陜京三線輸氣管道南莊隧道設(shè)計(jì)及施工方案優(yōu)化

王奉生，秦玉新中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北任丘 062552

陜京三線輸氣管道南莊隧道設(shè)計(jì)及施工方案優(yōu)化

王奉生，秦玉新
中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北任丘 062552

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的日益提高，油氣管道在穿越高山峻嶺、大江大河地段越來(lái)越多地采用隧道穿越方式。油氣管道隧道作為小斷面隧道具有開(kāi)挖斷面小、工作空間有限、機(jī)械配型困難及工序互相干擾等難點(diǎn)。通過(guò)分析陜京三線南莊隧道設(shè)計(jì)、施工方案優(yōu)化情況，提出在縱向設(shè)計(jì)、開(kāi)挖作業(yè)、裝渣及運(yùn)輸、襯砌、管道安裝方面的優(yōu)化措施，為今后油氣管道隧道優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工提供了參考。

油氣管道隧道；方案優(yōu)化；縱向設(shè)計(jì)；襯砌方案；管道安裝

陜京三線輸氣管道工程良鄉(xiāng)-西沙屯段項(xiàng)目途經(jīng)北京市門頭溝西部山區(qū)，山勢(shì)陡峭，植被茂密。為降低施工難度，減少植被破壞和水土流失，采用了隧道穿山方案。本文將結(jié)合油氣管道隧道的特點(diǎn)以及南莊隧道設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)油氣管道隧道優(yōu)化方案展開(kāi)探討。

1　油氣管道隧道特點(diǎn)

油氣管道隧道具有斷面小、施工對(duì)圍巖破壞小、靜載運(yùn)行、隧道放坡角度可調(diào)整范圍大、周邊環(huán)境對(duì)隧道及管道運(yùn)營(yíng)影響小、埋深淺、地層透水可能性及透水量相對(duì)較小、地層相對(duì)破碎等特點(diǎn)，而且襯砌與開(kāi)挖掘進(jìn)不能同時(shí)進(jìn)行，與公路隧道、鐵路隧道、礦山隧道、水工隧道等有著較大區(qū)別。主要存在以下難點(diǎn)：

（1）油氣管道隧道受地形制約，縱坡坡度大、斜巷長(zhǎng)度長(zhǎng)。

（2）開(kāi)挖斷面小，機(jī)械配型困難，無(wú)法配置大型機(jī)具。

（3）工作空間有限，影響裝渣及運(yùn)輸。

（4）隧道施工各個(gè)工序之間存在相互影響的問(wèn)題，如開(kāi)挖支護(hù)與二襯施工存在干擾、隧道襯砌制約后期管道安裝。

（5）隧道施工區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，存在富水、高地應(yīng)力、溶巖、卵石層等不良地層。

2　油氣管道隧道設(shè)計(jì)、施工方案優(yōu)化

2.1縱向設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

隧道縱斷面的縱坡，一般在考慮使用要求、隧道施工及排水、管道安裝、巡檢維護(hù)等條件下盡可能取較平緩的坡度。減緩縱坡坡度，可縮短提升機(jī)械的爬坡時(shí)間，提高出渣效率，有利于開(kāi)挖及初期支護(hù)施工加快進(jìn)度，而且降低施工難度，保障安全。同時(shí)縱坡放緩后，有利于隧道內(nèi)排水，便于洞內(nèi)施工。

2.2開(kāi)挖作業(yè)方案優(yōu)化

隧道開(kāi)挖應(yīng)根據(jù)地層地質(zhì)條件，結(jié)合施工方法、施工機(jī)械，確定循環(huán)進(jìn)尺及施工速度，保持各工序互協(xié)調(diào)，確保施工安全和工程質(zhì)量滿足要求。

由于隧道斷面小，多功能作業(yè)平臺(tái)無(wú)法施展，開(kāi)挖作業(yè)可考慮分?jǐn)嗝骈_(kāi)挖支護(hù)或者采用農(nóng)用車搭載簡(jiǎn)易作業(yè)平臺(tái)等方案。

2.3裝渣及運(yùn)輸方案優(yōu)化

（1）裝渣及運(yùn)輸設(shè)備配套優(yōu)化。當(dāng)隧道洞身坡度≤10°（17%）時(shí)，采用自卸式汽車等無(wú)軌運(yùn)輸；當(dāng)10°＜隧道洞身坡度≤15°（25%）時(shí)，采用膠帶輸送機(jī)提升；當(dāng)15°＜隧道洞身坡度≤25° （45%）時(shí)，采用串車提升；當(dāng)25°＜隧道洞身坡度≤35°（70%）時(shí)，采用箕斗提升出渣。

