張上1 馮偉2 吳桐3 田偉力1

1.中國石油工程建設有限公司華東環(huán)境巖土工程分公司；

2.國家管網(wǎng)集團西氣東輸公司管道部；

3.國家管網(wǎng)集團西氣東輸蘇浙滬輸氣分公司

 

摘要：快速發(fā)展的城市軌道交通難以避免與輸氣管道形成交叉穿越。為了保障雙方安全，應對穿越工程開(kāi)展安全評估和條件論證，需要掌握并運用跨行業(yè)的規范和經(jīng)驗，對做好這項工作有較高要求�？偨Y了城市軌道交通穿越輸氣管道工程安全評估方法、主要危害因素及采取的安全措施，為該類(lèi)工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；穿越工程；輸氣管道；安全評估

 

根據《建設工程安全生產(chǎn)管理條例》規定，當城市軌道交通（下文簡(jiǎn)稱(chēng)地鐵）穿越輸氣管道時(shí)，應編制專(zhuān)項施工保護方案，并由第三方評價(jià)單位對該方案進(jìn)行安全評估，對工程存在的危害因素進(jìn)行分析，指出主要風(fēng)險，并提出相應的對策措施。本文結合近年來(lái)地鐵穿越西氣東輸天然氣管道工程實(shí)踐，對安全評估和采取的安全措施展開(kāi)討論。

1  安全評估方法

國內目前沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對地鐵與輸氣管道交叉工程的設計技術(shù)規范和標準，安全評估主要采用安全檢查表法、管道失效風(fēng)險分析法、管道沉降屈服強度驗算法等。

1.1  安全檢查表法

主要依據GB 50446―2017《盾構法隧道施工及驗收規范》、GB 50251―2015《輸氣管道工程設計規范》、GB 50423―2013《油氣輸送管道穿越工程設計規范》、SY/T 5922―2012《天然氣管道運行規范》、GB 50157―2013《地鐵設計規范》等國家標準及行業(yè)規范，對穿越工程的設計及專(zhuān)項施工方案進(jìn)行對標，找出不符合項。

1.2  管道失效風(fēng)險分析法

對穿越工程涉及管道失效概率及失效后果進(jìn)行分析，以判定該管道的失效風(fēng)險大小，是否需要采取措施以降低風(fēng)險。管道的失效概率分析可依據GB T 34346―2017《基于風(fēng)險的油氣管道安全隱患分級導則》；管道的失效后果分析可采用管道泄漏天然氣擴散擴展災害評價(jià)法進(jìn)行，具體可參考SY/T 6891.2《油氣管道風(fēng)險評價(jià)方法 第2部分：定量評價(jià)法》中推薦的方法。

1.3  管道沉降屈服強度驗算法

根據盾構施工地面沉降量的控制標準，計算此時(shí)的管道沉降引起的彎曲曲率半徑，代入彈性模量公式進(jìn)行驗算：

 

其中ρ為曲率半徑；E為鋼材的彈性模量；J為管道截面的慣矩，，其中D為管道外徑，d為管道內徑；管道彎曲產(chǎn)生的彎矩；管道的彎曲應力，其中W為截面的抗彎模量；

 

將M、W代入管道的彎曲應力公式中，經(jīng)化簡(jiǎn)得出：

 

將計算得到的管道彎曲產(chǎn)生的附加應力σ與該管道所用鋼材的屈服強度進(jìn)行比較，驗證該沉降控制量是否在可接受范圍內。

2  主要危害因素

2.1  火災和爆炸

輸氣管道發(fā)生天然氣泄漏，遇到點(diǎn)火源發(fā)生火災、爆炸事故，導致地面設施破壞、車(chē)輛損壞和人員傷亡，造成嚴重的社會(huì )影響。

2.2  輸氣管道泄漏對隧道的影響

盾構施工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)可能造成上方土體變形，管道應力變化引起管道破裂形成物理爆炸，一部分動(dòng)能向下傳導至盾構施工隧道內，對隧道結構造成一定程度的破壞，并對施工設備及人員造成危害。泄漏的高壓天然氣沿土層中的空隙向四周擴散，可能會(huì )有少量天然氣滲透至盾構隧道中，如遇明火則會(huì )在封閉空間內發(fā)生爆轟。

由于隧道洞體密封較為嚴密，在極端情況下，當少量天然氣進(jìn)入隧道內部遇點(diǎn)火源，如配電箱、裸露電線(xiàn)或地鐵車(chē)廂經(jīng)過(guò)時(shí)，極易在相對封閉的空間內發(fā)生爆炸，對正在運行的地鐵車(chē)廂將會(huì )產(chǎn)生嚴重的破壞，造成不可估量的人員傷亡。

2.3  隧道施工對輸氣管道的影響

施工過(guò)程中盾構機失控會(huì )造成盾頭上浮，碰及管道則會(huì )造成泄漏；地面沉降和隆起量過(guò)大，將增加管道的縱向附加應力，影響管道安全運行。

如隧道中存在可燃氣體遇點(diǎn)火源發(fā)生爆炸，可能損傷管道；若施工過(guò)程中發(fā)生供水管線(xiàn)或泥漿管線(xiàn)破損，形成涌水造成地面塌陷使管道局部下沉、彎曲，造成管道破損泄漏。

管道通訊電纜伴隨輸氣管道敷設，基坑施工或暗挖時(shí)可能造成通訊電纜損壞、中斷，影響管道正常運行。

2.4  地鐵運行對輸氣管道的影響

地鐵雜散電流干擾會(huì )造成管道電位劇烈變化，其干擾為動(dòng)態(tài)干擾，日常陰極保護維護人員無(wú)法準確測得管道的保護電位，使陰極保護系統無(wú)法正常運行，加劇管道腐蝕，國內外已發(fā)現多起案例。

