油氣長(zhǎng)輸管道越江盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建造技術(shù)*

周曉軍

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

為保障國家石油和天然氣戰(zhàn)略資源的儲(chǔ)備與供給，加快油氣管道“全國一張網(wǎng)”的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的目標(biāo)，從2000年起國家先后實(shí)施了“西氣東輸一、二、三線” “陜西—北京天然氣管道一、二、三線”“川氣東送” “蘭州—成都成品油管道”“蘭州—鄭州—長(zhǎng)沙成品油管道”“澀北—西寧—蘭州天然氣管道”“中衛(wèi)—貴陽天然氣管道聯(lián)絡(luò)線”“中亞天然氣管道” “中緬油氣管道” “中哈天然氣管道”“中俄天然氣管道”等一批國家重點(diǎn)油氣長(zhǎng)輸管道工程[1-5]。同時(shí)各省、自治區(qū)和直轄市也積極推進(jìn)了本省市區(qū)域內(nèi)油氣管網(wǎng)的建設(shè)，如廣東省實(shí)施的天然氣管網(wǎng)一、二、三期工程，浙江省實(shí)施的金華—麗水—溫州輸氣管道工程，福建省實(shí)施的海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)天然氣管網(wǎng)及四川省實(shí)施的納溪—成都輸氣管道工程等重點(diǎn)油氣管道建設(shè)項(xiàng)目[6-8]。根據(jù)國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司統(tǒng)計(jì)[9]，截至2021年12月底，我國已建成油氣長(zhǎng)輸管道線路總里程達(dá)14.4萬km，其中原油管道約2.7萬km，成品油管道約2.8萬km，天然氣管道約8.9萬km，長(zhǎng)輸管道已成為我國第5大交通運(yùn)輸模式。與鐵路和公路線路的設(shè)計(jì)類似，當(dāng)油氣長(zhǎng)輸管道在線路設(shè)計(jì)中需穿越河流和湖泊等水域障礙時(shí)，通常采用水底隧道的方式敷設(shè)石油和天然氣管道。鑒于油氣長(zhǎng)輸管道水底隧道的特殊用途，在開展隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一方面需考慮隧道本身的安全，同時(shí)還需考慮隧道內(nèi)油氣管道安裝與長(zhǎng)期運(yùn)行期間的安全。本文以我國已建成的部分長(zhǎng)輸天然氣管道線路中典型的越江盾構(gòu)隧道工程為例，對(duì)越江盾構(gòu)隧道及其預(yù)制管片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和襯砌拼裝方式及洞內(nèi)管道的安裝方法進(jìn)行分析與總結(jié)，提出了油氣管道越江盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其參數(shù)建議值，以便對(duì)類似油氣長(zhǎng)輸管道越江盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)與建造提供借鑒。

1 典型越江盾構(gòu)隧道工程概況

石油和天然氣長(zhǎng)輸管道工程是國家重要的戰(zhàn)略能源和生命線工程。從國內(nèi)已建成的油氣長(zhǎng)輸管道線路中的隧道工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分析，當(dāng)管道穿越復(fù)雜而艱險(xiǎn)的地形和地質(zhì)條件區(qū)域時(shí)，以陸上山嶺隧道或水底隧道的方式來敷設(shè)管道對(duì)保障油氣管道的長(zhǎng)期安全運(yùn)行具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[10-12]。因此，自從我國西部大開發(fā)標(biāo)志性工程中的西氣東輸開始，先后在中緬油氣管道、中俄油氣管道及廣東省天然氣管網(wǎng)等國家和省市重點(diǎn)油氣管道工程中均采用了以隧道方式穿越管道線路中的高程和水域障礙。本文主要結(jié)合西氣東輸二線和廣東省天然氣管網(wǎng)一、二期中的越江盾構(gòu)隧道，對(duì)油氣長(zhǎng)輸管道越江盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其洞內(nèi)管道的安裝方式和管道防腐等進(jìn)行總結(jié)與分析。

1.1 錢塘江盾構(gòu)隧道

西氣東輸二線管道工程由1條干線和8條支線組成，全長(zhǎng)共8 704km。其中，霍爾果斯—廣州干線全長(zhǎng)4 978km，其余8條支線總長(zhǎng)為3 726km。錢塘江盾構(gòu)隧道是西氣東輸二線管道工程南昌—上海支線中的典型控制性工程。

