環(huán)境敏感區(qū)油氣管道過(guò)江隧道設(shè)計(jì)難點(diǎn)及對(duì)策

白 琳 胡文君 謝啟帥 向 勇

中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

相比公路、鐵路行業(yè),油氣管道行業(yè)的過(guò)江隧道建設(shè)起步較晚。20世紀(jì)90年代，川渝地區(qū)的油氣管道工程采用過(guò)江隧道方式穿越長(zhǎng)江，開(kāi)啟了油氣管道行業(yè)過(guò)江隧道建設(shè)的序幕。在近20年的時(shí)間,中國(guó)油氣管道迎來(lái)了跨越式發(fā)展,已建成的西氣東輸管道工程系列、陜京輸氣管道工程系列、中俄管道及各省級(jí)的天然氣管網(wǎng)工程先后采用過(guò)江隧道方式成功穿越了長(zhǎng)江、黃河、錢塘江、東江以及黑龍江等大中型河流[1-3]。

近些年，油氣管道過(guò)江隧道雖然取得了一些發(fā)展,但目前中國(guó)學(xué)者及工程技術(shù)人員對(duì)環(huán)境敏感區(qū)過(guò)江隧道的針對(duì)性研究還較少,管道工程輸送的內(nèi)容物屬于易燃易爆等?；?對(duì)管道工程的安全、工期和投資控制等方面要求較為嚴(yán)格,需對(duì)其面臨的具體難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性研究。本文以浙江省天然氣管網(wǎng)“縣縣通”工程大溪隧道為例,結(jié)合油氣管道隧道工程的特點(diǎn),研究了環(huán)境敏感區(qū)過(guò)江隧道設(shè)計(jì)的難點(diǎn)及對(duì)策,為安全、經(jīng)濟(jì)、合理地設(shè)計(jì)油氣管道過(guò)江隧道提供參考。

1 工程概況

大溪隧道總長(zhǎng)1 704.5 m,采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu),凈空斷面尺寸為3.5 m×3.5 m(直墻—圓拱型),受外部環(huán)境限制,平面設(shè)置為折線,縱斷面采用“斜巷(404 m/-20.2%)+平巷(835 m)+斜巷(447.5 m/18.5%)”的穿越形式。穿越點(diǎn)位于浙江省麗水市蓮都區(qū)大港頭鎮(zhèn),穿越點(diǎn)夏季水面寬度約370 m,一般水深5～25 m,每次暴雨后水位暴漲,百年洪水位最大漲幅約10 m(最大水深約35 m)。由于受管道總體路由走向及當(dāng)?shù)匾?guī)劃的影響,政府相關(guān)部門推薦的穿越點(diǎn)周邊存在軍事管理區(qū)、高速公路及橋梁、各等級(jí)公路、珍稀動(dòng)物自然保護(hù)區(qū)、水電站、城市供水管道、4A級(jí)旅游景區(qū)等環(huán)境敏感點(diǎn),平面位置見(jiàn)圖1。

圖1 大溪隧道穿越位置示意圖Fig.1 Location of Daxi tunnel crossing

隧址區(qū)出露地層主要為第四系全新統(tǒng)松散堆積層,侏羅系燕山三期混合花崗巖類,侏羅系中統(tǒng)漳平組泥質(zhì)粉砂巖、砂巖、礫巖,以及侏羅系下統(tǒng)橋源組石英砂巖地層。該隧道水文地質(zhì)情況復(fù)雜,關(guān)鍵的河床段發(fā)育多組斷層破碎帶,以斷層碎裂巖、斷層碎塊為主,次為斷層角礫,可見(jiàn)斷層泥、糜棱巖,分界不明顯;夾有中等風(fēng)化粉砂質(zhì)板巖、變質(zhì)粉砂巖透鏡體;巖體呈碎石角礫狀至散體狀結(jié)構(gòu)。河床段為強(qiáng)富水區(qū),基巖中含裂隙水和構(gòu)造裂隙水,施工時(shí)極易與河床連通形成“漏水天窗”。

