地下燃气管道的安全埋深研究进展

（1. 上海大学土木工程系，上海，200072）

摘要：随着人们物质生活水平和环境保护意识的不断提高，燃气作为一种国家能源政策推广和普及的新型绿色能源，正以其优质、高效、环保、方便的优点走进城市千家万户，其输送工具——地下燃气管道的安全问题也由此引起了人们的广泛关注。本文通过对1969年Newmark进行地下管道的震动研究开始至今管道安全埋深研究方面的文献进行总结和归纳，得出前人研究管道安全埋深问题的思路和方法，最后针对管道安全埋深研究中存在的问题进行了分析，对其未来的发展进行了展望，以期以为后续管道安全埋深研究提供科学、新颖、合理的意见和建议。

关键词：管道埋深； 管土相互作用； 移动荷载；有限元分析；软件开发

Research Process of the Safety Depth of the Underground Gas Pipeline

Gao Jinling1，TAO Jiali1，ZHONG wang1

(1. Department of Civil Engineering, Shanghai University, Shanghai. 200072, China)

Abstract：With the development of standard living, people pay more and more attention to the environmental protection. As a new kind of green power popularized by the national energy policy, gas has already walked into thousands of homes with its characteristics of high quality, efficiency, environmental protection and convenience. As its means of transport, underground gas pipeline has also attracted widespread attention. In this article, the author summarized the researches relevant to the safe buried depth of underground gas pipeline, made by predecessors since 1969 when Newmark began to explore the field of vibration of the underground pipes until now times. Then the author concluded the ideas and methods of pipeline safe buried depth in the previous research and proposed the existing problems. Future prospects of the research on the safe buried depth of underground gas pipeline were discussed at the end of the article in order to offer scientific, novel and reasonable opinions to the development of the research.

Keywords：safety depth of the underground gas pipeline; elastic-plastic deformation; pipe-soil interaction; moving load; finite-element analysis

中图分类号：TK229文献标识码： A

一、 引言

随着城市化进程的不断推进，人们物质生活、精神生活水平的不断提高，燃气、自来水、电力、通信等各种需求也在日益增加，这就需要各种输配管线作为输送工具，将各种生活必需品运送至挨家挨户，复杂交错的城市输配管网由此形成，其安全性问题也逐渐为人们所关注。

2009年12月5日下午，上海市虹口区西安路地下煤气漏入民宅造成2死23伤。据现场调查，被拆下的管道锈迹斑斑，除了爆裂处的裂痕外，还有一条清晰可见的10厘米长的裂痕。根据该裂缝，有关人员指出，由于断截面切口很大，而只有遭受巨大压力才会出现这样的状况，因此也有可能是重型车辆经常碾压导致窨井盖下沉，而窨井盖底部凸起的金属将老化的煤气管道压破。

随着信息时代的发展，燃气管道安全埋设问题正如西安路此处埋设管道浅而周围建筑使用年龄已久的类似情况再次引起社会广泛关注，虽然当前对管道在设计、施工和运营阶段的规范越来越严格，建设时也采用性能越来越好的设备和管材，严格防腐，但影响管道安全性的因素很多，任何一种因素都可能导致管道的受力破坏，因此选择一个合适的埋置深度，保证管道在一个相对稳定的温度、湿度环境下工作，充分发挥材料的力学性能，研究在上部极端荷载作用下，管道与周围土体的相互作用，确保其可以安全稳定地完成把燃气、自来水的运输，避免无关的人员伤亡和财产损失，显得尤为重要。同时，事先确定一个合理的埋置深度，在道路修建碾压路面之前完成管道的埋置工作，可以避免由于需要埋置管道而造成路面的再次开挖，确保路面的压实度，延长道路的使用寿命，缩短施工工期，减少不必要的工程纠纷。此外，在满足路面、管道、地基等受力安全的情况下，尽量减少管道的埋深，既可以减少施工时不必要的人力物力消耗，又可以方便运营后管道的定期检修和维护。随着科技的发展，人民生活水平的提高，可持续发展的理念逐渐深入人心，人们不仅仅再关注眼前的利益，开始向更加长远的方向考虑，选择一个合理的管道埋设深度，考虑管道在施工期、完建期、正常使用期、检修期等的使用情况，对资源的可持续利用有着非常重要的作用。所以，管道安全埋深的最优化研究具有重大的社会和经济意义。

