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管道研究

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城市轨道交通穿越输气管道安全评估方法和管理措施

来源:《管道保护》2021年第3期 作者:张上 冯伟 吴桐 田伟力 时间:2021-6-2 阅读:

张上1 冯伟2 吴桐3 田伟力1

1.中国石油工程建设有限公司华东环境岩土工程分公司;

2.国家管网集团西气东输公司管道部;

3.国家管网集团西气东输苏浙沪输气分公司

 

摘要:快速发展的城市轨道交通难以避免与输气管道形成交叉穿越。为了保障双方安全,应对穿越工程开展安全评估和条件论证,需要掌握并运用跨行业的规范和经验,对做好这项工作有较高要求。总结了城市轨道交通穿越输气管道工程安全评估方法、主要危害因素及采取的安全措施,为该类工程提供借鉴。

关键词:城市轨道交通;穿越工程;输气管道;安全评估

 

根据《建设工程安全生产管理条例》规定,当城市轨道交通(下文简称地铁)穿越输气管道时,应编制专项施工保护方案,并由第三方评价单位对该方案进行安全评估,对工程存在的危害因素进行分析,指出主要风险,并提出相应的对策措施。本文结合近年来地铁穿越西气东输天然气管道工程实践,对安全评估和采取的安全措施展开讨论。

1  安全评估方法

国内目前没有专门针对地铁与输气管道交叉工程的设计技术规范和标准,安全评估主要采用安全检查表法、管道失效风险分析法、管道沉降屈服强度验算法等。

1.1  安全检查表法

主要依据GB 50446―2017《盾构法隧道施工及验收规范》、GB 50251―2015《输气管道工程设计规范》、GB 50423―2013《油气输送管道穿越工程设计规范》、SY/T 5922―2012《天然气管道运行规范》、GB 50157―2013《地铁设计规范》等国家标准及行业规范,对穿越工程的设计及专项施工方案进行对标,找出不符合项。

1.2  管道失效风险分析法

对穿越工程涉及管道失效概率及失效后果进行分析,以判定该管道的失效风险大小,是否需要采取措施以降低风险。管道的失效概率分析可依据GB T 34346―2017《基于风险的油气管道安全隐患分级导则》;管道的失效后果分析可采用管道泄漏天然气扩散扩展灾害评价法进行,具体可参考SY/T 6891.2《油气管道风险评价方法 第2部分:定量评价法》中推荐的方法。

1.3  管道沉降屈服强度验算法

根据盾构施工地面沉降量的控制标准,计算此时的管道沉降引起的弯曲曲率半径,代入弹性模量公式进行验算:

 

其中ρ为曲率半径;E为钢材的弹性模量;J为管道截面的惯矩,,其中D为管道外径,d为管道内径;管道弯曲产生的弯矩;管道的弯曲应力,其中W为截面的抗弯模量;

 

将M、W代入管道的弯曲应力公式中,经化简得出:

 

将计算得到的管道弯曲产生的附加应力σ与该管道所用钢材的屈服强度进行比较,验证该沉降控制量是否在可接受范围内。

2  主要危害因素

2.1  火灾和爆炸

输气管道发生天然气泄漏,遇到点火源发生火灾、爆炸事故,导致地面设施破坏、车辆损坏和人员伤亡,造成严重的社会影响。

2.2  输气管道泄漏对隧道的影响

盾构施工过程中产生的振动可能造成上方土体变形,管道应力变化引起管道破裂形成物理爆炸,一部分动能向下传导至盾构施工隧道内,对隧道结构造成一定程度的破坏,并对施工设备及人员造成危害。泄漏的高压天然气沿土层中的空隙向四周扩散,可能会有少量天然气渗透至盾构隧道中,如遇明火则会在封闭空间内发生爆轰。

由于隧道洞体密封较为严密,在极端情况下,当少量天然气进入隧道内部遇点火源,如配电箱、裸露电线或地铁车厢经过时,极易在相对封闭的空间内发生爆炸,对正在运行的地铁车厢将会产生严重的破坏,造成不可估量的人员伤亡。

2.3  隧道施工对输气管道的影响

施工过程中盾构机失控会造成盾头上浮,碰及管道则会造成泄漏;地面沉降和隆起量过大,将增加管道的纵向附加应力,影响管道安全运行。

如隧道中存在可燃气体遇点火源发生爆炸,可能损伤管道;若施工过程中发生供水管线或泥浆管线破损,形成涌水造成地面塌陷使管道局部下沉、弯曲,造成管道破损泄漏。

管道通讯电缆伴随输气管道敷设,基坑施工或暗挖时可能造成通讯电缆损坏、中断,影响管道正常运行。

2.4  地铁运行对输气管道的影响

地铁杂散电流干扰会造成管道电位剧烈变化,其干扰为动态干扰,日常阴极保护维护人员无法准确测得管道的保护电位,使阴极保护系统无法正常运行,加剧管道腐蚀,国内外已发现多起案例。

