港區填筑及道路施工對高壓燃氣管道保護技術研究

仲維華

(中國鐵建港航局集團有限公司 廣東珠海 519100)

1 前言

近年來，我國城市燃氣發展迅速，供氣總量達到1 291.5×108m3，用氣人口5.4億。但城市燃氣管網運行中事故頻發，存在著嚴重的安全隱患。2017年7月4日，吉林省松原市發生燃氣管道泄漏爆炸，造成7人死亡、85人受傷；2021年1月25日，遼寧省大連市發生燃氣管道爆炸，導致3人死亡、8人受傷；2021年11月22日，內蒙古呼和浩特市發生燃氣管道爆炸，目前造成1人死亡、2人重傷。此類事故造成大量的人員傷亡，帶來巨大的經濟損失，引起社會各界對城市燃氣管網安全問題的高度關注。

國內對地下管道變形破壞的研究始于二十世紀中葉，顧安全[1]教授調查研究大量深埋管道，對深埋管道的主要破壞形式進系統分析；高惠瑛[2]、馮啟民[3]等人針對穿越震陷場地的管道，對高田至郎的數學模型進行改進，對受沉陷作用的埋地管道分析理論計算進行探索。下面結合珠海市洪灣港北片區填筑及市政基礎設施工程，在港區填筑及道路施工時對7.8 MPa高壓燃氣管道的保護技術進行了研究。

2 工程概況及重難點分析

2.1 工程概況

洪灣港北片區填筑及市政基礎設施工程位于珠海市一體化區域紅灣村境內。洪灣港北片區填筑及市政基礎設施工程主要建設內容:(1)棄土場設計(包括但不限于棄土場臨時便道臨時便橋、棄土場位置及范圍、棄土填筑方案等)；(2)場地填筑及場地軟基處理；(3)市政配套設施，含道路工程(不含道路瀝青路面、機動車道側石)、道路軟基處理工程、橋涵工程(不含道路瀝青路面)、人行地道工程、道路綠化、排洪渠工程、交通工程(不含交通標線工程等)、安監工程、管線工程(不含機動車道范圍的雨水篦、雨污水管線井蓋及井蓋支座)、預留溝工程、纜線管廊電纜溝工程照明工程等，并預留燃氣管位(具體見圖1)。

圖1 項目地理位置

該工程施工區域內現共有2根燃氣管，規格分別為 RQ(鋼)φ660、RQ(鋼)φ332，壓力 7.8 MPa，頂管施工。兩條管分別沿東西走向、南北走向，匯聚于場地西北角的現狀天然氣站。其中:東西走向燃氣管最深埋深為10 m，最淺埋深為1.1 m，位于擬建港平五路北側，距道路邊線約45～125 m；南北走向燃氣管最深埋深為15 m，最淺埋深為1.5 m，位于場地西側(見表1)。

表1 燃氣管具體位置

2.2 工程地質情況

根據鉆探揭露的地層自上而下為:地表水、人工填土(Q4ml)層、第四系海陸交互相沉積(Q4mc)層、殘積(Qel)層、下伏基巖為燕山三期侵入花崗巖(γ52(3))。

(1)人工填土

褐黑、黃褐、灰黃、褐灰等雜色，稍濕～濕，松散～局部稍密狀。主要由黏性土混砂組成，含約10% ～30%左右的碎石，粒徑約2～8 cm，為人工回填而成。平均厚度約2.00 m。

(2)第四系海陸交互相沉積(Q4mc)

淤泥②1:灰黑色，飽和，流塑，成分以黏粒為主，含有機質及少量貝殼碎片，黏性好，切面光滑，干強度高，韌性高，無搖振反應，具腐臭味，局部夾薄層粉細砂。目前揭露的厚度為12.50～31.50 m，平均約19.00 m。

淤泥質黏土②2:灰黑色，飽和，軟塑，成分以黏粒為主，含有機質，黏性好，切面光滑，干強度高，韌性高，無搖振反應，略具腐臭味，局部夾薄層粉細砂。該層在場地內較廣泛的分布，目前揭露的厚度為3.10～24.40 m，平均約12.00 m。

