外部工程施工對在役埋地燃氣管道的影響

中國市政工程西南設計研究總院有限公司

楊 羅 李 斌 吳小平 劉世杰

供氣安全是燃氣行業(yè)的基本要求。在城市燃氣給城市居民帶來便利的同時，在役埋地燃氣管道因為第三方破壞、腐蝕等原因會失效而導致燃氣泄漏，從而引發(fā)中毒、火災及爆炸等事故時有發(fā)生。尤其是外部工程施工所造成的燃氣管道第三方破壞已經(jīng)排在各類在役埋地燃氣管道事故原因的首位。本文通過分析沖擊鉆孔樁施工、基坑施工及盾構施工這3種典型的外部工程施工對附近在役埋地燃氣管道的影響，提出了相應的監(jiān)控和防護措施。

1 外部工程施工對在役埋地燃氣管道的影響

目前對在役埋地燃氣管道運行安全影響較大的外部工程施工方式主要為：沖擊鉆孔樁施工、基坑施工及盾構施工。這3種典型的外部工程施工對附近在役埋地燃氣管道的影響分別如下：

1.1 沖擊鉆孔樁施工

樁基施工通常分為非擠土樁和擠土樁。非擠土樁(以樁孔灌注樁為代表)為先鉆孔后打入的預制樁，施工過程中清除孔中土體，樁周圍土體不受排擠，不會發(fā)生擠土效應，對周圍環(huán)境影響較小。擠土樁(以沖擊鉆孔樁為代表)為預制樁、封閉的管樁等，擠土樁在錘擊和振動貫入過程中都要將樁位處的土體大量排擠開，使土體結構嚴重擾動破壞。以下重點討論沖擊鉆孔樁施工對附近燃氣管道的影響。

沖擊鉆孔樁施工對附近在役埋地燃氣管道的影響主要為兩個方面：一是沖擊鉆孔樁施工時對土體壓密或者擠開，使土體產(chǎn)生隆起和水平位移，從而造成附近燃氣管道的位移破壞；二是沖擊鉆孔樁施工時的振動造成附近燃氣管道的振動破壞。

沖擊鉆孔樁施工造成的擠土效應和振動特性對附近在役埋地燃氣管道的影響大小與樁-管之間的距離呈負相關的規(guī)律，即隨著樁管之間的距離變大，沖擊鉆孔樁造成的擠土效應和振動對附近的燃氣管道影響減小。要減小或控制沖擊鉆孔樁造成的擠土效應和振動對附近燃氣管道的影響，首先應該在精確定位在役埋地燃氣管道位置的基礎上，確保沖擊鉆孔樁施工位置與在役埋地燃氣管道保持一定的間距。根據(jù)相關試驗研究及文獻記錄，打樁施工的擠土效應對周邊土體的嚴重擾動區(qū)一般為樁周圍3D(D為沖擊鉆孔樁樁徑)的范圍，實際工程中擠土樁與管道距離不小于3D時，擠土效應造成的管道變形影響相對較?。蝗绻谝勐竦厝細夤艿牢挥跊_擊鉆孔樁施工位置3倍沖錘半徑(3R)之外的范圍，可基本保證沖擊打樁施工過程中所產(chǎn)生的振動不會對管基的巖土層造成破壞，繼而避免威脅到管道的安全。沖錘半徑R指打樁機械沖錘的底面半徑，常見沖錘底面半徑有1.2 m、1.5 m、1.8 m、2.0 m等。沖擊鉆孔樁施工位置與在役埋地燃氣管道間距的確定參考《中華人民共和國石油天然氣保護法》中第三十條第(二)款的規(guī)定：保證鉆孔樁施工位置與在役埋地燃氣管道的間距不小于5 m，當沖擊鉆孔樁樁徑的3倍數(shù)值或打樁機械沖錘半徑的3倍數(shù)值大于5 m時，應選取上述數(shù)值較大者作為沖擊鉆孔樁施工位置與在役埋地燃氣管道的間距要求。

1.2 基坑開挖施工

基坑開挖施工對附近燃氣管道影響主要表現(xiàn)為：基坑開挖導致坑內(nèi)土體卸載，基坑側壁土體受到的內(nèi)力平衡被打破，土體內(nèi)應力重新分布。即基坑圍護結構在開挖過程中，由于坑內(nèi)土體卸荷而造成土壓力移除，從而打破應力平衡，改變基坑側壁土體受力，致使圍護結構產(chǎn)生變形和位移，引起基坑周圍地表沉陷。隨著基坑開挖基坑側壁土體發(fā)生變形位移，附近的埋地管線位于基坑外側土體內(nèi)，由于管土相互作用，所以基坑側壁土體的位移必然會導致周圍地埋管線的位移變形。

