新建铁路隧道下穿天然气管道安全施工技术方案
论文 关键词 天然气管道 隧道开挖 近距离 安全措施 方案
论文摘要 通过对杭甬客运专线hyzq-2标段外岙一号隧道下穿天然气管道安全施工方案的 总结 ，介绍了近距离天然气管道进行隧道开挖施工的方法，通过地表防沉降措施和隧道开挖安全防护措施的实施，确保了隧道施工过程中天然气管线的安全。
一、工程概况
图1.1天然气管道过隧道顶部的横断面
外岙一号隧道位于浙江省慈溪市茶亭南外岙 自然 村。隧道起讫里程：dk111+345～dk111+494，全长149m。经过现场勘查，在外岙1#隧道山顶有一直径ф30cm的慈溪天然气管道，该段天然气管道设计压力为4mpa,管道在隧道线路里程dk111+410,方向大致与杭甬客专线路方向垂直。管道在山顶埋深约1.2m，距离dk111+410隧道断面洞顶垂直距离约14m（附断面图）。进出口距离管道的距离分别为65m和84m。
外岙一号隧道位于剥蚀低山丘陵区，相对高差约60m，自然坡度15°～30°，植被发育，主要为杨梅树林。
围岩分级：ⅴ级围岩129m，ⅳ级围岩20m。
二、施工技术方案
根据国务院2001年第313号令《石油天然气管道保护条例》：第二十六条 违反本条例的规定，在管道中心线两侧或者管道设施场区外各50米范围内禁止爆破。
因此，外岙1#隧道在施工中，大于50m范围以外采用控制爆破，孔深控制在0.75-1m，周边眼单孔装药量控制在0.1kg/m，断面开挖取0.15kg/m。严格控制装药量，控制隧道安全震动速度小于1cm/s。
距管道距离小于50m范围不采取任何爆破作业，采用钻孔灌膨胀剂再用凿岩机进行开挖和破碎岩石的施工方法。
进入天然气管道下部施工前，考虑到隧道开挖后可能会产生地表沉降，影响天然气管道的安全。因此，设计方案采取钢桁架悬吊天然气管道的方案施工，确保隧道在开挖过程中管道不因地表沉降而受到影响。
三、主要的施工方法和施工工艺
㈠岩石破碎方法及施工工艺
由于在50m范围内不能采取炸药爆破的方式进行开挖作业，因此为了天然气管道的安全，我们采用两种方案进行开挖：一：钻孔灌膨胀剂对岩石迫裂的办法进行开挖和破碎作业；二：当遇到比较破碎的岩层，灌注膨胀剂迫裂的效果不理想，采取人工风镐配合破碎机进行开挖。
迫裂法作用机理：膨胀剂灌入孔中，发生水化反应，放热、固结、体积膨胀，对孔壁施加压力，将孔壁外的岩石破裂。
1、主要工艺流程
⑴炮孔布置
膨胀剂迫裂法布孔参数如下：
炮孔按梅花形排列，以利于把岩石破碎成小块，见下图3.2
图3.2爆破布孔图
⑵孔距 α=κ×d，d为孔径，k值按下表选取
混凝土的k值（孔径≤50mm） 表1
混凝土种类
含筋率/kg.m-3
标准k值
素混凝土
无
10～18
说明：把岩石视作混凝土来考虑，标准值先选取，视破碎情况做调整
⑶最小抵抗性和排距是介质强度、自由面状况、孔径的函数，一般可参照下表选取
最小抵抗线值 表2
破碎对象的名称
w值/cm
破碎对象的名称
w值/cm
软岩
40～60
中、硬质岩石
30～40
⑷孔深l=αη,h为被破碎体高度，α为经验系数，对厚岩α=1.05
⑸每米炮孔装填量及 参考 单耗，见下表
每米炮孔用药量 表3
孔径/mm
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
用药量/kg.m-1
1.1
1.3
1.5
1.7
1.9
2.1
2.3
2.5
2.7
3.0
3.3
单位体积破碎用量 表4
介质种类
破碎剂用量/kg.m-3
备 注
软质岩石破碎
8～10
