大直徑盾構下穿對成品油管道的影響評估

徐 波，茅斌輝

（1.杭州市地鐵集團有限責任公司，浙江 杭州 310020；2.杭州市城鄉(xiāng)建設設計院股份有限公司，浙江 杭州 310004）

1 概述

杭州地鐵1號線三期工程下穿錢塘江段首次采用 ?11.67 m的大斷面盾構，穿越深厚淤泥質粉質黏土夾粉土層⑥2，姿態(tài)控制困難，上覆地層為軟弱地層，易發(fā)生地層沉降或隆起。較常規(guī)?6.34 m的地鐵盾構而言，其對周圍地層的擾動影響更加顯著。盾構線路與已建的鎮(zhèn)杭成品油管道存在交叉（見圖 1、表 1），交叉點里程為 K43+495.763，交叉影響范圍達到90 m，工程施工時有可能對該成品油管道的安全運行產生影響。鎮(zhèn)杭成品油管道的蕭山至杭州管段總長40.5 km，管徑?273.1 mm，壁厚6.4 mm，設計壓力2.5 MPa，運行壓力1.5 MPa，線路用管選用高頻直縫電阻焊鋼管，材質L290，采用外加電流陰保方式，防腐層為環(huán)氧粉末加強級。全面查找、分析和預測大直徑盾構下穿實施中對成品油管道產生的可能影響，能夠保障已建鎮(zhèn)杭成品油管道的安全，有著重要的實用價值。

2 設計方案評估

地鐵1號線三期工程錢塘江段在前期選線及設計階段曾考慮過包括成品油管道遷改、地鐵盾構隧道“S大彎曲線”及地鐵盾構隧道直線小角度設計三個方案。各方案的優(yōu)缺點見表2。

圖1 該工程評估段所在區(qū)域地理位置示意圖

表1 鎮(zhèn)杭成品油管道與盾構交叉點標高信息

基于設計方案對比分析，方案1現階段暫不具備實施可行性，方案2較方案3的施工風險更大，且對今后地鐵運行控制影響也較大。而最終采用的小角度交叉設計方案，通過采取施工技術措施，能夠將盾構施工對鎮(zhèn)杭成品油管道的影響降到最低，因此該設計方案是可接受、可行的。

表2 地鐵1號線三期工程錢塘江段設計方案比選

3 交叉段垂直凈距評估

現有規(guī)范沒有對油氣管道與地鐵盾構隧道交叉段垂直凈距做出明確規(guī)定，因此評估時參考《油氣輸送管道與鐵路交匯工程技術及管理規(guī)定》（國能油氣〔2015〕392號）進行分析。

評估范圍內鎮(zhèn)杭成品油管道與地鐵盾構隧道交叉段垂直凈距均大于10 m，符合規(guī)定要求。此外，在地鐵盾構隧道與管道交叉段范圍內（建議交叉位置兩側各50 m以上范圍），地鐵盾構自身應采取特別的加強措施（如結構加固、防滲漏等措施），以防止油氣管道可能發(fā)生的泄漏、火災、爆炸事故對地鐵隧道自身產生破壞性影響。

4 盾構隧道施工影響評估

根據地鐵施工圖設計要求，盾構施工一般要求做到隧道軸線誤差小于50 mm，地面隆起小于10 mm，沉降小于30 mm。評估采用理論公式計算方法對油氣管道的允許沉降值進行分析。

4.1 管道沉降計算結果

對于均質地層，盾構法隧道施工所引起的地表橫向沉降槽符合正態(tài)概率曲線分布，地面沉降為

式中：x為距隧道中心線的距離；S為距隧道中心線的距離為x的地表沉降量；Smax為隧道中心線處最大沉降量；i為沉降槽寬度系數，經驗公式為

式中：[σ]為管道的允許應力，考慮到管道已使用年限和已有的埋土荷載作用，可取一定管道的允許應力綜合折減系數。

對該工程而言，評估范圍內鎮(zhèn)杭成品油管道及隧道埋深分別為14.7 m和25.8 m，鎮(zhèn)杭成品油管道管徑為273.1 mm，地鐵隧道等效半徑為3.1 m。由式（2）計算出沉降槽寬度系數i=13.26 m，代入式（3）計算出管線水平面上沉降槽寬度系數ip=6.88 m。管道材料彈性模量Ep取207 GPa，管道允許應力綜合折減系數取0.4，管道的允許應力[σ]=290×0.4=116（MPa），由式（5）計算得到[Smax]=119 mm。

4.2 管道焊縫接口的允許地表沉降

可以用管道所在地層變形曲線來代替管道的變形曲線，當管道與隧道正交時，直徑為d的管段在曲率最大處焊縫的張開值Δ達最大，其值為：

式中：H為覆土厚度；R為隧道半徑；φ為地層內摩擦角。

當隧道深度小于34 m時，不同深度處沉降槽曲線規(guī)律對于黏性土地層有如下經驗公式：

式中：ip為管線水平面上沉降槽寬度系數；zp為從地表至管線軸線的深度。

不論地表下沉或地表以下管線位置下沉，其原因都在于隧道開挖引起土層損失，而此損失都為沉降槽面積，所以不同深度的沉降槽面積相等，故

可得到當管道達到極限應力狀態(tài)時，有Epεx,max=[σ]，即：

式中：Δ為管道接頭焊縫張開值；Rmin為管段平面上沉降曲線的最小曲率半徑；b為管節(jié)長度。

由Peck公式可知，管段平面上沉降曲線的最小曲率半徑可能位于或x=0處，通過比較可得最小曲率半徑位移x=0處，其值為：

即當管道焊縫的張開量達到極限值[Δ]時，則有：

將式（7）代入式（6），得

把式（9）代入式（4）可得相應的地表允許沉降量：

根據該工程的具體情況，評估范圍內鎮(zhèn)杭成品油管道埋深為14.7 m，管徑為273.1 mm。沉降槽寬度系數為i=13.26m，管線水平面上沉降槽寬度系數ip=6.88 m，管道管節(jié)取12 m，計算得出[Smax]=60 mm。

4.3 施工影響評估

綜合以上兩種方法分析的結論，評估范圍內油氣管道允許沉降量按較小值取值，即以隧道施工時管道焊縫接口的允許地表沉降計算分析值為評估依據。

鑒于目前地鐵盾構施工過程中沉降控制水平，實際施工過程中管道沉降量完全可以控制在理論計算的允許沉降量范圍內，因此評估認為地鐵盾構施工引起的管道沉降風險是可控的。但為確保安全，仍建議施工中采取質量控制措施，加強施工過程中的管道沉降監(jiān)測，將對成品油管道沉降影響降到最低程度。

5 結 語

（1）杭州地鐵1號線三期工程大直徑盾構在錢塘江底下穿鎮(zhèn)杭成品油管道，采用了小角度交叉設計方案，通過采取施工技術措施能夠把盾構對管道的施工影響降到最低，評估后認為設計方案是可接受、可行的。

（2）鎮(zhèn)杭成品油管道與地鐵盾構隧道交叉段垂直凈距均大于10 m，評估后認為垂直凈距符合《油氣輸送管道與鐵路交匯工程技術及管理規(guī)定》（國能油氣〔2015〕392號）的要求。

（3）油氣管道允許沉降量按管道焊縫接口的允許地表沉降來控制，為60 mm，現有施工水平下的管道沉降量完全可以控制在允許沉降范圍內，評估后認為地鐵盾構施工引起的管道沉降風險是可控的。

（4）為確保油管安全，施工中需要采取質量控制措施，加強施工過程中的管道沉降監(jiān)測，將對成品油管道沉降影響降到最低程度。