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境巖土工程分公司；

2.國家管網集團西氣東輸公司管道部；

3.國家管網集團西氣東輸蘇浙滬輸氣分公司

 

摘要：快速發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，應對穿越工程開展安全評估和條件論證，需要掌握并運用跨行業的規范和經驗，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，為該類工程提供借鑒。

關鍵詞：城市軌道交通；穿越工程；輸氣管道；安全評估

 

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

1  安全評估方法

國內目前沒有專門針對地鐵與輸氣管道交叉工程的設計技術規范和標準，安全評估主要采用安全檢查表法、管道失效風險分析法、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》等國家標準及行業規范，對穿越工程的設計及專項施工方案進行對標，找出不符合項。

1.2  管道失效風險分析法

對穿越工程涉及管道失效概率及失效后果進行分析，以判定該管道的失效風險大小，是否需要采取措施以降低風險。管道的失效概率分析可依據GB T 34346―2017《基于風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法進行，具體可參考SY/T 6891.2《油氣管道風險評價方法 第2部分：定量評價法》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，計算此時的管道沉降引起的彎曲曲率半徑，代入彈性模量公式進行驗算：

 

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，經化簡得出：

 

將計算得到的管道彎曲產生的附加應力σ與該管道所用鋼材的屈服強度進行比較，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

輸氣管道發生天然氣泄漏，遇到點火源發生火災、爆炸事故，導致地面設施破壞、車輛損壞和人員傷亡，造成嚴重的社會影響。

2.2  輸氣管道泄漏對隧道的影響

盾構施工過程中產生的振動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，可能會有少量天然氣滲透至盾構隧道中，如遇明火則會在封閉空間內發生爆轟。

由于隧道洞體密封較為嚴密，在極端情況下，當少量天然氣進入隧道內部遇點火源，如配電箱、裸露電線或地鐵車廂經過時，極易在相對封閉的空間內發生爆炸，對正在運行的地鐵車廂將會產生嚴重的破壞，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

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

如隧道中存在可燃氣體遇點火源發生爆炸，可能損傷管道；若施工過程中發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，基坑施工或暗挖時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造成管道電位劇烈變化，其干擾為動態干擾，日常陰極保護維護人員無法準確測得管道的保護電位，使陰極保護系統無法正常運行，加劇管道腐蝕，國內外已發現多起案例。

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）地鐵車站、停車場等產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、定期測試軌道過渡電阻、控制OVPD動作后避免長期合閘、改用新型單導等措施，減少雜散電流外泄。

（3）根據現場實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、導致管道發生較大形變時，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，并根據荷載進行核算；當施工污水排放管需從管道上方敷設時，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、防塵專項方案，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及時采取處置措施。

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

（3）盾構施工穿越管道位于道路下方時，協同交通部門管控過往車輛，禁止超過設計載荷的車輛通行。

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

（5）當盾構在曲線上推進時，土體對盾構和隧道的約束力差，盾構軸線較難控制，因此推進速度要適當放緩，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，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出土量在理論出土量的98% 左右。出土量超標時應立即關閉出土口，查明原因排除風險，必要時根據出土情況注漿回灌地層。

3.3  運營期間

（1）檢測地鐵雜散電流消除措施的實施效果，若發現問題應及時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，投運前開展輸氣管道雜散電流影響專項評估，投運后進行專項檢測和評價。

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

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

4  未來研究方向

4.1  地面沉降或隆起對管道形變影響定量分析

有限元程序軟件可對盾構下穿時的管道受力情況、管道與地層的共同變形情況進行模擬分析。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值。

4.2  地鐵振動對管道的長期影響

目前地鐵振動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，并未涉及振動對管道的長期應力影響，需要理論計算結合實測結果開展研究。

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，進入到隧道內的可能性較小，目前有關定量數值模擬研究較少，缺乏足夠的數據支撐。

5  結束語

地鐵穿越輸氣管道工程經多年實踐，從規劃、設計、專項施工方案編制到施工過程管理，已有一套成熟體系，積累了一定的經驗。該類工程涉及公共安全與能源安全，如發生事故后果十分嚴重，故雙方均應各自開展安全評估。期待完善相關模型分析及定量分析技術，為類似工程施工和管理提供技術支撐。

 

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作者簡介：張上，1982年生， 2005年畢業于北京工商大學自動化專業，工學學士，儀器儀表工程師�，F服務于中國石油工程建設有限公司華東環境巖土工程分公司（青島中油華東院安全環保有限公司），主要從事長輸管道工程、油田工程、成品油庫的安全評價、QRA計算、HAZOP分析，SIL定級等工作。聯系方式：17744419143，76895217@qq.com。