中俄东线黑龙江盾构穿越工程管道牵引过程中管道状态分析

任文明，詹胜文，冉洽闻，任 军，霍锦宏

1.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊 065000

2.中国石油管道局工程有限公司东南亚项目经理部，河北廊坊 065000

20世纪90年代，为实现油气资源的多元化战略，中国与俄罗斯开展了包括中俄东线项目在内的油气源合作谈判。经过二十多年的艰苦努力，中俄东线天然气合作项目正式确立。中俄东线的气源来自俄罗斯，自黑龙江省黑河市入境，最终进入上海市。黑龙江盾构穿越工程为中俄东线进入中国的第一个盾构工程，是连接俄罗斯西伯利亚力量管道和中俄东线的控制性工程，该盾构穿越一部分在中国境内，一部分在俄罗斯境内，穿越工程由中俄两国共同投资，中俄双方均高度关注此工程。

1 管道穿越方案及施工难点

1.1 穿越方案的确定

由于本工程为跨境盾构工程，工程设计遵循了中俄双方标准，俄方业主全程参与本工程的FEED、施工图设计。中俄双方在穿越方式、隧道设计参数、管材、试压、管道防腐等方面经历了十几轮技术谈判才最终商定双方都认可的方案，即采用盾构方式穿越黑龙江，隧道内径2.44 m，始发井内径16 m，接收井内径12 m，隧道内安装D1 420 mm管道，管道设计压力10MPa，管道焊接采用自动焊。

隧道纵断面线形为：先从中方始发竖井出发，以4%坡度下坡前进167 m，再以曲率半径2 200 m的圆弧平滑过渡前进88 m，然后水平掘进704 m，再以曲率半径2200m的圆弧平滑过渡上坡前进88m，最后以4%坡度上坡前进78 m，到达俄方接收竖井，见图1。

图1 隧道纵断面

穿越山体的盾构隧道内管道安装一般采用架空或覆土形式，即先在隧道内进行布管、焊接、防腐补口，而后将管道就位于管道支座上，由此完成隧道内管道的安装[1-10]。而对于顶管隧道，其内径一般较小，不具备隧道内布管、焊接作业空间，管道通常采用滚轮支座，在隧道另一侧采用牵引的方法来完成管道安装[11-13]。由于本工程为小断面盾构隧道，隧道内径只有2.44 m，然而又需要在隧道内安装一根D1 420 mm大口径输气管道，管道外侧剩下不到0.5 m的空间，对于该工况采用常规的管道安装方法很难实现，因而采用顶管隧道的牵引方法来完成管道的安装。

在对采用牵引方法完成管道安装的方案进行进一步设计时，进行了两个方案比选：一是采用传统的顶管隧道曾用过的滚轮支座发送方案；二是采用本工程的方案，即先在始发井内完成管道自动焊接，而后通过在隧道底板上铺设轻型钢轨，借助管道发送小车（兼作运营期的管道支座）发送管道，同时在接收井侧进行管道牵引的方式实现管道的安装就位[14-15]。方案一考虑到管片错台、滚轮支座传到管片具有的较大集中力、长距离牵引易引起管道偏转等不利因素，最终推荐采用方案二进行施工。

1.2 施工难点分析

本工程隧道断面小，隧道纵向有下坡、曲线和上坡段，管道在通过隧道曲线段时，由于D1420mm管道自身刚度大，管道支座有可能悬空，由此导致传给相邻管道支座的力有可能陡然变大；如果悬空量太大，叠加施工误差，管道发送小车就有可能脱轨，造成管道一次牵引失败。本工程面临的最大问题就是：管道一旦拖入隧道后，如果发生问题，就需要人员进入维修，由于管道外侧剩下不到0.5 m的空间，工人和施工机具不具备进入条件，因而无法开展维修作业，其造成的工程后果就是对每根管道进行割管，重新焊接，以备进行第二次管道牵引，这就必然造成工程费用的无为增加，严重影响工期。因此，必须保证管道牵引过程的安全、稳定，以确保管道一次牵引成功。基于方案二存在上述工程问题，就需要设计、施工人员详细了解管道能否在隧道内拖动，管道与隧道的相对位置关系，牵引过程中管道的应力状况、位移状态，小车轮轨是否存在脱空情况等，以便指导管道安装施工的顺利进行。

2 计算参数

管道规格为D1 420 mm×33.4 mm，材质K65，管道跨距28 m。管道发送小车质量3 t，小车车轮与轨道的摩擦系数为0.05，管道在牵引状态时假定为多跨连续梁。隧道内径2.44 m，隧道铺底混凝土层厚度300 mm，隧道横断面见图2。轨道顶到小车上缘（小车中线处）的距离为288 mm，轨道中心线的距离为1 180 mm，小车采用3组轮对，共6个车轮，车轮纵向间距为350 mm，小车结构见图3。