根據(jù)西氣東輸二線管道工程南昌—上海支線長(zhǎng)輸管道路由敷設(shè)的總體要求，管道線路在浙江省海寧市需穿越錢塘江。通過綜合經(jīng)濟(jì)分析與比較后，確定天然氣管道以深埋泥水盾構(gòu)隧道敷設(shè)的方式穿越錢塘江。根據(jù)對(duì)管道穿越錢塘江地段工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的勘察，天然氣管道隧道所穿越的地層巖性自上而下以淤泥質(zhì)黏土夾粉砂、黏土、粉質(zhì)黏土夾粉砂為主。按油氣管道穿越工程設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范的要求[13-14]，錢塘江盾構(gòu)隧道的穿越等級(jí)為河流大型穿越工程。錢塘江盾構(gòu)隧道工程由盾構(gòu)始發(fā)井、接收井和水底段盾構(gòu)隧道3個(gè)單位工程組成，全長(zhǎng)3 149m。始發(fā)井位于浙江省海寧市周王廟鎮(zhèn)荊山村新平組，采用矩形沉井結(jié)構(gòu)，寬分別為22，8m，井深為18.5m。結(jié)合始發(fā)井下沉地段地質(zhì)條件，采用排水下沉法施工。接收井位于錢塘江南岸浙江省杭州市蕭山區(qū)頭蓬鎮(zhèn)七工段，采用內(nèi)徑為14m的圓形豎井，井深為28.55m。根據(jù)接收井所處地段地層地質(zhì)條件，采用不降水的明挖逆作法施工。錢塘江盾構(gòu)隧道平面位置如圖1所示，始發(fā)井和接收井結(jié)構(gòu)分別如圖2，3所示。

圖1 錢塘江盾構(gòu)隧道平面位置

圖2 錢塘江盾構(gòu)隧道始發(fā)井結(jié)構(gòu)

圖3 錢塘江盾構(gòu)隧道接收井結(jié)構(gòu)

錢塘江盾構(gòu)隧道采用德國Herrenknecht生產(chǎn)的M1250-AVND3080AH泥水加壓平衡式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。盾構(gòu)法掘進(jìn)隧道長(zhǎng)度為3 102m，共拼裝預(yù)制鋼筋混凝土管片2 585環(huán)?？傮w線路坡度和掘進(jìn)方式為：盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)井內(nèi)組裝完成后以2.8%坡度向下始發(fā)，共掘進(jìn)558m，然后以0.3%坡度向上掘進(jìn)2 099m，再以2.8%坡度向上掘進(jìn)445m到達(dá)盾構(gòu)接收井。水底段盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為3.08m、外徑為3.54m。隧道設(shè)計(jì)采用了C50預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌，每環(huán)管片劃分為3塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊和1塊楔形關(guān)鍵塊，管片設(shè)計(jì)幅寬為1.2m、厚度為230mm，環(huán)向管片采用M24斜螺栓連接，而縱向采用M24彎螺栓連接，螺栓機(jī)械等級(jí)為6.8級(jí)，管片混凝土抗?jié)B等級(jí)為P12。

錢塘江盾構(gòu)隧道于2010年6月12日始發(fā)，于2011年5月13日貫通。隧道內(nèi)敷設(shè)直徑為 1 016mm、 材質(zhì)為X70的直縫埋弧焊鋼管，管道壁厚為26.2mm，管道內(nèi)輸送的天然氣壓力為10MPa，采用3層PE加強(qiáng)級(jí)防腐。

1.2 西江盾構(gòu)隧道

西江盾構(gòu)隧道是廣東省天然氣管網(wǎng)一期工程中的控制性工程，屬于“廣東省天然氣一張網(wǎng)”的核心組成部分，其承接西氣東輸二線和川氣東送的天然氣，輸氣管道線路總長(zhǎng)約466.66km，包括3條干線和3條支線，干線分別為長(zhǎng)40.21km的鰲頭—廣州干線、長(zhǎng)176.43km的廣州—肇慶干線、長(zhǎng)150.25km的廣州—惠州干線，支線分別為長(zhǎng)67.30km的韶關(guān)支線、長(zhǎng)約12.65km的清遠(yuǎn)支線和長(zhǎng)約19.82km的東莞支線。管道路由覆蓋廣州、佛山、肇慶、四會(huì)、高要、惠州、韶關(guān)、清遠(yuǎn)和東莞等城市。

根據(jù)廣州—肇慶長(zhǎng)輸天然氣管道線路敷設(shè)路由的要求，管道在肇慶市需穿越西江。通過對(duì)西江穿越段工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的勘察綜合對(duì)比與分析，確定西江穿越段采用泥水平衡盾構(gòu)隧道的方式敷設(shè)輸氣管道。西江盾構(gòu)隧道工程由始發(fā)井、水底段盾構(gòu)隧道和接收井3個(gè)單位工程組成。盾構(gòu)始發(fā)井位于肇慶市永安鎮(zhèn)境內(nèi)的貝水鄉(xiāng)貝水村，而接收井則位于肇慶市沙浦鎮(zhèn)典水一鄉(xiāng)的東江村。西江盾構(gòu)隧道平面位置如圖4所示。

