基坑工程對鄰近天然氣管道的影響及管道防護

朱琴君， 龐志輝， 何 偉， 翟天平， 李 超

(1.杭州市燃氣集團有限公司， 浙江 杭州 310004； 2.杭州市城鄉(xiāng)建設設計院股份有限公司，浙江 杭州 310004； 3.浙江省水利水電勘察設計研究院， 浙江 杭州 310004；4.杭州市市政公用建設開發(fā)有限公司， 浙江 杭州 310004；5.杭州西湖城市建設投資集團有限公司，浙江 杭州 310004)

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展及城市化進程不斷推進，我國基礎設施建設發(fā)展迅速，各類用途的地下空間及設施也得到了前所未有的發(fā)展。地下空間和設施包括高層建筑地下室、地下商業(yè)街、地鐵站、地鐵及道路隧道等，這類工程的實施均需要進行深基坑開挖?；庸こ淌┕鹜馏w應力場的變化，不可避免地產(chǎn)生地表變形，會破壞鄰近埋地管道受力的平衡狀態(tài)，引起管道的附加位移和受力，甚至會造成管道的開裂或破壞。尤其是對于天然氣管道，一旦發(fā)生破壞，天然氣將在非常短的時間內大量泄漏，容易造成爆炸和火災，對附近的人員和建筑物造成傷害和破壞，直接影響到周邊的公共安全和社會穩(wěn)定。本文以實際的深基坑工程作為案例，分析其設計和施工過程對鄰近埋地天然氣管道造成的安全影響，并提出相應的安全控制措施。

1 基坑工程對周邊環(huán)境影響規(guī)律

基坑開挖是土體的卸荷過程，鄰近土體的位移場、應力場和基坑都會因為土體的卸荷而產(chǎn)生變化，圍護結構后面地表的沉降變形、圍護結構的水平位移和坑底的隆起變形都是周圍地層移動和基坑變形結果的直觀表現(xiàn)[1]。典型的基坑變形形態(tài)見圖1。

圖1 典型的基坑變形形態(tài)

基坑開挖打破了基坑土體原有的應力平衡，使得支護結構側移，土體也隨之發(fā)生側移，必然導致地下天然氣管道發(fā)生向基坑內方向的移動，移動的距離稱為水平位移，同時深基坑開挖將引起鄰近地面下沉，導致地下天然氣管道豎向移動，移動的距離稱為豎向位移，當豎向位移與水平位移達到天然氣管道變形的極限值時，將會引起天然氣管道的豎向與水平拉裂破壞。

2 基坑工程對天然氣管道的有害因素分析

① 基坑開挖導致周圍地基土體的變形，對周圍地下管線產(chǎn)生重大影響，嚴重的將危及正常使用或安全。

② 基坑開挖涉及大量土方外運也將對天然氣管道產(chǎn)生影響。

③ 基坑支護結構若未控制與管道之間的安全間距，可能會造成對管道及管道外防腐層的破壞，導致管道防腐效果的失效和管道的破裂。

④ 泥漿排放或排水措施不力時，會改變天然氣管道周圍地質條件，從而破壞天然氣管道原有的穩(wěn)定或造成管道防腐層的破壞，故在開挖深基坑時應注意加強排水防灌措施，實時監(jiān)測，且應提前做好應急預案。

3 基坑工程天然氣管道保護措施

對于基坑周邊的天然氣管道，如果不具備遷改條件，往往采取以下兩種方案進行保護。

① 優(yōu)化施工參數(shù)，加強主動防控。根據(jù)場地地質條件，加強圍護結構的強度，減少施工對土體的擾動，進而減少對地下天然氣管道的影響?？梢圆扇〖訌妵o結構的形式，也可以采取加固坑內土體的加固方案。

② 采取特殊處理，做好被動防控。利用監(jiān)測，對現(xiàn)有管道進行保護或加固，主要有隔離法、土體加固法、卸載保護法、懸吊法等。

4 工程案例

4.1 項目概況

本項目為輸水隧道盾構工作井工程，盾構工作井為矩形井，主體結構為地下四層框架結構，外包尺寸為38.3 m×15.8 m，井深29.25 m。主體結構與圍護結構間形成疊合墻形式；內襯墻厚度600～800 mm，頂板覆土2 m。盾構工作井南側邊線與省級天然氣管道的水平間距為15.6～17.1 m；省級天然氣管道為直埋敷設，管頂埋深為2.35～4.00 m。盾構工作井與省級天然氣管道的位置關系見圖2，圖2中數(shù)值相應的單位均為m。