全断面每延米需要2100kg，按109m暗洞 计算 ，整个隧道要228吨膨胀剂。
中质岩石破碎
10～15
硬质岩石破碎
12～20
⑹膨胀剂迫裂法装填及养护工艺如下：
①拌料 散装粉状膨胀剂，严格按选定水灰比，一般控制在0.28～0.33用人工或手提式搅拌机拌匀，搅拌时间不超过1min，搅拌好后马上装入孔中。筒装膨胀剂只需将之放入盛水容器中浸泡直到不发生气泡为止，一般4～5分钟即可。
②装填 搅拌好的浆体必须在5～10min内装完，然后用塞子封口。
2、安全注意事项
因膨胀剂对皮肤有腐蚀作用，要避免直接接触，沾上要立即用清水洗净、装填作业时，装填人员要戴防护眼镜，作业人员避免进入已装填好的区段，以防喷孔伤人。
㈡围岩支护方法及工艺
1．开挖方式
隧道的施工方法与支护参数及辅助施工措施密切相关,根据监控结果合理调整支护参数,从而确保施工安全及天然气管道的安全。
外岙一号隧道隧道主要以ⅳ、ⅴ级围岩为主，ⅳ级围岩共长20m、ⅴ级围岩共长129m。
ⅴ级围岩开挖采用crd法，ⅳ级开挖掘进方法采用三台阶七步开挖，开挖掘进的方式全部采用凿岩机对隧道断面内的岩层进行机械破碎，装载机装碴，自卸车辆进行运碴出碴。
机械开挖掘进中坚持“短进尺、强支护、勤量测、紧衬砌、快封闭”的原则。
2.支护方法
2.1.为保护洞顶天然气管道，施工中注意事项：
2.1.1.隧道施工应坚持“机械掘进、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则。开挖进尺严格控制在50cm，严禁塌方发生。
2.1.2.开挖方式均采用机械开挖，不采取爆破。
2.1.3.工序变化处之钢架（或临时钢架）应设锁脚钢管，且必须对锁脚钢管进行注浆，以确保钢架基础稳定。
2.1.4.当现场导坑开挖孔径及台阶高度需进行适当调整时，应保证侧壁导坑临时支护与主体洞身钢架连接牢固，横向钢支撑可根据监控量测结果适当调整其位置。并考虑侧壁导坑自身的稳定及施工的便捷性。
2.1.5.钢架之间纵向连接钢筋应按要求设置，及时施作并连接牢固。
2.1.6.临时钢架的拆除应等洞身主体结构初期支护施工完毕并稳定后，方可进行。
2.1.7.施工中，应按有关规范及标准图的要求，进行监控量测，及时反馈结果，分析洞身结构的稳定，为支护参数的调整、浇筑二次衬砌的时机提供依据。
2.1.8.隧道施工以前须提前通知天然气管道的产权单位，在产权单位允许后方可施工。开挖过程中严密监控，特别在天然气管道中心5m范围内设置警戒线，避免在开挖过程中施工机具接触天然气管道。对原有的天然气管道警戒标志应该防护保留，并派专人定期检查。管道开挖出来以后不能长期暴露，必须采取相应的措施及时处理。
2.1.9.制定详细周密的安全方案进行备案。在隧道施工期间，派专人携带便携式燃气检测仪在隧道施工场地周围不停检查空气中天然气浓度，出现异常立即停止施工，找出解决方案。
2.1.10.隧道施工结束后对施工范围内的管道用2cm厚的钢管做保护套管，以防止一旦发生天然气泄漏爆炸不至于从隧道顶部炸开，确保隧道贯通铁路通车后的运营安全。
2.1.11.双口掘进的汇合点要距离管道断面20m以外，防止施工机械同时震动对管道造成破坏。
2.2．初期支护
初期支护是复合式衬砌的重要组成部分,有足够的强度和刚度控制围岩下沉变形,外岙隧道工程初期支护主要采用直径22mm，长4m的锚杆、28cm 厚喷射混凝土、i20工字钢支撑及挂钢筋网。软弱破碎围岩地段支护及早封闭成环。