3  安全措施

輸氣管道埋深通常在1~3米之間，地鐵隧道穿越輸氣管道則采取下穿方式。不同地層條件、地面設施以及站點(diǎn)規劃導致每一處穿越工程條件不盡相同，均需要采取各自相配套的安全措施。以交叉穿越工程為例，采取的安全措施如下。

3.1  設計階段

（1）地鐵車(chē)站、停車(chē)場(chǎng)等產(chǎn)生的雜散電流對管道的影響范圍可達數千米，在規劃選址時(shí)應盡量遠離輸氣管道。

（2）采取增強絕緣性能、定期測試軌道過(guò)渡電阻、控制OVPD動(dòng)作后避免長(cháng)期合閘、改用新型單導等措施，減少雜散電流外泄。

（3）根據現場(chǎng)實(shí)際情況制定針對性管道保護方案。施工可能造成地面較大沉降或隆起、導致管道發(fā)生較大形變時(shí)，可采取懸吊、跟蹤注漿或樁梁托換等保護方案；管道上方有施工便道可采取蓋板保護方案，并根據荷載進(jìn)行核算；當施工污水排放管需從管道上方敷設時(shí)，可采用在污水管下方埋設硂墊層保護方案。

3.2  施工期間

（1）編制通風(fēng)、防塵專(zhuān)項方案，設置有害氣體檢測裝置，氧氣、瓦斯、沼氣等有毒有害氣體和粉塵濃度超限時(shí)及時(shí)采取處置措施。

（2）雙向盾構或三線(xiàn)盾構下穿輸氣管道，施工時(shí)先行隧道沉降穩定后方可實(shí)施后續隧道盾構。

（3）盾構施工穿越管道位于道路下方時(shí)，協(xié)同交通部門(mén)管控過(guò)往車(chē)輛，禁止超過(guò)設計載荷的車(chē)輛通行。

（4）在穿越輸氣管道前50米處進(jìn)行一次施工設備檢修，以確保盾構機能保持良好狀態(tài)勻速連續通過(guò)。

（5）當盾構在曲線(xiàn)上推進(jìn)時(shí)，土體對盾構和隧道的約束力差，盾構軸線(xiàn)較難控制，因此推進(jìn)速度要適當放緩，加大糾偏頻率，減小每次糾偏幅度，加強糾偏測量，以減小地層損失，降低地面沉降量。

（6）盾構隧道頂部以上為粉砂層時(shí)，如操作不當則地層局部存在坍塌的可能性，應嚴格控制盾構掘進(jìn)出土量在理論出土量的98% 左右。出土量超標時(shí)應立即關(guān)閉出土口，查明原因排除風(fēng)險，必要時(shí)根據出土情況注漿回灌地層。

3.3  運營(yíng)期間

（1）檢測地鐵雜散電流消除措施的實(shí)施效果，若發(fā)現問(wèn)題應及時(shí)分析原因并采取其他有效措施。

（2）距離管道較近的車(chē)站、停車(chē)場(chǎng)，投運前開(kāi)展輸氣管道雜散電流影響專(zhuān)項評估，投運后進(jìn)行專(zhuān)項檢測和評價(jià)。

（3）開(kāi)展與地鐵交叉段管道雜散電流干擾腐蝕影響評價(jià)，根據評價(jià)結果采取相應治理措施。

（4）運行初期，評估地鐵振動(dòng)危害強度。地鐵運行于管道下方時(shí)，振動(dòng)強度可通過(guò)檢測隧道地面和直接觀(guān)察兩種方式得到。

4  未來(lái)研究方向

4.1  地面沉降或隆起對管道形變影響定量分析

有限元程序軟件可對盾構下穿時(shí)的管道受力情況、管道與地層的共同變形情況進(jìn)行模擬分析。分析結果對于盾構施工沉降量及隆起量控制具有一定的參考價(jià)值。

4.2  地鐵振動(dòng)對管道的長(cháng)期影響

目前地鐵振動(dòng)研究主要集中在對其土層內的傳播規律及對地表建筑的影響，并未涉及振動(dòng)對管道的長(cháng)期應力影響，需要理論計算結合實(shí)測結果開(kāi)展研究。

4.3  管道破裂后天然氣在土層中的擴散模型

天然氣在土層中擴散向下到達隧道外側時(shí)，進(jìn)入到隧道內的可能性較小，目前有關(guān)定量數值模擬研究較少，缺乏足夠的數據支撐。

5  結束語(yǔ)

地鐵穿越輸氣管道工程經(jīng)多年實(shí)踐，從規劃、設計、專(zhuān)項施工方案編制到施工過(guò)程管理，已有一套成熟體系，積累了一定的經(jīng)驗。該類(lèi)工程涉及公共安全與能源安全，如發(fā)生事故后果十分嚴重，故雙方均應各自開(kāi)展安全評估。期待完善相關(guān)模型分析及定量分析技術(shù)，為類(lèi)似工程施工和管理提供技術(shù)支撐。

 

參考文獻： 

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作者簡(jiǎn)介：張上，1982年生， 2005年畢業(yè)于北京工商大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，工學(xué)學(xué)士，儀器儀表工程師�，F服務(wù)于中國石油工程建設有限公司華東環(huán)境巖土工程分公司（青島中油華東院安全環(huán)保有限公司），主要從事長(cháng)輸管道工程、油田工程、成品油庫的安全評價(jià)、QRA計算、HAZOP分析，SIL定級等工作。聯(lián)系方式：17744419143，76895217@qq.com。