張上1 馮偉2 吳桐3 田偉力1

1.中國石油工程建設(shè)有限公司華東環(huán)境巖土工程分公司；

2.國家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸公司管道部；

3.國家管網(wǎng)集團(tuán)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(yīng)對(duì)穿越工程開展安全評(píng)估和條件論證，需要掌握并運(yùn)用跨行業(yè)的規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)做好這項(xiàng)工作有較高要求�？偨Y(jié)了城市軌道交通穿越輸氣管道工程安全評(píng)估方法、主要危害因素及采取的安全措施，為該類工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；穿越工程；輸氣管道；安全評(píng)估

根據(jù)《建設(shè)工程安全生產(chǎn)管理?xiàng)l例》規(guī)定，當(dāng)城市軌道交通（下文簡(jiǎn)稱地鐵）穿越輸氣管道時(shí)，應(yīng)編制專項(xiàng)施工保護(hù)方案，并由第三方評(píng)價(jià)單位對(duì)該方案進(jìn)行安全評(píng)估，對(duì)工程存在的危害因素進(jìn)行分析，指出主要風(fēng)險(xiǎn)，并提出相應(yīng)的對(duì)策措施。本文結(jié)合近年來地鐵穿越西氣東輸天然氣管道工程實(shí)踐，對(duì)安全評(píng)估和采取的安全措施展開討論。

1  安全評(píng)估方法

國內(nèi)目前沒有專門針對(duì)地鐵與輸氣管道交叉工程的設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，安全評(píng)估主要采用安全檢查表法、管道失效風(fēng)險(xiǎn)分析法、管道沉降屈服強(qiáng)度驗(yàn)算法等。

1.1  安全檢查表法

主要依據(jù)GB 50446―2017《盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范》、GB 50251―2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50423―2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、SY/T 5922―2012《天然氣管道運(yùn)行規(guī)范》、GB 50157―2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》等國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)范，對(duì)穿越工程的設(shè)計(jì)及專項(xiàng)施工方案進(jìn)行對(duì)標(biāo)，找出不符合項(xiàng)。

1.2  管道失效風(fēng)險(xiǎn)分析法

對(duì)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(xiǎn)大小，是否需要采取措施以降低風(fēng)險(xiǎn)。管道的失效概率分析可依據(jù)GB T 34346―2017《基于風(fēng)險(xiǎn)的油氣管道安全隱患分級(jí)導(dǎo)則》；管道的失效后果分析可采用管道泄漏天然氣擴(kuò)散擴(kuò)展災(zāi)害評(píng)價(jià)法進(jìn)行，具體可參考SY/T 6891.2《油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法 第2部分：定量評(píng)價(jià)法》中推薦的方法。

1.3  管道沉降屈服強(qiáng)度驗(yàn)算法

根據(jù)盾構(gòu)施工地面沉降量的控制標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)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(yàn)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(nèi)徑；管道彎曲產(chǎn)生的彎矩；管道的彎曲應(yīng)力，其中W為截面的抗彎模量；

將M、W代入管道的彎曲應(yīng)力公式中，經(jīng)化簡(jiǎn)得出：

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

2  主要危害因素

2.1  火災(zāi)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(zāi)、爆炸事故，導(dǎo)致地面設(shè)施破壞、車輛損壞和人員傷亡，造成嚴(yán)重的社會(huì)影響。

2.2  輸氣管道泄漏對(duì)隧道的影響

盾構(gòu)施工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)可能造成上方土體變形，管道應(yīng)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(dǎo)至盾構(gòu)施工隧道內(nèi)，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成一定程度的破壞，并對(duì)施工設(shè)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(kuò)散，可能會(huì)有少量天然氣滲透至盾構(gòu)隧道中，如遇明火則會(huì)在封閉空間內(nèi)發(fā)生爆轟。

由于隧道洞體密封較為嚴(yán)密，在極端情況下，當(dāng)少量天然氣進(jìn)入隧道內(nèi)部遇點(diǎn)火源，如配電箱、裸露電線或地鐵車廂經(jīng)過時(shí)，極易在相對(duì)封閉的空間內(nèi)發(fā)生爆炸，對(duì)正在運(yùn)行的地鐵車廂將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，造成不可估量的人員傷亡。

2.3  隧道施工對(duì)輸氣管道的影響

施工過程中盾構(gòu)機(jī)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大，將增加管道的縱向附加應(yīng)力，影響管道安全運(yùn)行。

如隧道中存在可燃?xì)怏w遇點(diǎn)火源發(fā)生爆炸，可能損傷管道；若施工過程中發(fā)生供水管線或泥漿管線破損，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(shè)，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(yùn)行。

