许新裕

国家管网集团西气东输厦门输气分公司

 

摘要：铁路隧道采取爆破掘进的方式通过在役天然气管道下方，存在一定的安全风险。在交叉部位开展应力、地表位移和振动监测，实时掌握隧道施工期间管道的应力应变情况。通过监测数据分析，掌握管道运行状态、应变及管道周围土体沉降等情况，以便采取相应的保护措施，保障管道安全可靠运行。

关键词：监测；输气管道；预防；安全防护

 

近年来，山岭铁路隧道建设项目增多，隧道与在役管道交叉或并行情况时有发生。大部分山岭铁路隧道的掘进施工以钻爆法为主，其产生的瞬时冲击波不可避免地对附近地下管道造成冲击，会使管道承受较强激振作用而产生应力损伤，当振动频率等于管道固有频率时，会引起共振位移破坏[1-2]。为实时掌握在隧道钻爆掘进过程中管道周围土体发生沉降、管道受力或沉降的情况，在管道与隧道交叉处布置应力、位移和振动等监测装置，实时监测隧道施工过程中管道的应力、振动和位移，并对监测数据进行深入分析，可为隧道施工过程中的管道保护工作提供技术依据。

1  工程概况

在建龙龙铁路龙武段双髻山隧道（以下简称双髻山隧道）位于福建省龙岩市上杭县蛟洋镇，在隧道DK 13+450 m处下穿在役西气东输三线管道（IB 017+700 m），管径1219 mm，壁厚18.4 mm，材质L555钢，设计压力10 MPa，隧道拱顶距离管道最近处约36.7 m，两者交叉角度为79°。

双髻山隧道进口里程为DK 11+670.73 m，出口里程为DK 19+339.58 m，全长7668.85 m，最大埋深约334 m，隧道洞身总体走向为256°，路线纵坡为单面坡，纵断面坡度最大为15‰。隧道设计Ⅱ～Ⅴ级围岩，其中Ⅱ级围岩2643 m，Ⅲ级围岩2624 m；Ⅳ 级围岩1254 m；Ⅴ级围岩1147.85 m。

双髻山隧道在距天然气管道50 m范围内采用机械开挖，50 m～200 m范围内采用控爆方式掘进。

2  管道监测

根据双髻山隧道与西气东输管道交叉段现场实际及相关技术规范，在管道IB 017+700 m X01处开展应变、振动及地表位移等监测。应力应变监测采用振弦式应变传感器，管道及附近岩土振动速度监测采用测振仪，地表位移监测采用振弦式静力水准仪。

（1）监测装置。野外监测装置由太阳能供电系统、智能采集模块、DTU模块、监测桩体四大部分组成（图 1）。数据采集仪与振弦式应变计之间通过双绞线实施通讯连接，振弦式应变计监测的振频模数经采集仪压缩、存储后，由数据采集仪通过DTU模块连接到互联网，并通过网络服务器与监控中心服务器连接，实现数据的采集或对现场数据采集仪发送相关测控指令。

图 1 野外应力监测装置

（2）应变监测。为掌握隧道与管道交叉处管道截面上的轴向应变和环向应变，在交叉段的管道上安装1组管道应变监测截面（图 2），编号为X01，用于监测管道轴向应力变化情况；在监测截面顺气流方向管周9点（L）、12点（U）、3点（R）位置各安装1支振弦应变计；管道应变监测截面X01用1套一体化野外监测桩进行监测数据的采集传输。

图 2 交叉段管道应变监测截面布置断面图

（3）振动监测。为掌握隧道与管道交叉处管道及附近岩土体水平、垂直方向的振动情况，在交叉段的管道管底及隧道DK 13+458 m处的管底相同埋深土体内各布置1台测振仪，编号分别为Z01、Z02，用于监测交叉段管道及附近岩土体水平、垂直方向的振动情况。

（4）地表位移监测。为掌握隧道与管道交叉处管道上方地面沉降情况，在交叉段地表布置1套振弦式静力水准仪；该套静力水准仪设置1个测点J02（交叉段管道正上方）、1个基准点J01（隧道8 m外、管道附近稳定区）；监测数据采集传输与管道应变监测截面X01共用一体化野外监测桩。