本文拟通过对1969年至今管道埋深研究方面的文献进行总结和归纳，得出前人对管道埋深问题研究的思路，包括问题的简化、模型的建立、公式的推导和修正、数据分析的准则等，以期可以为后续管道埋深安全研究提供科学、新颖、合理的方法。

二、 国内外研究现状

早在二十世纪七十年代，从Newmark[[1]Newmark N M ; Hall, W. J. Pipeline design to resist large fault displacement. Earthquake Eng Res Inst, p

416-425, 1975][1]首先对地下管道进行了震动研究开始，管道安全的研究一直在发展中，理论和模型也日趋完善和精确。

当上部荷载作用在地基土上，管道会产生一定的变形，此时，管道周围土体对管道产生力的作用，同时管道发生变形。反过来，变形的管道又影响周围土体的变形和应力分布，管土的相互作用对管道的破坏特性有着重要的影响。因此，研究管道与周围土体的相互作用，在管道安全埋深的问题中是必须的。

土是天然介质材料，由土颗粒、空气、水三相体组成，由于土体内部受力的复杂性，许多关于土体受力分析的计算理论和公式是在做出某些假设和忽略某些因素的前提下建立的，实际中很难模拟、概括地基土各种力学状态全貌。这为研究管道与周围土体的相互作用提供了一个难题。Wang, L[[2]Kennedy, R.P ; Kincaid, R.H. Fault crossing design for buried gas and oil pipelines. American Society of

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埋置在城市道路地基下的管道，受到其上表面车辆荷载的作用。据研究显示，车辆荷载在管道直径1.5倍的范围内对管道竖向荷载没有影响，因此经典的理论可以用以解决管顶压力问题，但是对于管道埋深在0.5倍的管径时，管土相互作用将需要被用来分析管顶压力问题[[12]Noor Munaz A，Dhar Ashutosh S. Three-Dimensional Response of Buried Pipe Under Vehicle Loads[J]. New Pipeline Technologies, Security, and Safety, v 1, p 658-665, 2003.][12]。随着中国社会经济的发展，人民物质生活水平的提高，车辆正逐步成为人们日常生活中不可或缺的交通工具。管道埋设在地基土中，除了承受上部土体和各项基础设施的静荷载外，还要受到路面上行人、车辆等移动荷载的作用，研究计算在地表面汽车移动荷载作用及其他极端荷载组合下管道和周围土体的应力场和应变场，分析结构的力学行为，是当前值得关注但又极少被人们所重视和研究的问题。

确定性的车辆交通荷载模型有很多，如均布恒载模型、波动荷载模型、冲击荷载模型等。按照荷载性质不同，确定性的车辆荷载模型可分为静载模型和动载模型，动载模型根据荷载作用位置是否随事件发生变化又可分为移动荷载和固定位置的动力荷载模型[[13]王直民. 交通荷载作用下埋地管道的力学性状研究[D]. 杭州：浙江大学，2006.][13]。移动静荷载模型在分析管道的纵向力学性状时采用较多，目前对于车辆荷载作用下埋地管道的动力响应问题，几乎全部是将移动车辆荷载简化为沿直线移动的恒定点源荷载来分析半无限均质弹性地基上梁的振动问题来考虑[[14]邓学均，孙璐. 车辆-地面结构系统动力性[M]. 北京：人民交通出版社，2000.][14]。虽然随机动荷载模型能够较为真实的反映实际路面的荷载状况，但是当试图以车辆随机动荷载作为外部激励来求解路面结构或埋地管道的随机振动响应时，由于模型的复杂性往往会给理论分析或数值计算带来很大困难[[15]邓道明，吴斌，李育光. 穿越公路埋地管道的荷载计算[J]. 油气运输，1998,17（1）：26-31.