圖4 西江盾構(gòu)隧道平面位置

根據(jù)油氣長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)規(guī)范要求[13-14]，西江盾構(gòu)隧道的穿越等級(jí)為河流大型穿越工程，穿越段總長(zhǎng)度為2 446.7m，其中采用泥水盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)段長(zhǎng)度為2 160.6m，南岸盾構(gòu)始發(fā)井深度為26.9m，北岸盾構(gòu)接收井深度為18.3m，合計(jì)為2 205.8m。根據(jù)隧道內(nèi)管道敷設(shè)要求，隧道內(nèi)徑為3.08m、外徑為3.58m。隧道內(nèi)敷設(shè)1根直徑為914mm、材質(zhì)為X70的直縫埋弧焊鋼管，輸氣管道內(nèi)天然氣壓力為9.2MPa，采用3層PE加強(qiáng)級(jí)防腐。為滿足盾構(gòu)機(jī)始發(fā)和接收及隧道內(nèi)天然氣管道的安裝，盾構(gòu)隧道始發(fā)井和接收井均采用圓形豎井，豎井結(jié)構(gòu)采用明挖順作法澆筑。始發(fā)井內(nèi)徑為14.0m，接收井內(nèi)徑為12.0m[8]。

西江盾構(gòu)隧道盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)順序?yàn)椋鹤阅习妒及l(fā)井組裝后以3.0%坡度向下掘進(jìn)691.26m到達(dá)半徑為2.5km的豎曲線過渡段(長(zhǎng)89.97m)，然后盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)長(zhǎng)度為468.41m水平段后到達(dá)北岸半徑為2.5km的豎曲線過渡段(長(zhǎng)89.97m)，再以3.0%坡度向上掘進(jìn)820.99m后到達(dá)接收井。西江盾構(gòu)隧道襯砌由C50預(yù)制鋼筋混凝土管片拼裝而成，每環(huán)管片分為3塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊，管片幅寬為1.2m、厚度為230mm。環(huán)向管片采用M24彎螺栓連接，而縱向之間的管片則采用M22彎螺栓連接，螺栓機(jī)械等級(jí)為6.8級(jí)，管片混凝土抗?jié)B等級(jí)為P12。成型后的隧道及隧道內(nèi)天然氣管道安裝如圖5所示。

圖5 西江盾構(gòu)隧道及其內(nèi)部安裝的天然氣管道

西江盾構(gòu)隧道于2011年1月10日始發(fā)，于2011年12月11日掘進(jìn)貫通。為確保西江盾構(gòu)隧道內(nèi)連接管片螺栓耐久性，防止螺栓在長(zhǎng)期運(yùn)行期受水環(huán)境影響而發(fā)生電化學(xué)腐蝕，將縱、環(huán)向螺栓孔采用與管片同等級(jí)的混凝土進(jìn)行封堵。

1.3 南坦海盾構(gòu)隧道

南坦海盾構(gòu)隧道為廣東省天然氣管網(wǎng)二期工程珠海LNG輸氣管道西干線項(xiàng)目中的控制性工程。根據(jù)珠海LNG輸氣管道西干線路由敷設(shè)的總體要求，輸氣管道在江門市需穿越南坦海水道。經(jīng)過對(duì)穿越段工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的勘察，最終確定以越江泥水盾構(gòu)隧道的方式敷設(shè)天然氣管道。按油氣長(zhǎng)輸管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求[13-14]，南坦海盾構(gòu)隧道屬于河流大型穿越工程。整個(gè)隧道工程由盾構(gòu)始發(fā)井、接收井和水底段盾構(gòu)隧道組成。南坦海盾構(gòu)隧道仍采用泥水加壓平衡盾構(gòu)法施工。水底隧道內(nèi)徑為3.08m、外徑為3.54m。隧道內(nèi)敷設(shè)1根直徑為914mm、材質(zhì)為X70的直縫埋弧鋼管，管道內(nèi)輸送的天然氣設(shè)計(jì)壓力為9.2MPa，采用3層PE加強(qiáng)級(jí)防腐。

南坦海盾構(gòu)隧道始發(fā)井和接收井均為圓形豎井，始發(fā)井內(nèi)徑為14m，接收井內(nèi)徑為12m，均采用明挖順作法施工。始發(fā)井位于江門市新會(huì)區(qū)會(huì)城鎮(zhèn)河北村南側(cè)，接收井位于江門市新會(huì)區(qū)會(huì)城鎮(zhèn)群勝村二組和四組之間。南坦海盾構(gòu)隧道穿越段總長(zhǎng)度為1 113.61m，其中水底段采用泥水盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)1 009.3m，北岸與南岸工作豎井深度分別為21.21，23.10m，洞外連接線路長(zhǎng)度為60m。隧道內(nèi)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)方式為：盾構(gòu)機(jī)在北岸始發(fā)井內(nèi)組裝后以3.0%坡度向下始發(fā)，掘進(jìn)317.98m后進(jìn)入半徑為3.0km豎曲線地段，長(zhǎng)度為289.07m。通過該地段后盾構(gòu)機(jī)再以2.0%坡度上行，在此段掘進(jìn)402.22m后達(dá)到南岸接收井。南坦海盾構(gòu)隧道平面位置如圖6所示。

