压力管道穿越公路安全评估方法的研究

熊师远，文昌盛

（广西交通科学研究院，广西 南宁 530007）

0 引言

随着高速公路网的形成，新建压力管道下穿既有公路的涉路施工激增。新建压力管道下穿施工必然会对既有公路的安全运营和周边环境的安全产生不利影响，严重的会造成公路破坏，引起较大的安全事故和经济损失。

根据《公路安全保护条例》，“跨越、穿越公路修建桥梁、渡槽或者架设、埋设管道、电缆等设施”，建设单位应当向公路管理机构提出申请，并提交下列材料：“（一）符合有关技术标准、规范要求的设计和施工方案；（二）保障公路附属设置质量和安全的技术评价报告；（三）处置施工险情和意外事故的应急预案。”故研究压力管道下穿既有公路的安全评估方法是十分必要的、合法的。

1 管道穿越的危险性分析

1.1 管道自身危险性

压力管道输送距离较长，输送压力较高，同时输送介质具有一定的危险性。在设计中存在管道强度计算不准确、管道穿越位置选址不合理、材料选择不合理等因素，压力管道自身可能引发事故。在运营管理中，可能因腐蚀、疲劳等因素，造成管道或连接部位泄漏而引起事故。

1.2 管道对公路的安全影响

压力管道穿越对公路及其附属设施的影响主要表现在：路面沉降、塌陷；泥浆污染；交通干扰等。

路面沉降、塌陷诱发因素有：出、入土点距离路基较近；路基地质条件较差；穿越预扩孔直径过大；未进行沉降观测等。从而导致路基塌陷或破坏，路面结构层龟裂甚至塌陷。

由于大口径管道的穿越泥浆使用量较大，泥浆池存储的泥浆意外泄漏之外，穿越公路过程中的冒浆、跑浆可能造成公路边沟、耕地、水域污染。

施工人员交通安全意识参差不齐，施工中随意横穿公路；机械设备、材料进退场占用行车道，交通管制措施不完善；因施工事故引起道路设施破坏等，均可导致交通干扰或交通事故。

1.3 公路对管道的安全影响

压力管道穿越公路施工过程中，公路不能中断交通，过往车辆荷载必然对路面沉降变形加剧，影响管道施工。

管道运营期，随着公路交通量的增加，汽车荷载作用在管道上的应力增加，可能导致管道破坏。

2 管道穿越公路安全评估标准

根据对压力管道穿越公路的危险性分析，主要针对穿越位置、管道埋深、路面沉降、套管壁厚、地基承载力进行评估标准分析。

2.1 穿越位置评估

压力管道与公路交叉时，一般采取垂直交叉，从公路路基下穿越，如需斜交，交角应≥60°，受限制时应≥45°，山岭地区特别困难路段应≥30°。

穿越位置宜避开潮湿地带、石方区、陡坡地段或需要深挖才能穿越的地方。其穿越点周围应有足够的空间，满足管道穿越施工和维护的要求，满足邻近建构筑物和设施安全距离的要求。

2.2 管道埋深评估

2.2.1 一般要求

根据《涉路工程安全评价规范》（DB34／T 790－2008），穿越公路的管道最小埋深应满足表1的要求。

表1 穿越管道最小覆土深度数值表

使用套管时，埋深从套管顶端开始计算。管道埋深及套管端部伸出路基坡脚的长度见图1。

图1 带套管的管道埋深示意图

2.2.2 路基工作区

管道穿越公路施工，由于不中断公路交通，路基工作区内的土基强度和稳定性是保证路面稳定极其重要的因素。同时为了避免管道受到汽车荷载的不良影响，需保障管道埋深至路基工作区以下。

