陡坡段管道抽条下滑时地锚的设计与应用

【摘 要】在中国石油庆阳石化分公司300×104t搬迁改造中，西一联～西二联输油管道建设工程的陡坡地段管道施工采取抽条下滑的施工方案；在坡顶平台进行管线的焊接任务，然后沿着陡坡处已开挖的管沟将管道牵引下滑，下滑一段后进行稳定，在坡顶平台继续焊接；一直连续作业下滑至陡坡底。在此过程中对于抽条下滑管段的间断性稳定是至关重要的。这种稳定一方面要阻止管段下滑，另一方面还要保证地锚的安全，便于坡顶平台的焊接工作。对下滑管道和埋入地下的钢管地锚进行拉力、土压力、剪切力等分析，探讨管道抽条下滑时选用什么规格的钢管作为地锚。

【关键词】输油管线；抽条；地锚；钢管；拉力；土压力；剪切应力

中国石油庆阳石化分公司300×104t搬迁改造项目西一联～西二联输油管道建设工程起点位于甘肃省庆城县驿马镇的西一联输油站，终点止于西峰区董志镇的西二联输油站。管线大致走向是由北向南，设计长度42.58km。陡坡段管道单坡最短175m，高差最小162m，坡度最小50°，共计8处。

陡坡段管道施工采取抽条下滑的施工方案，其地锚最主要的材料是钢管和钢丝绳。其中钢丝绳规格根据GB8918—2006《重要用途钢丝绳》选取；地锚用的钢管规格根据受力分析计算所得。

1、地锚施工工序

第一步，鉴于现场施工的实用性和适用性，我们用装载机在管道抽条的平台处开挖长2m，宽4m，深2m的基坑，在此基础上人工开挖安放钢管地锚和钢丝绳的槽。

第二步，钢丝绳绑套在钢管地锚上，并注意要套在钢管的中间，然后把钢管地锚和钢丝绳置入成型的基槽中。

第三步，回填基坑，先人工掩埋，把钢丝绳吊环留出地面，初步固定住钢管地锚和钢丝绳，然后用装载机回填并压实。

第四步，用配对的倒链一头勾住留出地面的钢丝绳吊环，另一头勾住绑管道的吊带，此地锚施工完毕。

2、钢管地锚受力分析

2.1图1是管道抽条地锚剖面图

2.2钢管地锚受力分析

输油管道采用聚氨酯泡沫塑料保温+聚乙烯外保护层，预制直埋保温管L360，323.9×6.4的单重为50.11kg/m，设定抽条下滑的管道长为100m。

2.2.1下滑的管道受到的拉力F管道

F管道=mg×cos30°-f摩擦

=mg×cos30°-μ×Fn

=mg×cos30°-0.1×mg×sin30°

=50.11×100×9.8×0.866-0.1×50.11×100×9.8×0.5

=40072N

式中F管道——管道受到的拉力（N）

mg——重力（N），m是物体的质量，g一般取9.8N/kg

f摩擦——f摩擦=μ×Fn ，Fn为垂直于摩擦面的压力，μ为滑动摩擦系数（聚乙烯外护管摩擦系数为0.1）（N）

2.2.2地面上的钢丝绳受到的拉力F绳

F绳=F拉

=F管道/cos30°(夹角0°～30°，取最大值30°)

=40.072kN/0.866

=46273N

式中F绳、F拉——钢丝绳作用力与反作用力（N）

cos30°——夹角(0°，30°)，取30°时F绳为最小值。

2.2.3钢管地锚受到的拉力F钢锚

F钢锚=F拉×cos30°

=46.273×0.866

=40072N

式中F钢锚——钢管地锚受到的拉力（N）

2.2.4钢管地锚受力分析，钢管极限半径r计算

F土压力=L·Fsv，k（因为装载机开挖基槽宽4m,所以钢管地锚长取3m）

=3m×CdγsHsBc

=3m×1.2×18kN/m3×2m×2r

=259.2rkN

式中Fsv，k——每延长米管道上管顶的竖向压力标准值（kN/m），根据《输油工程管道结构设计规范》（GB50332-2002）Fsv，k=CdγsHsBc

L——因为装载机开挖基槽宽4m,所以钢管地锚长取3m

Cd——开槽施工土压力系数，与开槽宽有关，一般可取1.2计算

γs——回填土的重力密度（kN/m3），取18kN/m3?

Hs——管顶至设计地面的幅图高度（m），取2m

Bc——管道的外缘宽度（m），当为圆管时应以管直径替代（2r）

r——管道的半径（m）

F1= F钢锚×sin60°

=40.072kN×0.866

=34.702kN

式中F1——钢管地锚垂直方向受到的支持力（N）

mg忽略不计。

2.3钢管地锚被破坏情况

钢管地锚被破坏的情况有两种，一种是钢管地锚被拉出地坪，即F1＞F土压力(这里对钢管地锚和钢丝绳受到的摩擦力忽略不计)；一种情况是钢管地锚被钢丝绳拉断，即剪切力＞许用剪切力（假设剪切力在剪切面均匀分布）

钢管地锚要不被破坏，即F1＜F土压力、＜时钢管地锚半径r的极限值：

证明一：

F1＜F土压力

34.702＜259.2r

r1＞0.134m

式中r1——钢管地锚半径（m）

证明二：

图6为钢丝绳的拉力=F钢锚，在钢丝绳破坏钢管时，会产生两个剪切面，即m-m，n-n；

此时在每个剪切面上的剪力破坏值Q=，根据工作应力不应超过许用应力这一强度条件，剪切实用强度计算公式为：

r2≥0.128m

式中——剪切力（MPa）

——许用剪切力（MPa）,20#钢的含碳为0.17～0.24，这里取0.2,查常用金属材料剪切强度极限表，=392MPa

Q——剪力破坏值(N),Q=,P为钢丝绳的拉力=F钢锚（N）

A——钢管地锚直径平面面积（m2）

r2——钢管地锚半径（m）

根据计算结果r1＞0.134m、r2≥0.128m，取最大值r＞0.134m。

3、结束语

通过以上计算，2×r=268mm,5t重的聚氨酯泡沫塑料保温+聚乙烯外保护层的管道在陡坡角度为60°的坡段所用的钢管地锚可以选用钢管直径不小于268mm的20#钢管。通过本案例，可以得出：陡坡角度为（0°，60°），聚氨酯泡沫塑料保温+聚乙烯外保护层的管道，或者外护管摩擦系数为0.1的条件下，直径?为1mm的20#钢管可以承重18.657kg,以此类推，?114mm的20#钢管可以承重2127kg,直径为?的钢管地锚可以承重?×18.657kg的管道。在以后的施工过程中，可以以此数据为参考依据，安全施工。

参考文献

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[2]尚岳全,王清,蒋军.地质工程学[M].北京:清华大学出版社,2006：

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