在开挖每循环进尺0.6m后，停止掘进，先进行i20工字钢环向封闭支撑，在两侧拱脚及时施作直径50mm的锁脚钢管，同时进行环向注浆锚杆施工，让山体围岩与工字钢及锚杆系统形成一个整体。待这一个支护循环施工完毕后再进行下一个循环的机械开挖掘进。
2.3.砂浆锚杆支护
砂浆锚杆采用螺纹钢筋现场制作，长度为4m。锚杆采用锚杆台车或风动凿岩机钻孔，钻孔前根据设计要求定出孔位，钻孔保持直线并与所在部位岩层结构面尽量垂直，并保证注浆的饱满度。
2.4.钢支撑
钢架由型钢弯制而成。钢架在洞外加工厂利用台架按设计加工制作成型，初喷混凝土之后在洞内进行安装，与定位钢筋焊接。钢架间以混凝土喷平，钢架与岩面之间的间隙用喷射混凝土充填密实，并使钢架埋入混凝土中，钢架拱脚必须放在牢固的基础上，架立时垂直隧道中线，架设时中线、高程和垂直度由测量技术人员严格控制，并将锚杆与钢架焊接连为整体，钢架靠近围岩侧的保护层厚度不小于40 mm。
2.5．钢筋网
钢筋网选用hpb240钢筋 ， 钢筋直径6 mm或8 mm，钢筋网由纵横钢筋加工成方格网片，钢筋相交处可点焊成块，也可用铁丝绑扎成一体，网格间距200 mm—250 mm，保护层不小于20 mm,均在加工场统一加工成型后再运至洞内安装。
2.6.湿喷纤维混凝土
外岙一号隧道ⅳ、ⅴ级围岩支护设计中，临时支护封闭掌子面采用素喷混凝土，ⅳ、ⅴ级围岩段采用改性聚脂纤维（钢纤维）喷射混凝土。
3．二次衬砌
二衬采用自行式全断面液压钢模衬砌台车，衬砌台车长10m。
四、确保隧道施工安全的主要技术措施和其它保证措施
㈠主要技术措施
1.监控量测
监控量测的主要目的在于了解围岩稳定状态和支护、衬砌可靠程度，获取二次衬砌及仰拱施作时机，确保施工安全及结构的长期稳定性。在隧道施工期间实施监测，提供及时、可靠的信息用以评定隧道工程在施工期间的安全性，并对可能发生危及安全的隐患或事故及时、准确地预报，以便及时采取有效措施，避免事故发生的同时指导设计和施工，实现“动态设计、动态施工”的根本目的。
监控量测主要做好这几个方面的工作：一是和产权单位签定安全监控协议，由他们委托浙江逸欣天然气公司负责管线的调查（包括：管道的材质、管壁的防护、焊缝情况）和监控管道位置的变化（包括：管道的下沉和扰动）等。二是，由我们自己做好隧道内、外的监控量测工作，及时掌握隧道拱顶变化、净空变化、地表沉降情况，为安全施工起到指导作用。
具体操作流程为：
1.1. 监控量测断面及测点设计
净空变化、拱顶下沉和地表下沉（浅埋地段、管道顶部及前后5m断面）等必测项目设置在同一断面，其量测断面间距及测点数量根据围岩级别、隧道埋深、开挖方法等按表6进行，洞口及浅埋段量测断面间距取小值。
必测项目量测断面间距和每断面测点数量 表6
围岩级别
断面间距（m）
开挖方法
每断面测点数量
净空变化
拱顶下沉
ⅴ级
5
三台阶七步法
20个测点
1点
crd法
3条基线
3点
ⅳ级
10
临时仰拱台阶法
2条基线
1点
沉降观测按围岩级别确定，本隧道ⅴ级按5m、ⅳ级按10m布设一个监测断面。隧道洞口里程、隧线分界里程、明暗分界里程、有仰拱和无仰拱陈其变化历程及隧道衬砌沉降缝两侧均设置一个断面。除变形缝外每断面布置2个沉降观测点，分别布置在隧道中线两侧各4.6m处，变形缝处每个观测断面布置4个沉降观测点，分别布置在隧道中线两侧各4.6m和变形缝前后各0.5m处。
1.2 .主要监测项目测点布置
①水平收敛
测方法采用水准抄平方法，基准点分别设置在洞内和洞外（用于校核），视线长度一般不大于30m，监测误差控制在1.0mm以内（高程误差0.7mm），必要时采用冗余观测方法来提高监测精度。测点布置如图1、2所示。
②拱顶下沉
