support laying

随着我国天然气长输管道建设的发展，越来越多的长输管道需要途径山岭，建设隧道穿越山体是解决这个问题比较合理和有效的方法[1]。穿越隧道管道的敷设方式主要分为直埋敷设和支墩敷设两种，这两种管敷设方式各有其优缺点，而且由于穿越隧道管道普遍跨度较大，其运行时的应力、位移状态比较复杂，所以对这两种敷设方式下的穿越隧道管道进行强度分析和优化具有重要的现实意义。

近年来，国内很多学者对穿越隧道管道进行了研究：张志广[2]采用解析法对穿越忠县-武汉某段隧道管道支墩敷设和直埋敷设的稳定性进行了计算，对隧道内管道选择合理的敷设方案有着指导意义。吴晓南利用CAESAR II软件先后对清管过程[3]、试压工况[4]和运行工况[5]下穿越隧道管道的应力进行了分析，得到了隧道内管道的应力分布情况，找出了工程建设中的关键点。随后吴晓南[6]以同时穿越某隧道的输油和输气管道为例，分析了不同工况下管道的应力、应变及位移分布情况，讨论了不同支撑间隔、进出隧道转角和地震工况等对管道应力的影响。同年，卢泓方[7]也针对不同工况下，天然气、原油和精炼油三条管道穿越同一隧道时的管道应力、位移分布进行了分析，给出了理论研究和工程实际上的建议。以上研究主要针对特定隧道进行案例分析，少有对穿越隧道管道的敷设方式进行对比分析与优化。

本文以某穿越隧道管道为研究背景，基于非线性有限元方法，建立了参数化的穿越隧道管道有限元模型。模型考虑了敷设方式、回填土性质及滑动支撑间距的影响，对比分析了组合荷载作用下穿越隧道管道的应力、位移分布，对两种敷设方式进行了优化，对穿越隧道管道的安全运行有一定的参考价值。

1 数值模型

1.1 有限元模型

本文分别以支墩敷设和直埋敷设两种管道穿越隧道的敷设方式进行分析。使用ansys有限元软件，以管道轴向为X轴、垂向为Y轴、侧向为Z轴建立笛卡尔坐标系，针对隧道两侧固定墩以内的管道进行全尺寸建模。使用combin39非线性弹簧单元模拟土弹簧[8]；pipe20管单元模拟管道，直管段轴向每1 m划分一个单元，为保证计算精度，在弯头处网格划分较细。有限元模型示意图如图1所示。

建模时，先生成管道节点和管道模型，再通过复制管道节点生成土壤节点，对于直埋敷设全段和支墩敷设埋地段利用combin39单元将管道节点和土壤节点连接模拟管土相互作用；对于支墩敷设地上段利用该单元将管道节点和滑动支撑处节点连接模拟滑动支撑对管道的轴向作用力。在添加边界条件时，对所有土壤节点固支，对管道两端节点固支模拟固定墩，对滑动支撑处节点约束其侧向和垂向位移。约束添加后，对管道施加内压、温度及重力分析其应力相应。

1.2 管材模型

本文以某穿越隧道管道所使用的X70管道为例进行研究，其基本参数取值如下：弹性模量 =207 000 MPa；屈服强度 =483 MPa；偏移系数 =0.45；硬化指数 =12.68；泊松比 =0.3；密度 =7 800 kg/m3；热膨胀系数为 m·℃-1。

1.3 滑动支撑

隧道内的滑动支撑通过非线性弹簧以及对节点的约束来模拟。其中滑动支撑对管道侧向和垂向的作用，通过对相应节点的侧向和垂向的位移进行约束模拟；滑动支撑对管道的轴向作用力由沿管道轴向的非线性弹簧模拟，其刚度根据管道与滑动支撑间的摩擦力计算。

1.4 管土相互作用模型

利用土弹簧模拟土壤对管道的约束作用，参考ASCE Guidelines for the design of buried steel pipeline[10]规范中的计算方法，土壤约束被描述为轴向、侧向和垂向的弹塑性土弹簧，其力学性能参数为各方向的极限抗力和屈服位移。

