环境敏感区油气管道过江隧道设计难点及对策

白 琳 胡文君 谢启帅 向 勇

中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

相比公路、铁路行业,油气管道行业的过江隧道建设起步较晚。20世纪90年代，川渝地区的油气管道工程采用过江隧道方式穿越长江，开启了油气管道行业过江隧道建设的序幕。在近20年的时间,中国油气管道迎来了跨越式发展,已建成的西气东输管道工程系列、陕京输气管道工程系列、中俄管道及各省级的天然气管网工程先后采用过江隧道方式成功穿越了长江、黄河、钱塘江、东江以及黑龙江等大中型河流[1-3]。

近些年，油气管道过江隧道虽然取得了一些发展,但目前中国学者及工程技术人员对环境敏感区过江隧道的针对性研究还较少,管道工程输送的内容物属于易燃易爆等危化品,对管道工程的安全、工期和投资控制等方面要求较为严格,需对其面临的具体难点问题进行针对性研究。本文以浙江省天然气管网“县县通”工程大溪隧道为例,结合油气管道隧道工程的特点,研究了环境敏感区过江隧道设计的难点及对策,为安全、经济、合理地设计油气管道过江隧道提供参考。

1 工程概况

大溪隧道总长1 704.5 m,采用复合式衬砌结构,净空断面尺寸为3.5 m×3.5 m(直墙—圆拱型),受外部环境限制,平面设置为折线,纵断面采用“斜巷(404 m/-20.2%)+平巷(835 m)+斜巷(447.5 m/18.5%)”的穿越形式。穿越点位于浙江省丽水市莲都区大港头镇,穿越点夏季水面宽度约370 m,一般水深5～25 m,每次暴雨后水位暴涨,百年洪水位最大涨幅约10 m(最大水深约35 m)。由于受管道总体路由走向及当地规划的影响,政府相关部门推荐的穿越点周边存在军事管理区、高速公路及桥梁、各等级公路、珍稀动物自然保护区、水电站、城市供水管道、4A级旅游景区等环境敏感点,平面位置见图1。

图1 大溪隧道穿越位置示意图Fig.1 Location of Daxi tunnel crossing

隧址区出露地层主要为第四系全新统松散堆积层,侏罗系燕山三期混合花岗岩类,侏罗系中统漳平组泥质粉砂岩、砂岩、砾岩,以及侏罗系下统桥源组石英砂岩地层。该隧道水文地质情况复杂,关键的河床段发育多组断层破碎带,以断层碎裂岩、断层碎块为主,次为断层角砾,可见断层泥、糜棱岩,分界不明显;夹有中等风化粉砂质板岩、变质粉砂岩透镜体;岩体呈碎石角砾状至散体状结构。河床段为强富水区,基岩中含裂隙水和构造裂隙水,施工时极易与河床连通形成“漏水天窗”。

2 工程设计难点及对策

受工程地质、水文地质、场地条件和周边环境的限制,通过方案比选,大溪隧道采用钻爆法施工。该隧道设计难点在于隧道穿越轴线与环境敏感点的安全间距,以及河床段隧道合理埋深的确定。

2.1 穿越轴线与环境敏感点的安全间距

穿越轴线与环境敏感点的安全间距分为两部分:隧道两端的连接管道与周边环境敏感点的安全间距;隧道本体与周边环境敏感点的安全间距。

2.1.1 连接管道

连接管道周边的环境敏感点及建构筑物主要有景区居民房，高速公路及桥梁、省道及各等级公路，军事管理区，市政供水管道，水电站大坝等。

2.1.1.1 居民房

根据《中华人民共和国石油天然气管道保护法》[4]规定,确保穿越轴线(含连接管道及隧道)两侧各5 m范围内无已建或规划建筑物。同时在设计阶段应结合项目所在地区是否存在单独制定的管道保护相关规定,如有安全间距要求的尽量按照地方要求执行,对于无法达到上述要求的,则需上报讨论确定。如无明确要求可参照经验确定:一般对于独立的居民房或建构筑物,安全间距≥5 m。

