油氣管道瓦斯隧道的設計及施工

石長元 王曉峰 杜呈祥

1．中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川成都610041; 2．中國人民解放軍九四一零四部隊，陜西寶雞721008

油氣管道瓦斯隧道的設計及施工

石長元1王曉峰1杜呈祥2

1．中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川成都610041; 2．中國人民解放軍九四一零四部隊，陜西寶雞721008

油氣管道隧道在特殊情況下需穿越含瓦斯地層，為了保證管道隧道在施工期間及后期管道運營安全，需要從隧道內瓦斯的檢測、設計支護方式和施工中采取必要的措施等方面進行綜合考慮，選擇安全、環保、經濟、適用的方案。結合油氣管道瓦斯隧道工程實例，從瓦斯檢測的方法和設備，到相應的隧道支護方式，再到施工期間的各項安全措施要求，較全面地闡述了瓦斯隧道設計、施工過程，為今后類似工程提供參考。

油氣管道;瓦斯隧道;檢測;設計;施工

0 前言

隨著我國國民經濟的迅猛發展，國家對石油、天然氣能源的需求更加迫切，從國內到國外，正在建設大量的油氣管道，諸如西氣東輸工程、中緬管道工程、中亞管道工程、中俄管道工程等。油氣管道在穿越大江大河、高山峻嶺等特殊地段，已經越來越多地采用隧道穿越方式。由于受到管道線路總體走向、地方規劃、地質地形、環境敏感區、高后果區等各種因素的影響，不可避免地導致個別管道隧道需要穿越含瓦斯地層，這就要求從勘察、設計、施工各方面采取特殊措施來應對瓦斯可能帶來的危害，以保證管道隧道的施工及運營安全。本文以四川某天然氣管道瓦斯隧道為例，對隧道中的瓦斯檢測及隧道的設計、施工進行探討。

1 概況

某天然氣管道瓦斯隧道穿越山嶺全長1 537.9 m，隧道斷面形式為直墻半圓拱形，凈寬2.7 m，凈高2.7 m(其中墻高1.5 m，拱高1.2 m)，縱斷面采用平巷－斜巷形式。進口端坡度為10%，水平長979.3 m，斜長984.2 m;出口端斜巷坡度為46.63%，水平長500.1 m，斜長551.61 m，水平明洞2 m。隧道水平長1 481.4 m，實際長1 537.9 m。隧道穿越縱斷面示意見圖1。

圖1 隧道穿越縱斷面示意圖

2014年5月15日20:30，該隧道出口端掘進至K 1+ 273 m處(位于隧道出口斜巷段)，施工作業班組在打眼作業時，發現工作面有臭雞蛋味、同時發現掌子面右側下方3個鉆孔冒氣泡。經甲烷氣體檢測儀檢測，氣泡出口的甲烷氣體體積濃度為1.83%;檢測掌子面空氣，數據顯示氣體體積濃度為0.16%，經16 h釋放后，用甲烷氣體檢測儀對掌子面空氣檢測，甲烷氣體體積濃度含量為0%，出氣口檢測，氣體體積濃度為0.36%。經3 d連續釋放后，掌子面空氣檢測，氣體體積濃度為0%，出氣口檢測，氣體體積濃度為0.58%;經30 d排放后，經檢測出氣口、掌子面空氣，甲烷氣體體積濃度均為0%。

2 區域地質情況

2.1 地質構造

該隧道所處區域在大地構造上屬揚子準地臺(Ⅰ1)之四川臺拗(Ⅱ5)，其區域構造體系屬新華夏系第三沉降帶四川盆地東緣川東弧群高陡褶皺區的一部分，由背斜、向斜相間組合分布，組合形態為狹長梳狀高背斜與寬緩向斜相間排列，形成典型的隔擋式構造。隧址區位于鐵山短軸背斜北傾末端北西冀，無活動斷裂構造痕跡，巖層為單斜層狀產出，巖層較平緩，巖層走向為25°～45°，傾向NW 295°～315°，傾角6°～24°。

2.2 地形地貌

該隧道所處區域屬中低山地貌單元。區域山脈總體走向與構造線走向基本一致，呈北東方向展布，最高處標高901.6 m，最低處為進口前緣溝谷477.6 m，相對高差424 m。隧道軸線近于垂直穿越擂鼓坡山嶺，山體零碎，舒緩而單薄。洞身段軸線走向與巖層走向夾角近垂直相交。隧址區內除山脊陡崖地段基巖出露外，緩坡臺地及山嶺斜坡地段均被第四系松散層覆蓋。