圖6 南坦海盾構(gòu)隧道平面位置

2 盾構(gòu)工作井及水底段隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 盾構(gòu)工作井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)工作井包括始發(fā)井和接收井。始發(fā)井用于盾構(gòu)機(jī)的組裝和始發(fā)、安裝排渣管道和電纜及人員進(jìn)出，而接收井則用于盾構(gòu)機(jī)的到達(dá)與解體、敷設(shè)管線和人員進(jìn)出。因此，進(jìn)行盾構(gòu)工作井設(shè)計(jì)時(shí)，一方面需考慮盾構(gòu)機(jī)組裝、始發(fā)和到達(dá)與解體的要求，同時(shí)還要考慮井內(nèi)、外油氣管道安裝和長(zhǎng)期運(yùn)行期間人員檢修與維護(hù)工作的需要。結(jié)合上述3個(gè)典型的越江盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)與施工狀況，在設(shè)計(jì)工作井時(shí)，油氣管道越江盾構(gòu)隧道工作井需設(shè)置在待穿越水域兩岸，且工作井中心線距離兩岸大堤中心線應(yīng)≥100m，工作井井口高程應(yīng)不低于當(dāng)?shù)匕倌暌挥龅暮樗?，以確保兩岸大堤和盾構(gòu)隧道工作井不受洪水淹沒的威脅。以西江盾構(gòu)隧道為例，西江南岸和北岸工作井與水底段盾構(gòu)隧道、兩岸大堤及江水之間位置關(guān)系如圖7所示。工作井結(jié)構(gòu)通常設(shè)計(jì)為圓形或矩形豎井，多采用圓形豎井。以西江盾構(gòu)隧道始發(fā)井為例，結(jié)構(gòu)剖面如圖8所示。

圖7 西江盾構(gòu)隧道縱剖面示意

圖8 西江盾構(gòu)隧道始發(fā)井結(jié)構(gòu)剖面

由于始發(fā)井內(nèi)部?jī)艨招铦M足泥水盾構(gòu)機(jī)前盾部分的組裝和始發(fā)，而接收井則僅需滿足盾構(gòu)機(jī)到達(dá)后解體所需的空間即可，因此始發(fā)井內(nèi)部建筑限界應(yīng)大于接收井內(nèi)部建筑限界。以西江盾構(gòu)隧道為例，始發(fā)井內(nèi)徑設(shè)計(jì)為14m，而接收井內(nèi)徑設(shè)計(jì)為12m，兩者橫截面均為圓形。

工作井主體結(jié)構(gòu)通常采用沉井法、明挖順作法或明挖逆作法進(jìn)行澆筑。根據(jù)工作井所處地層地質(zhì)條件，當(dāng)?shù)叵滤桓咔业貙油馏w抗剪切強(qiáng)度較低時(shí)，工作井基坑設(shè)計(jì)采用地下連續(xù)墻或鉆孔灌注樁及高壓旋噴樁等加以圍護(hù)。當(dāng)工作井基底土體承載力不滿足要求時(shí)，為確保豎井基底承載力，需對(duì)豎井底板下部地層進(jìn)行注漿加固。此外，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)始發(fā)段地層中的地下水水位較高時(shí)，還需對(duì)隧道始發(fā)段圍巖進(jìn)行注漿加固。為保證工作豎井結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期運(yùn)行期間的安全，在工作豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還需考慮其受地下水浮力的影響，工作井抗浮安全系數(shù)應(yīng)≥1.05。在錢塘江、西江和南坦海盾構(gòu)隧道中，工作井抗浮安全系數(shù)為1.12～1.20，滿足工作井抗浮穩(wěn)定性要求。

2.2 水底段盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于軟弱巖土體地層而言，水底段隧道開挖輪廓線范圍內(nèi)的巖土體由泥水平衡盾構(gòu)機(jī)挖除，然后在盾殼內(nèi)自盾構(gòu)機(jī)尾部同步拼裝預(yù)制鋼筋混凝土管片而形成隧道襯砌。水底段盾構(gòu)隧道橫斷面內(nèi)徑即建筑限界則需根據(jù)線路中所要敷設(shè)的油氣管道數(shù)量、直徑及供隧道內(nèi)人員和檢修設(shè)備通行的通道寬度來確定。在我國水底段采用盾構(gòu)法修建的隧道為圓形橫截面。此外，水底段盾構(gòu)隧道內(nèi)通常需敷設(shè)1～3根油氣管道。對(duì)于我國已投入運(yùn)營(yíng)的油氣長(zhǎng)輸管道工程中越江盾構(gòu)隧道建筑限界的設(shè)計(jì)參數(shù)而言，隧道內(nèi)供人員和檢修設(shè)備通行的通道寬度宜≥700mm，管道安裝完成后其外緣與隧道邊墻內(nèi)緣的水平距離宜≥250mm。