圖2 盾構工作井與省級天然氣管道的位置關系

4.2 地質情況

據(jù)勘察結果，工作井場地60 m淺范圍內地基巖土以第四系及白堊系地層為主。地基巖土自上而下共分為4個工程地質層：Ⅱ2層砂質粉土，中等或低壓縮性，干強度及韌性均較低，該層厚度為5.4～8.8 m；Ⅲ1層淤泥質粉質黏土與粉土互層，含水量高、壓縮性高、承載力低，該層厚度為34.7～38.2 m；ⅩⅢ層含礫砂粉質黏土，以坡積成因為主，礫石含量較低，局部含砂較多，該層厚度為0.7～1.5 m；ⅩⅤ1層晶屑玻屑凝灰?guī)r，強風化巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，弱風化呈塊狀或短柱狀，具晶屑玻屑凝灰結構，塊狀構造，由大量火山碎屑物質堆積壓實而成。場地內分布有Ⅲ1層淤泥質粉質黏土與粉土互層，土質軟弱，具有流變觸變特性，工程性質較差，對工作井基坑開挖影響較大。

取pH=6.0的枸杞蛋白質溶液8.0ml，加入相對應的(NH4)2SO4固體[11]，使蛋白質溶液的(NH4)2SO4飽和度達20%，搖勻，靜置3～4h后以8000r/min離心10min，傾出上清液并測量體積，重復以上步驟，直到蛋白質溶液的(NH4)2SO4飽和度達100%。得到(NH4)2SO4飽和度分別為20%、40%、60%、80%、100%的枸杞蛋白沉淀。向5次離心后的傾出上清液的離心管中加入0.2mol/l pH=6.0的PBS緩沖液5.0ml，輕輕搖動，使貼于管壁上的蛋白質溶解后置于冰箱中保存。

4.3 基坑工程圍護設計過程中控制措施

4.3.1 埋地天然氣管道的精確探測

本工程天然氣管道為淺埋敷設，采用常規(guī)的電磁感應法測得地下管道的位置，然后在管道業(yè)主的監(jiān)護下，采取開挖樣洞的方式現(xiàn)場驗證管道的確切位置。

4.3.2 周邊管線監(jiān)測報警值選取

盾構井基坑周邊環(huán)境監(jiān)測報警值根據(jù)GB 50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》第8.0.5條確定?；又苓叺叵鹿芫€的監(jiān)測報警值范圍見表1。與盾構井鄰近的省級天然氣管道為柔性管線，變形位移累計報警值范圍為10～40 mm，本文取報警值為40 mm。

表1 基坑周邊地下管線的監(jiān)測報警值

4.3.3 基坑工程設計控制措施

基坑挖深31.45 m，采用120 cm 厚的地下連續(xù)墻圍護，頂部設1道混凝土支撐，下部設7道鋼支撐和1道混凝土支撐，在施工下部設混凝土支撐時，設置1道臨時鋼支撐。建立的地表沉降計算模型見圖3，該模型為過工作井長邊中心垂直于長邊的斷面，計算采用Qimstar 同濟啟明星基坑支護結構專用軟件FRWS8.2。地面超載取30 kPa，潛水位取施工場地標高以下 1.5 m，地下連續(xù)墻底部伸入到ⅩⅤ1弱風化晶屑玻屑凝灰?guī)r中，該區(qū)域附近無明顯承壓水層，基坑安全等級為一級。土層參數(shù)見表2，計算結果見表3。由表3可知，地下連續(xù)墻右側土體最大沉降量為53.9 mm，不滿足規(guī)范對于周邊柔性管線的變形要求。

圖3 地表沉降計算模型

表2 土層參數(shù)

表3 地表沉降計算結果

① 控制措施1：加強基坑圍護強度

表4 加強基坑圍護強度后的地表沉降計算結果

② 控制措施2：土體加固法

a.加固方案

對于基坑開挖造成土體位移、地面沉降等現(xiàn)象，通過袖閥管注漿的方法來加固土體。在距離天然氣管道5 m外設置2排注漿孔斜向下深入到管道底部，袖閥管敷設于注漿孔中，作為土體加固和跟蹤注漿用。施工前注漿加固，提高土體強度，減小變形量；施工過程中跟蹤注漿，補償沉降量，適當抬升管道變形；施工完成后注漿充填加強管壁松散土和空隙處。袖閥管注漿加固土體見圖4。

圖4 袖閥管注漿加固土體

b.鋼管變形有限元分析計算

本工程已建省級天然氣管道是外直徑為813 mm的鋼管，距離盾構井取16.8 m，管頂埋深取2.5 m。采用大型巖土有限元分析軟件Midas/GTS進行二維分析。根據(jù)基坑開挖的影響范圍，模型長度取100 m(垂直于管道軸線方向)，高度為重力方向，取80 m，劃分網(wǎng)格后的計算模型見圖5。模型四周為限制水平方向約束，底面為限制豎直方向約束，上表面為自由約束。主要分析基坑開挖對天然氣管道的影響及袖閥管注漿加固土體后對天然氣管道的影響。