2.3 地層巖性

2)侏羅系上統遂寧組(J3s):主要分布于隧道進口側(K 0+000 m)至擂鼓坡東坡一帶(K 1+120 m)，是隧道工程穿越的主要基巖地層。巖性主要以粉砂質泥巖為主，僅在洞身夾薄層粉砂巖。

3)侏羅系上統蓬萊鎮組下段(J3p1):主要分布于洞身擂鼓坡東坡段(K 1+120 m處)至出口側(K 1+867.4 m)之間，是隧道工程穿越的主要基巖地層。巖性由粉砂巖夾數層粉砂質泥巖或二者呈不等厚互層組成。

后期經過隧道施工開挖揭露及現場地面踏勘情況顯示，雖然該隧道勘察資料顯示進、出口端均不含煤系地層及炭質頁巖，但隧道出口端揭露了薄層碳質巖，且進、出口端附近均有煤線出露地表。由于隧道所處地區油氣資源富集，該隧道施工期間瓦斯涌出的來源，有可能為下部薄煤層內瓦斯經長期釋放并運移至隧道洞身巖體裂隙內，也有可能為深部油氣經大地構造斷層和地層裂隙向上運移，吸附于巖層裂隙中，在開挖爆破時自然涌出至掌子面風流中。

3 瓦斯檢測及鑒定

3.1 瓦斯等級鑒定依據

目前國內石油天然氣行業還沒有專門針對油氣管道隧道的瓦斯鑒定和判別的標準、規范，與鐵路、公路、礦山等隧道相比，除了用途不同、開挖斷面稍有差異外，施工方法及施工中的災害基本相似。因此，油氣管道隧道內瓦斯等級的鑒定依據目前主要參考其他行業的相關標準(TB 10120《鐵路瓦斯隧道技術規范》［1］、AQ 1025《礦井瓦斯等級鑒定規范》［2］等)的相關規定。

TB 10120《鐵路瓦斯隧道技術規范》中規定:“4.1.3低瓦斯工區和高瓦斯工區可按絕對瓦斯涌出量進行判定。當全工區的瓦斯涌出量小于0.5 m3/min時，為低瓦斯工區;大于或等于0.5 m3/min時，為高瓦斯工區”“條文說明3.1.2由于瓦斯的來源除煤系地層外還有油頁巖及含天然氣、石油地層，所以本規范將后者統稱含瓦斯地層，與煤系地層一起作為瓦斯地質的工作對象”。

由于瓦斯隧道等級鑒定的具體方法在TB 10120《鐵路瓦斯隧道技術規范》中沒有明確規定，在此借鑒煤礦瓦斯等級鑒定的方法執行［3］。按照AQ 1025《礦井瓦斯等級鑒定規范》“5.1.1礦井瓦斯等級的鑒定工作應在正常生產條件下進行”的相關要求，鑒定過程中參數測定應在隧道正常開挖施工狀況下進行［4－5］。

3.2 瓦斯等級鑒定過程

該隧道采用CJG 10型光干涉式甲烷測定器測定瓦斯濃度，CFD－5及CFD－25型電子式風速表測定風速，CLH 100型H2S氣體檢測儀檢測H2S濃度以及CTH 1000型CO氣體檢測儀檢測CO濃度［6－7］。

測定斷面選擇前后50 m范圍內沒有障礙物(如出渣車、挖掘機、電焊機、其他雜物等)，洞內支護光滑平整，風流穩定、不紊亂的位置［8］。斷面瓦斯濃度測點布置見圖2。

圖2 斷面瓦斯濃度測點布置圖

通過現場檢測，隧道進口端3 d中最大平均瓦斯涌出量為0.19 m3/min，出口端最大平均瓦斯涌出量為0.09 m3/min。按測定數據，根據TB 10120《鐵路瓦斯隧道技術規范》4.1.3條，可以判定為低瓦斯隧道。

同時，采用超前鉆孔對瓦斯涌出情況及瓦斯濃度作了檢測［9－10］。參照TB 10120《鐵路瓦斯隧道技術規范》要求，鉆孔作業采用了濕式鉆孔方式。

在隧道進、出口工區掌子面各施工3個超前鉆孔，距底板0.5～1 m，呈三角形布置，孔徑75 mm，孔深40 m。在鉆探過程中，每鉆進2 m，停止鉆探，然后對孔口向內20 cm處掌子面和回風流中瓦斯及其他氣體體積濃度進行檢測。

