摘　要：對在建上海中心工程項目周邊的天然氣埋地管道進行了沉降監測，發現在監測期間，最大的正變形量為10mm，最大的負變形量-8mm；對監測結果進行了數值擬合和誤差分析。

關鍵詞：埋地管道　沉降監測　數值擬合　誤差分析

Experiment on Settlement Monitoring of Buried Natural Gas Pipeline near Construction Progress

Abstract：The buried natural gas pipelines near the Shanghai tower which was under construction were monitored and it found that the max positive distortion was 10mm；the max negative distortion was -8mm．The numerical fitting and error analysis were conducting for the monitoring result．

Keywords：buried pipeline  settlement monitoring  numerical fitting  error analysis

城市天然氣管網作為城市天然氣輸送的重要通道，是城市能源基礎設施的重要組成部分。在城市建設快速發展的今天，影響埋地天然氣管道的不安全因素日益增多，因城市建設引起的地面沉降現象對天然氣管道破壞事故屢見不鮮，地面沉降會對地下管道產生破壞，進而導致埋地天然氣管道泄漏，威脅生命財產安全^[1-2]。

地面沉降的成因主要有溶巖塌陷、地下資源開采和工程環境效應^[3]。隨著城市的發展，高層建筑已成為城市地面沉降的主要誘因。國內以上海軟土地基為典型的土質地區沉降最為明顯，特別是20世紀90年代以來，上海城市建設迅猛發展，在截止2001年的過去12年中，中心城區平均累計沉降196.7mm，年均沉降16.4mm^[4]，2008年全市平均地面沉降量為6.4mm，中心城區平均地面沉降則為7.6mm，最大沉降超過10mm的地區也多有發生^[5]。敷設在軟體地基中的管道因沉降會產生各種變形，均勻沉降對管道影響不大，當發生不均勻沉降時，管道就有可能發生變形甚至破壞。高層建筑引起的地面沉降必定會對周圍燃氣管道產生影響，使管道受到附加的壓力和水平推力，產生形變和位移，導致管道變形、接口錯位甚至腐蝕開裂，造成燃氣泄漏。研究高層建筑導致的地面沉降對埋地天然氣管道的影響，進而建立相應的預警機制和預防措施具有十分重要的意義。

1　沉降監測系統

為掌握埋地燃氣管道的沉降信息，結合燃氣管道施工，在管道頂部安裝了沉降標進行監測。現場沉降標由圓形抱箍、不銹鋼監測柱、保護套管及井蓋構成，圓形抱箍圍住管道并用螺絲同定，不銹鋼監測柱焊接在抱箍正上方并伸出至接近地面，監測柱外側設置保護套管，套管頂部設有保護井蓋。沉降標具體結構見圖1，通過對不銹鋼柱沉降的測量反映管道的沉降。

管道沉降通過水準儀人工測讀，觀測周期為15天～30天，沉降觀測前均應對基準點進行聯測檢校，堅持定人定儀器的要求，保證測量數據的準確性。

監測管段位于上海中心大廈與另一座正在施工的建筑之間，屬于地面沉降危險地段，為防止天然氣管道在建筑施工期間發生破壞，決定進行天然氣管道的更換，9根試驗管段也作為更新管道的一部分接入整個管線，監測管道以及周同主要建筑物的相對位置如圖2所示。

沉降標在管道施工的同時進行安裝，有專業的安裝施工隊進行，保證監測的準確性。沉降標的安裝見圖3所示。

整個管道全長132.1m，共設11個沉降監測點，按照均勻布置原則，并考慮現場實際情況，沉降監測點之間的間隔為15m左右。如圖4所示。

整個測試管道沉降測量點的編號與水平方向的長度見表1所示。

2　沉降監測結果

整個實驗系統安裝完畢后即開始運行，截至目前的300天時間內，沉降數據的采集頻率由人工操作，大約為20天1次，各沉降監測點的監測結果如圖5。

由圖5可知，所有監測點的變化趨勢大致相同，相對變形均由0開始，截止到監測結束點，各點的變化量均不同，最大的正變形量為10mm，最大的負變形量-8mm，可看出管道出現一定的不均勻沉降。

另外，從各點整體的變化趨勢可以看出，隨著時間的增加，各點沉降量先變小再增大，而后又呈緩慢減小趨勢。這與監測管道兩側的建筑施工進度有關：在施工過程中，對地下水的抽取導致的地面沉降明顯，而后進行地下水的回灌，地面沉降反彈，監測數據體現為由開始變形時的負增長慢慢向反方向變化，隨著工程的繼續，建筑荷載不斷增加，由此導致的地面沉降效應逐漸明顯，體現為各監測點的沉降值不斷緩慢減小。