图2 隧道横断面

图3 小车结构

3 计算模型

管道在隧道内拖动时，从4%的下坡段前进了167m，而后通过竖截面曲线段（曲率半径R=2200m）88 m，之后再进入水平直线段，以上三段是对管道受力状态进行分析的重点。选择管道从进入竖截面曲线起点位置，至拖出竖截面曲线终点位置后进入水平直线段28 m这一段来进行分析。而管道从水平直线段拖到出口竖截面曲线段，与管道进入进口竖截面曲线段时的受力模式基本一致，因而不再单独分析。理论分析模型如下。

管道采用梁单元模拟，管道发送小车采用只受压支座模拟。管道拖动计算时，管道在桩号范围K0+000～K0+077.8内为管道初始计算状态（见图4），管道在桩号范围K0+000～K0+197.8内为管道终点计算状态（见图5）。从K0+077.8拖动至K0+197.8的过程中，按照每进尺1 m作为一个计算状态，整个过程共分为60个计算状态（见图6）。

图4 管道在4%坡度时的初始计算模型

图5 管道终点计算模型（管道通过4%坡度后再经过竖截面曲线段后进入直线段28 m）

图6 管道全过程60个状态计算模型（管道通过4%坡度后再经过竖截面曲线段后进入直线段28 m）

4 管道在牵引通过竖截面曲线段时的状态分析

选择管道从进入竖截面曲线起点位置，至拖出竖截面曲线终点位置后进入水平直线段28 m这一段来进行重点分析，管道状态计算范围示意如图7所示。

图7 管道状态计算范围

在进行管道设计状态计算时，管道从直线4%坡度进入竖截面曲线段和水平直线段时，管道模型全部采用4%坡度斜直线模型，通过回归计算每一个计算点到设计线形的高程差，而后对管道进行强制位移顶升至设计状态位置，由此模拟管道牵引过程。

4.1 小车所受的反力状态

管道拖动通过竖截面曲线段时，单个小车所受的反力在竖截面曲线段是变化的，在刚由直线段进入竖截面曲线时，前端小车反力逐渐增大，第二个小车反力逐渐减小，第三个小车反力逐渐增大。前端小车进入竖截面曲线35 m时，达到最大，如图8所示。第一个小车最大反力为308.22kN，第三个小车最大反力为515.97 kN，第二个小车反力也基本达到最小值50.69 kN。再继续前拖，小车反力略有减小。在设计线形下，小车的最大反力值为515.97 kN，小于其设计承载能力800 kN，满足设计要求。

图8 小车反力为最大值时的工况示意

小车的最小反力出现在刚进入竖截面曲线段时，第二个小车反力逐渐减小，当前端小车进入竖曲线41 m时达到最小，为40.2 kN，如图9所示。拖动全过程中，小车最小反力大于0，因此在整个拖拉过程中，管道支座不存在脱空现象。

图9 小车反力为最小值时的工况示意

4.2 管道的应力、变形状态

（1）管道的应力状态。管道在拖动过程中最大拉应力为83.7 MPa，最大压应力为-83.7 MPa，管道应力小于K65管材的屈服强度（555 MPa）。因此，管道在竖截面曲线段拖拉过程中满足强度设计要求。

（2）管道的变形状态。在管道从竖截面曲线起点拖拉至竖截面曲线终点，再进入水平直线段28 m的过程中，管道最大向上变形位于4%坡度斜直线端侧的竖截面曲线的四分之一处，最大向上位移变形2.3 cm；最大向下位移变形位于从竖截面曲线进入水平直线段后，在水平直线上距离竖截面曲线终点约10 m处，最大向下变形2.0 cm。

根据隧道横断面图，管道顶与隧道内壁的距离为16 cm，则管道在拖拉进入竖截面曲线段过程中，管道顶部距离隧道内壁的最小净空h=16-2.3=13.7 cm。因此，管道在设计线形条件下，在正常拖拉过程中，管道不会和隧道拱顶碰撞，管道能够正常拖拉前进。管道向下最大变形为2.0 cm，小于轨道高度，因此在管道拖拉过程中，管道不会触地，可以顺利拖拉。

5 结束语

在小断面盾构隧道内（隧道内径2.44 m）首次安装大口径D1 420 mm输气管道是本项目面临的一大挑战，并且管道采用自动焊、机械化补口，这在以往管道工程建设中是没有遇到过的。通过方案比较，本项目提出了在始发井内管道自动焊接，通过在隧道底板铺设轻型钢轨，采用管道发送小车（兼作运营期的管道支座），在接收井侧牵引管道安装就位的新型管道安装方案。

通过对管道牵引过程的管道状态分析，明确了在管道牵引过程中管道支座不会悬空，管道应力在设计允许范围内，管道变形不会导致管道触顶、触地，管道可以顺利拖拉，为管道安装施工提供了科学依据和技术支持。事实证明此管道安装方案是可行的，本项目于2018年10月5日成功完成管道牵引，管道一次安装就位，为中俄东线天然气管道工程按期投产奠定了基础。