該模型中，土體采用二維平面單元模擬，管道采用梁單元模擬，本構模型采用修正摩爾-庫倫模型。模型計算時，對土體施加變形(采用表3的地表沉降值)，分析在此影響下天然氣管道的變形情況。在分析采用袖閥管注漿加固土體后基坑開挖對天然氣管道的影響時，加固土體彈性模量取40 MPa，施加膨脹壓力來增加體積單元模擬注漿過程，膨脹壓力取0.1 MPa。土層參數(shù)采用表2的值，考慮到實際地質情況的復雜性，為使計算結果安全性更高，模擬中加大了強風化晶屑玻屑凝灰?guī)r的厚度設置值(設置為5 m)。鋼管的力學性質指標見表5。

表5 鋼管的力學性質指標

圖5 劃分網(wǎng)格后的計算模型

計算工況：本次模擬計算過程中，不考慮自重情況下已經(jīng)產(chǎn)生的先期位移，只考慮此次基坑開挖引起的附加變形。根據(jù)施工先后順序，計算可分為工況1～ 4進行分析。工況1：初始地應力計算，位移清零；工況2：管道結構完成，位移清零；工況3：施加基坑開挖引起的土體位移，模擬得到天然氣管道變形位移情況；工況4：袖閥管注漿加固土體后，模擬得到天然氣管道變形位移情況。

計算結果：工況3天然氣管道橫截面變形位移云圖見圖6(圖6中色標表示變形位移，單位為mm)，最大變形位移為41.38 mm，超出規(guī)范對于周邊柔性管線的要求。工況4袖閥管注漿加固土體后，天然氣管道橫截面變形位移云圖見圖7(圖7中色標表示變形位移，單位為mm)，最大變形位移為20.85 mm，說明經(jīng)過土體加固后，管道的變形已大幅下降，滿足規(guī)范對于周邊柔性管線的要求。在施工過程中的安全監(jiān)測輔助下，進行多次跟蹤注漿可以有效控制基坑開挖導致的管道變形位移。

圖6 工況3天然氣管道橫截面變形位移云圖

圖7 工況4天然氣管道橫截面變形位移云圖

4.4 基坑工程圍護施工過程中控制措施

本工程設計方案經(jīng)過技術經(jīng)濟比較后，采取了加強基坑圍護強度結合施工過程中進行管道安全監(jiān)測的控制措施，土體加固方案作為管道變形位移超過監(jiān)測預警值要求時的應急方案。針對基坑施工過程中的省級天然氣管道進行監(jiān)測，監(jiān)測點平面間距15～25 m，布設于管道的節(jié)點、轉折點及變形曲率較大的部位，其中有開挖條件的管段，則開挖暴露，將監(jiān)測點直接布設到管道上；無開挖條件的管段，在對應的地表埋設間接監(jiān)測點。監(jiān)測點布置方法見圖8。

本工程監(jiān)測期限為2019年3月14日至10月4日，在此期間管道監(jiān)測點處的最大沉降量均滿足規(guī)范對于周邊柔性管線的變形位移要求。說明基坑在設計過程中采取的加強措施有效且可靠，基坑施工期間天然氣管道運行狀態(tài)安全可控。直接監(jiān)測點RC3的沉降觀測值軟件截圖見圖9。

圖8 天然氣管道的監(jiān)測點布置1.地面 2.保護井 3.測桿 4.保護桿 5.管道 6.錨頭

圖9 RC3處天然氣管道的沉降觀測值軟件截圖

5 結論

分析基坑工程對鄰近天然氣管道的有害因素、天然氣管道保護措施。結合工程案例，探討基坑工程保護天然氣管道的措施。給出基坑周邊地下管線的監(jiān)測報警值。采用基坑支護結構專用軟件進行基坑周圍地表沉降計算，得到土體最大沉降量為53.9 mm，不滿足規(guī)范對于周邊柔性管線的要求。提出2種保護措施：加強基坑圍護強度、土體加固。采用大型巖土有限元分析軟件Midas/GTS進行模型計算，分析基坑開挖對天然氣管道的影響及袖閥管注漿加固土體后對天然氣管道的影響。燃氣管道最大變形位移為41.38 mm，超出規(guī)范對于周邊柔性管線的變形位移要求。經(jīng)過土體加固后，管道的變形位移大幅下降，滿足規(guī)范對于周邊柔性管線的要求。工程設計方案經(jīng)過技術經(jīng)濟比較后，采取了加強基坑圍護強度結合施工過程中進行管道監(jiān)測的措施，土體加固方案作為管道變形位移超過監(jiān)測預警值的應急方案?；邮┕み^程中對省天然氣管道進行監(jiān)測，可知采取的保護措施有效且可靠，基坑施工期間天然氣管道運行狀態(tài)安全可控。