本文中支墩敷设埋地段、直埋敷设隧道外管道均采用粉质粘土回填，管道管顶埋深为1.2 m，土壤内摩擦角为45°；直埋敷设洞内管道采用砂土回填，管道管顶埋深为1 m，土壤内摩擦角为15°。通过计算可以得到土弹簧参数如表1所示。

2 结果分析与讨论

2.1 穿越某隧道管道实际工况及计算参数取值

本文结合国内某穿越隧道管道的技术参数，选取不同的工况，分析不同的敷设方式、隧道长度、回填土性质、滑动支撑摩擦系数及滑动支撑间距等因素对管道Mises应力及位移的影响。

以支墩敷设为例，如图2所示，管道沿线在隧道入口和出口处均设置固定墩，用以截断隧道外管道对隧道内管道的影响。从入口固定墩到出口固定墩之间有四个X-Y平面弯管，依次为：弯管1、弯管2、弯管3和弯管4，其中弯管3为热煨弯管，其余三个为冷弯弯管。

在固定墩和每个弯管之间有五个直管段，隧道入口处为直管1，其长度L1=15 m；直管2倾斜向上，其长度L2=12 m；直管3完全处于隧道内，其长度L3=2 500 m；直管4长度L4=10 m；隧道出口处直管5长度为L5=10 m。i为第一个滑动支撑距左侧弯头的距离，j为隧道内每个滑动支撑的间距。

相关计算参数详细数值如表2所示。

2.2 不同工况下两种敷设方式的对比分析

隧道内管道的敷设方式一般有直埋敷设和支墩敷设两种。这里考虑了在四种不同工况下，工况一：P=8 MPa，T=20 ℃；工况二：P=12 MPa，T=40 ℃，对分别使用以上两种敷设方式穿越2 500 m长隧道的管道应力、位移分布情况进行分析。

图3分别给出了在不同工况下，两种敷设方式管道沿线的应力及位移对比情况。

如图3（a）所示，隧道外连续弯管部分的Mises应力波动较大，且在相同工况下，支墩敷设管道沿线的Mises应力大于直埋敷设管道。而在隧道内，支墩敷设管道在滑动支撑的作用下，Mises应力存在着小幅度的波动，其平均值与直埋敷设管道近似相等。综合图3（b）和图3（c）分析可得到，除隧道内的中心部分管段，两种工况下支墩敷设管道的轴向和垂向位移均远大于直埋敷设。

对于此类隧道，支墩敷设对于管道的影响主要集中在隧道外的連续弯管部分。由于土对管道的约束作用更大，相比之下直埋敷设管道的应力及位移状态更加安全，

2.3 直埋敷设的敷设方式分析

土壤对埋地管道具有径向和轴向的约束作用，不同的回填土质对管道的约束作用有所不同。因此，分别考虑隧道内砂土回填和黏土回填两种回填方式，利用不同的土弹簧参数模拟分析回填土质对直埋敷设管道应力、位移的影响（图4）。

图4分别给出了砂土回填和黏土回填管道的应力及位移对比情况，其中回填土范围包括了隧道内管道和接近隧道的部分弯管处。由图4（a）可知，在连续弯管处，黏土回填部分弯管的Mises应力波动较小，且较快地稳定在了240 MPa左右。而在隧道内。由图4（b）和图4（c）分析可知，两种回填方式下隧道内管道的轴向和垂向位移几乎不受影响。而在靠近隧道的弯管处，黏土回填管道的轴向和垂向位移均远小于砂土回填。

黏土回填时管土间相互作用力较大，管道受到的土壤约束较强，管道的应力集中和变形也就比较小。因此，隧道内外管道回填时，均宜使用黏土回填，且进行分层夯实，以增加土壤对管道的约束力。

