許新裕

國家管網集團西氣東輸廈門輸氣分公司

 

摘要：鐵路隧道采取爆破掘進的方式通過在役天然氣管道下方，存在一定的安全風險。在交叉部位開展應力、地表位移和振動監測，實時掌握隧道施工期間管道的應力應變情況。通過監測數據分析，掌握管道運行狀態、應變及管道周圍土體沉降等情況，以便采取相應的保護措施，保障管道安全可靠運行。

關鍵詞：監測；輸氣管道；預防；安全防護

 

近年來，山嶺鐵路隧道建設項目增多，隧道與在役管道交叉或并行情況時有發生。大部分山嶺鐵路隧道的掘進施工以鉆爆法為主，其產生的瞬時沖擊波不可避免地對附近地下管道造成沖擊，會使管道承受較強激振作用而產生應力損傷，當振動頻率等于管道固有頻率時，會引起共振位移破壞[1-2]。為實時掌握在隧道鉆爆掘進過程中管道周圍土體發生沉降、管道受力或沉降的情況，在管道與隧道交叉處布置應力、位移和振動等監測裝置，實時監測隧道施工過程中管道的應力、振動和位移，并對監測數據進行深入分析，可為隧道施工過程中的管道保護工作提供技術依據。

1  工程概況

在建龍龍鐵路龍武段雙髻山隧道（以下簡稱雙髻山隧道）位于福建省龍巖市上杭縣蛟洋鎮，在隧道DK 13+450 m處下穿在役西氣東輸三線管道（IB 017+700 m），管徑1219 mm，壁厚18.4 mm，材質L555鋼，設計壓力10 MPa，隧道拱頂距離管道最近處約36.7 m，兩者交叉角度為79°。

雙髻山隧道進口里程為DK 11+670.73 m，出口里程為DK 19+339.58 m，全長7668.85 m，最大埋深約334 m，隧道洞身總體走向為256°，路線縱坡為單面坡，縱斷面坡度最大為15‰。隧道設計Ⅱ～Ⅴ級圍巖，其中Ⅱ級圍巖2643 m，Ⅲ級圍巖2624 m；Ⅳ 級圍巖1254 m；Ⅴ級圍巖1147.85 m。

雙髻山隧道在距天然氣管道50 m范圍內采用機械開挖，50 m～200 m范圍內采用控爆方式掘進。

2  管道監測

根據雙髻山隧道與西氣東輸管道交叉段現場實際及相關技術規范，在管道IB 017+700 m X01處開展應變、振動及地表位移等監測。應力應變監測采用振弦式應變傳感器，管道及附近巖土振動速度監測采用測振儀，地表位移監測采用振弦式靜力水準儀。

（1）監測裝置。野外監測裝置由太陽能供電系統、智能采集模塊、DTU模塊、監測樁體四大部分組成（圖 1）。數據采集儀與振弦式應變計之間通過雙絞線實施通訊連接，振弦式應變計監測的振頻模數經采集儀壓縮、存儲后，由數據采集儀通過DTU模塊連接到互聯網，并通過網絡服務器與監控中心服務器連接，實現數據的采集或對現場數據采集儀發送相關測控指令。

圖 1 野外應力監測裝置

（2）應變監測。為掌握隧道與管道交叉處管道截面上的軸向應變和環向應變，在交叉段的管道上安裝1組管道應變監測截面（圖 2），編號為X01，用于監測管道軸向應力變化情況；在監測截面順氣流方向管周9點（L）、12點（U）、3點（R）位置各安裝1支振弦應變計；管道應變監測截面X01用1套一體化野外監測樁進行監測數據的采集傳輸。

圖 2 交叉段管道應變監測截面布置斷面圖

（3）振動監測。為掌握隧道與管道交叉處管道及附近巖土體水平、垂直方向的振動情況，在交叉段的管道管底及隧道DK 13+458 m處的管底相同埋深土體內各布置1臺測振儀，編號分別為Z01、Z02，用于監測交叉段管道及附近巖土體水平、垂直方向的振動情況。

（4）地表位移監測。為掌握隧道與管道交叉處管道上方地面沉降情況，在交叉段地表布置1套振弦式靜力水準儀；該套靜力水準儀設置1個測點J02（交叉段管道正上方）、1個基準點J01（隧道8 m外、管道附近穩定區）；監測數據采集傳輸與管道應變監測截面X01共用一體化野外監測樁。

