淺析城市地鐵建設與燃氣管道保護

中國市政工程西南設計研究總院 李斌 楊羅

城市地鐵軌道交通的蓬勃發展給城市綜合工程管線帶來新的挑戰。特別是城市燃氣的普及，燃氣管道與地鐵的安全距離、地鐵雜散電流的腐蝕愈來愈引起人們的重視。

1 地鐵與燃氣管道安全間距

1.1 基本概念

地鐵定義：在城市中修建的快速、大運量用電力牽引的軌道交通。線路通常設在地下隧道內，也有的在城市中心以外地區由地下轉到地面或高架橋。

地鐵線路一般規定：地鐵的線路敷設方式，應根據城市總體規劃和地理環境條件因地制宜地選擇，一般在城市中心地區宜采用地下線，其他地區條件許可時宜采用高架線或地面線。

城鎮燃氣管道通過的地區，應按沿線建筑物的密度程度劃分為4個管道地區等級，并依據管道地區等級做出相應的管道設計。

地鐵主要服務對象為城市中心地區居民，管道經過的地區等級為四級。根據《城鎮燃氣設計規范》(GB 50028—2006)規定，四級地區地下燃氣管道輸配壓力不應大于4.0 MPa(表壓)。

根據地鐵在城區內的主要建設方式和城區內燃氣管道輸配壓力級制，本文主要探討四級地區地下敷設地鐵與不大于4.0 MPa埋地燃氣管道的安全間距。

根據地鐵限界規定，地鐵限界分為車輛限界、設備限界、建筑限界。建筑限界是在設備限界基礎上，考慮了設備和管線安裝尺寸后的最小有效截面積。地鐵限界見圖1。因此，地鐵與燃氣管道水平、垂直安全間距即為地鐵構筑物外壁與燃氣管道外壁的安全凈距。

圖1 地鐵限界示意

1.2 規范規定

《地鐵設計規范》及相關地鐵行業規范中未對地鐵與燃氣管道水平安全間距進行規定和說明。

《城鎮燃氣設計規范》對鐵路路堤坡腳、有軌電車鋼軌、建筑物進行了水平、垂直間距規定。主要規定如下：

表1 地下燃氣管道與建筑物、構筑物水平凈距

高壓燃氣管道不宜進入四級地區；當受條件限制需要進入或通過四級地區時，應遵守下列規定：

(1)高壓A地下燃氣管道與建筑物外墻面之間的水平凈距不應小于30 m (當管道壁厚δ≥9.5 mm或對燃氣管道采取有效的保護措施時，不應小于15 m)；

(2)高壓B地下燃氣管道與建筑物外墻面之間的水平凈距不應小于16 m(當管壁厚度δ≥9.5mm對燃氣管道采取有效的保護措施時，不應小于10 m)；

(3)管道分段閥門應采用遙控或自動控制。

上海地方標準《城鎮高壓、超高壓天然氣管道工程技術規程》規定高壓管線依據管徑的不同距地鐵水平間距為15~25 m。安全間距不能滿足要求時當采取一定措施后，安全間距可相應減小到5 m和8 m。

表2 地下燃氣管道與構筑物之間垂直凈距

城區內建筑密度大居民稠密，地鐵一般沿城市道路下方敷設。一般地鐵結構設計多采用盾構法結構，通風井和站臺多采用護壁結構。根據盾構法施工的區間隧道的覆土厚度不宜小于隧道外輪廓直徑等相關規定，上海地區隧道覆土厚度一般為10 m左右，通風井和站臺地下結構覆土厚度一般為3 m左右。

城市燃氣管道在機動車道管頂覆土厚度不小于0.9 m，因此燃氣管道一般位于地鐵隧道上部敷設。而表2所列間距為燃氣管道從鐵路或有軌電車底部敷設，因此規范未明確燃氣管道從地鐵隧道上部敷設的垂直間距要求。

1.3 結論

通過上述比較和分析，結合上海地區地鐵與燃氣管道實際工程情況，地鐵與燃氣管道的水平安全間距：次高壓以下管道應控制5 m以上，次高壓管道應控制10 m以上，高壓管道應控制15 m以上。而位于地鐵隧道上部的燃氣管道，由于燃氣管底和隧道頂部距離較大，當采取安全措施并經相關部門同意后，燃氣管道一般可直接從隧道頂部敷設通過。