3　樣條插值及誤差分析

常用的插值方法包括多項式插值和樣條插值，由于多項式插值點過多導致的龍格現象，這時的插值函數兩端會出現嚴重不符合真實值的錯誤結果^[6]，所以本論文利用三次樣條插值方法進行擬合。

通過Matlab軟件，可容易地對沉降值進行三次樣條擬合，以第2個月內的沉降監測點為例，進行曲線插值擬合，結果曲線如圖6。

3　樣條插值及誤差分析

由圖6可知，受工程建設的影響，整個管道在各時間點均有明顯的變形，其變形的大小與管線周圍工程建設相關，由于土體的間接影響，受力情況復雜，沒有呈現出具體的規律性。

本實驗的沉降監測系統的主要誤差具體體現在儀器誤差和觀測誤差。根據相關文獻，一般通過水準儀測量結果的綜合誤差為2mm^[7]。而現階段的沉降量基本在10mm～20mm，2mm的誤差已經占了很大一部分，因此有必要分析數據存在一定的誤差的情況下對計算結果的影響，從而判斷監測數據的可靠度。

在小范圍變形的情況下，如果測量過程中使用精度不高的儀器或者設備，必然會導致重大的偏差。但同時也必須考慮本實驗的研究對象是埋地鋼管，其允許應力為235MPa，這一數量級的應力必須在管道發生大范圍變形時才可以達到，因此，只要在管道發生大變形時其相對誤差較小，則實驗方法依然有效。

在本次試驗中，由于監測時間較短，在整個監測時間段內管道沒有發生大的實際變形，所以小的變形量就導致了比較大的相對誤差。為了考察大變形下誤差對計算結果的影響，不妨把管道的沉降測量值增大10倍。以第2個月的監測值作為算例，利崩Matlab進行30次的隨機數生成，其沉降變形擬合曲線的偏差范圍如圖7。

根據圖7可以看出，如果沉降值擴大至原來的10倍，沉降變形量的擬合曲線相對固定，圖中反映出沉降擬合的曲線偏差保持不變，這樣相對誤差就減小了，從而保證了數據的可靠性。但是需要說明的是：對數值的擴大只是為了說明誤差對結果的影響程度，實際上數據被放大的同時誤差隨之被放大，所以所得沉降的變化趨勢依然沒有變。

4　結論

本實驗從研究管道本身的沉降入手，以上海中心周邊天然氣管道為研究對象，建立了埋地天然氣管道沉降監測系統，通過監測發現：

(1)從沉降監測數據可以看出：建設中期地下水的回灌和建設后期建筑負荷的增加均能使管道發生變形，由于監測開始于建設后期，由建筑負荷引起的沉降逐漸凸顯，在監測時間段，最大的正變形量為10mm，最大的負變形量-8mm；

(2)沉降擬合的變形曲線中，在距離工程建設點較近的地方管段為凹形，說明工程建設對距離較近的管道影響比較大；其他監測點距離工程建設點較遠，由于土體變形的不規律性，管道變形也無明顯的規律性；

(3)在微小變形情況下，誤差對結果的影響較大，而隨著沉降值的增加，誤差的影響逐漸減小。在接近管道屈服極限的沉降范圍內，2mm的沉降誤差滿足工程測量的要求，不影響沉降的變化趨勢。

參考文獻

1杜艷，謝英，王子豪等．天然氣管道事故分析[J]．管道技術與設備，2009；2：16-18

2胡燈明，駱暉．國內外天然氣管道事故分析[J]．石油工業技術監督，2009：9：8-12

3崔振東，唐益群．國內外地面沉降現狀與研究[J]．西北地震學報，2007；3：275-278

4陳正松，羅志才，李瓊．上海地區地面沉降原因分析[J].大地測量與地球動力學，2009：S1：90-94

5魏子新，王寒梅，吳建中等一上海地面沉降及其對城市安全影響[J]．上海地質，2009；1：34-39

6 Chapra S．C．，Canale R．R工程數值方法[M]．北京：清華大學出版社，2010

7曲仁明，關朝旭．淺談水準測量的誤差來源及控制方法[J]．黑龍江科技信息，2009；14：40

本文作者：肖利濤　秦朝葵　喬業騰

作者單位：同濟大學機械與能源工程學院