3  安全措施

输气管道埋深通常在1~3米之间,地铁隧道穿越输气管道则采取下穿方式。不同地层条件、地面设施以及站点规划导致每一处穿越工程条件不尽相同,均需要采取各自相配套的安全措施。以交叉穿越工程为例,采取的安全措施如下。

3.1  设计阶段

(1)地铁车站、停车场等产生的杂散电流对管道的影响范围可达数千米,在规划选址时应尽量远离输气管道。

(2)采取增强绝缘性能、定期测试轨道过渡电阻、控制OVPD动作后避免长期合闸、改用新型单导等措施,减少杂散电流外泄。

(3)根据现场实际情况制定针对性管道保护方案。施工可能造成地面较大沉降或隆起、导致管道发生较大形变时,可采取悬吊、跟踪注浆或桩梁托换等保护方案;管道上方有施工便道可采取盖板保护方案,并根据荷载进行核算;当施工污水排放管需从管道上方敷设时,可采用在污水管下方埋设硂垫层保护方案。

3.2  施工期间

(1)编制通风、防尘专项方案,设置有害气体检测装置,氧气、瓦斯、沼气等有毒有害气体和粉尘浓度超限时及时采取处置措施。

(2)双向盾构或三线盾构下穿输气管道,施工时先行隧道沉降稳定后方可实施后续隧道盾构。

(3)盾构施工穿越管道位于道路下方时,协同交通部门管控过往车辆,禁止超过设计载荷的车辆通行。

(4)在穿越输气管道前50米处进行一次施工设备检修,以确保盾构机能保持良好状态匀速连续通过。

(5)当盾构在曲线上推进时,土体对盾构和隧道的约束力差,盾构轴线较难控制,因此推进速度要适当放缓,加大纠偏频率,减小每次纠偏幅度,加强纠偏测量,以减小地层损失,降低地面沉降量。

(6)盾构隧道顶部以上为粉砂层时,如操作不当则地层局部存在坍塌的可能性,应严格控制盾构掘进出土量在理论出土量的98% 左右。出土量超标时应立即关闭出土口,查明原因排除风险,必要时根据出土情况注浆回灌地层。

3.3  运营期间

(1)检测地铁杂散电流消除措施的实施效果,若发现问题应及时分析原因并采取其他有效措施。

(2)距离管道较近的车站、停车场,投运前开展输气管道杂散电流影响专项评估,投运后进行专项检测和评价。

(3)开展与地铁交叉段管道杂散电流干扰腐蚀影响评价,根据评价结果采取相应治理措施。

(4)运行初期,评估地铁振动危害强度。地铁运行于管道下方时,振动强度可通过检测隧道地面和直接观察两种方式得到。

4  未来研究方向

4.1  地面沉降或隆起对管道形变影响定量分析

有限元程序软件可对盾构下穿时的管道受力情况、管道与地层的共同变形情况进行模拟分析。分析结果对于盾构施工沉降量及隆起量控制具有一定的参考价值。

4.2  地铁振动对管道的长期影响

目前地铁振动研究主要集中在对其土层内的传播规律及对地表建筑的影响,并未涉及振动对管道的长期应力影响,需要理论计算结合实测结果开展研究。

4.3  管道破裂后天然气在土层中的扩散模型

天然气在土层中扩散向下到达隧道外侧时,进入到隧道内的可能性较小,目前有关定量数值模拟研究较少,缺乏足够的数据支撑。

5  结束语

地铁穿越输气管道工程经多年实践,从规划、设计、专项施工方案编制到施工过程管理,已有一套成熟体系,积累了一定的经验。该类工程涉及公共安全与能源安全,如发生事故后果十分严重,故双方均应各自开展安全评估。期待完善相关模型分析及定量分析技术,为类似工程施工和管理提供技术支撑。

 

参考文献: 

[1]顾清林,姜永涛,曹国飞,葛彩刚,丁疆强,高荣钊,修林冉,杨阳. 关于长输天然气管道受地铁动态直流杂散电流干扰的思考与探讨[J].全面腐蚀控制,2019,33(6):1-5 .

[2]董亮,姜子涛,杜艳霞,路民旭,孟庆思. 地铁杂散电流对管道牺牲阳极的影响及防护[J].石油学报,2015,37(1):117-124.

[3]王峰伟. 地铁盾构施工中燃气管道悬吊保护施工技术[J].四川建材,2020,46(3):109-110.   

[4]王文辉. 盾构隧道下穿西气东输管道保护方案[J].铁道工程学报,2012(10):70-74.

[5]刘建达,苏晓梅,陈国兴,陈斌. 地铁运行引起的地面振动分析[J].自然灾害学报,2007,16(5):148-154.



作者简介:张上,1982年生, 2005年毕业于北京工商大学自动化专业,工学学士,仪器仪表工程师。现服务于中国石油工程建设有限公司华东环境岩土工程分公司(青岛中油华东院安全环保有限公司),主要从事长输管道工程、油田工程、成品油库的安全评价、QRA计算、HAZOP分析,SIL定级等工作。联系方式:17744419143,76895217@qq.com。

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