(3)第四系殘積(Qel)層

砂質黏性土③:灰白、灰黃、褐黃、褐紅色，稍濕～濕，硬塑，成分以長石風化形成的次生黏土礦物為主，含約25%左右的石英砂，干強度中等，韌性中等，無搖振反應，浸水易崩解、軟化。目前只是局部揭露出該層，目前揭露的厚度為1.10～14.20 m，平均約4.00 m。

2.3 重難點分析

(1)根據地質情況，現場淤泥厚度達到29 m，土方回填離管線較近，回填過程中，很難控制淤泥產生擠壓造成燃氣管道發生偏位。

(2)道路施工范圍內的燃氣管道有4條道路與現狀燃氣管交叉。因燃氣管養單位要求，燃氣管道10 m內禁止施工，需考慮跨過燃氣管道保護形式，施工難度較大。

(3)部分燃氣管道已發生偏移，施工過程需進行人工探挖，因是淤泥，探挖難度較大，費用較高。

3 高壓燃氣管保護技術

3.1 總體保護方案

(1)根據現場踏勘及相關資料顯示，場地填筑區域西、北兩側有現狀高壓燃氣管。在對場地填筑、排洪渠及道路施工時，為減少對天然氣管道的影響，填筑施工時在燃氣管道兩側各10 m范圍做膜袋砂圍堰[4－5](見圖2)，圍堰下打設塑料排水板加固地基，圍堰標高為＋4.0 m。

圖2 管道保護圍堰設計斷面圖

(2)道路施工范圍內的燃氣管道，其中有4條道路與現狀燃氣管交叉，采用預應力砼空心板橋及實心板形式保護。因灌注樁需入巖，所以采用沖擊鉆鉆孔，采用保護形式見表2。

表2 管道保護形式

3.2 施工準備

(1)設計合理保護工作

施工前，根據管線圖紙走向及實際探測結果，設置施工期間的臨時保護措施。根據現有調查結果，本工程對高壓燃氣管擬采用膜袋砂圍堰保護結合道路簡支梁橋隔離以及水泥攪拌樁加固等進行保護，保證高壓燃氣管運行安全，設計方案前進行相關技術方面論證。

(2)施工前后積極同有關管線單位溝通

對高壓燃氣管保護進行調查前，積極向各有關權屬單位溝通，了解施工范圍內的高壓燃氣管具體情況。與管線單位建立聯系，加強溝通。并對相關設計保護方案進行交流論證，查漏補缺，避免施工過程中高壓燃氣管牽連其他事故發生。

(3)設立監測機制

在施工過程中，通過埋設沉降板等沉降位移監測儀器，定期監測，及時發現施工過程中及后續運營過程中的問題，采取相應應急預案，避免事故發生。

3.3 膜袋砂圍堰隔離保護技術

(1)施工技術

圍堰充填砂袋采用陸上施工法[6]。施工過程中根據圖紙進行測量放樣，將加工好的充填袋固定在放樣位置，避免膜袋在充填沙袋時滑入高壓燃氣管施工安全范圍外，控制施工時的安全距離。

采用泵砂船上的抽砂泵在運砂泥駁上水力稀釋后抽砂進行充填。為了減小燃氣管的隆起量，在吹填時，充填方向從近燃氣管向遠離燃氣管的順序逐層施工，每層充填砂速率控制在7～8 d。

第一層圍堰充填袋采用木樁固定，木樁間距一般為3 m，沿充填袋兩側進行布置，根據圖紙要求固定木樁，用鋼絲將充填袋兩側固定在木樁上(見圖3)。

圖3 膜袋圍堰施工

(2)抗滑穩定計算

采用圓弧條分法計算。分為總應力法和有效應力法。

按照總應力法，抗滑穩定安全系數計算公式為:

按照有效應力法，抗滑穩定安全系數計算公式為:

穩定計算時考慮施工過程中軟土層強度增長(見圖4)，其強度增長按下式考慮:

圖4 圍堰穩定分析

式中，η為經驗系數，取0.7；U為堤基土的固結度；Δσc為剪切前的有效固結壓力；φcq為固結快剪試驗測得的內摩擦角。

當填筑至最高標高3.5 m時為最危險時刻，圍堰下打設了排水板，淤泥此時固結度達到85%，因此淤泥剪切參數c＝5＋70×tan 2.5°＝7.5 kPa，ψ取 4.5°。