2 工程設(shè)計(jì)難點(diǎn)及對(duì)策

受工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、場(chǎng)地條件和周邊環(huán)境的限制,通過(guò)方案比選,大溪隧道采用鉆爆法施工。該隧道設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于隧道穿越軸線與環(huán)境敏感點(diǎn)的安全間距,以及河床段隧道合理埋深的確定。

2.1 穿越軸線與環(huán)境敏感點(diǎn)的安全間距

穿越軸線與環(huán)境敏感點(diǎn)的安全間距分為兩部分:隧道兩端的連接管道與周邊環(huán)境敏感點(diǎn)的安全間距;隧道本體與周邊環(huán)境敏感點(diǎn)的安全間距。

2.1.1 連接管道

連接管道周邊的環(huán)境敏感點(diǎn)及建構(gòu)筑物主要有景區(qū)居民房，高速公路及橋梁、省道及各等級(jí)公路，軍事管理區(qū)，市政供水管道，水電站大壩等。

2.1.1.1 居民房

根據(jù)《中華人民共和國(guó)石油天然氣管道保護(hù)法》[4]規(guī)定,確保穿越軸線(含連接管道及隧道)兩側(cè)各5 m范圍內(nèi)無(wú)已建或規(guī)劃建筑物。同時(shí)在設(shè)計(jì)階段應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目所在地區(qū)是否存在單獨(dú)制定的管道保護(hù)相關(guān)規(guī)定,如有安全間距要求的盡量按照地方要求執(zhí)行,對(duì)于無(wú)法達(dá)到上述要求的,則需上報(bào)討論確定。如無(wú)明確要求可參照經(jīng)驗(yàn)確定:一般對(duì)于獨(dú)立的居民房或建構(gòu)筑物,安全間距≥5 m。

2.1.1.2 各等級(jí)公路

管道與等級(jí)公路穿越和并行應(yīng)執(zhí)行《公路安全保護(hù)條例》[5]和《關(guān)于規(guī)范公路橋梁與石油天然氣管道交叉工程管理的通知》[6]規(guī)定,并行敷設(shè)時(shí)應(yīng)盡量敷設(shè)在公路建構(gòu)筑物控制區(qū)范圍外。

管道并行公路敷設(shè)時(shí),對(duì)于地形特殊確實(shí)難以在公路建構(gòu)筑物控制區(qū)范圍外敷設(shè)的局部地段,在對(duì)管道采取加強(qiáng)保護(hù)措施后(如加蓋板、套管或者箱涵),管道可埋設(shè)在公路路肩邊線以外的公路用地范圍內(nèi)或公路建構(gòu)筑物控制區(qū)內(nèi),但應(yīng)當(dāng)向公路管理機(jī)構(gòu)提出申請(qǐng),取得公路管理機(jī)構(gòu)同意后方可實(shí)施。

2.1.1.3 軍事管理區(qū)

根據(jù)《中華人民共和國(guó)軍事設(shè)施保護(hù)法》[7]和《中華人民共和國(guó)軍事設(shè)施保護(hù)法實(shí)施辦法》[8]規(guī)定,管道不應(yīng)在軍事禁區(qū)、軍事管理區(qū)內(nèi)敷設(shè)(無(wú)具體安全間距要求),并應(yīng)對(duì)沒(méi)有劃入軍事禁區(qū)、軍事管理區(qū)的軍事設(shè)施進(jìn)行保護(hù)。因此,在軍事禁區(qū)、軍事管理區(qū)外近距離敷設(shè)管道時(shí),只需取得軍事管理部門的同意即可。