2.4 支墩敷设的敷设方式分析

滑动支撑是油气管道系统的重要组成部分，针对滑动支撑的设计是支墩敷设管道设计中的重要环节。如果滑动支撑设计不当，不能承受管道重量、内压、温度引起的载荷，将会导致管道一次应力超标。另外，通过滑动支撑的设置还可以对隧道内管道的变形加以控制，从而减小管道的二次应力及对其他部分的推力，保证整个管道系统的正常运行。

管道支撑在滑动支撑上，管道断面承受由内压等外载产生的一次应力，该应力不应超过管材在计算温度下的许用应力值。这里考虑了滑动支撑间距j=10、20、40和80 m时管道的应力及位移分布情况。

图5分别给出了不同滑动支撑间距下，管道的Mises应力及垂向位移的分布情况，其中管道的Mises应力分为隧道内直管段和隧道外连续弯管段两部分进行分析。

由图5（a）可知，滑动支撑间距不大于40 m时，隧道外管道Mises应力的分布情况及大小比较接近，且波动幅度较大；而当滑动支撑间距为80 m时，隧道外管道的应力波动幅度较小，其应力集中点的Mises应力均小于其他三组情况。对于隧道内被撑起管道，滑动支撑间距越大，管道沿线的Mises应力波动幅度就越大，管道就越危险。对于管道沿线的位移分布情况，滑动支撑间距对管道的轴向位移影响很小，对管道的垂向位移影响较大，如图5（b）所示，滑动支撑间距越大，管道非支撑点的垂向位移就越大，且位移增加速度逐渐加快。当j=80 m时，管道的最大位移已经接近-0.7 m，此时管道的运行状态非常危险。

当滑动支撑间距较小时，隧道内支撑管段的Mises应力及位移状态相对安全，但隧道外弯管处的应力集中情况较为严重。同时，滑动支撑的间距大小直接决定着滑动支撑的数量，间距过小意味着管道支撑数量要增加，也就是增加费用和投资[11]；但间距过大，有可能影响管道自身的安全。综合考虑安全及费用，滑动支撑间距宜为20 m左右，并应适当对隧道外弯管部分壁厚进行加厚，以减小应力集中，保证管道整体的安全运行。

3 结 论

本文基于有限元方法对组合荷载作用下穿越隧道管道直埋敷设、支墩敷设两种敷设方式进行对比分析及优化，得出了以下结论：

（1）隧道外弯管部分，支墩敷设管道的Mises应力及位移波动幅度更大；隧道内部分，两种敷设方法的Mises应力及位移分布情况较为接近。所以，针对此类管道，直埋敷设下管道的工作状态更安全。

（2）黏土回填下埋地管道的Mises应力及位移均小于砂土回填，为保证管道安全运行，穿越隧道埋地管道宜采用黏土回填并进行分层夯实。

（3）滑动支撑间距较小时，隧道内支撑管段的Mises应力及位移也较小，但隧道外弯管处的应力相对较大；滑动支撑间距较大时，隧道内支撑管段的Mises应力也较大且该段位移的增大幅度更明显，而隧道外弯管处的应力则较小。综合考虑安全及费用，滑动支撑间距宜为20 m左右，并应适当对隧道外弯管部分壁厚进行加厚，以减小应力集中，保证管道整体的安全运行。

参考文献：

[1] 吴凯. 长输油气管道大型固定墩强度分析及优化设计[D]. 中国石油大学，2010.

[2] 张志广，李思群. 隧道内管道的敷设参数计算[J]. 油气储运，2002，21（2）：22-25.

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[4] 吴晓南，舒浩纹，昝林峰，等. 试压工况下盾构隧道内输气管道应力分析[J]. 天然气工业，2013，33（3）：73-77.

[5] 吴晓南，鲜燕，黄坤，等. 运行工况下隧道内输气管道的应力分析[J]. 油气储运，2012，31（12）：927-930.

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[11] 王秀全. 地上和管沟敷设供热管道的受力分析与计算[D]. 哈尔滨工业大学，2007.