天然气管道河流穿越工程的设计
摘要：主要介绍了燃气管道河流穿越工程的几种方式并提出设计要点及注意事项
关键词：天然气管道；穿越河流；应力；施工
Abstract: This paper mainly introduced the gas pipeline river crossing engineering in several ways and puts forward the design key points and matters needing attention
Key words: gas pipeline; river crossing; stress; construction
前言
西宁市近年来在市区及各郊县敷设了大量的燃气管道人，在燃气管道建设中，穿越河流工程往往成为影响工程造价及工程进度的一个重要因素。下面介绍燃气管道穿越河流的几种方式及设计方案的确定。
1、燃气管道穿越河流的主要方式
燃气管道穿越河流的方式可分为三类：第一种为开挖方式，包括导流和截流开挖管沟，水下开挖管沟，爆破开沟等；第二种为气举沉管法；第三种为顶管及定向钻机穿越。其中除导流和截流开挖管沟外，其余方法一般都需要对管道进行牵引，设计时需考虑到由于施工方法不同，牵引力大小也不相同，施工时需要对管道进行应力校核。
1.1开挖方式：导流和节流开挖管沟是目前最常用，最原始的穿越河流的方法，适用于小型和中型河流和水流量小的情况。通过导流和围堰将施工面与河流上下游分隔开，施工简易方便，工程造价低，管道防腐、焊接、试压、下沟及检测等所用作业均在围堰内进行，施工质量宜于保证。缺点是适用面较窄，对流速较快，流量较大的河流，导流和围堰工程浩大，经济上不合理。此外，截流开挖管沟常有大量地下水涌出，在施工时如不及时做好降水工作，可能导致管道埋深不够甚至产生塌方，使穿越工程失败。
水下开挖管沟通常利用挖泥船开挖管沟，根据不同的河床情况及水流速度，选择不同类型的挖泥船。其优点是工程造价低，速度快，缺点在于施工精度差，沟槽埋深误差大，不易控制。爆破开沟适用于河床基地较硬，采用开挖方法难以实现的情况， 缺点在于施工精度差，沟槽埋深误差大，不易控制。
1.2气举沉管法：气举沉管法使用与土壤松软的河床，穿越深度受，使用设备多，在船上操作复杂，同时需要核算气举穿的承载能力及稳定性，否则容易发生事故，当其他方法穿越难度较大可是具体情况选用。
1.3顶管及定向钻机穿越：水下开挖管沟，爆破开沟及气举沉管法均需要对管道进行牵引就位，所需牵引设备，机械设备较多，同时需要开阔的施工场地。随着管材，防腐材料的不断改进以及新型钻机具的不断出现，上述方法逐渐被定向钻机穿越方法所取代。 该技术具有安全，快速 ，节省材料，不破坏河床和堤岸，不影响航运，有利于环保等优越性，目前已在大中型河流的穿越中得到广泛应用。但目前鉴于钻机具、管材及防腐材料的局限性尚不适用于岩石层、流沙层、砾石层和卵石层等土层的穿越，并且当穿越管线与地下管线、电缆距离较近时，地下管线、电缆产生磁场会干扰地下仪表单元的传感器，是测量误差增大，所以在选择穿越位置时必须考虑上述因素。
2、管道穿越河流方案的确定
燃气管道穿越河流是管道工程的难点，在设计前充分考虑到管道输气的各种要求，因此，必须掌握输送气体的物质资料及输送工艺参数，穿越工程一旦发生事故，管道泄漏对环境的影响往往比一般埋地管道事故严重得多，因此在燃气管道穿越河流设计过程中管道材料、防腐以及环境对管道穿越段的影响合理确定管道使用年限，适当地增加管道设计安全系数，严格的施工质量管理，都是确定燃气管道穿越河流工程设计方案不可缺少的前提和条件。
2.1基础资料：设计单位应当取得准确的水文资料、工程地质和地形测量，以保证穿越工程设计的科学性。这些因素将影响到施工安全、难度以及管道的安全运行。在水文资料中应当包括设计洪水流量、流速、水位与水面宽度、河道平面变迁、深泓线摆动与自然冲刷常水位与多年平均水位、枯水期流量与流速等指标等。工程测量应包括平面地形及断面图等 。