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管道埋设在不同的土体中，也会对管土的相互作用产生重要的影响。目前的大多数研究[[23]任艳荣，刘玉标. 砂质海底管土相互作用数值模拟[J]. 中国海洋平台，2006，21（3）：18-22.

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有限元法是求解工程科学中数学物理问题的一种通用数值方法，在现代科学技术的迅速发展下，各种有限元分析软件随之诞生并不断改进，为各种力学问题的模拟提供了客观的数据分析依据和直观的图形图像依据。

在应用有限元软件对管道安全埋深问题进行分析时，首先需要对其进行简化，近似确定求解域的物理性质和几何区域，得出合理的研究模型。

研究模型的建立对问题的解决起着决定性的作用。现有的许多研究[[35]方诗圣，李宏卓，李贺才. 城市道路地下管道对沥青路面结构影响的力学分析[J]. 合肥工业大学学报

（自然科学版），2011，34（4）：561-564.][29-34]都是在非线性弹性理论和有限元理论的基础下，建立管道土体耦合模型，利用大型有限元分析软件Ansys、Abaqus等对管道和周围土体的应力场和应变场进行数值模拟，最后与实验得出的结果进行对比分析，从而验证了有限元软件分析的合理性和可靠性。

目前，在研究管道安全埋深问题时，国内外主要采用的是多层路面土体应力计算模型，根据土体弹性基本理论，将土体视为匀质的半无限体。方诗圣等[[36]Goodman R F, TaylorR L, BrekkeTL.Amodel for theMechanics of jointed rock[J]. Journal of the Soil

Mechanics and Foundations Division,ASCE, 1968, 94(SM3): 637-660.][35]在对含有地下管道的沥青混凝土路面进行力学分析时，就采用了多层弹性连续体系理论，分别将路面上面层、中面层、下面层、基层、底基层和路基设为不同的材料，结合所选路段情况、埋管结构等特点，将其简化为平面应变问题，利用平面应变弹塑性有限元分析方法，建立了路基的二维有限元模型进行数值计算。

管土相互作用属于土与结构的耦合作用问题，同时也属于接触问题。在利用有限元方法建立管土相互作用的模型时，由于结构与土体的刚度相差较大，必须要对管土的接触面进行设置。目前，接触问题大多是采用接触面单元模拟分析。

考虑接触面的单元模拟分析时，Goodman[[37]Clough GW, Duncan JM. Finite elementanalysis of retaining wall behavior[J]. JournalofSoilMechanics and

FoundationEngineeringDivision,ASCE, 1971, 97(12): 1657-1673.][36]采用弹簧刚度概念提出了用于模拟节理岩体的无厚度接触面单元，即在土与结构的接触界面中设置无数法向弹簧和切向弹簧,若法向弹簧受拉时则表明界面两侧单元分离；若切向应力超过界面的抗剪强度，则界面两侧单元将发生相对滑移变形，但其法向劲度取值有很大随意性，取值依据不明确。Clough和Duncan[[38]Desai C S. Behavior of interfaces between structural and geologic media[J]. SoilDyn Q,

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采用接触面单元需要预先确定哪些点的位移相等，但这有一定的缺陷，不能精确模拟接触面在变形过程中的实际情况。因此，在管土相互作用中，地下管道的变形模量远高于地基土体本身的。当有载荷作用时，管道与土体交界面上可能出现复杂的应力状态。郭喜亮等[[41]Abolmaali Ali，Kararam Anupong. Nonlinear Finite-Element-Based Investigation of the Effect of Bedding

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August 2010.][40]采用“接触对”程序、拉格朗日算法，利用ANSYS程序提供的缺省接触刚度值进行试算，最终得出恰当的接触刚度，完成接触面设置，进而分析确定了不同埋设深度下的土体的极限土抗力。Abolmaali Ali等[[42]葛志祥，何庆萍. 地下燃气管道计算应力的分析[J]. 城市燃气，2004,18（4）：32-33.][41]通过对几种不同的元素类型和网格大小进行了试验，以获得最佳的聚合网。这些元素包括eight-noded线性砖(C3D8R)和six-noded线性三棱柱(C3D6)建模的混凝土管和周围的土壤，为了探讨基床厚度对于管壁的影响，考虑管道埋深的增加，将接触元素作为每两个区域之间的接口，成功对接触面进行了设计模拟。