在确定监测的断面隧道开挖或初喷后24小时内，在隧道拱顶部位埋设1个带挂钩的测桩（测桩埋设深度约15cm，钻孔直径约20cm，用早强锚固剂固定），并进行初始读数。监测仪器采用水准仪和水准尺。
③地表沉降
隧道浅埋地段地表下沉的量测与洞内净空变化和拱顶下沉量测在同一横断面内。监测断面垂直于隧道轴向布置，监测断面横断面方向应在隧道
中线两侧每隔2～5m布设地表下沉测点，每个断面设5点，中心点在隧道拱顶正上方，直到拱脚与水平方向45度夹角的地层滑动线与地表交点，在最外测点以外至少5m设两个不动点作为参照基点，通过精密水准仪量测不同时刻测点的高程即可得到测点在不同时间段内的下沉值，如图三所示。另外，在沿着管道纵向每5米悬吊点的桁架上做好标记，测好桁架完全受力时的初始读数，之后开挖至管道下方前后20m范围每天测两次，根据铁四院的设计参数，地表沉降按最大值2cm来考虑加固管道。
2.地质超前预报
2.1隧道地质超前预报的目的
tsp203探测系统可预报施工隧道掌子面前方以下不良（或特殊）地质问题：1）软弱岩层的分布，2）断层及其破碎带，3）节理裂隙发育带，4）含水情况，5）空洞，6）围岩类别，即可以预测即将开挖隧道相关地质结构及其周围地质状况，同时也可以对力学参数（动态弹性摸量、剪切摸量、泊松比、密度、弹性纵波速度、弹性横波速度等）进行评估，有利于及时预报隧道掌子面前方的地质状况，以便正确指导隧道施工。
3.防止地表下沉的技术措施
隧道开挖后为了防止拱顶下沉而导致地表下沉，一方面我们在天然气管道下方前后10m范围将钢拱架的间距调整到0.5m，另一方面采取在初期支护内圈增设ⅰ20的工字钢做护拱，护拱的间距等同初期支护的工字钢架的间距，以增加拱圈的刚性，避免拱顶围岩柔性变形产生拱顶下沉导致地表下沉。
由于隧道埋深只有14m，在隧道施工过程中地表可能产生沉降，由此，可能导致天然气管道产生较大的变形，甚至开裂。因此，在隧道中线左右各17.5m（铁四院提供的参数）范围外的不动点
㈡安全保证措施
1、天然气管道事故应急预案
发生事故时要迅速切断气源，封锁事故现场和危险区域，迅速撤离、疏散现场人员，设置警示标志，同时设法保护相邻装置、设备，关停一切火源、电源，防止静电火花，将易燃易爆物品搬离危险区域，防止事态扩大和引发次生灾害；设置警戒线和划定安全区域，对事故现场和周边地区进行可燃气体分析、有毒气体分析、大气环境监测和气象预报，必要时向周边居民发出警报；及时制定事故应急救援方案（灭火、堵漏等），并组织实施；现场救援人员要做好人身安全防护，避免烧伤、中毒等伤害；保护国家重要设施和标志，防止对江河、湖泊、 交通 干线等造成重大影响。
2. 通风技术措施
由于隧道是双口掘进，根据存在天然气管道的特殊情况，进口、出口各设置两台110kw×2的通风机。为了减少风阻，在保证有效净空的情况下，选用大直径(1.5m)的风管。严格控制通风时间，确保置换掌子面附近足够的施工距离。
因dk111+410里程处的天然气管道在隧道顶部14m处，为防止天然气管道因施工发生开裂，导致天然气渗漏进隧道，在隧道内设置气体浓度检测仪，随时随地对隧道内的空气浓度进行检测。空气浓度一旦出现异常，立即停止施工，所有人员撤离现场，关闭电源、火源，在施工现场内停止使用手机，防止发生爆炸事故。
3．隧道工程各分项工程质量保证措施
3.1．隧道开挖保证措施
开挖支护是隧道工程的质量控制的源头，针对不同的情况采取切实有效的措施是保证开挖支护质量。坚持“先治水、短进尺、强支护、早封闭、勤量测，快成环、早衬砌”的原则开挖过程中严格按设计控制开挖断面，每开挖循环均测量放样标出隧道中线位置和开挖轮廓，严格控制超挖。当出现超挖时，采用喷锚等永久支护体系时，多次复喷，直至大面平顺。