2.2管材的选择：有关规范对管材的许用应力及设计系做出了有关规定，其中管材的需用应力按下式计算：σ=F′φσs；式中：σ —输送油漆钢管的许用应力，Mpa；Φ —钢管的焊缝系数；σs—刚过规定的屈服强度，Mpa；F′—设计系数（见表1）。
国内外有关标准中，对穿越管道都相应增加管道壁厚或减小设计系数，以增大管道的安全系数。但是对于管道设计，往往存在大量的小型河流穿越，Ⅲ、Ⅳ级公路及铁路的穿越段设计系数与穿越段设计系数取相同数值。但对于大中型河流、冲沟进行局部的管道壁厚调整应当说是经济合理的。设计人应当根据不同的许用应力对管道在使用阶段及施工阶段的强度、刚度和稳定性进行设计盐酸。穿越的当量应力按下式计算：σe=∑σh-∑σa≤0.9σs
式中：σe——穿越管道钢管的当量应力，Mpa；∑σh—— 各荷载产生的总环向应力，Mpa；∑σa—各荷载产生的总轴向应力，Mpa
表1设计系数
穿越管段条件 输气管道地区等级
一 二 三 四
冲过穿越 0.6 0.5 0.5 0.4
小型冲沟、水域穿越 0.7 0.6 0.5 0.4
大、中型冲沟、水域 0.6 0.5 0.4 0.4
下面主要讨论常见穿越方式中载荷的确定。
管道在使用时的设计载荷一般相同，主要包括以下几种：管道自重、管道上方覆盖层的垂直土压力、管道侧向水平压力、地下水压力、内部荷载（内压力）、地面荷载、管道地层反力等。
①垂直土压力计算：垂直土压力计算较复杂，当管道覆盖土层较薄，土体松散无强度时，可以将覆盖层全部重量取为垂直土压力。但当覆土层较厚，土体密实（如定向钻）时，可考虑拱效应，垂直土压力减小。按土力学泰沙基理论中简化公式计算垂直土压力Fv 为
Fv = *
或者按普氏公式计算：
式中：R0—— 半径，—— 土层厚度； C——粘聚力及内摩擦力；h——覆土层厚度；q——附加载荷；D——管道外径。
②水平土压力计算：水平土压力一般按朗金土压力理论计算：
。式中：H——地标起算的深度。
③管道侧向土抗力计算：管道侧向图抗力主要与其产生的变形荷地层压缩系数K、地层变形量Y有关，抗力F k计算是为：FK=KY
其他荷载计算可参考有关管道计算书册。
管道在施工阶段的施工荷载随施工方法的不同差异较大。对于河底管沟开挖施工，基本没有附加荷载。但对河底以及定向钻机穿越，则管道要承受较大的牵引力、外壁摩擦力等。钢度及径向稳定性验算。
现分析定向钻穿越中管道的能够承受的抗拉力。管道抗拉力应大于摩擦力。摩擦力等于垂直作用于管道表面的总载荷与摩擦系数的乘积。
摩擦力可按马尔司东公式计算：；式中：Ff——管道与膨润土泥浆之间的摩擦力N；σs——管道最小屈服强度Mpa；—管道壁厚 mm；D——管道外径mm。
2.3合理的穿越位置：管道穿越位置应选在河道较直、水流平缓、岸坡稳定、双侧又较开阔施工场地处，应尽量避免弯道处容易发生旁蚀，造成凹岸冲刷，危及管道安全。埋设
的穿越段一旦经洪水或激流冲刷裸露，由于较大处产生断裂，故应避免在常水位范围内加设弯头或固定墩等设施。在以上条件无法满足处，应进行计算，采取相应的保护措施。
3、结语
天然气管道穿越河流时，应根据建设规模、重要性、管道的工程特性、河流的大小等来划分工程的等级，并结合水土保持部门的有关规定，在符合我国技术水平，考虑的施工难易程度等因素的情况下，合理选择穿越方案，将管道工程的安全性、实用性、经济性、耐久性及美观性尽可能地结合起来。
参考文献
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【2】席庆梅，顶管技术在煤气管道施工中的应用，煤气与热力1998（6）
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【4】严铭卿，燃气工程设计手册，中国建筑工业出版社
