吕明飞
（上海金山石油化工建筑有限公司，上海，201512）
【摘要】根据某国内输油管道工程地震断裂带穿越施工需要，阐述了管道抗震验算要求与参数选取过程。验算结果表明：通过优化管沟开挖尺寸、控制回填材料密度、增强管道断面形式等施工措施，可有效提高长输管道地震断裂带抗震性能。该验算方法和技术方案的优化得到了业主和行业专家的认可，并得到实际应用。
【关键词】长输管道；地震断裂带；抗震设计
1．长输管道工程概况
长输油气管道施工经常需要穿越地震动活跃地区，当地震发生时会在断裂带位置产生显著的横向错动位移，危害管道结构安全，因而对管道结构抗震设计和管沟施工方法提出了更高的技术要求[1]。
国内某输油管道工程采用X52规格钢管，管径406.4mm，壁厚10mm，管材采用L360等级，管道设计压力6.3MPa。管顶埋置深度为1.5m。根据地勘部门提供的近场区地震构造环境报告，该线路工程沿线近场区范围内存在8条断裂带。其中，安丘断裂为全新世活动断裂，断裂带全长360km，总体走向N10°-20°E，断层破碎带宽度40m以内，位错方式为正断右旋走滑，对管道穿越角度控制和施工技术要求较高。
该管道工程与安丘断裂带交角约为70°左右，根据邓起东等（1992）给出的地震位错与断裂长度统计关系式Log(D)=0.6Log(L)-0.59，得到本断层位错值为2.60m，换算得到垂直位错值为0.55m，其地震危险性和错位量较大，需要根据管道受力变形水平优化施工方案。
2．管道抗震验算与方案比选
《油气输送管道线路工程抗震技术规范》（GB50470-2008）第六章中对管道穿越断裂带抗震验算给出了具体规定[2]：对于一般埋地管道，位于设计地震动峰值加速度大于或等于0.20g地区的管道，应进行抗拉伸和压缩校核。对于穿越活动断层的埋地管道，当符合下列三种情况时，可按照规范6.2.3条进行抗震计算：
1）位于设计地震动峰值加速度大于或等于0.30g地区的管道；2）通过人口稠密地区、水源保护地区的管道；3）在断层错动作用下管道受压缩的情况，包括管道通过逆冲断层和管道与断层交角大于90°两种情况。
结合工程背景及断裂带参数，符合以上第3条特征，主要抗震校核指标为地震作用下管道截面轴向的组合应变，地震动引起的管道最大轴向应变以及在实际操作条件下荷载引起的轴向应变。
根据规范要求，考察X52钢材的材料非线性特征，材料弹性变形阶段弹性模量等于2.1×105MPa，屈服应变等于0.0019，屈服点应力等于407MPa；弹塑性阶段弹性模量等于711MPa，最大应力等于455MPa，容许轴向拉伸应变等于0.069。根据专家建议，管道通过活动断层的容许轴向压缩应变等于0.00738。
地勘报告显示，施工现场场地为粉质粘土，密度1870kg/m3，内摩擦角31.3°，粘聚力为2kPa。为了改善断裂带活动区域管道抗震性能，管沟采用松散的中砂土回填，回填密度等于1800kg/m3，管道设计埋深1.5m。初拟管沟施工方案如下图：
图1管沟施工方案
需要说明的是，由于现场土经过长期排水固结稳定状态，为了与若干年后发生可能的地震动时土体应力状况吻合，采用基于三轴固结排水条件下剪切试验的结果。与之相比，快剪试验的结果是在土壤未经过长期应力平衡之后得到的值，不宜作为计算参数。
基于上述土工参数分别计算三个方向上土弹簧刚度系数，以考察管沟内回填土对管道的三维约束作用[3]（如图2）。其中，轴向土弹簧模拟沿土对管道的轴向摩擦阻力，其刚度由管沟内的回填参数土决定。水平横向弹簧和垂直方向弹簧描述的是管道在管轴横向受到的周围土压，分别对应水平和竖直方向，其刚度由断层附近的场地土参数决定。
图3断层穿越管道计算简图
验算结果表明：管道最大轴向拉应变为2.28%，处于规范规定的埋地管道抗断轴向容许拉伸应变范围之内，最大值位于右半段管道距断层约1.6米处；最大轴向压应变为0.158%，处于规范规定的埋地管道抗断轴向容许压缩应变范围之内，最大值出现在左半段管道距断层约2.9米处，管道绝大部分处于受拉变形状态。
考虑到地震活动的不确定性和不可预见性，结合国内外管道断层穿越施工经验[4-5]，提出以下施工建议和改进措施：
1）加大断裂带过渡段管沟两侧开挖宽度至35m以上，严格控制管道轴向250m范围内回填土介质和回填密度，避免夯实和表面硬壳层形成，减缓管沟土体对管道的约束作用，增加管道对断裂带横向错动变形的适应能力；
2）建议增大断裂带施工区间内局部管道壁厚，采用直缝埋弧焊钢管，对焊口进行全面的超声波检查以及放射性探伤，提高管道材料自身的抗弯拉变形性能；
3）结合现场勘查断层破碎带宽度，发挥其内部松散沉积物对断错变形的吸收作用；沿断裂带上下游设置必要线路安全截断阀室，减缓地震断裂灾害损失和次生灾害威胁。
总结
依据长距离油气输送管道抗震要求，对国内某输油管道工程抗震变形及施工方案进行优化分析。根据管沟回填土参数确定管道约束条件，考察管材的弹塑性变形能力。验算结果表明，通过增加断裂带穿越区管沟开挖宽度，控制回填材料密度，增大管材截面尺寸等施工措施，可有有效提高管道抗震性能。该验算方法和技术方案的优化得到了业主和行业专家的认可，并得到实际应用
参考文献：
[1]中国石油天然气集团公司.GB50253-2003输油管道工程设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.
[2]中国石油天然气集团公司.GB50470-2008油气输送管道线路工程抗震技术规范[S].北京:中国计划出版社,2008.
[3]刘爱文,胡聿贤等,地震断层作用下埋地管线壳有限元分析的等效边界方法[J]．地震学报,2004,11,增刊.
[4]陈伟.长输管道穿越地震断层抗震措施[J].施工管理，2016,3,219.
[5]郝玉军,陈晓霞.地震断裂带管道敷设施工技术[J].石油工程建设,2008,8,42-44.