2.1.1.2 各等级公路

管道与等级公路穿越和并行应执行《公路安全保护条例》[5]和《关于规范公路桥梁与石油天然气管道交叉工程管理的通知》[6]规定,并行敷设时应尽量敷设在公路建构筑物控制区范围外。

管道并行公路敷设时,对于地形特殊确实难以在公路建构筑物控制区范围外敷设的局部地段,在对管道采取加强保护措施后(如加盖板、套管或者箱涵),管道可埋设在公路路肩边线以外的公路用地范围内或公路建构筑物控制区内,但应当向公路管理机构提出申请,取得公路管理机构同意后方可实施。

2.1.1.3 军事管理区

根据《中华人民共和国军事设施保护法》[7]和《中华人民共和国军事设施保护法实施办法》[8]规定,管道不应在军事禁区、军事管理区内敷设(无具体安全间距要求),并应对没有划入军事禁区、军事管理区的军事设施进行保护。因此,在军事禁区、军事管理区外近距离敷设管道时,只需取得军事管理部门的同意即可。

2.1.1.4 市政供水管道

根据GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》[9]规定,输气管道与其他管道交叉时,垂直净距不应小于0.3 m,当小于0.3 m时,两管间交叉处应设置坚固的绝缘隔离物,交叉点两侧各延伸10 m以上的管段,应确保管道防腐层无缺陷。同时根据《中华人民共和国石油天然气管道保护法》[4]规定,输气管道与市政供水管道间距不宜小于5 m。

2.1.1.5 水电站大坝

根据GB 50453—2013《油气输送管道穿越工程设计规范》(以下简称GB 50453—2013)[10]规定，水域穿越管段与港口、码头、水下建构筑物之间的距离,当采用大开挖穿越时不宜小于200 m,当采用定向钻穿越、隧道穿越时不宜小于100 m。在路由受限情况下,隧道穿越轴线与大坝间距小于100 m时,应以GB 6722—2014《爆破安全规程》[11](以下简称GB 6722—2014)规定的爆破指标进行控制,对爆破方案进行安全评估,并应取得水利管理部门同意。

2.1.1.6 珍惜动物自然保护区

根据《中华人民共和国自然保护区条例》[12]规定:在自然保护区的核心区和缓冲区内,不得建设任何生产设施。在自然保护区的实验区内,不得建设污染环境、破坏资源或者景观的生产设施;建设其他项目,其污染物排放不得超过国家和地方规定的污染物排放标准。

输气管道禁止通过自然保护区的核心区和缓冲区,同时也不宜通过自然保护区的实验区。

2.1.2 隧道本体

根据GB 50453—2013的规定，水域穿越管段与港口、码头、水下建构筑物之间的距离,当采用隧道穿越时,平面距离不宜小于100 m。

水域穿越管段与桥梁间的最小距离应根据穿越形式确定,采用隧道穿越时,隧道的埋深及边缘至桥梁墩台的距离不应影响桥梁墩台的安全。GB 50453—2013并未明确具体的安全距离,笔者认为由于隧道的断面大小不一样,施工时采取的爆破当量也不一样,因此,不宜以安全间距来控制而应以安全指标来控制。

根据GB 6722—2014的规定,以振动速度作为评价爆破震动强度的参量,由GB 6722—2014推荐的萨道夫斯基公式整理可得:

(1)

在国内大多数实际工程中,建构筑物地面质点的振速被作为衡量和描述爆破振动强度的唯一的指标,它与一次齐发爆破或单段最大装药量、爆心距、地质地形条件和爆破方法等因素有关,其安全振速的大小均遵循GB 6722—2014规定。GB 6722—2014规定了主要建构筑物的破坏判据,由于大溪隧道周边环境敏感点较多,在设计阶段将爆破质点振速控制指标值定为2 cm/s。该隧道的净断面为3.5 m×3.5 m(直墙—圆拱型),采用水平切向振速、水平径向振速和竖向振速的合速度进行判断;工程最大单段装药量为3.3 kg。