2.1.1.4 市政供水管道

根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]規(guī)定,輸氣管道與其他管道交叉時(shí),垂直凈距不應(yīng)小于0.3 m,當(dāng)小于0.3 m時(shí),兩管間交叉處應(yīng)設(shè)置堅(jiān)固的絕緣隔離物,交叉點(diǎn)兩側(cè)各延伸10 m以上的管段,應(yīng)確保管道防腐層無(wú)缺陷。同時(shí)根據(jù)《中華人民共和國(guó)石油天然氣管道保護(hù)法》[4]規(guī)定,輸氣管道與市政供水管道間距不宜小于5 m。

2.1.1.5 水電站大壩

根據(jù)GB 50453—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱GB 50453—2013)[10]規(guī)定，水域穿越管段與港口、碼頭、水下建構(gòu)筑物之間的距離,當(dāng)采用大開(kāi)挖穿越時(shí)不宜小于200 m,當(dāng)采用定向鉆穿越、隧道穿越時(shí)不宜小于100 m。在路由受限情況下,隧道穿越軸線與大壩間距小于100 m時(shí),應(yīng)以GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》[11](以下簡(jiǎn)稱GB 6722—2014)規(guī)定的爆破指標(biāo)進(jìn)行控制,對(duì)爆破方案進(jìn)行安全評(píng)估,并應(yīng)取得水利管理部門同意。

2.1.1.6 珍惜動(dòng)物自然保護(hù)區(qū)

根據(jù)《中華人民共和國(guó)自然保護(hù)區(qū)條例》[12]規(guī)定:在自然保護(hù)區(qū)的核心區(qū)和緩沖區(qū)內(nèi),不得建設(shè)任何生產(chǎn)設(shè)施。在自然保護(hù)區(qū)的實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi),不得建設(shè)污染環(huán)境、破壞資源或者景觀的生產(chǎn)設(shè)施;建設(shè)其他項(xiàng)目,其污染物排放不得超過(guò)國(guó)家和地方規(guī)定的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。

輸氣管道禁止通過(guò)自然保護(hù)區(qū)的核心區(qū)和緩沖區(qū),同時(shí)也不宜通過(guò)自然保護(hù)區(qū)的實(shí)驗(yàn)區(qū)。

2.1.2 隧道本體

根據(jù)GB 50453—2013的規(guī)定，水域穿越管段與港口、碼頭、水下建構(gòu)筑物之間的距離,當(dāng)采用隧道穿越時(shí),平面距離不宜小于100 m。

水域穿越管段與橋梁間的最小距離應(yīng)根據(jù)穿越形式確定,采用隧道穿越時(shí),隧道的埋深及邊緣至橋梁墩臺(tái)的距離不應(yīng)影響橋梁墩臺(tái)的安全。GB 50453—2013并未明確具體的安全距離,筆者認(rèn)為由于隧道的斷面大小不一樣,施工時(shí)采取的爆破當(dāng)量也不一樣,因此,不宜以安全間距來(lái)控制而應(yīng)以安全指標(biāo)來(lái)控制。

根據(jù)GB 6722—2014的規(guī)定,以振動(dòng)速度作為評(píng)價(jià)爆破震動(dòng)強(qiáng)度的參量,由GB 6722—2014推薦的薩道夫斯基公式整理可得:

(1)

在國(guó)內(nèi)大多數(shù)實(shí)際工程中,建構(gòu)筑物地面質(zhì)點(diǎn)的振速被作為衡量和描述爆破振動(dòng)強(qiáng)度的唯一的指標(biāo),它與一次齊發(fā)爆破或單段最大裝藥量、爆心距、地質(zhì)地形條件和爆破方法等因素有關(guān),其安全振速的大小均遵循GB 6722—2014規(guī)定。GB 6722—2014規(guī)定了主要建構(gòu)筑物的破壞判據(jù),由于大溪隧道周邊環(huán)境敏感點(diǎn)較多,在設(shè)計(jì)階段將爆破質(zhì)點(diǎn)振速控制指標(biāo)值定為2 cm/s。該隧道的凈斷面為3.5 m×3.5 m(直墻—圓拱型),采用水平切向振速、水平徑向振速和豎向振速的合速度進(jìn)行判斷;工程最大單段裝藥量為3.3 kg。