在進(jìn)行由預(yù)制管片組裝的裝配式隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)制管片厚度和強(qiáng)度應(yīng)能承受其上覆巖土體重力和最大靜水壓力的組合作用，并根據(jù)承載力極限狀態(tài)和正常使用下極限狀態(tài)分別驗(yàn)算預(yù)制裝配式襯砌的安全性和裂縫寬度，使隧道襯砌在設(shè)計(jì)耐用年限內(nèi)具有長(zhǎng)期的安全性和耐久性。與國內(nèi)地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道預(yù)制管片的劃分與拼裝方式類似，油氣管道越江盾構(gòu)隧道每環(huán)裝配式襯砌由3塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊拼裝而成。預(yù)制管片縱向與環(huán)向間均采用螺栓連接，并在盾構(gòu)機(jī)尾部已拼裝成型的襯砌管片背后隨盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)實(shí)施同步注漿或二次注漿作業(yè)。

以西江盾構(gòu)隧道、南坦海盾構(gòu)隧道及蘭成渝成品油管道、蘭州—鄭州—長(zhǎng)沙成品油管道和蘭州—成都原油管道在蘭州管理站出站的3km管道隱患治理工程中的泥水盾構(gòu)隧道為例，前兩者隧道內(nèi)均敷設(shè)了1根直徑為914mm、材質(zhì)為X70的直縫埋弧鋼管，管道內(nèi)輸送天然氣壓力為9.2MPa，而在蘭州管理站出站3km管道隱患治理工程中的泥水盾構(gòu)隧道中則敷設(shè)了3根輸送成品油的管道。西江盾構(gòu)隧道襯砌橫截面及洞內(nèi)φ914mm天然氣管道安裝結(jié)構(gòu)如圖9所示，蘭州管理站出站3km管道隱患治理工程中的泥水盾構(gòu)隧道內(nèi)3根輸油管道安裝如圖10所示。

圖9 西江盾構(gòu)隧道及管道安裝

圖10 蘭州管理站出站泥水盾構(gòu)隧道及管道安裝

3 水底段盾構(gòu)隧道預(yù)制管片設(shè)計(jì)

3.1 相關(guān)參數(shù)

參考國內(nèi)外城市地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道預(yù)制管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)[15]，并考慮隧道內(nèi)油氣管道安裝與檢修要求，設(shè)計(jì)裝配式隧道襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)，采用荷載與結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，首先分析混凝土襯砌管片在水底段深埋地層和承受最高靜水壓條件下的水土壓力，并按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)計(jì)算荷載組合工況下管片襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形，根據(jù)破損階段設(shè)計(jì)法計(jì)算裝配式襯砌各截面安全系數(shù)，分析其安全性。

通過計(jì)算得到，對(duì)于小斷面油氣長(zhǎng)輸管道盾構(gòu)隧道而言，采用單層預(yù)制鋼筋混凝土管片拼裝的襯砌即可滿足隧道結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)耐用年限內(nèi)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全性的要求。國內(nèi)已建成的油氣長(zhǎng)輸管道越江盾構(gòu)隧道管片設(shè)計(jì)參數(shù)特點(diǎn)如下。

1)管片分塊與拼裝方式 以內(nèi)徑為3.08m的油氣長(zhǎng)輸管道越江盾構(gòu)隧道為例，隧道襯砌由預(yù)制鋼筋混凝土管片拼裝而成，每環(huán)劃分為6塊，即1塊封頂塊(K塊)、2塊鄰接塊(L1，L2塊)和3塊標(biāo)準(zhǔn)塊(B1，B2，B3塊)。盾構(gòu)隧道管片分塊方式的劃分需考慮管片預(yù)制、運(yùn)輸和拼裝的便利性，同時(shí)還應(yīng)考慮隧道襯砌防止地下水滲透的要求，管片抗?jié)B等級(jí)不低于P12。根據(jù)國內(nèi)已建成投入運(yùn)行的油氣管道盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)，裝配式襯砌封頂塊圓心角可設(shè)計(jì)為15°～33°，鄰接塊圓心角可設(shè)計(jì)為60.5° ～64.5°，而標(biāo)準(zhǔn)塊圓心角則可設(shè)計(jì)為67°～72°。油氣長(zhǎng)輸管道越江盾構(gòu)隧道預(yù)制管片分塊方式及圓心角如圖11所示。