路基工作区深度Za的近似计算式：

式中：K ——应力系数 K＝3／2π＝0.477 5；

n ——系数，取n＝5～10；

P ——作用在路基上的车轮荷载（kN）；

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

不同等级的公路对应作用不同的荷载，其路基工作区深度见表2。

表2 各等级公路路基工作区深度数值表

压力管道穿越干线公路，管道埋深应符合相关规范标准的要求，还应埋深在路基工作区深度以下，避免汽车荷载对管道的不利影响。

2.3 路面沉降评估

2.3.1 路面沉降计算

压力管道穿越施工引起的地面沉降计算方法主要有经验法和解析法。采取Peck提出的地面沉降横向分布估算公式：

式中：S（x）——地面沉降量（m）；

x ——离管道轴线的水平距离（m）；

Smax——管道轴线上方的最大地面沉降量（m）；

i ——地面沉降槽宽度系数（m）；

Vs——管道单位长度的土体损失量（m3／m），Vs＝πR2η；

η ——土体损失百分率；

R ——管道外半径（m）。i的经验公式为：

式中：H ——管道埋置深度（m）；

φ ——土的内摩擦角。

通过上述计算公式，可得地面最大沉降量Smax。

2.3.2 沉降评估标准

路面沉降主要体现在公路路面平整度的变化。

根据对路面养护标准的平整度的要求来确定平整度变坡指标如表3所示。

表3 各等级路面的平整度变坡指标表

对软土地基沉降控制标准见表4。

表4 软土路基容许工后沉降数值表

穿越施工造成的公路路面沉降量应≤20mm。

2.4 管道壁厚评估

2.4.1 钢管壁厚评估

钢管最小公称壁厚计算：

式中：σ——钢管计算壁厚（mm）；

P——设计压力（MPa）；

D——钢管外径（mm）；

σs——钢管的最低屈服强度（MPa）；

φ ——焊缝系数，取1.0；

F——强度设计系数。

2.4.2 套管壁厚评估

根据《油气输送管道穿越工程设计规范》，套管穿越时，套管最小壁厚应不小于表5的要求。当覆盖厚度不能满足要求时，宜加大套管壁厚、管沟回填土处理等措施。

表5 穿越公路套管最小壁厚数值表

2.5 地基承载力评估

当地基只受轴心荷载时，基底岩土承载力应满足：

式中：pk——相当于作用的标准组合时，地基处的平均压力值（kPa）；

fa——修正后的地基承载力特征值。

地基底面的压力，可按下列公式计算：

式中：Fk——传至地基顶面的车轮荷载（kN）；

Gk——管道自重和管道上的土重（kN）；

A ——地基受力面积（m2）。

3 工程实例

3.1 项目概况

宜州至柳州高速公路穿越工程位于柳州市柳江县进德镇西南宜（州）至柳（州）高速公路K213＋492m处，输油管道与高速公路夹角82°，穿越长度50m，套管穿越，套管顶距路面高度2.2m，套管为DRC 1 500×2 500ⅢAJC／T640钢筋混凝土结构，管壁厚度175mm。由两根D168.3×5mm的20＃无缝钢管和一根D114×4mm光缆保护热镀锌钢管组成，管线设计压力为4.0 MPa。

3.2 基本参数

公路设计荷载：公路－Ⅰ级；填土高度（含路面结构）：H＝2.2m，土容重（综合）γ＝18kN／m3，土的内摩擦角φ＝35°；套管节内径D内＝1 500mm，外径 D外＝1 850mm，套管节长度L＝2 500mm，套管壁厚度t＝175mm，采用混凝土C40，容重γ1＝25kN／m3；钢管设计压力P＝4.0 MPa，σs＝360 MPa，F＝0.6；修正后的地基土基本承载力容许值［fa］＝250 kPa。

3.3 安全评估

3.3.1 穿越位置

管道穿越公路其交叉角度为82°，穿越位置均满足要求。

3.3.2 管道埋深

本项目管道穿越公路套管顶距路面高度为2.2m，满足规范管道穿越公路最小埋深的要求，同时根据表2，车辆荷载与路基自重引起的应力比约为1／5，套管埋深处于路基工作区深度以下，可避免汽车荷载对管道的不利影响。

3.3.3 路面沉降

结合本工程的实际情况，土体损失百分率取0.5%。

参考相关规范和沉降评估标准，本工程穿越公路段沉降满足要求。

3.3.4 管道壁厚

钢管计算最小公称壁厚为：

其钢管壁厚为5mm，大于计算最小壁厚的要求。

其套管内径为1 500mm，壁厚为175mm。依据表5，满足内径为1 500mm时，最小壁厚19.8mm的要求。

3.3.5 地基承载力

单位面积内，管道自重和管道上的土重为：

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区之外，汽车荷载约为路基自重引起的应力比的1／5，即Fk≈0.2 Gk。

故单位面积内地基承载力为：

pk≤fa＝250 kPa；

基底岩土承载力满足地基承载力特征值的要求。

综上所述，本工程压力管道穿越公路，其穿越位置、管道埋深、路面沉降、管道壁厚、地基承载力等均满足评估标准的要求。

4 结语

通过对压力管道下穿公路安全评估方法的研究，得出如下结论：（1）明确了压力管道下穿公路安全评估的合法性；（2）对管道穿越的危险性分析，说明了研究其安全评估方法的必要性；（3）针对穿越位置、管道埋深、路面沉降、套管壁厚、地基承载力进行评估标准分析；（4）通过工程实例验证了压力管道下穿公路安全评估方法的可行性。

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