2 地鐵雜散電流對燃氣管道的影響

2.1 雜散電流的產生

雜散電流：在非指定回路上流動的電流。

地鐵雜散電流主要是由采用直流供電牽引方式的地鐵列車在地下鐵道運行時泄漏到道床及其周圍土壤介質中的電流，見圖2。

圖2 雜散電流形成示意

2.2 雜散電流的危害

雜散電流主要是對地鐵周圍的埋地金屬管道、通訊電纜以及車站和區間隧道主體結構中的鋼筋發生電化學腐蝕，它不僅能縮短金屬管、線的使用壽命，而且還會降低地鐵鋼筋混凝土主體結構的強度和耐久性，產生安全隱患。

雜散電流的對埋在土壤中的金屬的電化學腐蝕，其腐蝕過程簡單描述如下。

(1)析氫腐蝕：

陽極：2Fe=2Fe2++4e-

陰極：4H++4e-= 2H2↑ (無氧酸性環境)

4H2O+4e-=4OH-+2H2↑ (無氧環境)

(2)吸氫腐蝕

陽極：2Fe=2Fe2++4e-

陰極：O2+2H2O+4e-=4OH-(有氧堿性環境)

根據《鐵路供電手冊》，每安培雜散電流每年腐蝕掉的金屬見表3。

表3 雜散電流金屬腐蝕量

根據上述情況和以前工程案例，若地鐵絕緣不好，雜散電流會造成隧道主體結構和周邊埋地燃氣金屬管道腐蝕穿孔等現象。

直流雜散電流對埋地金屬管道腐蝕的特點：

(1)腐蝕強度大，危害大。埋地金屬燃氣管道在沒雜散電流時，只有自然腐蝕，大部分為原電池型，驅動電位差只有幾百毫伏，腐蝕電流只有幾十毫安；而雜散電流干擾腐蝕時是電解電池原理，電位可達幾伏，電流最大可能上百安。根據法拉第電解定律，1 A的電流通過鋼管表面流向土壤溶液一年可溶解約 10 kg，由此可看出直流雜散電流干擾腐蝕相對其他原因引起的腐蝕嚴重得多。

(2)范圍廣，隨機性強。雜散電流干擾腐蝕范圍大，特別是地鐵的雜散電流幾乎影響整個城區的地下金屬管網；軌道與地的絕緣電阻、管道的防腐絕緣層電阻、土壤電阻率、電流大小等都是變化的，因此雜散電流流向也是隨機的，給防護帶來一定難度。

2.3 雜散電流的防護

2.3.1 加強地鐵產生雜散電流的控制

(1)以治本為主，提高直流牽引電壓，將地鐵雜散電流減小至最低限度。

(2)提高地鐵系統中的絕緣措施，限制雜散電流向地鐵外部的擴散。

2.3.2 地鐵沿線燃氣管道應單獨采取有效的防蝕措施

(1)避開干擾源。燃氣管道布線時在符合安全要求前提下，合理選擇走向，避開地鐵、電纜等雜散電流干擾源。或采取對受雜散電流干擾管道增設絕緣接頭，將被干擾的管道與主干線分隔開，把干擾限制在一定范圍，減輕干線的腐蝕。

(2)增加回路電阻。根據燃氣的品質和輸送壓力盡量選用聚乙烯等管材。對于金屬管材，主要是采用防腐等級高的防腐絕緣層形式，采用耐雜散電流的防腐材料等，接口處采用熱縮套管。及時觀測雜散電流，及時修補和更換防腐絕緣層等。

(3)采取必要的排流措施。排流保護措施不同于管道的防腐設計，需按有關標準進行干擾源及管道現場數據測定，根據具體情況進行方案確定。排流保護措施主要有4種，即直接排流、極性排流、強制排流和接地排流。

3 結語

地鐵的發展與燃氣的普及在城市化進程中發揮了巨大的作用，但地鐵與燃氣管道安全間距的控制、雜散電流腐蝕的預防和消除尚處于研究初期，相關數據未實現共享。為了將安全隱患及時消除，我們還需要相關部門的協作配合和深入研究，根據工程的實踐經驗，將安全間距控制在合理的范圍內，既促進城市公共交通的建設，又使得燃氣管道處于安全控制之下。同時要求地鐵和燃氣管理部門進行資源共享，建立城市燃氣管道沿線雜散電流數據庫，制定防護措施和應急預案，讓城市地鐵和燃氣更好地服務于城市化建設。