圖11 油氣管道越江盾構(gòu)隧道管片分塊方式及圓心角

2)管片拼接 管片間分為縱向和環(huán)向拼接。管片拼接一方面可利用在管片上設(shè)置的榫槽，另一方面采用專用螺栓進(jìn)行縱、環(huán)向拼接。對(duì)于油氣管道盾構(gòu)隧道而言，通過對(duì)管片襯砌和螺栓抗剪與抗拉強(qiáng)度的計(jì)算，環(huán)向管片間可采用M24彎螺栓連接，而縱向管片間可采用M22彎螺栓連接。由于油氣管道盾構(gòu)隧道橫斷面面積較小，以南坦海盾構(gòu)隧道為例，其橫截面開挖面積僅有10m2。因此，為便于管片拼接，簡(jiǎn)化拼裝工序，并經(jīng)過南坦海盾構(gòu)隧道的工程實(shí)踐，將通常所采用的縱、環(huán)向彎螺栓進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。南坦海盾構(gòu)隧道將環(huán)向管片間的彎螺栓變更為直螺栓，且將縱向彎螺栓優(yōu)化調(diào)整為平直銷釘，同時(shí)在縱向和環(huán)向管片間設(shè)置凹凸榫，使縱向和環(huán)向預(yù)制管片間的拼接更緊密與可靠。通過對(duì)管片拼接螺栓和接頭與管片縱向之間凹凸榫接頭的優(yōu)化與改進(jìn)，不僅降低了管片拼裝的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且還提高了管片拼裝的施工效率，進(jìn)一步降低了管片工程造價(jià)。優(yōu)化和改進(jìn)前后的油氣管道盾構(gòu)隧道預(yù)制管片螺栓連接方式如圖12所示。

圖12 油氣管道盾構(gòu)隧道內(nèi)拼接預(yù)制管片螺栓連接方式

鑒于油氣管道盾構(gòu)隧道的特殊用途，在對(duì)西江盾構(gòu)隧道和南坦海盾構(gòu)隧道預(yù)制管片拼裝方式優(yōu)化與改進(jìn)的基礎(chǔ)上，對(duì)縱、環(huán)向預(yù)制管片拼接方式進(jìn)行進(jìn)一步研究，并提出如圖13所示的管片縱、環(huán)向接頭拼裝方式。即管片間以凹槽和凸榫榫頭進(jìn)行拼裝的襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并擬對(duì)此拼裝方式下結(jié)構(gòu)安全性和施工工藝等開展研究。南坦海盾構(gòu)隧道的工程實(shí)踐證明，改進(jìn)后的管片拼裝方式可行。

圖13 油氣管道盾構(gòu)隧道凹凸榫管片結(jié)構(gòu)

3)管片寬度及厚度 管片寬度及厚度主要從便于管片運(yùn)輸和拼裝及隧道結(jié)構(gòu)承載和防水等方面進(jìn)行考慮。從已建成的我國油氣長(zhǎng)輸管道盾構(gòu)隧道工程分析，管片縱向?qū)挾瓤稍O(shè)計(jì)為1.0，1.2，1.5m，常用縱向長(zhǎng)度為1.2m。管片厚度則需結(jié)合盾構(gòu)隧道直徑，襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)造、材質(zhì)，襯砌所承受的靜荷載或施工荷載(如盾構(gòu)千斤頂頂推壓力)等因素加以確定。對(duì)于斷面較小的油氣長(zhǎng)輸管道越江盾構(gòu)隧道，工程實(shí)踐表明[10-12]，管片厚度應(yīng)≥200mm。綜合考慮油氣管道功能、承受地下水土壓力及隧道混凝土襯砌耐久性，并考慮油氣管道應(yīng)滿足30年耐用年限的要求，小斷面油氣管道越江盾構(gòu)隧道預(yù)制鋼筋混凝土管片厚度建議取為230～400mm。截至2022年3月，我國已建成的油氣長(zhǎng)輸管道越江盾構(gòu)隧道及其預(yù)制鋼筋混凝土管片設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 國內(nèi)已建成的油氣長(zhǎng)輸管道越江盾構(gòu)隧道及其管片設(shè)計(jì)參數(shù)

4)管片抗?jié)B性和隧道防水等級(jí) 根據(jù)油氣長(zhǎng)輸管道工程中對(duì)管道防腐的要求，隧道內(nèi)敷設(shè)的材質(zhì)為X70的鋼管應(yīng)滿足不少于30年的使用年限要求，因此，隧道內(nèi)的油氣管道通常采用3層PE加強(qiáng)級(jí)防腐，而油氣管道盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的防水等級(jí)通常確定為二級(jí)。管片采用密級(jí)配的抗?jié)B混凝土進(jìn)行預(yù)制，抗?jié)B等級(jí)不低于P12，管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。

5)管片襯砌接縫防水 對(duì)于越江盾構(gòu)隧道而言，隧道預(yù)制管片拼裝襯砌的縱、環(huán)向接縫和螺栓孔部位是盾構(gòu)隧道防水的關(guān)鍵部位。為防止地下水在隧道施工和長(zhǎng)期運(yùn)行期間滲入隧道內(nèi)，首先需保證鋼筋混凝土預(yù)制管片制作精度：管片寬度偏差應(yīng)小于±0.5mm，弧長(zhǎng)偏差應(yīng)小于±1.0mm，外半徑偏差應(yīng)小于±0.2mm，內(nèi)半徑偏差應(yīng)小于±1.0mm，螺栓孔徑及孔位偏差應(yīng)小于±1.0mm，嵌縫及密封槽偏差應(yīng)小于±0.5mm。相鄰環(huán)的環(huán)面間隙≤1.0mm， 縱縫相鄰塊間的間隙≤1.0mm，襯砌對(duì)應(yīng)的環(huán)向螺栓孔軸線偏差≤1.0mm[9-12]。此外，對(duì)管片接縫和螺栓孔部位采用三元乙丙彈性橡膠密封墊和遇水緩膨脹止水條進(jìn)行密封防水處理。