（5）監測頻次及周期。按照管道交叉段隧道施工期65天、施工后快速沉降期35天計算，頻次1次（期）/天；之后按1次（期）/15天監測頻次，監測周期9個月。

3  數據分析

（1）管道監測應力閾值計算。依據GB 50251―2015《輸氣管道工程設計規范》，管道軸向應力按式（1）計算：

σL＝σt +σp +σe +σb     （1）

式中：σL為埋地管道軸向應力；σt 為溫差應力；σp 為內壓產生的泊松應力；σe 為外荷載產生的軸向應力；σb 為彈性敷設、重力或外荷載作用產生的名義彎曲應力，單位均為MPa。

根據公式計算各監測截面監測拉、壓應力閾值如表 1所示，采用安裝時溫度17.25℃，正負溫差變化為±27.3℃：計算出監測拉應力閾值和壓應力閾值分別為290.2 MPa、﹣244.3 MPa。

表 1 X01監測拉、壓應力閾值

（2）地表位移控制標準確定。國家和地方相關規范、規定對隧道工程下穿高壓天然氣管線變形控制無統一標準。 根據 GB 50251―2015，對于管道徑向穩定校核，管道徑向最大變形量不應大于鋼管外徑的 3%，西氣東輸管線直徑1219 mm，徑向最大允許變形量36.57 mm。根據GB 50497―2019《建筑基坑工程監測技術標準》，對應管道位移監測預警值累計值要求為10 mm～20 mm，變化速率為2 mm/d。根據 GB 50911―2013《城市軌道交通工程監測技術規范》，當無地方工程經驗時，對風險等級較低無特殊要求的地下燃氣管道沉降累計控制值為 10 mm～30 mm，變化速率為2 mm/d。雙髻山隧道下穿西氣東輸管線，選取管道位移控制標準為10 mm，變化速率為2 mm/d。

（3）管道所受速度閾值確定。考慮到振動頻率也會對爆破振動產生一定影響[3]，且天然氣長輸管道屬于重要的公共基礎設施，在實際工程中通常選擇2～6 cm/s的峰值振動速度作為天然氣長輸管道的安全判定標準，能夠確保爆破地震波不會嚴重影響管道安全運行[4]。經專家評審和現場振動測試，最終確定2.0 cm/s 作為天然氣管道安全判定標準，結合《鐵路工程爆破振動安全技術規程》以允許值的 85%作為預警值，因此本次最終管道速度安全標準值為1.7 cm/s。

（4） 管道應力監測數據分析。施工后對管道應力應變、位移（沉降）、振動實施9個月的現場監測。應力監測時程曲線如圖 3，在整個監測周期內，監測截面管道附加應力均處于較小值，最大拉應力6.93 MPa，最大壓應力﹣8.95 MPa，遠未達到藍色預警值。累積沉降位移變化曲線如圖 4，當前測點累積沉降位移值偏小，僅為﹣0.793 mm ，遠小于安全閾值10 mm。2個監測截面振動速度隨時間變化曲線如圖 5、圖 6，各測點振動速度值較小，均遠小于安全閾值。其中，Z01測點沿Z軸方向振動速度最大值為0.86 mm/s，Z02測點沿X軸方向振動速度最大值為0.31 mm/s，均小于管道安全速度1.7 cm/s。

圖 3 最大軸向應力時程曲線

圖 4 累積沉降位移隨時間變化曲線

圖 5 Z01振動速度隨時間變化曲線

圖 6 Z02振動速度隨時間變化曲線

4  結語

與鐵路隧道交叉的在役天然氣管段，在隧道掘進期間應及時開展應力、地表位移和振動監測，以便實時掌握管道的應力應變情況，采取適當的安全保護措施。監測數據表明，雙髻山隧道與管道交叉處采用機械開挖和鉆爆相結合方式施工，隧道施工期間管道應變、地表位移及振動均處于可接受狀態，該種施工方式對管道運行是安全的。

 

參考文獻：

[1]孫金山，李正川，劉貴應，等.爆破振動在邊坡巖土介質中誘發的動應力與振動特征分析[J].振動與沖擊.2018，37( 10) ：141-148．

[2]梁瑞，包娟，周文海，等.地鐵隧道掘進爆破對既有埋地管道的動力影響[J].爆破2021，37(10) ：141-148.

[3]常立功.川氣東送管道典型地質災害監測預警技術應用研究[D].成都：西南石油大學，2014．

[4]王振洪，侯雄飛，邊明，等.爆破對天然氣長輸管道振動影響的安全判據[J].油氣儲運， 2016 ，35(8)：813-818.

作者簡介：許新裕，1984年生，碩士研究生，畢業于中國石油大學（北京），工程師，廈門輸氣分公司管道科副科長，從事管道完整性管理工作。聯系方式：021-58847727，1772748941@qq.com。