（2）增加錯(cuò)車洞。長(zhǎng)隧道一般每300 m設(shè)置一處錯(cuò)車洞，為了加快施工進(jìn)度，可在隧道平巷內(nèi)每間隔80～100 m設(shè)置一處錯(cuò)車洞，采用裝載機(jī)配合小型自卸汽車出渣運(yùn)輸，既節(jié)省了出渣時(shí)間，又提高了生產(chǎn)效率。

2.4襯砌方案優(yōu)化

根據(jù)隧道圍巖地質(zhì)條件、施工條件，襯砌可分別采用噴錨襯砌、復(fù)合式襯砌、整體式襯砌。

噴錨襯砌在國(guó)內(nèi)外是比較成熟的技術(shù)，已在公路、鐵路、水工、礦山等各種地下工程中應(yīng)用，施工較為便捷。但受國(guó)內(nèi)施工控制環(huán)境管理等因素影響，工程質(zhì)量離散性大，目前主要作為初次支護(hù)。

復(fù)合式襯砌是油氣管道隧道中常用的方案，通過(guò)初期支護(hù)與二次襯砌相結(jié)合，使襯砌與圍巖形成統(tǒng)一體以支撐、加固圍巖。初期支護(hù)常采用噴錨支護(hù)，二次襯砌一般采用模筑混凝土或模筑鋼筋混凝土。但復(fù)合式襯砌施工過(guò)程中二次襯砌模板臺(tái)車與出渣車干擾，常常會(huì)影響施工進(jìn)度。

因二次襯砌模板臺(tái)車與出渣車干擾，影響施工進(jìn)度，而采用噴錨永久襯砌能夠及時(shí)跟進(jìn)開(kāi)挖面，對(duì)保證施工安全有利，同時(shí)可以縮短隧道施工工期，降低工程成本，可考慮將噴錨襯砌作為永久性支護(hù)方案［1］。

2.5管道敷設(shè)方案優(yōu)化

隧道內(nèi)管道的敷設(shè)方式應(yīng)充分考慮到管道輸送的介質(zhì)、隧道的縱坡、隧道斷面的大小、敷設(shè)管道的數(shù)量以及施工方式等條件。

對(duì)于水域隧道、坡度較大的山嶺隧道和水文條件較差的隧道以及有特殊要求的隧道，內(nèi)管道敷設(shè)應(yīng)采用支墩式敷設(shè)方式，便于降低施工難度；對(duì)于透水性小、洞內(nèi)通車、有保溫要求、溫差大、長(zhǎng)距離的山嶺隧道，宜采用填埋式敷設(shè)，有利于管道應(yīng)力釋放及后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)。

3　陜京三線南莊隧道方案優(yōu)化案例

陜京三線輸氣管道工程良鄉(xiāng)-西沙屯段項(xiàng)目全長(zhǎng)86 km。南莊隧道進(jìn)口位于北京市門頭溝區(qū)妙峰山鎮(zhèn)櫻桃溝云霧山莊內(nèi)，出口位于海淀區(qū)北安河鎮(zhèn)大工村附近。該隧道實(shí)長(zhǎng)1 880 m，縱向形式為“斜巷+平巷”，其中進(jìn)口段斜巷縱坡度26.79%，實(shí)長(zhǎng)579 m，出口段平巷縱坡度1.75%，實(shí)長(zhǎng)1 301 m。隧道斷面為直墻圓弧拱形，凈寬3.4 m、凈高3.4 m，其中墻高1.9 m、拱高1.5 m。隧道內(nèi)管道采用架空敷設(shè)。

為保障工期，經(jīng)過(guò)業(yè)主、設(shè)計(jì)單位、施工單位及行業(yè)專家多次研究，對(duì)南莊隧道的縱向設(shè)計(jì)、開(kāi)挖作業(yè)、裝渣及運(yùn)輸、襯砌、管道安裝方面提出了優(yōu)化。

3.1縱向設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

原方案中K0～K0+579為斜巷，坡度26.79%；K0+579～K1+880為平巷，坡度1.75%。根據(jù)實(shí)際施工進(jìn)度，將隧道剩余工程K0+484.6～K1+534.6 （1 050 m）統(tǒng)一調(diào)整為一個(gè)縱坡，并調(diào)整井底車場(chǎng)位置。進(jìn)口斜巷變短，可縮短提升機(jī)械的爬坡時(shí)間，節(jié)省出渣時(shí)間，有利于加快施工進(jìn)度?？v向設(shè)計(jì)方案優(yōu)化示意見(jiàn)圖1。