為此,在隧址區(qū)進(jìn)行了試爆,主要用于分析地表質(zhì)點(diǎn)振速的傳播規(guī)律及其預(yù)測(cè)公式的修正,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表

表1中所有測(cè)試點(diǎn)的地表振速均小于2 cm/s,說(shuō)明該爆破方案安全。

表2 振動(dòng)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)整理表

(2)

因此,在一次齊發(fā)爆破或最大單段裝藥量3.3 kg的情況下,爆心距30 m以外的質(zhì)點(diǎn)振速均小于2 cm/s,需要保護(hù)的敏感建構(gòu)筑物均安全。

因此,大溪隧道與周邊各敏感建構(gòu)筑物的最小安全間距見(jiàn)表3。

表3 最小安全間距統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),隧道的洞口及洞身軸線離表3中敏感建構(gòu)筑物的最小間距及指標(biāo)均滿足要求。

2.2 河床段隧道的合理埋深

由于隧道工程具有計(jì)算模型復(fù)雜、力學(xué)參數(shù)難以準(zhǔn)確探測(cè)和選取的特點(diǎn),河床段隧道埋深的確定在很大程度上依賴于工程類比經(jīng)驗(yàn)法。控制河床段隧道合理埋深的因素很多,如工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、隧道尺寸、可選用的縱坡坡度(由于油氣管道隧道縱坡坡度較為靈活,因此該因素可不考慮)、施工工法、軸線周邊環(huán)境等,其中最重要的是工程地質(zhì)條件和施工工法。對(duì)于大溪隧道河床段的合理埋深,在設(shè)計(jì)階段主要采取經(jīng)驗(yàn)法、數(shù)值分析法進(jìn)行分析,并結(jié)合塌落拱理論及周邊環(huán)境因素綜合確定[13-15]。

2.2.1 經(jīng)驗(yàn)法確定最小埋深

國(guó)內(nèi)外常用的經(jīng)驗(yàn)法有三類,即挪威海底隧道經(jīng)驗(yàn)法、中國(guó)頂水采煤經(jīng)驗(yàn)法及日本最小涌水經(jīng)驗(yàn)法。

2.2.1.1 挪威海底隧道經(jīng)驗(yàn)法

在挪威,海底隧道最小巖石覆蓋層厚度通常用工程類比法確定,其經(jīng)驗(yàn)曲線見(jiàn)圖2[16]。

圖2 挪威海底隧道巖石覆蓋厚度與水深關(guān)系圖Fig.2 Relationship between rock cover thickness andwater depth in Norwegian subsea tunnel

總結(jié)國(guó)外已建隧道的工程經(jīng)驗(yàn)并類比到擬建工程是非常有價(jià)值的工作,挪威海底隧道主要修建在火成巖和變質(zhì)巖中,許多學(xué)者對(duì)海底隧道最小埋深做了專題研究,總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)參考值見(jiàn)表4[16]。

表4 挪威海底隧道最小埋深經(jīng)驗(yàn)值表

2.2.1.2 中國(guó)頂水采煤經(jīng)驗(yàn)法

過(guò)江隧道最小巖石覆蓋層厚度的確定與水下采煤留設(shè)煤巖柱有相似之處,可借鑒采煤中的安全防水煤巖柱的經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)基巖直接裸露,河床段沒(méi)有沉積層時(shí)[17]:

H1=a+s+h1

(3)

2.2.1.3 日本最小涌水經(jīng)驗(yàn)法

日本最小涌水經(jīng)驗(yàn)法公式可簡(jiǎn)化為[18]:

(4)

