中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院

解析法估測(cè)采空塌陷區(qū)埋地管道的變形及應(yīng)力

吳韶艷 文寶萍

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院

以西氣東輸工程中某大型采空區(qū)的埋地輸氣管道監(jiān)測(cè)的資料為工程實(shí)例，基于解析法，通過實(shí)際管道跨中下沉值反算管道的懸空距離，從而求出管道變形及軸向應(yīng)力值。解析公式得到的管道下沉值與實(shí)際下沉值在沉陷盆地中央部分比較吻合，越靠近沉陷盆地邊緣，誤差越大，誤差最大值達(dá)-58%；管道軸向應(yīng)力與實(shí)際軸向應(yīng)力相差較大，計(jì)算得到的管道軸向應(yīng)力的最大值要小于實(shí)測(cè)管道的軸向應(yīng)力最大值，誤差為-37.2%；而在管道其他位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，解析公式得到的值要大于管道實(shí)測(cè)值。原因在于應(yīng)用解析法時(shí)的一些基本假定與實(shí)際差異較大，以及公式中的主要參數(shù)在復(fù)雜的地質(zhì)情況下很難確定。

采空塌陷；埋地油氣管道；變形；應(yīng)力；解析法

煤層采空塌陷引發(fā)地表變形，導(dǎo)致埋地油氣管道變形和損壞，因此分析采空塌陷后埋地管道變形和應(yīng)力具有非常重要的工程意義[1-2]。將管道視作彈性支撐梁，采用解析法估算其變形和應(yīng)力是目前普遍采用的方法，也是相關(guān)規(guī)范推薦的方法。

1 管道變形及應(yīng)力監(jiān)測(cè)的工程實(shí)例

以西氣東輸工程中某大型采空區(qū)的埋地輸氣管道為例。該煤礦為水平煤層，經(jīng)過物探等勘察手段知管道下方采空區(qū)長(zhǎng)度為700 m，煤層開采為360 m，開采煤層厚度為6m，礦區(qū)地表為粉質(zhì)黏土。輸氣管道埋深為2m，材料為X70大變形鋼，管道外徑1 016mm，鋼管壁厚21.0mm，鋼材彈性模量2.06×105MPa，鋼材泊松比為0.3，管道最大內(nèi)工作壓力為10MPa，管道規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度為485MPa，管道內(nèi)輸送介質(zhì)為天然氣。

由監(jiān)測(cè)資料知，地下開采導(dǎo)致地表出現(xiàn)下沉盆地，管道附近土體出現(xiàn)裂縫，管道出現(xiàn)下沉跡象，管道補(bǔ)口帶折皺、翻邊。地表最大下沉值為2.481m，管道最大下沉值為1.885m，管道和土體發(fā)生分離，在半移動(dòng)盆地范圍內(nèi)管道懸空的距離已有240m。實(shí)測(cè)管道應(yīng)力最大值為446.4MPa，超過管道材料的拉伸允許強(qiáng)度，管道已經(jīng)發(fā)生破壞。

2 基于解析法的管道變形及應(yīng)力計(jì)算

通過實(shí)際管道跨中下沉值反算管道的懸空距離，從而求出管道變形及軸向應(yīng)力值[3]。分兩種情況討論：

土體無突發(fā)沉陷時(shí)，管道所受的荷載包括管道自身重量、管道內(nèi)介質(zhì)的重量、管道上覆土體的重量。

土體發(fā)生突發(fā)沉陷時(shí)，除上述荷載外，還需要考慮管道兩邊土體下滑時(shí)造成的土與土之間的剪切力。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，兩種情況下得到的管道下沉值和軸向應(yīng)力的規(guī)律是一致的。管道最大下沉值位于懸空段的中點(diǎn)位置，如圖1所示。管道軸向應(yīng)力最大值位于管道懸空段的中點(diǎn)位置，管道端部位置的軸向應(yīng)力也較大，故管道的端部和中點(diǎn)位置可能首先出現(xiàn)管材的破壞，如圖2所示。

圖1 解析法計(jì)算管道下沉曲線

圖2 解析法計(jì)算管道軸向應(yīng)力

3 計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

通過實(shí)際監(jiān)測(cè)資料可知，采空過程中土體并未發(fā)生突發(fā)沉陷。解析法計(jì)算得到的懸空段長(zhǎng)度為225m，要小于實(shí)際懸空長(zhǎng)度480m。從懸空段管道中點(diǎn)向一側(cè)100m范圍內(nèi)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合程度較好；越靠近下沉盆地邊緣，計(jì)算誤差越大，在沉陷盆地邊緣誤差達(dá)-58%。

計(jì)算得到的管道的軸向應(yīng)力最大值為280.3MPa，遠(yuǎn)小于實(shí)測(cè)管道的軸向應(yīng)力最大值（X2處）446.4MPa，誤差為-37.2%。在X1、X3位置計(jì)算得到的軸向應(yīng)力要大于實(shí)測(cè)值。其中，X1位置計(jì)算得到的軸向應(yīng)力值為280.3 MPa，而實(shí)測(cè)值為209.5 MPa，誤差為33.8%。X3位置計(jì)算得到的軸向應(yīng)力值為250.1MPa，實(shí)測(cè)值為206.2MPa，誤差為21.3%。解析結(jié)果判斷管道未發(fā)生破壞，與實(shí)際情況不符。

4 結(jié)論

結(jié)合工程實(shí)例，分析了基于彈性支撐梁模型的解析法估測(cè)采空塌陷區(qū)埋地油氣管道變形與應(yīng)力結(jié)果的可靠性，得出如下結(jié)論：

（1）解析公式得到的管道下沉值與實(shí)際下沉值在沉陷盆地中央部分比較吻合，越靠近沉陷盆地邊緣，誤差越大，誤差最大值達(dá)-58%。

（2）解析公式得到的管道軸向應(yīng)力與實(shí)際軸向應(yīng)力相差較大。計(jì)算得到的管道軸向應(yīng)力的最大值要小于實(shí)測(cè)管道的軸向應(yīng)力最大值，誤差為-37.2%；而在管道其他位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，解析公式得到的值要大于管道實(shí)測(cè)值。所以利用解析解計(jì)算管道軸向應(yīng)力是不安全的。

（3）解析法估算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差較大，原因在于應(yīng)用解析法時(shí)的一些基本假定與實(shí)際差異較大，以及公式中的主要參數(shù)在復(fù)雜的地質(zhì)情況下很難確定。

[1]王鴻，張彌，常懷民．采空區(qū)地表移動(dòng)盆地對(duì)埋地管道的影響分析[J]．石油工程建設(shè)，2008，34（2），23-26.

[2]王曉霖，帥健，張建強(qiáng)．開采沉陷區(qū)埋地管道力學(xué)反應(yīng)分析[J]．巖土力學(xué)，2011，32（11）：3 373-3 378.

[3]王小龍，姚安林，沈小偉，等．埋地油氣管道局部懸空的強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算[J]．油氣田地面工程，2008，27（1）：21-24.

（欄目主持 李艷秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.9.006