天然氣過江隧道充排水方案研究

中國市政工程西南設計研究總院有限公司

宋玉銀 李 斌 蔣袁曦 申建波

為完善上海市天然氣主干管網，加快長三角區域天然氣主干管網互聯互通，上海擬實施崇明島-長興島-浦東新區五號溝LNG 站管線工程項目。本工程天然氣管道需兩次穿越長江，擬采用隧道穿越。北線隧道為長興島-崇明島，長度約8.2 km。南線隧道為浦東曹路-長興島，長度約6.9 km。隧道內徑為φ3.4 m，呈“W”型。為防止管道泄漏時天然氣在隧道內聚集，根據設計，隧道建成后采用充水運行。

本文以南線隧道(以下簡稱隧道)為例，對該隧道內的充排水時間和排水方案進行研究，選擇合理可行的技術方案，為工程建成后的運行和維護提供支持。

1 隧道水力學特征分析

過江隧道呈“W”型，江北側為長興過江井，江南側為曹路過江井，全線長約6.9 km，隧道內設計坡度為0.1%，隧道內各節點高程變化見圖1。

圖1 隧道內各節點高程變化示意

隧道內各節點標高匯總見表1。

表1 隧道內各節點標高匯總

1.1 各段存水量

根據隧道斷面設計，如圖2 所示，隧道總充水容積Vs 根據式(1)計算。

式中：

Vs——充水容積，m3；

L——隧道長度，m；

S1——隧道截面積，m2；

S2——管道截面積及支墩截面積(管道連續，支墩為間隔)，m2；

S3——隧道平臺截面積，m2。

經計算，南線隧道總充水約50 070 m3。

由于隧道呈“W”型，隧道內最高點E 距離兩端過江井長度不同，且最低點標高不同，導致在排水過程中，以最高點E 為界，隧道南北兩側存水量不同，需分別計算。

隧道水位變化示意圖見圖3。

圖2 隧道斷面示意

圖3 隧道水位變化示意

當隧道內水位下降至最高點E1 時(即基準線1)，隧道內充水總容積為47 561 m3；而當隧道內水位下降至最高點E2 時(即基準線2)，最高點E 至長興過江井北側隧道部分的充水容積為7 949 m3，最高點E至曹路過江井南側隧道部分的充水容積則為35 581 m3。

1.2 “W”型結構氣囊

由于隧道呈“W”型，且隧道內兩處最低點D、F 標高不同，D 點高于F 點。初次充水時，當隧道內水位升至最低點D1 處，即基準線0 水位時，隧道內F→D 之間標高超過-26.680 m 內空間的空氣將形成一個巨大的結構氣囊，無法自動外排，若不采取工程措施，則無法使隧道內完全充滿水。

當隧道需要外排水時，隧道內水位到達最高點E1 標高-23.270m 即基準線1 之后，隧道內壁以最高點E 位置為原點將逐步承受因抽排水造成的負壓，且該壓力值隨著排水量的增加而增加，受負壓范圍也將逐漸擴大，不利于排水的正常進行。因此，應采取必要的工程措施，消除隧道內充排水過程中的阻力。

2 隧道充水與排氣

2.1 充水分析

為減少充水時間，隧道采用雙向同時充水的方案，分別從長興過江井站、曹路過江井站兩端充水。考慮到充水時應盡量減少對周邊供水管網的影響，充水計算流速按1.5 m/s 計。

各站區均單獨敷設專用填充水的給水專線，當供水專線管道為DN100 口徑時，隧道的總充水時間約25 d。當供水專線管道為DN150 口徑時，隧道的總充水時間約12 d。

2.2 排氣分析

當供水專線管道為DN100 口徑時，隧道總進水流量為0.024 m3/s，只要隧道內排氣流量不低于進水流量時，隧道充水就能順暢進行，因此，根據本工程特點，采用自然排氣的方式。

隧道中部最高點E 距離長興過江井最近，因此設置1 根通風管，管道口徑DN150，一端起點為隧道中部最高點隧道頂，一端為長興過江井出井口連接大氣層。當隧道排水時，水位下降至基準線1 后，強制向隧道內進風，避免隧道內出現真空狀態。

3 隧道排水方案探討

3.1 排水分析

隧道呈“W”型，隧道較長，填充水容量大，隧道內設計坡度為0.1%，水體自然流動緩慢，分析排水水位下降過程，隧道內水容積變化表見表2。

表2 隧道排水過程容積變化情況

表2 中，隧道排水時，水位標高在基準線2 之上的水量可由隧道兩端過江井中排水泵同時抽吸排放，水位線下降速度一致，但在基準線2 之下的水量則是分別由隧道兩端的排水泵排放，水位線下降速度不一致，且排水過程互不影響。

由于隧道內最高點E 距離靠近隧道北側端點A，因此在排水過程中，當水位線下降在基準線2之下后，隧道內南側水量遠遠多于北側水量。

3.2 排水泵配置模式

排水泵的數量和安裝位置決定了排水周期和排水效率。根據隧道形狀，隧道兩端均采用串聯排水方式，即隧道內部排水泵與過江井內排水泵串聯聯動運行。

由于隧道定期保養的時間間隔較長(參照國內外多個類似項目的實際運行經驗，多為8～15 年)，正常工況下填充水排空的頻率較低，配套設置的排水泵使用率極低，因此排水泵布置有兩種安裝方案，分別是固定永久性安裝和臨時移動性安裝，通過以下兩種安裝方案的分析比選，確定推薦安裝方案。