6)管片背后注漿 為及時(shí)有效充填盾構(gòu)隧道掘進(jìn)期間已拼裝成型管片與周圍地層之間產(chǎn)生的間隙，防止圍巖發(fā)生過大變形而引發(fā)地層沉降，并提高圍巖防水性能，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)期間通過其尾部已拼裝完成管片的注漿孔向管片背后間隙同步注入水泥砂漿或水泥漿液。

7)工作井與盾構(gòu)隧道接頭部位的防水 盾構(gòu)工作井與盾構(gòu)隧道接頭部位的防水主要是對(duì)始發(fā)井、接收井與圓形盾構(gòu)隧道接頭部位及盾構(gòu)始發(fā)與接收處的防水。由于工作豎井與隧道襯砌剛度差異較大，在設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)設(shè)置變形縫，此外對(duì)始發(fā)段和接收段地層進(jìn)行改良或加固，如采用地面高壓旋噴或袖閥管注漿等方式進(jìn)行注漿，以提高該區(qū)域土體抗剪、抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能，進(jìn)而降低盾構(gòu)機(jī)始發(fā)和到達(dá)接收段的施工風(fēng)險(xiǎn)。

8)運(yùn)營(yíng)期管道維護(hù) 油氣長(zhǎng)輸管道隧道作為安裝長(zhǎng)輸石油和天然氣管道的地下通道，是輸送國家戰(zhàn)略資源的生命線工程，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)耐用年限為100年。根據(jù)油氣長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)的使用年限要求，油氣管道使用年限應(yīng)≥30年。而對(duì)于穿越水域的油氣管道，尤其是越江盾構(gòu)隧道，隧道中敷設(shè)的油氣管道在投入運(yùn)行期間應(yīng)免于維護(hù)。目前的具體做法為在油氣管道越江盾構(gòu)隧道投產(chǎn)使用后即可向隧道內(nèi)充滿地下水，由此也將泥水盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的防水等級(jí)確定為二級(jí)。實(shí)際運(yùn)行期間則可由豎井襯砌和水底段管片襯砌部位滲透的地下水逐漸充滿隧道，也可向隧道內(nèi)注入不易引起混凝土和鋼材管道銹蝕的地下水。

隧道內(nèi)充滿地下水后不僅能保護(hù)管道安全運(yùn)行，同時(shí)也可改善隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，這也是油氣長(zhǎng)輸管道越江盾構(gòu)隧道與目前鐵路和公路及城市地鐵越江盾構(gòu)隧道在運(yùn)行期間的顯著區(qū)別。對(duì)于目前國內(nèi)外已建成和投入運(yùn)營(yíng)的油氣長(zhǎng)輸管道工程而言，線路中用于敷設(shè)油氣管道的越江盾構(gòu)隧道基本實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營(yíng)期免維護(hù)的要求，所采用的隧道充水方案和管道防腐措施對(duì)確保油氣長(zhǎng)輸管道生命線的安全運(yùn)行發(fā)揮了顯著作用。

3.2 隧道內(nèi)管道安裝

油氣長(zhǎng)輸管道越江盾構(gòu)隧道主要功能是為油氣管道穿越江、河等水域障礙提供通道，便于管道安裝與維護(hù)。因此，在進(jìn)行油氣管道盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮隧道內(nèi)管道的安裝與維護(hù)要求。通常隧道內(nèi)管道安裝方式如下。

1) 隧道內(nèi)管道布置 油氣管道在水底或山嶺隧道內(nèi)由混凝土支墩支撐，混凝土支墩設(shè)置間距一般為12m，支墩頂面設(shè)有預(yù)埋件，并通過預(yù)埋件用鋼制管卡將油氣管道加以固定，而盾構(gòu)工作豎井內(nèi)管道則采用鋼制管卡將管道固定在豎井井壁上。為保障管道安全和防腐性能，隧道內(nèi)所有管卡、預(yù)埋件和固定管道支墩的錨固螺栓等金屬材料均采用304不銹鋼構(gòu)件，并對(duì)管卡進(jìn)行PE防腐處理。