圖1　南莊隧道縱向設(shè)計(jì)方案優(yōu)化示意

3.2開(kāi)挖作業(yè)方案優(yōu)化

采用農(nóng)用車搭載簡(jiǎn)易施工平臺(tái)，具有施工機(jī)動(dòng)靈活、避免二次出渣、簡(jiǎn)化施工組織程序的優(yōu)點(diǎn)，推廣意義較大。

3.3裝渣及運(yùn)輸方案優(yōu)化

（1）采用40型裝載機(jī)裝渣，在距離隧道掘進(jìn)工作面最近的錯(cuò)車洞內(nèi)將棄渣裝入自卸式汽車，轉(zhuǎn)運(yùn)至渣場(chǎng)。斜井出渣采用裝載機(jī)鏟渣，在變坡點(diǎn)加寬段卸渣，通過(guò)自卸式汽車轉(zhuǎn)運(yùn)至棄渣場(chǎng)的方式。

（2）隧道內(nèi)原錯(cuò)車洞間距為每300 m一處，為加快施工進(jìn)度，錯(cuò)車洞間距調(diào)整為每150 m一處。并在錯(cuò)車洞處增加3個(gè)挖掘機(jī)、1個(gè)裝載機(jī)、1個(gè)小型設(shè)備停車洞，以減少出渣時(shí)間，壓縮循環(huán)時(shí)間。

3.4襯砌方案優(yōu)化

南莊隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖采用初期支護(hù)與二次襯砌相結(jié)合的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)采用噴錨襯砌。由于隧道斷面較小，二次襯砌施工與隧道開(kāi)挖施工相互干擾較大，且管道交付運(yùn)營(yíng)日期臨近，工期緊張，為加快施工進(jìn)度，結(jié)合中緬巖鷹山隧道、中貴線藤家灣隧道等工程經(jīng)驗(yàn)，取消部分地段Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖二次襯砌結(jié)構(gòu)，在原初期支護(hù)的基礎(chǔ)上，施做內(nèi)層噴射混凝土和鋼拱架結(jié)構(gòu)［2-4］。南莊隧道Ⅴ級(jí)圍巖二次襯砌鋼架設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2　　南莊隧道Ⅴ級(jí)圍巖二次襯砌鋼架設(shè)計(jì)（單位：cm）

3.5管道安裝方案優(yōu)化

因斜巷段架空敷設(shè)工程量大、施工難度相對(duì)較大、施工周期長(zhǎng)，為保證管道安裝工期，滿足管道安全、安裝及運(yùn)營(yíng)維護(hù)要求，提出斜巷段管道架空敷設(shè)、平巷段管道覆土敷設(shè)的方案。隧道洞內(nèi)平巷段管道覆土敷設(shè)方案見(jiàn)圖3。

圖3　　南莊隧道洞內(nèi)平巷段管道覆土敷設(shè)示意（單位：cm）

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)南莊隧道設(shè)計(jì)及施工方案優(yōu)化，降低了工程施工難度及風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了工期。施工過(guò)程中實(shí)施情況良好，于2013年8月23日順利貫通，項(xiàng)目運(yùn)行至今各項(xiàng)數(shù)據(jù)正常。本工程的優(yōu)化方案可為今后油氣管道隧道優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工提供參考。

［1］王建宇.關(guān)于山嶺隧道工程的技術(shù)進(jìn)步［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004，（S2）：1-10.

［2］何樹(shù)生，史航，楊建，等.油氣管道隧道噴錨襯砌支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2015，39（1）：81-85.

［3］郭強(qiáng).山區(qū)大坡度小斷面隧道施工技術(shù) ［J］.石油工程建設(shè)，2008，34（4）：27-29.

［4］葉明.山體隧道內(nèi)大口徑管道施工技術(shù) ［J］.石油工程建設(shè)，2010，36（2）：69-71.

Design and Construction Schemes Optimization of Nanzhuang Tunnel of Third Shanxi-Beijing Gas Pipeline

WANG Fengsheng，QIN Yuxin
North China Company of China Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Renqiu 062552，China

Along with the increasing requirements for environmentalprotection，the tunnels for oiland gas pipelines crossing high and steep mountains and wide rivers are applied more and more.Oil and gas pipeline tunnels as a kind of small cross-section tunnel have the disadvantages such as small excavation cross-section，limited working space，difficult equipment matching and mutual interference in working procedures.Through analyzing the design and construction schemes optimization of Nanzhuang Tunnel of Third Shaanxi-Beijing Gas Pipeline，the optimal measures in longitudinal design，excavation muck loading and transport，lining and piping installation are put forward.

oil/gas pipeline tunnel；scheme optimization；longitudinaldesign；lining scheme；piping installation

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.01.012

王奉生（1985-），男，山東滕州人，工程師，2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)從事長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)工作。Email：910043061@qq.com

2015-07-08；

2015-11-23