天然气长输管道河道开挖敷设的浮力分析及采取的应对措施

杨伟胜

江苏环宇建设工程有限公司，中国·江苏 苏州 215699

天然气管道；大开挖河道；浮力；配重；预制安装

1 引言

在天然气长输管线施工中，经常性要大开挖穿越河道，特别在南方地区，大部分河道淤积着厚厚的淤泥，管道开挖敷设时，因敷设管道受到淤泥的浮力和其他外力的作用，使敷设完毕的管道重新上浮，达不到管道敷设的埋深要求，留下事故隐患。轻则在施工期间发现此情况，重新进行开挖敷设，增加施工成本；较严重情况下，在天然气投产时发现此隐患，并进行返工作业，综合成本很大；最严重情况下，天然气管受水流的冲刷而出现移位变形，直至断裂和爆炸，可能酿成无法估量的损失。

因此，对于天然气管道大开挖穿越河道时，施工单位应计算淤泥对管道产生的浮力，并综合分析管道自身的重量、河道水文、地形地貌等情况，采取适当的配重方式，按要求进行预制和安装配重。

2 管道上浮分析

天然气管道在穿越河道时，在施工过程中、施工完毕以及投产后均会出现管道上浮的现象，究其上浮的原因，是物体在液体中受到的上下压力差，只不过这个液体是有一定流塑性的淤泥。其本质还是遵循阿基米德浮力定律（指：浸在流体里的物体受到向上的浮力，其受力大小等于物体排开的流体所的受重力），计算公式是：

F：管道所受的浮力，单位牛；

ρ：所在液体的密度；

g：重力加速度；

V：管道排开流体的体积

天然气管道大开挖穿越河道时，管道敷设在淤泥中，受到淤泥的浮力，其大小计算如下。

2.1 测算淤泥密度

要计算管道敷设在淤泥中所受的浮力，必须知道淤泥的密度，在施工现场可采用一种简单且方便的方法来粗略计算淤泥密度：

①样本选择：因淤泥所含砂粒、腐殖物、含水率等不同，其密度差别也比较大。因此，要测定天然气管道敷设处的淤泥密度，一般来说，根据河道的实际情况，在两侧选取不同点（至少3 点以上），进行人工开挖取样坑，开挖的深度大约在1.2m 左右，取样时要及时。

②称重：用预先准备好的250mL 的矿泉水瓶，分别在取样坑中取土，装入矿泉水瓶中，直至装满，然后根据不同的取样点进行标识；用瓶盖密封后对取样物进行称重，并作好记录。

③测定：根据各瓶的取样物的实际重量（塑料空瓶本身的重量可以忽略），然后计算各瓶的中淤泥密度ρ1=G/V，G为重量Kg，V=250mL（即矿泉水瓶的体积）。后对各组的淤泥密度作算术平均，测算出河道中管道敷设段的淤泥平均密度。

2.2 被敷设管道的重量计算

计算管道本身的重量时，因管道内的介质为天然气，介质的重量一般不予考虑，只考虑钢管以及其外侧防腐层的重量，计算如下：

2.2.1 没有防腐时预制管道重量（G1）

G1：穿越段管道重量，单位为t；

L：穿越段管道长度，单位m；

φ：管道外径，单位为mm；

δ：管道壁厚，单位为mm；

2.2.2 预制管道3PE(加强级)防腐层重量（G2）

G2：穿越段管道3PE 的防腐层重量，单位为t；

L：穿越段管道长度，单位m；

φ：天然气管道外径，单位为mm；

μ：防腐管道的防腐层厚度，单位为mm；

ρ2：3PE 防腐层的密度，单位为t/m3，高密度聚乙烯的密度为0.94t/m3；

2.2.2 预制管道的总重量：

G3：穿越段管道名义总重量，单位为t（为计算方便）；

作者简介：林海纯，女，深圳市龙华区柏克莱幼儿园，幼儿园一级教师，深圳市南山区优秀班主任，本科学历，研究方向：快乐教学、幼儿园教育。

ξ：挠动的经验系数，即在天然气管道投产后，因天然气在管道内流速快，对管道弯头冲击，使管道产生一定幅度的振动，在淤泥地质下，而产的一种向上的提升力，在0.85 ～0.9之间。

2.3 计算管道的所受的浮力

F1 为所受的浮力，单位t；

ρ1 为淤泥的平均密度，单位t/m3。

（注：前述的F=ρgV 中的浮力F 单位为牛）

3 配重设置

在计算出大开挖穿越河道敷设段管道本身的重量和其所受的浮力后，两者之间所存在的差值就是需要增加的配重。但管道的配重并不是越大越好，如配重过大则管道所受的向下的应力过大，在此力的长期作用下，导致管道不断下沉，局部应力增加，可能会导致焊接处产生裂纹，发生严重危险，如配重不够，安装后管道就有可能上浮，导致敷设深度不够，易受其它外力的破坏。所以管道敷设后所受的向上和向下的力要基本平衡，要达到这种较为稳定的状态，则要根据河道具体的情况、施工难易等综合因素来考虑[1]。