根据地质预报了解的前方围岩情况，选择适宜的开挖方案。
开挖过程中钢架或临时支撑，重视锁脚锚杆（管）的施工，以确保钢架基础稳定，确保下一个工序的安全施工，要及早封闭成环，必要时增设临时仰拱，保护基底。
3.2．砂浆锚杆施工措施
砂浆锚杆长度根据围岩状况及设计确定严格按交底长度下料，锚杆打设角度与岩层层理相匹配，锚杆角度尽可能与岩层面垂直多穿岩层，呈梅花形布置。要求锚孔内砂浆饱满，保证锚杆、砂浆、围岩间的粘结力。
3.3．喷射混凝土施工措施
喷射混凝土采用湿喷工艺，按初喷和复喷组织施工。喷射混凝土由混凝土拌合站拌合。初喷在清帮、找顶后立即进行，初喷混凝土厚度4～5cm，及早快速封闭围岩。复喷在拱架、挂网、锚杆施工完成后进行。
3. 4．衬砌混凝土施工措施
二次混凝土衬砌采用衬砌台车进行。混凝土衬砌施工采用输送泵灌注，拌合站集中拌和，严格按混凝土配合比生产，混凝土输送车输送。
挡头模板及台车下缘注意模板拼缝防止漏浆，确保施工缝质量。
采用同条件养护试件强度，控制衬砌混凝土强拆模时间，严禁提前拆模。
隧道衬砌前，必须将隧道底部和墙脚的虚碴、浮碴清除干净，确保仰拱及隧道的拱墙衬砌置于坚实的基础上，避免衬砌不均匀下沉开裂。
添加粉煤灰等改善混凝土性能，尽量降低水灰比，控制水泥用量。
采用泵送混凝土工艺，周密组织混凝土运输，防止混凝土离析，最大限度的缩减混凝土运输时间和浇筑间歇时间，并加强混凝土灌注过程中捣固，确保混凝土捣固质量，保证衬砌混凝土的密实度。
控制混凝土入模、拆模时的环境温度与混凝土温差在规范范围内。
4．监控量测质量保证措施
认真加固拱脚，加强纵向联结等，上台阶初支要清除拱脚积水与淤泥，通过打设超长拱脚锚杆或扩大拱脚减少下台阶开挖后的下沉量。使初期支护与围岩形成完整体系。
尽量单侧落底或双侧交错落底，避免上半断面两侧拱脚同时悬空；控制落底长度，视围岩情况采用1-3m，不大于6m。
找出每道工序的合理施工时间，各工序严格按标定时间进行控制，从而缩短循环作业时间，减少开挖面土体的暴露时间，支护及时封闭成环。及时监控量测围岩，观察拱顶，拱脚的收剑情况，据此调整初期支护参数。
合理进行围岩支护：采用聚丙烯纤维混凝土、锚杆、钢筋网及钢架进行联合支护，并紧跟开挖掌子面，并根据具体情况在隧道底部打设锚杆，或在隧道顶部打入超前注浆小导管支护，并尽可能使初期支护在开挖面周壁迅速闭合；衬砌结构尽早闭合，膨胀岩隧道开挖后，围岩向内挤压变形一般是在四周同时发生，所以施工时要求隧道衬砌及早封闭，要求隧道开挖能尽快形成全断面，以便快速完成隧道断面的二次衬砌施工。
五、天然气管道加固方案
1. 为防止隧道在开挖过程中出现垮塌，天然气管道采取桁架吊顶的措施进行加固。以隧道线路中线线为中点，沿天然气管道左右各17.5米，总长35米的范围设置三角桁架，桁架的设计详见附件。
2.桁架的支撑采用门式墩，在35米的范围两头各设置一个，墩基础采用明挖扩大基础，基础置于硬质基岩上。墩身采用钢筋混凝土，高度约1.5米。门式墩结构尺寸详见附件。
3.桁架架设完毕后，每隔5米设置一个吊点。在吊点的位置开挖出天然气管道，管道埋深约1.2米，开挖至1.0米时候，更换工具，采用木制锹进行开挖，主要目的是为了防止铁质工具破坏管道外面的绝缘漆，产生火花。
4.天然气管道在吊点进行吊装时候，管道外应该先包裹一层橡胶绝缘套管，防止铁质吊装设施直接管道发生摩擦，保护天然气管道。
5.管道吊装完毕后，及时对开挖出的管道进行原土回填，避免管道长期暴露。