（5）监测频次及周期。按照管道交叉段隧道施工期65天、施工后快速沉降期35天计算，频次1次（期）/天；之后按1次（期）/15天监测频次，监测周期9个月。

3  数据分析

（1）管道监测应力阈值计算。依据GB 50251―2015《输气管道工程设计规范》，管道轴向应力按式（1）计算：

σL＝σt +σp +σe +σb     （1）

式中：σL为埋地管道轴向应力；σt 为温差应力；σp 为内压产生的泊松应力；σe 为外荷载产生的轴向应力；σb 为弹性敷设、重力或外荷载作用产生的名义弯曲应力，单位均为MPa。

根据公式计算各监测截面监测拉、压应力阈值如表 1所示，采用安装时温度17.25℃，正负温差变化为±27.3℃：计算出监测拉应力阈值和压应力阈值分别为290.2 MPa、﹣244.3 MPa。

表 1 X01监测拉、压应力阈值

（2）地表位移控制标准确定。国家和地方相关规范、规定对隧道工程下穿高压天然气管线变形控制无统一标准。 根据 GB 50251―2015，对于管道径向稳定校核，管道径向最大变形量不应大于钢管外径的 3%，西气东输管线直径1219 mm，径向最大允许变形量36.57 mm。根据GB 50497―2019《建筑基坑工程监测技术标准》，对应管道位移监测预警值累计值要求为10 mm～20 mm，变化速率为2 mm/d。根据 GB 50911―2013《城市轨道交通工程监测技术规范》，当无地方工程经验时，对风险等级较低无特殊要求的地下燃气管道沉降累计控制值为 10 mm～30 mm，变化速率为2 mm/d。双髻山隧道下穿西气东输管线，选取管道位移控制标准为10 mm，变化速率为2 mm/d。

（3）管道所受速度阈值确定。考虑到振动频率也会对爆破振动产生一定影响[3]，且天然气长输管道属于重要的公共基础设施，在实际工程中通常选择2～6 cm/s的峰值振动速度作为天然气长输管道的安全判定标准，能够确保爆破地震波不会严重影响管道安全运行[4]。经专家评审和现场振动测试，最终确定2.0 cm/s 作为天然气管道安全判定标准，结合《铁路工程爆破振动安全技术规程》以允许值的 85%作为预警值，因此本次最终管道速度安全标准值为1.7 cm/s。

（4） 管道应力监测数据分析。施工后对管道应力应变、位移（沉降）、振动实施9个月的现场监测。应力监测时程曲线如图 3，在整个监测周期内，监测截面管道附加应力均处于较小值，最大拉应力6.93 MPa，最大压应力﹣8.95 MPa，远未达到蓝色预警值。累积沉降位移变化曲线如图 4，当前测点累积沉降位移值偏小，仅为﹣0.793 mm ，远小于安全阈值10 mm。2个监测截面振动速度随时间变化曲线如图 5、图 6，各测点振动速度值较小，均远小于安全阈值。其中，Z01测点沿Z轴方向振动速度最大值为0.86 mm/s，Z02测点沿X轴方向振动速度最大值为0.31 mm/s，均小于管道安全速度1.7 cm/s。

图 3 最大轴向应力时程曲线

图 4 累积沉降位移随时间变化曲线

图 5 Z01振动速度随时间变化曲线

图 6 Z02振动速度随时间变化曲线

4  结语

与铁路隧道交叉的在役天然气管段，在隧道掘进期间应及时开展应力、地表位移和振动监测，以便实时掌握管道的应力应变情况，采取适当的安全保护措施。监测数据表明，双髻山隧道与管道交叉处采用机械开挖和钻爆相结合方式施工，隧道施工期间管道应变、地表位移及振动均处于可接受状态，该种施工方式对管道运行是安全的。

 

参考文献：

[1]孙金山，李正川，刘贵应，等.爆破振动在边坡岩土介质中诱发的动应力与振动特征分析[J].振动与冲击.2018，37( 10) ：141-148．

[2]梁瑞，包娟，周文海，等.地铁隧道掘进爆破对既有埋地管道的动力影响[J].爆破2021，37(10) ：141-148.

[3]常立功.川气东送管道典型地质灾害监测预警技术应用研究[D].成都：西南石油大学，2014．

[4]王振洪，侯雄飞，边明，等.爆破对天然气长输管道振动影响的安全判据[J].油气储运， 2016 ，35(8)：813-818.

作者简介：许新裕，1984年生，硕士研究生，毕业于中国石油大学（北京），工程师，厦门输气分公司管道科副科长，从事管道完整性管理工作。联系方式：021-58847727，1772748941@qq.com。