顶管套管内管道穿管 [顶管穿越套管荷载计算]

　　摘要：随着石油以及天然气利用业务不断发展，管道必然需要穿越公路、铁路。为保证石油、天然气的正常输送和公路交通运输的安全畅通，也出于公路的正常养护、维修与发展的需要，管道穿越公路、铁路时，一般均采用顶管方式。文章论述了套管上承受的荷载情况，从而校核所选套管是否足够安全，强度是否能够满足荷载的需要。
　　关键词：顶管穿越；套管；强度校核；土壤垂直荷载
　　中图分类号：U175 　　　　　 文献标识码：A 　　　　 文章编号：1009-2374（2012）20-0104-02
　　1　荷载计算
　　作用于穿越管段上的主要荷载有管段自重、土壤压力、输送介质（油、气）自重和介质压力、活荷载（火车或汽车荷载）、温度变化荷载及地震荷载（地震设计烈度在七度以上的才考虑）等。
　　一般按受力最大的情况来校核强度，因此，校核套管强度时荷载组合为土壤压力（垂直荷载）加活荷载。
　　1.1　土壤垂直荷载
　　当采用顶管穿洞式铺设时，只使穿洞部分的土壤破坏，未破坏的上部自然土壤可形成消力拱，使管线只承受被破坏的土壤荷载。顶管施工时，径向土壤荷载（侧向土压力）可忽略不计，所以只考虑垂直土壤荷载。
　　表1 土壤坚固系数及角
　　土拱内形成的垂直土壤荷载为：
　　式中：——土壤垂直荷载，N/㎡（Pa）；
　　——土壤密度，㎏/m?；
　　——重力加速度，m/s2；
　　——套管外径，m；
　　——消力拱跨距包角之半（见表1）；
　　——土壤坚固系数（见表1）。
　　1.2　活荷载
　　1.2.1　汽车对套管的荷载计算：
　　
　　式中：
　　——汽车对套管产生的垂直荷载，N/㎡；
　　——汽车后轮轮压，N；
　　——动力系数（见表2）；
　　——汽车轮胎行进方向着地长度，一般取0.2m；
　　——汽车轮胎宽度，m（见表3）；
　　——管顶至路面埋深，m；
　　——压力在土壤中的传播角，一般取=30°。
　　1.2.2　火车荷载
　　按铁道部门的有关规定，火车在土体内产生的垂直荷载按下式计算：
　　式中：——火车垂直载荷，t/㎡；
　　Z——火车荷重级数，一般干线铁路为中-26级，Z=26；地方线为中-22级，Z=22。
　　表2 动力系数
　　2　工程计算实例
　　西气东输二线河南段第20标段郑石高速套管荷载校核计算。
　　西气东输二线管道工程干线第20施工标段EI001-EI002桩郑石高速公路顶管穿越，位于鲁山县辛集乡盆郭村北960m，穿越位置位于郑石高速125km+335m处，路宽约30m，穿越处为二级地区，设计压力为10.0MPa，管径为Φ1219mm，壁厚18.4mm。套管按照《顶进施工法用钢筋混凝土排水管》JC/T640-2010选取钢筋混凝土套管，型号为DRCP Ⅲ 1800×2000 JC/T640-2010。管线穿越场区内，地基土自上而下分布有第1层粉质粘土、第2层全风化泥质砂岩，穿越场地土层分布层位稳定、均匀。其中第2层全风化泥质砂岩分布普遍、均匀，厚度大，适宜作为管线顶管穿越土层，顶管在该层中穿越，管顶埋深为6.7m。
　　2.1　计算土壤垂直荷载
　　2.2　活荷载
　　汽车对套管的荷载：
　　汽车等级选为：由于高速车辆众多且经常有大型车辆，所以选择汽车超20级，汽车总重量取55t，=28t=274400N；=1；=0.2m；=0.6m；=6.7m；=30°。
　　通过公式（1）算得活荷载
　　N/㎡
　　2.3　荷载校核
　　套管总垂直荷载：
　　q=+=136.474kN/㎡
　　根据《顶进施工法用钢筋混凝土排水管》JC/T640-2010，型号为DRCPⅢ 1800×2000 JC/T640-2010钢筋混凝土套管裂缝荷载为162kN/㎡，破坏荷载为243kN/㎡。
　　套管总垂直荷载小于钢筋混凝土套管裂缝荷载。
　　套管总垂直荷载小于钢筋混凝土套管破坏荷载。
　　经过校核，西气东输二线河南段第20标段郑石高速所选用套管可以满足强度要求。
　　3　结语
　　随着石油以及天然气利用业务不断发展，管道必然需要穿越公路、铁路，在采用顶管方式穿越的情况下，为了保证安全，套管荷载校核是必要的，应根据校核的结果，正确选择套管规格。套管荷载校核应用将会越来越广泛。
　　参考文献
　　[1]　《油田油气集输设计技术手册》编写组．油田油气集输设计技术手册[S]．
　　[2]　中华人民共和国建材行业标准．顶进施工法用钢筋混凝土排水管（JC/T640-2010）[S]．
　　作者简介：刘钰（1984-），中油辽河工程有限公司助理工程师，研究方向：油气管道及天然气站场设计。
　　（责任编辑：秦逊玉）