3.2.1 固定安裝排水泵

只有在隧道兩端最低點固定安裝排水泵，方能完全排空整條隧道內填充水，因此應在最低點F、D 和過江井端點A、K 這四個位置點安裝排水泵，同時配套安裝排水管道。

其中，D 點和端點A 處排水泵串聯運行，D 點排水泵抽取隧道內水至過江井(端點A)，同時聯動運行過江井(端點A)內排水泵，提升出水至站區地面污水管道內，最終匯入市政污水管網；F 點和端點K 處排水泵串聯運行，F 點排水泵抽取隧道內水至過江井(端點K)，同時聯動運行過江井(端點K)內排水泵，提升出水至站區地面污水管道內，最終匯入市政污水管網。

隧道內串聯運行的排水泵流量一致，揚程根據實際各安裝位置確定，方案示意見圖4。

圖4 隧道內固定安裝排水泵方案示意

3.2.2 臨時設置移動排水泵

臨時排水方案中，隧道內無任何排水設施，僅固定安裝排水管，該條管道上每隔一定間距設置一個預留接口，起點為隧道最低點，終點為過江井。隧道排水時，采取臨時設置移動式水泵接力排水模式，在隧道內安裝移動式排水泵，泵出水就近排入固定排水管內，最終排入過江井內集水坑，由該集水坑內臨時設置的排水泵將填充水排出至地面排水管網。

臨時移動式接力排水模式示意圖見圖5，隨著隧道內水位的下降，人工運輸移動排水泵至隧道最低點。

圖5 隧道內移動排水泵接力排水方案示意

3.2.3 方案比選

根據隧道的結構形式和運行模式，兩種排水方案比選見表3。

表3 隧道排水方案的比選

4 排水時間與排水泵數量的匹配

4.1 排水時間

根據天然氣過江隧道的特點，在工程設計中已將安全等級達到最高，從管材、防腐、控制、監測等方面做到本質安全，因此隧道中的排水根據常規情況周期較長。正常情況下，每次檢修時排水時間不低于30 d，連續排放。但在非正常緊急情況，要求排水時間越短越好。因此必須根據上述排水泵的配置形式，考慮泵的運輸、配電線纜的重量等因素，依據系統控制的應急措施，合理選擇非正常工況下的排水時間。

4.2 正常工況下排水泵的配置

過江井隧道正常工況檢修周期時間較長，根據工程的多項參數監測確定是否需要排水檢修，在正常工況下確定隧道填充水排空時間為30 d。

排水泵的選型原則如下：

(1)單臺排水泵的抽水能力及揚程根據水力計算結果分析確定，確保排水泵在在較高效率區運行；

(2)在滿足抽水安全及運輸方便的前提下，水泵配置臺數盡可能減少，以降低設備投資和減小排水泵安裝場地；

(3)為便于運行操作，宜采用相同結構型式的水泵。由于隧道南北兩側排水總量不同，因此固定安裝的排水管道口徑也不同，其中D→A 點排水管道口徑為DN100，F→E 點排水管道口徑為DN150。正常情況下排水泵配置見表4。

表4 隧道各點排水泵安裝配置

4.3 非正常工況排水泵的配置

隧道內一旦發生天然氣泄漏事故，需緊急切斷兩端閥門，快速放散且盡快排出隧道內水，以便于搶修。

緊急事故時，移動排水系統中水泵數量和抽水能力決定了隧道的排空時間。隧道內固定安裝的排水管道口徑適當調大一檔，有利于事故排水速度。

根據水位逐步下降情況，隧道兩端分別從A→D 段、K→F 段，人工運輸移動防爆排水泵組進入隧道內部，每段串聯接力獨立運行，兩段同時工作。

從隧道設計工作斷面圖可見，隧道內部在安裝了DN800 的天然氣管及配套設施后，能供人交通運輸的距離僅為1.4 m，從工程實際可安裝的操作空間考慮，綜合考慮固定安裝的排水管道能力及臨時安裝排水泵的可行性，確定事故時各段排空時間與移動排水系統規模對應情況見表5 和表6。

表5 隧道A→D 段及長興島過江井內臨時排水泵安裝配置

表6 隧道K→F 段及曹路過江井內臨時排水泵安裝配置

從表5 和表6 中的數據可以看出，當排空時間在10 d 以內時，隧道K→F 段需要配置的移動排水泵重量都大于100 kg，且需要兩臺泵并聯運行。實際上隧道可通行空間小，水泵移動困難，供電、通風難度大，導致實施難度大。因此，在緊急事故情況下，優先系統控制風險，隧道排水時間需要大于10 d 的移動排水方案具有可行性。

5 結語

對南線隧道內的充排水時間和排水方案進行研究后，可以得出以下結論：

(1)天然氣過江隧道充水運行，當供水專線管道為DN100 時，南線隧道充水時間約25 d；當供水專線管道為DN150 時，南線隧道充水時間約12 d。

(2)通風管可以有效避免隧道內形成負壓，確保隧道能完全填充水，同時可以對隧道內是否有燃氣泄漏進行直接檢測，隧道中部最高點需設置1 根通風管，通風管管徑為DN150。

(3)隧道排水采用移動式安裝水泵串聯接力模式。正常工況下，30 d 排水方案可行；非正常工況下，優先控制天然氣管路系統，排水時間至少10 d以上。