采用上述三類經(jīng)驗(yàn)法確定大溪隧道河床段最小埋深見(jiàn)表5。

表5 國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)法確定最小埋深表

因此,在百年洪水位情況下,經(jīng)驗(yàn)法確定大溪隧道河床段最小埋深為40 m。

2.2.2 數(shù)值分析法確定最小埋深

數(shù)值分析采用MIDS-GTS軟件進(jìn)行,圍巖的屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,根據(jù)地勘報(bào)告河床段圍巖參數(shù)為重度22 kN/m3,彈性模量1 GPa,泊松比0.3,內(nèi)摩擦角25°,黏聚力100 kPa。以覆蓋層厚度40 m為例建模并進(jìn)行數(shù)值分析。為消除邊界條件的影響,模型左右及下部為各20 m(大于5倍隧道寬度)進(jìn)行計(jì)算,主要分析有無(wú)水壓工況下,隧道開(kāi)挖對(duì)地層的擾動(dòng)情況,即開(kāi)挖前后地層豎向壓應(yīng)力及豎向位移的變化。

2.2.2.1 無(wú)水壓工況

圖3為隧道開(kāi)挖前后豎向應(yīng)力分布圖(無(wú)水壓)。圖3說(shuō)明隧道開(kāi)挖后,拱頂以上豎向壓應(yīng)力在一定范圍內(nèi)存在減小的趨勢(shì),豎向應(yīng)力影響范圍為拱頂30～35 m,超過(guò)此范圍,豎向應(yīng)力變化不大。

圖4為隧道開(kāi)挖后,拱頂上土層豎向位移曲線。由圖4可知，隧道開(kāi)挖后,拱頂上覆地層超過(guò)20 m后,豎向沉降急劇減小,說(shuō)明拱頂上覆地層超過(guò)20 m后,隧道開(kāi)挖對(duì)地層的影響較小。在拱頂30～35 m以上,豎向位移接近0 mm,即不存在擾動(dòng)。單純從隧道開(kāi)挖對(duì)地層影響分析,從地應(yīng)力和豎向位移兩方面均可斷定,隧道斷面埋深超過(guò)30～35 m時(shí),隧道開(kāi)挖對(duì)河床無(wú)影響。

a)地應(yīng)力平衡階段a)In situ stress equilibrium stage

b)隧道開(kāi)挖后b)After tunnel excavation

圖4 拱頂上距離與豎向位移關(guān)系圖Fig.4 Relationship between distance above arch crownand vertical displacement

2.2.2.2 35 m水壓工況

基于同樣覆蓋層厚度,對(duì)百年一遇最大洪水位下，水深35 m工況下,隧道開(kāi)挖對(duì)河床的擾動(dòng)進(jìn)行分析,建模時(shí)將35 m水壓以均布荷載作用在模型頂面。隧道開(kāi)挖前后豎向應(yīng)力分布(35 m水壓)見(jiàn)圖5。從圖5可以看出,當(dāng)隧道上覆地層超過(guò)35 m時(shí),豎向應(yīng)力基本無(wú)變化,說(shuō)明隧道開(kāi)挖影響高度約35 m,與無(wú)水壓工況基本一致。這表明,隧道開(kāi)挖對(duì)地層應(yīng)力影響只限制在一定范圍內(nèi),與地層本身的拱效應(yīng)有關(guān),隧道開(kāi)挖對(duì)起拱線上的覆土影響逐漸減小,隧道上覆巖層厚度≥35 m時(shí),影響即可忽略。