为此,在隧址区进行了试爆,主要用于分析地表质点振速的传播规律及其预测公式的修正,测试结果见表1。

表1 爆破振动测试结果表

表1中所有测试点的地表振速均小于2 cm/s,说明该爆破方案安全。

表2 振动预测数据整理表

(2)

因此,在一次齐发爆破或最大单段装药量3.3 kg的情况下,爆心距30 m以外的质点振速均小于2 cm/s,需要保护的敏感建构筑物均安全。

因此,大溪隧道与周边各敏感建构筑物的最小安全间距见表3。

表3 最小安全间距统计表

经现场实测,隧道的洞口及洞身轴线离表3中敏感建构筑物的最小间距及指标均满足要求。

2.2 河床段隧道的合理埋深

由于隧道工程具有计算模型复杂、力学参数难以准确探测和选取的特点,河床段隧道埋深的确定在很大程度上依赖于工程类比经验法。控制河床段隧道合理埋深的因素很多,如工程地质条件、水文地质条件、隧道尺寸、可选用的纵坡坡度(由于油气管道隧道纵坡坡度较为灵活,因此该因素可不考虑)、施工工法、轴线周边环境等,其中最重要的是工程地质条件和施工工法。对于大溪隧道河床段的合理埋深,在设计阶段主要采取经验法、数值分析法进行分析,并结合塌落拱理论及周边环境因素综合确定[13-15]。

2.2.1 经验法确定最小埋深

国内外常用的经验法有三类,即挪威海底隧道经验法、中国顶水采煤经验法及日本最小涌水经验法。

2.2.1.1 挪威海底隧道经验法

在挪威,海底隧道最小岩石覆盖层厚度通常用工程类比法确定,其经验曲线见图2[16]。

图2 挪威海底隧道岩石覆盖厚度与水深关系图Fig.2 Relationship between rock cover thickness andwater depth in Norwegian subsea tunnel

总结国外已建隧道的工程经验并类比到拟建工程是非常有价值的工作,挪威海底隧道主要修建在火成岩和变质岩中,许多学者对海底隧道最小埋深做了专题研究,总结的经验参考值见表4[16]。

表4 挪威海底隧道最小埋深经验值表

2.2.1.2 中国顶水采煤经验法

过江隧道最小岩石覆盖层厚度的确定与水下采煤留设煤岩柱有相似之处,可借鉴采煤中的安全防水煤岩柱的经验。当基岩直接裸露,河床段没有沉积层时[17]:

H1=a+s+h1

(3)

2.2.1.3 日本最小涌水经验法

日本最小涌水经验法公式可简化为[18]:

(4)

采用上述三类经验法确定大溪隧道河床段最小埋深见表5。

表5 国内外经验法确定最小埋深表

因此,在百年洪水位情况下,经验法确定大溪隧道河床段最小埋深为40 m。

2.2.2 数值分析法确定最小埋深

数值分析采用MIDS-GTS软件进行,围岩的屈服准则采用Mohr-Coulomb屈服准则,根据地勘报告河床段围岩参数为重度22 kN/m3,弹性模量1 GPa,泊松比0.3,内摩擦角25°,黏聚力100 kPa。以覆盖层厚度40 m为例建模并进行数值分析。为消除边界条件的影响,模型左右及下部为各20 m(大于5倍隧道宽度)进行计算,主要分析有无水压工况下,隧道开挖对地层的扰动情况,即开挖前后地层竖向压应力及竖向位移的变化。

2.2.2.1 无水压工况

图3为隧道开挖前后竖向应力分布图(无水压)。图3说明隧道开挖后,拱顶以上竖向压应力在一定范围内存在减小的趋势,竖向应力影响范围为拱顶30～35 m,超过此范围,竖向应力变化不大。

图4为隧道开挖后,拱顶上土层竖向位移曲线。由图4可知，隧道开挖后,拱顶上覆地层超过20 m后,竖向沉降急剧减小,说明拱顶上覆地层超过20 m后,隧道开挖对地层的影响较小。在拱顶30～35 m以上,竖向位移接近0 mm,即不存在扰动。单纯从隧道开挖对地层影响分析,从地应力和竖向位移两方面均可断定,隧道断面埋深超过30～35 m时,隧道开挖对河床无影响。

a)地应力平衡阶段a)In situ stress equilibrium stage

b)隧道开挖后b)After tunnel excavation

图4 拱顶上距离与竖向位移关系图Fig.4 Relationship between distance above arch crownand vertical displacement