基坑開挖施工對附近燃氣管道影響的大小與基坑和燃氣管道的距離呈負相關關系，即基坑施工地點與燃氣管道的距離越大，對燃氣管道的影響越小。對于基坑開挖工程與在役埋地燃氣管道的間距要求，目前國內(nèi)相關規(guī)范并沒有明確的規(guī)定。如果要做到基坑開挖對附近燃氣管道影響很小或無影響，需保證基坑開挖工程與燃氣管道的間距不小于基坑開挖深度的4倍。但實際工程中往往無法保證上述間距要求，所以基坑開挖工程中對附近燃氣管線的監(jiān)控尤為重要。

1.3 盾構工程施工

GB 50028－2006(2020年版)《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》中第 6.3.3條規(guī)定：地下燃氣管道不得從其他建筑物和大型構筑物的下面穿越。盾構工程的隧道屬于大型地下構筑物，故一般要求盾構工程隧道從在役埋地燃氣管道下方通過。盾構工程盾構機掘進下穿管道時引起地層的損失，導致管道下方土體局部下沉，由于管道自身存在一定的縱向抗彎剛度，其變形與周邊土體往往不同步，土體變形通常較管線變形先發(fā)生且量值較大，易造成管線下方土體脫空，使管線存在較大的損壞風險，情況嚴重時可導致管線斷裂。因此盾構工程施工時必須要控制管道變形在允許的范圍內(nèi)。

國家相關規(guī)范及條例對盾構工程下穿燃氣管道施工中盾構工程與燃氣管道的間距要求如下：

(1)國能油氣(2015)392號文《油氣輸送管道與鐵路交匯工程技術及管理規(guī)定》第十四條規(guī)定：新建管道可在既有鐵路隧道洞身上方挖溝敷設。當采取非爆破方式開挖管溝時，管溝底部與鐵路隧道結構頂部外緣的垂直間距不應小于10 m，新建鐵路隧道在埋地管道下方采用控制爆破開挖時，隧道頂部與埋地管道底部的垂直高度不應小于20 m。

(2)《城鎮(zhèn)燃氣輸配系統(tǒng)設計規(guī)范(征求意見稿)》中第 5.3.2條規(guī)定：高壓、次高壓燃氣管道距地鐵涵洞頂不小于3 m，中壓燃氣管道距地鐵涵洞頂不小于 1.5 m，低壓燃氣管道距地鐵涵洞頂不小于1.0 m。

2 外部工程施工時對附近在役埋地燃氣管道的監(jiān)控防護措施

2.1 沖擊鉆孔樁施工

針對沖擊鉆孔樁施工過程中產(chǎn)生的振動對在役埋地燃氣管道的影響，必須進行有效的安全監(jiān)測與控制。監(jiān)測系統(tǒng)由速度傳感器、振動記錄儀和計算機組成。振動信號采集設備可選用爆破振動記錄儀。該設備價格便宜、操作簡便，在實際工程運行中效果較好。監(jiān)測前將監(jiān)測傳感器布置于在役埋地燃氣管線軸線上方的地表中，可實時監(jiān)測地表豎直方向的質點振動速度峰值。

監(jiān)測過程中質點振動速度峰值的安全判據(jù)可根據(jù)GB 50032－2003《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規(guī)范》的規(guī)定，參照GB/T 17742－2008《中國地震烈度表》，采用抗震設防烈度作為沖擊鉆孔振動的安全判據(jù)。GB 50032－2003中第1.0.3條規(guī)定：抗震設防烈度為6度或高于6度地區(qū)燃氣管道必須進行抗震設計。換言之只要施工振動導致的質點振動峰值速度不超過5度地震烈度所對應的質點振動峰值速度，則可認為埋地燃氣管道是安全的。考慮到地震振動與沖擊鉆孔振動的差異，沖擊鉆孔振動周期密集、累積效應嚴重，當確定沖擊鉆孔振動對埋地燃氣管線影響的安全判據(jù)時，可以地震烈度5度的質點振動峰值速度下限值20 mm/s作為基準，并參看史佩棟編著的《樁基工程手冊》中相關規(guī)定，取沖擊鉆孔質點安全振動速度最大不超過15 mm/s作為安全判據(jù)，當樁基施工過程中質點振動速度峰值接近該值的50%時應預警，達到該值的80%時應停止施工，采取如開挖隔振溝、降低打樁機械沖錘半徑或沖程等減振措施，防止對附近在役埋地燃氣管道產(chǎn)生破壞。