在电子信息技术高速发展的今天，越来越多的可视化操作软件的诞生为工程师们提供了方便的工作环境，提高了工程师们的工作效率和工作成果。葛志祥等[[43]杜明俊，王伟，张振庭，熊新强，张卫兵. 基于CAESARII的埋地热油管道应力计算[J]. 油气储

运,2012,31（8）：597-600.][42]在《地下燃气管道计算应力分析》一文中通过自编程序成功分析了地下燃气管道的计算应力与管道的管径、壁厚、埋深及燃气压力之间的关系，为管道安全埋深的研究提供了便利。但国内外现有的研究仅仅停留在一些简单程序的编译和利用各种有限元软件分析管道和周围土体应力场和应变场的水平上[[44]邓学晶, 薛世峰, 仝兴华. 崩滑岩体对埋地管线横向冲击作用的数值模拟[J]. 中国石油大学学报(自然

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三、 总结

基于上述研究现状，可以发现弹性理论体系在管土相互作用的研究中有着非常广泛的应用。事实上，土并不是一种理想的弹性体，而是一种具有弹塑性及黏弹性的复杂介质，根据土样的无侧限压缩或三轴压缩实验资料，土的应力—应变关系曲线不是一条直线，土的变形具有明显的非线性特征。而弹塑性力学分析作为一种新型的更加贴近实际情况的理论体系，在管道埋深中的应用还有待提升和加强。

软土地基是上海特殊的地质条件，但其在埋设管道的问题研究中一直未得到关注。软土是淤泥和淤泥质土的总称。它是由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土，指的是滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。它具有天然含水量高、天 然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、 灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。基于上述特点，研究软土地基与管道的相互作用，计算出合理的管道埋深深度，是目前上海市一个值得研究的问题。

外部荷载在埋地管土相互作用的研究中也起到了关键性的作用，通过大量文献的观察可以发现，当前管道的安全埋深问题很少考虑到道路上部移动荷载的作用，仅有的对汽车移动荷载作用下管道安全埋深的研究也只是将其简化为沿直线移动的恒定点源荷载来分析在其作用下管道与周围土体的应力场和应变场，此外，如何在有限元分析软件中建立合理的道路上部汽车移动荷载模型也是研究的重难点之一。随着现代社会汽车需求量的迅速增加，考虑移动荷载作用下管道的安全埋深问题已经成为一项势必进行的研究。

随着信息技术的发展，有限元软件也被应用到管道埋深的研究中，与实际情况越来越相符的二维、三维模型被建立出来用以研究管道的应力应变关系。但依然存在着很多值得探讨的问题，比如如何建立一种与实际情况更加相符的管土相互作用模型，如何通过有限元软件更加合理有效地对结构和土体之间的接触面单元进行布置和数值模拟等等。

为了提高工作的效率和计算的精度，各种软件由此诞生并逐步得到应用，软件的发展更加趋于专业化、系统化，管道埋深设计作为管道设计中极为重要的一步，急需一种可视化的操作软件对管道的安全埋深进行精确合理的计算，从而保障管道工程结构的安全性，减少后期维修的经济投入和降低危险事故的发生概率，保障人们正常的生产生活秩序和生命财产的安全。

综上所述，在管道的安全问题中，存在许多值得进一步研究和探索的问题，如管土相互作用的耦合的接触问题，考虑移动荷载及极端荷载组合作用下的结构弹塑性力学行为，管道在施工期、完建期、正常使用期、检修期等各种工况下的管道力学行为，保证管道在其全寿命范围内都可以安全稳定地工作，综合考虑管道全寿命的经济效益，管道安全埋深软件的开发利用，是当前迫切需要解决的问题。