2)隧道內(nèi)、外管道連接 為保證隧道內(nèi)油氣管道長(zhǎng)期安全運(yùn)行，減少因隧道洞內(nèi)、外溫度應(yīng)力造成油氣管道變形和位移，在越江盾構(gòu)隧道洞外兩岸還需分別設(shè)置長(zhǎng)度為30～35m的水平管溝段作為油氣管道變溫應(yīng)力的補(bǔ)償段，以消除管道在運(yùn)行期間因季節(jié)變化而產(chǎn)生的變溫應(yīng)力，管溝外還應(yīng)設(shè)置固定管道的錨固墩[8,10-12]。

4 結(jié)語

隨著我國隧道與地下工程設(shè)計(jì)與修建技術(shù)的不斷發(fā)展，油氣長(zhǎng)輸管道工程中隧道工程的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)也取得了顯著的提升和創(chuàng)新。根據(jù)目前我國已建成的油氣長(zhǎng)輸管道線路中的隧道工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工特點(diǎn)分析，長(zhǎng)輸石油天然氣管道線路在穿越復(fù)雜而艱險(xiǎn)的山嶺和水域等地形和地貌區(qū)域時(shí)，隧道作為敷設(shè)油氣管道的首選方式而被大量采用。鑒于盾構(gòu)法施工水底隧道時(shí)具有安全性高、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度低及機(jī)械化施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，尤其是與傳統(tǒng)鉆爆法相比，前者可顯著減少施工對(duì)圍巖的損傷與擾動(dòng)，而且采用盾構(gòu)法建造的隧道襯砌由于采用預(yù)制鋼筋混凝土管片拼裝成型，隧道襯砌的混凝土強(qiáng)度和厚度等均能得到有效保證，能有效避免采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土襯砌時(shí)隧道拱部混凝土襯砌與圍巖不密貼和襯砌厚度難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的缺點(diǎn)[16]。因此，建議在油氣長(zhǎng)輸管道線路中以隧道方式敷設(shè)管道時(shí)優(yōu)先采用機(jī)械化程度高的土壓平衡或泥水加壓式盾構(gòu)法施工。對(duì)于油氣長(zhǎng)輸管道線路中的山嶺隧道則可采用TBM替代傳統(tǒng)鉆爆法，而穿越水域的水底隧道則宜采用泥水平衡盾構(gòu)法施工，當(dāng)穿越單軸飽和抗壓強(qiáng)度<30MPa的軟巖地層時(shí)則可優(yōu)先采用土壓平衡盾構(gòu)法或雙模式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。

長(zhǎng)輸石油和天然氣管道線路中，盾構(gòu)隧道的襯砌宜由6塊預(yù)制的混凝土管片拼裝成型，即每環(huán)襯砌由1塊封頂塊、2塊鄰接塊和3塊標(biāo)準(zhǔn)塊組成。預(yù)制管片縱向長(zhǎng)度宜為1.0～1.2m，管片厚度宜≥200mm， 建議取230～400mm。當(dāng)油氣管道隧道開挖斷面面積為10～15m2時(shí)，預(yù)制管片厚度取 230～250mm； 當(dāng)開挖斷面面積為15～25m2時(shí)，厚度宜采用250～280mm；當(dāng)管道隧道開挖斷面面積為25～30m2時(shí)，厚度取280～300mm, 斷面面積為30～40m2時(shí)，厚度宜取300～400mm。采用螺栓拼接管片時(shí)，環(huán)向管片之間可采用直螺栓連接，而縱向管片之間可采用直銷釘連接。環(huán)向直螺栓采用M24～M22，銷釘采用M22～M20，螺栓機(jī)械強(qiáng)度等級(jí)分別為6.8級(jí)或5.8級(jí)。

此外，對(duì)于盾構(gòu)隧道預(yù)制鋼筋混凝土管片拼接方式而言，目前城市軌道交通如地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道的縱、環(huán)向管片普遍采用彎螺栓進(jìn)行拼接。而采用彎螺栓拼接時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大且縱、環(huán)向管片錯(cuò)位時(shí)易引起螺栓部位混凝土擠壓開裂。南坦海盾構(gòu)隧道工程實(shí)踐表明，將環(huán)向彎螺栓調(diào)整為直螺栓，并將縱向彎螺栓調(diào)整為直銷釘來連接縱向管片的方式可行，對(duì)提高盾構(gòu)隧道預(yù)制管片的拼接效率和降低工程造價(jià)均發(fā)揮了積極作用。鑒于油氣長(zhǎng)輸管道盾構(gòu)隧道斷面小及隧道內(nèi)敷設(shè)管道的特殊功能與要求，還可進(jìn)一步對(duì)預(yù)制管片拼接方式進(jìn)行改進(jìn)和研究，如取消拼接管片環(huán)向螺栓或縱向銷釘，而采用沿管片縱向和環(huán)向接觸端面中部設(shè)置專用的凹、凸榫方式進(jìn)行拼接，這將是油氣長(zhǎng)輸管道盾構(gòu)隧道和預(yù)制管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及管道隧道智能化、工業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化建造技術(shù)中需要研究和解決的一個(gè)重要課題。