6.在施工过程中，对隧道顶天然气管道采用栅栏进行封闭，并指派专职安全员进行巡逻检查，禁止闲杂人及明火等进入管道防护区域。
7、按铁四院的设计方案施工地表沉降值最大不超过2cm，而管道不允许有沉降变形，因此在每个吊点处的管道上面安装一个与之相连接并露出地面的测点，一旦检测到管道有下沉，立即用悬吊点的紧线器紧钢丝绳，确保管道沉降量为零。
8.隧道施工完毕后，对隧道顶35米范围内的天然气管道采取换管措施，并加设2cm的套管，具体换管方案由具有相关资质的浙江省煤电研究设计院设计。
六、钢桁架的设计方案
计算 过程 （钢 柱）
截面类型= 16; 布置角度=0; 计算长度：lx=1.46, ly=2.00; 长细比：λx= 4.9,λy= 18.9
构件长度=2.00; 计算长度系数: ux=0.73 uy=1.00
截面参数: b1=450, b2=450, h=700, tw=14, t1=20, t2=20
轴压截面分类:x轴:b类, y轴:b类
验算规范: 普钢规范gb50017-2003
强度计算最大应力对应组合号: 27, m=-166.42, n=303.64, m=-1088.08, n=-297.48
强度计算最大应力 (n/mm*mm)=189.67
强度计算最大应力比 =0.925
平面内稳定计算最大应力 (n/mm*mm) =138.74
平面内稳定计算最大应力比 = 0.677
平面外稳定计算最大应力 (n/mm*mm) =145.39
平面外稳定计算最大应力比 =0.709
腹板容许高厚比计算对应组合号: 18, m=40.76, n= 192.20, m= -149.06, n= -61.17
gb50017腹板容许高厚比 [h0/tw] =64.12
gb50011腹板容许高厚比 [h0/tw] =70.00
翼缘容许宽厚比 [b/t] =13.00
强度计算最大应力 < f= 205.00
平面内稳定计算最大应力 < f= 205.00
平面外稳定计算最大应力 < f= 205.00
腹板高厚比 h0/tw= 47.14 < [h0/tw]= 64.12
翼缘宽厚比 b/t = 10.90 < [b/t]= 13.00
压杆,平面内长细比 λ= 5. < [λ]= 150
压杆,平面外长细比 λ= 19. < [λ]=150
均布荷载下最大挠度计算：
经公式ymax=ql4/8ei计算得最大挠度19.6mm＜δ=20mm
风荷载作用下柱顶最大水平（x 向）位移:
节点( 30), 水平位移 dx=0.042(mm) = h / 75441.
风载作用下柱顶最大水平位移: h/75441< 柱顶位移容许值: h/150
经过计算，设计的桁架受力、满荷载下的最大挠度以及风荷载下的水平位移均满足要求。
七、结束语
事实证明这种近距离高压天然气输气管线的隧道开挖及安全防护方案是安全的，用监控量测来预控沉降变形的措施是切实可行的。钢桁架悬吊输气管线起到了安全储备的作用，相当于新奥法施工隧道二次衬砌的作用机理，有效的防止了管道的沉降变形，确保了输气管道在整个施工过程中的安全。
参考 文献
⑴《石油天然气保护条例》（国务院2001年313号令）
⑵《浙江省人民政府办公厅转发省公安厅等部门关于切实做好天然气管道保护工作意见的通知》（浙政办发2005年第85号文件）
⑶《爆破安全规程》gb6722-2003
⑷《石油天然气管道安全规程》
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