3.1 混凝土配重块设置

采用混凝土配重块的方式来设置，这是最简单的一种配置方式，主要适用于所开挖的河道水流平缓，无冲刷或冲刷线较浅，水流对管道敷设层的淤泥不会产生影响，或者说，敷设后的管道只受上下的力，基本上不会受左右两侧的外力。

这种配重安装方式，必须将大开挖敷设段的管沟积水抽干，才能进行配重块的敷设。

混凝土配重块的样式有装配式和马球鞍式，一般设计院均有标准的图样，不同规格的配重块具有不同技术参数。目前，应用最多是马鞍式配重块，现以的管径为Φ457 的马鞍式配重块为例，说明其样式、技术参数和图如下：

在空气中每块的重量为1000Kg/块，而在水中每583Kg/块，每块的体约0.417m3。

图1 中石油西南管道设计院马鞍式配重块标准图

配重块设置数量计算：K=（F1-G3）/F2；（K 单位为只或个）；

配重块设置的间距：λ=m/L（λ 为配重块设置间距，单位m；L 为管道敷设长度，单位m）

3.2 平衡压袋设置

平衡压袋的使用环境与混凝土压重块相近，其受力和使用量的计算方式也与压重块相近，但与压重块相比的优缺点如下。

3.2.1 优点

①搬运方便：用混凝土配重块，需在预制场预制，再搬运到现场，搬运成本高。而平衡压袋主要在现场填装、安装的吊装。

②取材方便：填充料可就地挖取当地的沙砾为主料，取材较为方便。

③施工周期短：混凝土压重块预制需要长时间的制作过程、养护等多个工序，施工周期较长；而平衡压袋相对工序少，施工周期短。

④配重调整方便：每组浮力平衡压袋有许多小袋，调整小袋的数量从面调整配重。

3.2.2 缺点

①配重的设置不够精确：因浮力平衡压袋需要现场填装，所用填装材料密度、填装的饱满度对配重的重量均有较大影响，而平衡压袋的体积也较难精确计算，造成浮力平衡压袋的浮力计算误差较大；造成有时会出现即使满铺后，仍有出现管道上浮现象。

②敷设环境：平衡压袋采用聚丙烯纤维制作而成，不适合铺设在带尖锐物的泥泽里，易被刺穿造成漏料。

3.3 混凝土外包覆设置

这种管道配重的方式比较特别，不如混凝土配重块和浮力平衡压袋使用那么广泛，但当须大开挖穿越的河道无法断流、水流湍急、河道的冲刷线较深或管道敷设后易受其他外力损伤，在这种情况下，无法用安装混凝土压重块或浮力平衡压袋，只能采用混凝土包覆式配重方式敷设管道。

这种混凝土配重采用连续性，在管道防腐层外侧全部包覆混凝土，混凝土层既作为配重也同时管道进行保护。

这种配重计算、预制和安装比较复杂，为便于说明，举例计算如下：

某工程中天然气管道管道穿越一种河道，管道规格为φ660*15.7mm（外径φ660，管壁厚δ=15.7mm）；穿越段长为L=32m，3PE 的防腐厚度δ=3.5mm，3PE 的密度ρ2=0.94（按高密度聚乙烯），挠动系数ξ=0.88，防腐层外再包裹2层10mm 厚的橡胶皮，经现场测定管道敷设区域的淤泥平均密度为1.19t/m3。

3.3.1 管道（包括外层的3PE 防腐层）的自重

①管道钢材重量

②管道防腐层重量

③管道外包裹橡胶皮重量

④修正后的自重

3.3.2 混凝土配重的重量（φ 为管道外侧包覆混凝土后的直径，以包覆100mm 厚混凝土厚近似计算）

①混凝土包覆层配重的重量

φ4为包裹温凝土层后的直径，根据计算φ4=700m=0.7m；混凝土采用C30，其密度取ρ3=2.2t/m3；δ1=100mm

②包覆混凝土后管道重量总重量

3.3.3 管道所受的淤泥浮力

从计算结果来看：G5/F1=1.072，根据施工的实际情况，现场施工过程可作一些细微的调整（为混凝土浇筑方便，截掉上部50mm 左右，如下截面图），从而达到敷设管线自重和浮力相对的平衡。

