现役天然气管线由于各种因素的影响,易导致管线达不到原来的设计埋深,甚至局部管体裸露等现象,这将威胁到管线的安全运行,因此需要对浅埋或裸露的管线进行整改。整改方式之一为弹性沉管,即在管线弹性变形允许的范围内,通过控制管线开挖长度,使管线靠自身重力自然沉降,达到或接近设计埋深。本文通过分析天然气管线埋深距离和暴露情况,将管线工程问题分为平坦段时管线浅埋或裸露出一点和浅埋或裸露出一段,上坡段时管线浅埋或裸露出一点和浅埋或裸露出一段这四种工程问题,并基于这四种工程问题对天然气管线沉管施工问题进行分析。主要工作内容如下:(1)根据天然气管线的工程情况,分析了天然气管线的力学特性;根据沉降区管线其跨度远远大于管径的情况和管线梁单元理论,建立了管线梁单元模型;(2)利用有限元方法,对管线沉降到设计埋深的要求所需要的开挖距离和沉降后的变形应力进行研究,建立了包含网格、材料、分析布置及载荷和边界条件的有限元分析方法和分析结果评价方法;(3)计算得到平坦段和上坡段天然气管线沉降中,在不同工况、不同管线挠度、不同管线尺寸、不同管线材质影响下,天然气管线沉降所需的开挖距离。施工过程中,可根据施工要求选择对应的管线开挖距离;(4)研究了在平坦段时管线浅埋或裸露出一点和一段,上坡段时管线浅埋或裸露出一点和一段情况下,不同挠度、管线尺寸和管线材质对管线沉降的开挖距离和沉降应力的影响规律;(5)研究了管线浅埋或裸露一段的长度对管线沉降的影响规律;(6)研究了管线承压对管线沉降后的内部应力的影响规律。得到以下主要结论:(1)相同管线尺寸、管线材质和挠度下,上坡段的管线开挖距离略大于平坦情况下的管线开挖距离;管线尺寸为φ508×7.1时,管线浅埋或裸露一段的开挖距离比浅埋或裸露一点时较小;管线尺寸为φ762×7.1、φ914×7.1时,管线浅埋或裸露一段的开挖距离比浅埋或裸露一点时大。管线沉降后的应力未达到材料的屈服极限强度,管线未失效;(2)管线的挠度对管线的开挖距离影响较大。相同管线尺寸、管线材质和工况下,挠度越小,所需的管线开挖距离越短;(3)管线尺寸对管线的开挖距离影响较大,即管线尺寸越大,管线沉降需开挖的距离就越长,管线沉降后的应力也越大;(4)管线材质对管线的开挖距离影响较小,相同管线尺寸、挠度和工况下,不同的管线材质,管线开挖距离几乎相等;(5)当管线浅埋或裸露出长度大于85m时,开挖距离对沉降距离没有影响,即只需开挖浅埋部分,管线就能沉降到预定高度。(6)对沉降后的管线施加气体压力载荷后,管线内部应力低于管线屈服强度,管线未失效。