數(shù)值分析表明:大溪隧道河床段埋深超過(guò)30～35 m時(shí),隧道開(kāi)挖對(duì)地表無(wú)影響。因此,在上述圍巖參數(shù)情況下,數(shù)值分析法確定的最小埋深為35 m。

a)地應(yīng)力平衡階段a)In situ stress equilibrium stage

b)隧道開(kāi)挖后b)After tunnel excavation

2.2.3 合理埋深的確定

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果可知,隧道最小埋深的確定需要考慮拱效應(yīng)。圍巖成拱時(shí),隧道開(kāi)挖對(duì)拱線上覆土影響減小,當(dāng)上覆土層厚度超過(guò)成拱高度后,隧道開(kāi)挖對(duì)河床無(wú)影響,即隧道開(kāi)挖致使地層裂隙增加的可能性降低,從而使隧道與河床貫通的可能性降低。因此,在河床段水文地質(zhì)情況復(fù)雜、透水性較好的情況下,最小覆蓋層厚度的確定需考慮巖層的拱效應(yīng)。

根據(jù)勘察報(bào)告,大溪隧道河床段圍巖基本等級(jí)為Ⅴ級(jí),經(jīng)地下水、地應(yīng)力等影響因素修正后,圍巖級(jí)別調(diào)整為Ⅵ級(jí)。

1)根據(jù)普氏坍落拱理論及圍巖力學(xué)特性,當(dāng)圍巖不穩(wěn)定時(shí),坍落拱高度為[19]:

(5)

2)根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[20](以下簡(jiǎn)稱TB 10003—2016)計(jì)算可知,Ⅵ級(jí)圍巖坍落拱高度：

h3=0.45×2s1-1ω

(6)

式(5)、(6)計(jì)算結(jié)果差距較大,考慮安全,坍落拱高度采用12.96 m。根據(jù)TB 10003—2016的規(guī)定,當(dāng)拱頂覆蓋層厚度達(dá)到32.4 m時(shí)(普氏坍落拱理論計(jì)算值的2.5倍),圍巖坍落拱才可形成。根據(jù)數(shù)值分析,河床段最小埋深為35 m;按坍落拱理論,河床段最小埋深為32.4 m滿足成拱條件;根據(jù)挪威海底隧道經(jīng)驗(yàn)法,河床段最小埋深為40 m。

綜合以上分析,從安全角度考慮,大溪隧道河床段的合理埋深為40 m,約為普氏坍落拱理論計(jì)算值的3倍,滿足成拱效應(yīng)要求。平巷段的拱頂高程為22.05 m,省道S328路面高程為76.6 m,隧道洞身的覆土埋深為54.55 m,滿足要求。

大溪隧道于2016年開(kāi)展勘察設(shè)計(jì),施工期間多次穿越斷層、破碎帶、地下水活動(dòng)帶、“漏水天窗”等不良地質(zhì)地段,河床段發(fā)生大的突涌水2次,由于處理及時(shí)均未發(fā)生淹井事故,2019年貫通后安全運(yùn)行至今。

3 結(jié)論

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城鎮(zhèn)建設(shè)的加快、規(guī)劃和環(huán)保的限制,油氣管道工程不得不采用隧道方式通過(guò)一些環(huán)境敏感區(qū)。雖然油氣管道行業(yè)的過(guò)江隧道在近20年取得了一些發(fā)展,但目前國(guó)內(nèi)學(xué)者及工程技術(shù)人員對(duì)環(huán)境敏感區(qū)過(guò)江隧道的針對(duì)性研究還較少,在設(shè)計(jì)階段通常采用工程類比法進(jìn)行,其針對(duì)性欠佳。本文以大溪隧道為例,針對(duì)隧址區(qū)存在的環(huán)境敏感點(diǎn)及河床段的水文地質(zhì)條件,全面分析了隧道穿越軸線與各環(huán)境敏感點(diǎn)之間應(yīng)保持的安全間距，并采用挪威海底隧道經(jīng)驗(yàn)法、中國(guó)頂水采煤經(jīng)驗(yàn)法及日本最小涌水經(jīng)濟(jì)法確定了河床段隧道的合理埋深,確保了施工和運(yùn)行的安全,節(jié)約了工程投資,可為類似環(huán)境敏感區(qū)油氣管道過(guò)江隧道設(shè)計(jì)提供參考。