2.2 基坑開挖施工

當基坑開挖工程與燃氣管道的間距不能大于基坑開挖深度的4倍時，必須對附近燃氣管線進行監(jiān)控。監(jiān)控內(nèi)容以監(jiān)控管線位移、變形為主。參看美國溫特科恩(H.F.Winterkorn)，美國方曉陽(H.Y.Fang)主編的《基礎工程手冊》，對基坑開挖過程中，基坑周圍埋地燃氣管線的監(jiān)測點設計有具體要求：(1)對基坑周圍地埋管線設計監(jiān)測點應根據(jù)基坑周圍管線的材質、類型等特點進行布設；(2)對管線設計監(jiān)測點宜設計間距為15～25 m，且在管線接頭處、轉角、及變形曲率較大處應增加監(jiān)測點的布設；(3)對基坑周圍 3倍開挖深度范圍內(nèi)應加強對管線監(jiān)測。

實際施工過程中對埋地燃氣管線的監(jiān)測方式主要有兩種：一種是抱箍式，用扁鐵做成大于地埋管線管徑的圓形鐵環(huán)，然后固定測桿和地埋管線，測桿位于地表，所以可以較為精確地測量出基坑開挖過程中地埋管線的沉降或隆起；另外一種為套筒式，利用塑料或者金屬類管材埋置于地表與地埋管線之間，測量時可以利用測桿直接測量管線沉降。在正確安裝測桿位置的前提下，測量結果可以有效反應基坑開挖過程中地埋管線的沉降變化，適于埋深較淺的管線，也可以有效避免地表開挖。

對于管線位移、變形值的安全判據(jù)，目前國家規(guī)范沒有統(tǒng)一的規(guī)定，國內(nèi)部分地區(qū)結合自身實際，根據(jù)管線垂直和水平變形、管線接頭轉角與脫開、管線應變等方面制定有若干的地方標準，如表1所示。

表1 國內(nèi)地方標準中對管道變形值的安全判據(jù)

根據(jù)現(xiàn)有研究可以看出目前的控制標準涉及管線位移變形、管線接頭變形等方面，但考慮因素的側重點各有不同。從實際工程應用來看，上海市地方標準DG/TJ 08-2001－2016《基坑工程施工監(jiān)測規(guī)程》中給出的管線位移監(jiān)測報警方法操作簡便，報警數(shù)值設置合理。但該規(guī)范提供的監(jiān)測指標中缺少對管道應變控制的指標，可以參考 GB/T 34275－2017《壓力管道規(guī)范 長輸管道》中提供的燃氣管線水平應變量指標，在監(jiān)測報警指標中增加管道徑向累計變形量不得大于3%D(D為燃氣管線直徑)的要求。

2.3 盾構工程施工

盾構工程下穿燃氣管道施工中，燃氣管線的防護措施以監(jiān)控管線豎向位移(即沉降指標)為主。豎向位移監(jiān)測點宜布設在地下燃氣管線的節(jié)點、轉角點、位移變化敏感或者預測變形較大的部位，可采用抱箍法在燃氣管道上設置直接監(jiān)測點，如圖1所示。

圖1 抱箍法監(jiān)測點示意

抱箍法是在特制的圓環(huán)(也稱抱箍)上連接固定測桿，圓環(huán)抱箍在管線上，將測桿與管線連接成一個整體，測桿略低于天然地面，測桿出頭位置地面處設置相應的保護測桿的窖井。此方法觀測精度較高，使用方便。

根據(jù)現(xiàn)有的國家標準和地方標準，對于盾構工程下穿燃氣管道施工中燃氣管線豎向位移值的安全判據(jù)如下：

(1)對于管徑在DN100～DN400的燃氣管道，可參看GB 50911－2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》中 9.3.3條的規(guī)定：豎向位移累計值不得超過10～30 mm，變化速率不大于2 mm/d，差異沉降值不大于0.3%管節(jié)長度。

(2)對于管徑大于DN400的燃氣管道，可參看上海市標準DG/TJ 08-2224－2017《城市軌道交通工程施工監(jiān)測技術規(guī)范》中 9.5.2條的規(guī)定：燃氣管道豎向位移累計值不得超過10 mm，變化速率不大于2 mm/d，差異沉降值不大于0.25%管節(jié)長度。

3 結語

外部工程施工期間如果對在役埋地燃氣管道的監(jiān)控防護措施不到位，存在安全隱患，不僅影響外部工程的正常施工，更會對在役埋地燃氣管道造成威脅。為此，應借鑒管道完整性管理理念，建立外部施工對在役埋地燃氣管道及設施破壞的全方位、全過程預警體系和監(jiān)護措施，強調對安全隱患及時做出反應，逐步降低外部施工對在役埋地燃氣管道破壞事故發(fā)生率，保障管道的安全運行。