当选择的混凝土厚度在计算后，达不到基本平衡的要求，则重新选一个计算厚度，再进行计算，直到达到管道加配重后的自身重量稍大于浮力的5 ～10%为宜。

根据以上的计算，说明选择100mm 厚的混凝土保护层是可行的，但为了从顶部浇筑土，须切除顶部的部分钢（截面图如图2所示），有以下两种情况可供考虑。

①如果考虑到配重的重量略少，可以混凝土脱模后，重新修补切除部分；

②如果考虑配重略大，则不必修补初切除部分，或稍增加切割部分的混凝土量；

图2 截面示图

4 对应的施工措施

4.1 混凝土配重新预制和安装

混凝土配重块的预制较为简单，根据设计的图纸制作模具，然后按图进行钢筋的制作和安装，接着进行混凝土浇筑，最后为拆模和养护，在这里不作详细的说明。

混凝土配重块安装也比较容易，将预制好的配重块用搬运到施工现场，在天然气管道上标出安装配重块的位置，并包裹一层橡胶皮，再利用挖掘机等机械安装配重块即可，在此不作细述。

4.2 平衡压袋安装

浮力平衡压袋安装技术目前也比较成熟，将粗砂用车辆运送到施工现场，然后进行填装，再用手动缝纫工具进行封口，最后将浮力平衡压袋根据预先计算好的位置安装即可，在这里不作细述。

4.3 混凝土外包覆预制和安装

此种配重安装的方式比较特殊，预制时工序比较繁琐，以上述某工程穿越河道为例，管道规格为φ660⋆15.7mm；穿越段长为L=32m，预制要点说明如下。

4.3.1 混凝土包覆结构

图3 管道保护截面图

4.3.2 管道混凝土保护层安装

①管道混凝土安装的程序

②混凝土模子制作

模子制作图如下所示：

混凝的模子采用φ920×8 螺旋管（Q235）制作，长度12m，分成2 节，每节6 米，以方便拆卸和搬运；

模子分上下两部分，共3 个部分，3 个部分之间采取螺栓连接；为了保证管道重心不偏离和混凝土浇筑，模子上端削去一个小弧，去了弧长609mm，高部分度50mm；

模子的内壁涂上油，以方便模子的拆卸；

模子的一端分成梯形，以利于与下道进行搭接，保证混凝土保护层的整体性；

在模子拼装的接缝中，利用塑料薄膜粘贴，以防漏浆。

③外层包覆橡胶板

为加强对管道内的防腐层的保护，再在3PE 防腐层的外侧包裹两层δ=10mm 橡胶皮。

④包覆纤维网

在为增加混凝土的附着力，在橡胶皮的外侧缠绕一层纤维网。

加好纤维网后，再加φ800 左右的竹笼，以增加混凝土强度和塑性，并保证混凝土配重层的整体性，示图如下：

图4 模子截面示图

⑤下层混凝土浇筑

管道组对焊接防腐完毕后，安装下层的混凝土模子，为保证脱横的方便，在钢模下用木锲子进行锁紧。

在模子中灌注入混凝土，为了保证振捣过程中不损伤管道外的橡胶和防腐层，宜将振动泵放在模子的一侧。

⑥上部模子安装

在下层混凝土浇筑完毕后，再安装上部的钢模，并用螺栓锁紧。

利用上层模子上层的开口，将混凝土逐渐灌入，进行分批进行振捣。

⑦拆模、移位和安装

上下层的混凝土浇筑完毕后，并过24 小时左右，轻敲模子，拧开连接的螺栓，拆卸模子，进行下一下位置的浇筑。

将混凝土梯形端与下一道搭接，使保护层成为一体。

⑧管道安装时要求

管沟开挖要求：采用水上开挖、水下成沟的办法，水下管沟的宽度应比陆上管道宽2～3 倍。

预制管道下沟：因管道外包裹首混凝土，两者的韧性不相同，混凝土配重层韧性差易碎，因此需用多台起重机械起吊、搬运包裹着混凝土配重的预制管道；为保证顺利下沟必须要还开挖发送沟。每个吊点的间距不宜超过12m。

管道就位：预制管道在滑移或吊运到管位上方时，利用管道自身的重量安放到位，并进行相关数据的测量。

管沟回填：在各项测量数据均符合设计和施工验收规范的要求后，利用预制好的砂袋快速在管道上方回填一层，然后用水上挖掘机械将管沟充分回填。

5 结语

在天然气长输管道施工过程中，选择大开挖穿越河道方案时，应充分对河道两侧的环境、水文、地质情况作深入的了解，综合考虑采用何种配重形式，测定淤泥的密度，计算管道所受的浮力，再进行配重的预制和安装，以保证天然气管道的敷设符合要求，保证天然气管道的安全。