從檢測結果可知:進、出口掌子面鉆孔內均有微量瓦斯不斷往外逸散，但瓦斯氣體體積濃度均較小，最大不超過0.1%，沒有出現噴孔、瓦斯大量涌出等現象。

3.3 鑒定結果

在隧道進、出口掌子面鉆孔內采集的氣樣，均檢測出存在瓦斯，按照TB 10120《鐵路瓦斯隧道技術規范》總則第1.0.3條規定的“鐵路隧道勘測與施工過程中，通過地質勘探或施工檢測表明隧道內存在瓦斯，該隧道應定為瓦斯隧道”，可判定該隧道為含瓦斯地層隧道。

4 設計要求及施工措施

根據對該隧道進行的瓦斯檢測和鑒定，明確了該隧道為含瓦斯地層隧道。因此，需對該隧道按照低瓦斯隧道進行支護設計和相應的施工管理。

4.1 設計依據

目前國內石油天然氣行業尚無關于管道隧道含瓦斯地層處理的相關規范標準，但在Q/SY 1444－2011《油氣管道山嶺隧道設計規范》［11］中規定:“14.5.2隧道通過煤系地層時，應采用防爆型機具設備，加強通風，使隧道內瓦斯含量符合規定要求。具體設計要求按照TB 10120相關規定執行。”因此，該隧道含瓦斯地層的支護設計和施工處理措施均應按照TB 10120《鐵路瓦斯隧道技術規范》中“4.2.4含瓦斯地段的噴射混凝土厚度不應小于15 cm，模筑混凝土襯砌厚度不應小于40 cm”“4.2.5噴射混凝土中摻用氣密劑后，透氣系數不應大于10－10cm/s，模筑混凝土中摻用氣密劑后，透氣系數不應大于10－11cm/s。模筑混凝土襯砌施工縫應進行氣密處理，其封閉瓦斯性能不應小于襯砌本體”執行。

4.2 設計要求

根據TB 10120《鐵路瓦斯隧道技術規范》的要求，瓦斯段隧道襯砌結構應根據瓦斯地段等級劃分來確定，主要采用的方法有:圍巖注漿;噴射混凝土中摻氣密劑;設置瓦斯隔離層;模筑混凝土中摻氣密劑;模筑混凝土中摻鋼纖維;施工縫氣密處理。

該隧道為低瓦斯隧道，具體襯砌設計采用初期支護噴射氣密性混凝土C 20，150 mm厚;二次襯砌為模筑鋼筋混凝土(摻氣密劑)C 30，400 mm厚，抗滲等級P 8;施工縫采用氣密處理。隧道襯砌澆筑完畢達到設計強度后，再在襯砌背后拱部壓注M 20摻氣密劑水泥砂漿，以達到圍巖與襯砌之間的緊密結合。噴射混凝土中摻用氣密劑后，透氣系數不應大于10－10cm/s，模筑混凝土中摻用氣密劑后，透氣系數不應大于10－11cm/s。

4.3 施工措施

4.3.1 摻氣密劑材料的選用要求

1)水泥宜選用強度等級為32.5的硅酸鹽和普通硅酸鹽水泥，不得采用其他水泥［12－13］。

2)砂的細度模數Mx≥2.7，含泥量不大于3%，不得使用細砂。

3)石子的最大粒徑Dmax≤40 mm，級配宜為2～3級，含泥量不大于1%，不得有泥土塊，或泥土包裹石子表面，針片狀顆粒含量不大于15%。

4)氣密劑宜選用FS-KQ型，摻量應符合設計要求，氣密劑為硅灰、粉煤灰及高效減水劑的復合劑。

4.3.2 摻氣密劑的施工應符合的要求

1)C 20混凝土配合比宜為1∶2.5∶3.5，水灰比宜取0.48。

2)原材料應按以上配合比進行稱量，水的允許偏差為±1%，水泥及氣密劑的允許偏差為±2%，砂石允許偏差為±3%。

3)原材料應按采用強制式攪拌機攪拌，不得采用人工拌合;水泥、氣密劑及砂應先干拌1～1.5 min，顏色均勻后，再加入石子及水攪拌1.5～2.0 min，形成均勻的拌合物。