2.4  地鐵運(yùn)行對(duì)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(hù)維護(hù)人員無法準(zhǔn)確測(cè)得管道的保護(hù)電位，使陰極保護(hù)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，加劇管道腐蝕，國內(nèi)外已發(fā)現(xiàn)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(shè)施以及站點(diǎn)規(guī)劃導(dǎo)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(shè)計(jì)階段

（1）地鐵車站、停車場(chǎng)等產(chǎn)生的雜散電流對(duì)管道的影響范圍可達(dá)數(shù)千米，在規(guī)劃選址時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離輸氣管道。

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

（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制定針對(duì)性管道保護(hù)方案。施工可能造成地面較大沉降或隆起、導(dǎo)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(hù)方案；管道上方有施工便道可采取蓋板保護(hù)方案，并根據(jù)荷載進(jìn)行核算；當(dāng)施工污水排放管需從管道上方敷設(shè)時(shí)，可采用在污水管下方埋設(shè)硂墊層保護(hù)方案。

3.2  施工期間

（1）編制通風(fēng)、防塵專項(xiàng)方案，設(shè)置有害氣體檢測(cè)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(gòu)或三線盾構(gòu)下穿輸氣管道，施工時(shí)先行隧道沉降穩(wěn)定后方可實(shí)施后續(xù)隧道盾構(gòu)。

（3）盾構(gòu)施工穿越管道位于道路下方時(shí)，協(xié)同交通部門管控過往車輛，禁止超過設(shè)計(jì)載荷的車輛通行。

（4）在穿越輸氣管道前50米處進(jìn)行一次施工設(shè)備檢修，以確保盾構(gòu)機(jī)能保持良好狀態(tài)勻速連續(xù)通過。

（5）當(dāng)盾構(gòu)在曲線上推進(jìn)時(shí)，土體對(duì)盾構(gòu)和隧道的約束力差，盾構(gòu)軸線較難控制，因此推進(jìn)速度要適當(dāng)放緩，加大糾偏頻率，減小每次糾偏幅度，加強(qiáng)糾偏測(cè)量，以減小地層損失，降低地面沉降量。

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

3.3  運(yùn)營期間

（1）檢測(cè)地鐵雜散電流消除措施的實(shí)施效果，若發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時(shí)分析原因并采取其他有效措施。

（2）距離管道較近的車站、停車場(chǎng)，投運(yùn)前開展輸氣管道雜散電流影響專項(xiàng)評(píng)估，投運(yùn)后進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

（3）開展與地鐵交叉段管道雜散電流干擾腐蝕影響評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果采取相應(yīng)治理措施。

（4）運(yùn)行初期，評(píng)估地鐵振動(dòng)危害強(qiáng)度。地鐵運(yùn)行于管道下方時(shí)，振動(dòng)強(qiáng)度可通過檢測(cè)隧道地面和直接觀察兩種方式得到。

4  未來研究方向

4.1  地面沉降或隆起對(duì)管道形變影響定量分析

有限元程序軟件可對(duì)盾構(gòu)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(jié)果對(duì)于盾構(gòu)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(duì)管道的長(zhǎng)期影響

目前地鐵振動(dòng)研究主要集中在對(duì)其土層內(nèi)的傳播規(guī)律及對(duì)地表建筑的影響，并未涉及振動(dòng)對(duì)管道的長(zhǎng)期應(yīng)力影響，需要理論計(jì)算結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果開展研究。

4.3  管道破裂后天然氣在土層中的擴(kuò)散模型

天然氣在土層中擴(kuò)散向下到達(dá)隧道外側(cè)時(shí)，進(jìn)入到隧道內(nèi)的可能性較小，目前有關(guān)定量數(shù)值模擬研究較少，缺乏足夠的數(shù)據(jù)支撐。

5  結(jié)束語

地鐵穿越輸氣管道工程經(jīng)多年實(shí)踐，從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、專項(xiàng)施工方案編制到施工過程管理，已有一套成熟體系，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。該類工程涉及公共安全與能源安全，如發(fā)生事故后果十分嚴(yán)重，故雙方均應(yīng)各自開展安全評(píng)估。期待完善相關(guān)模型分析及定量分析技術(shù)，為類似工程施工和管理提供技術(shù)支撐。

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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)化專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，儀器儀表工程師�，F(xiàn)服務(wù)于中國石油工程建設(shè)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(zhǎng)輸管道工程、油田工程、成品油庫的安全評(píng)價(jià)、QRA計(jì)算、HAZOP分析，SIL定級(jí)等工作。聯(lián)系方式：17744419143，76895217@qq.com。