2.2.2.2 35 m水压工况

基于同样覆盖层厚度,对百年一遇最大洪水位下，水深35 m工况下,隧道开挖对河床的扰动进行分析,建模时将35 m水压以均布荷载作用在模型顶面。隧道开挖前后竖向应力分布(35 m水压)见图5。从图5可以看出,当隧道上覆地层超过35 m时,竖向应力基本无变化,说明隧道开挖影响高度约35 m,与无水压工况基本一致。这表明,隧道开挖对地层应力影响只限制在一定范围内,与地层本身的拱效应有关,隧道开挖对起拱线上的覆土影响逐渐减小,隧道上覆岩层厚度≥35 m时,影响即可忽略。

数值分析表明:大溪隧道河床段埋深超过30～35 m时,隧道开挖对地表无影响。因此,在上述围岩参数情况下,数值分析法确定的最小埋深为35 m。

a)地应力平衡阶段a)In situ stress equilibrium stage

b)隧道开挖后b)After tunnel excavation

2.2.3 合理埋深的确定

根据数值分析结果可知,隧道最小埋深的确定需要考虑拱效应。围岩成拱时,隧道开挖对拱线上覆土影响减小,当上覆土层厚度超过成拱高度后,隧道开挖对河床无影响,即隧道开挖致使地层裂隙增加的可能性降低,从而使隧道与河床贯通的可能性降低。因此,在河床段水文地质情况复杂、透水性较好的情况下,最小覆盖层厚度的确定需考虑岩层的拱效应。

根据勘察报告,大溪隧道河床段围岩基本等级为Ⅴ级,经地下水、地应力等影响因素修正后,围岩级别调整为Ⅵ级。

1)根据普氏坍落拱理论及围岩力学特性,当围岩不稳定时,坍落拱高度为[19]:

(5)

2)根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[20](以下简称TB 10003—2016)计算可知,Ⅵ级围岩坍落拱高度：

h3=0.45×2s1-1ω

(6)

式(5)、(6)计算结果差距较大,考虑安全,坍落拱高度采用12.96 m。根据TB 10003—2016的规定,当拱顶覆盖层厚度达到32.4 m时(普氏坍落拱理论计算值的2.5倍),围岩坍落拱才可形成。根据数值分析,河床段最小埋深为35 m;按坍落拱理论,河床段最小埋深为32.4 m满足成拱条件;根据挪威海底隧道经验法,河床段最小埋深为40 m。

综合以上分析,从安全角度考虑,大溪隧道河床段的合理埋深为40 m,约为普氏坍落拱理论计算值的3倍,满足成拱效应要求。平巷段的拱顶高程为22.05 m,省道S328路面高程为76.6 m,隧道洞身的覆土埋深为54.55 m,满足要求。

大溪隧道于2016年开展勘察设计,施工期间多次穿越断层、破碎带、地下水活动带、“漏水天窗”等不良地质地段,河床段发生大的突涌水2次,由于处理及时均未发生淹井事故,2019年贯通后安全运行至今。

3 结论

随着社会经济的发展、城镇建设的加快、规划和环保的限制,油气管道工程不得不采用隧道方式通过一些环境敏感区。虽然油气管道行业的过江隧道在近20年取得了一些发展,但目前国内学者及工程技术人员对环境敏感区过江隧道的针对性研究还较少,在设计阶段通常采用工程类比法进行,其针对性欠佳。本文以大溪隧道为例,针对隧址区存在的环境敏感点及河床段的水文地质条件,全面分析了隧道穿越轴线与各环境敏感点之间应保持的安全间距，并采用挪威海底隧道经验法、中国顶水采煤经验法及日本最小涌水经济法确定了河床段隧道的合理埋深,确保了施工和运行的安全,节约了工程投资,可为类似环境敏感区油气管道过江隧道设计提供参考。