4)混凝土拌合物從攪拌機卸出至灌注完畢所需時間宜為40～60 min。

5)連續養護時間不得少于28 d，并應避免在環境溫度5℃以下施工。

4.3.3 隧道開挖施工技術要求

1)采用超前鉆探與地質雷達等高新技術手段相結合，在開挖前初步探明前方是否存在含瓦斯地層［14］。

2)瓦斯工區鉆孔作業要求:開挖工作面附近20 m風流中瓦斯濃度必須小于1.5%;炮眼深度不應小于0.6 m;必須采用濕式鉆孔［15］。

3)瓦斯工區裝藥與爆破作業要求:爆破地點20 m內，風流中瓦斯濃度必須小于1%;爆破地點20 m內，礦車、碎石等物體阻塞開挖斷面不得大于1/3;炮眼封泥不足或不嚴不能進行爆破;炮眼內煤、巖粉應清除干凈;通風應保證風量足，風向穩［16］。

4)瓦斯段隧道內的施工機械及電氣設備，應具有防爆和隔爆性能［17］。

5)在瓦斯工區進行爆破作業時，爆破15 min后應巡視爆破地點，檢查通風、瓦斯、瞎炮、殘炮等情況，遇有危險必須立即處理。正常通風1 h，在瓦斯氣體體積濃度小于1%，CO2濃度小于1.5%后，解除警戒，施工人員方可進入開挖工作面作業［18－19］。

4.3.4 隧道瓦斯的監測

瓦斯爆炸是施工中最大的安全隱患。瓦斯爆炸的3個必要條件:一是要有一定濃度的瓦斯(主要為CH4);二是要有火源;三是要有足夠的O2。通過對瓦斯的實時監測，控制和防止瓦斯濃度超限，是防止瓦斯爆炸的關鍵。為安全起見，隧道施工期間的瓦斯監測采取人工與自動相結合的監測方式，兩者監測的數值相互印證，避免誤報現象［20］。

通過采取上述的設計及施工措施，該隧道已經順利完工交付驗收，目前隧道內未檢測到瓦斯氣體存在。通過采取上述施工措施而增加的工程費用約250萬元。

5 結論

1)管道隧道在進行選址時，應盡可能避開煤系地層區域，避免直接穿越含瓦斯地層。

2)在選址過程中，確實無法完全避開瓦斯地層時，應按照規范要求采取瓦斯隧道的相關設計要求、施工措施及監控手段。

3)由于目前暫無油氣管道瓦斯隧道設計及施工的相關規范標準，只能參照鐵路瓦斯隧道相關規范執行。但是，由于管道隧道與鐵路隧道在運營方式、凈空斷面尺寸方面存在較大差別，一味參照鐵路瓦斯隧道規范進行設計和施工，勢必會造成一定的浪費。因此，急需完善油氣管道隧道有關穿越瓦斯地層的相關設計、施工的規范和標準，以滿足工程建設的需要。

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我國最大國產化LNG工廠復產

在經歷10個月的停產后，我國最大國產化LNG工廠——湖北黃岡500×104m3/d LNG工廠于2016年10月2日生產出合格LNG產品，復產一次成功，標志著我國LNG工廠在工藝技術設備、運行調控和建設質量等方面完全具備自主開發能力，具備應對不同工況條件下開工運行的能力。

此前，昆侖能源有限公司對湖北黃岡500×104m3LNG工廠復產進行了周密籌劃、組織和準備。9月23日9時28分工廠開始進氣，10月2日4時20分生產出合格的LNG產品。

湖北黃岡500×104m3LNG工廠作為自主設計、自主建設的我國規模最大LNG工廠，技術自主化率達100%，大型LNG裝備國產化率突破99%。目前，每天外運LNG的車輛已上升至40輛，為華中、華東、華南地區用戶源源不斷地提供清潔能源。

據悉，昆侖能源有限公司近期還陸續啟動了包括廣元、廣安、肇慶、任丘、霸州、安塞等LNG工廠的復工工作，有效發揮自身在天然氣全產業鏈的資源調配優勢，為寒冬來臨時天然氣市場調峰做好應對準備。

(曾妍摘自中國石油新聞網)

10.3969/j．issn．1006－5539.2016.06.003

2016－08－09

中國石油天然氣集團公司重點工程資助項目(S 2011－22)

石長元(1978－)，男，甘肅天水人，工程師，學士，主要從事技術及項目管理工作。