計算結論:本工程為填土項目，施工期與使用期狀態相同，填土邊界為魚塘，經計算抗滑穩定安全系數為Fs＝1.26，滿足工程需要。

3.4 簡支橋結構保護技術

(1)施工技術

該工程跨高壓燃氣管段采用簡支橋結構進行保護，基礎采用沖擊鉆機進行鉆孔灌注樁施工。跨橋梁段施工前首先對現場進行場地清理整平，測量對高壓燃氣管位置安全距離進行復核，計算橋樁基至高壓燃氣管中心線距離，要求樁孔樁機施工富余距離大于5.0 m的安全施工距離。

根據施工現場實際部署情況，將鉆孔灌注樁分為兩部分。第一部分為靠近高壓燃氣管側的鉆孔灌注樁，該部分樁基施工時，采用3 m鋼護筒保護；第二部分為普通鉆孔灌注樁，該部分灌注樁施工時，采用2 m鋼護筒保護，以充分減少現場樁基鉆孔施工擾動對既有管線的影響，鋼護筒在外定制，直接成型運至施工現場。

鉆孔前安排技術人員對現場操作人員進行技術和安全交底后方可開始鉆進。灌注樁鋼筋籠在鋼筋加工廠制作完成，根據現場實際情況，計算吊裝最大高度，控制鋼筋籠加工長度，分段將鋼筋籠插入樁孔中，同時現場施工前做好對高壓燃氣管、電力隧道、供水管防擠壓保護措施。

(2)沖擊鉆鉆孔振動檢算

該工程樁基采用沖擊鉆鉆孔施工，其沖擊作用可能對既高壓燃氣管道造成破壞影響，詳細需具體的施工工藝參數綜合確定[7－11]。參照《爆破安全規程》(GB 6722—2014)可知，既有工業和商業結構物的安全振動速度為3.5～5.0 cm/s。工程采用沖擊鉆，其中1.2 m樁基采用4 t重錘，落距按6 m考慮，下落重錘具有勢能B＝mgh＝235 200 J。沖擊鉆施工引起的周邊建筑物振動速度可采用式(4):

式中，K為沖擊鉆沖擊能量系數，4 t重錘，沖程為0.5 m時，K取1.2，沖程為1.0～2.0 m 時，K取4.9～6.1，沖程為2.0～4.0 m時，K取6.1～8.5，沖程為4.0～6.0 m時，K取8.5～10.9；r為測點與震源的距離；β為衰減系數，根據地質取1.2～1.4。

根據計算可知，本工程樁基與臨近既有管線的最小距離為5.0 m，最大振動速度v＝1.8 cm/s，遠小于3.5～5 cm/s，采用沖擊鉆進行施工滿足規范安全要求。

3.5 鋼筋混凝土蓋板保護技術

在對港縱一路施工時采用蓋板結構形式進行保護。保護蓋板基礎采用水泥攪拌樁和壓實素填土。在對填筑壓實時會對周圍土體產生擾動，為了避免對燃氣管道發生擾動影響，考慮沿管道外側5 m處進行填筑壓實，并設置減震溝，溝底位于管道側下方0.3 m。

保護水泥攪拌樁墻施工時(見圖5)，為最大程度降低施工機械震動對高壓燃氣管結構造成的影響，所有水泥攪拌機均擺放在遠離高壓燃氣管的一側。

圖5 水泥攪拌樁布置

4 施工過程中保護措施

4.1 膜袋砂圍堰保護措施

(1)隔離保護法:通過在燃氣管道兩側各10 m范圍做膜袋砂圍堰，圍堰下打設塑料排水板加固地基，圍堰標高為＋4.0 m，形成隔離體，限制地下管線周圍的土體位移、擠壓或振動管道。

(2)在對Q-1棄土區域填筑棄土施工以及C-2吹填區域吹填施工時，采用斷面為標準梯形膜袋砂圍堰防護施工。后續棄土及吹填均在燃氣管兩側對稱施工，均勻加載，避免地塊整體位移壓迫燃氣管道。

(3)本工程圍堰充填砂袋采用陸上施工法，施工時，先進行測量定位，打木樁將預先加工好的充填袋固定在設計平面位置上。

(4)提前在高壓燃氣管側打設木樁，主要是避免膜袋滑入高壓燃氣管施工安全范圍外，控制施工時的安全距離。

(5)為確保管道的安全，全過程施工監測是保障高壓燃氣管在施工過程中的穩定性、安全性以及信息化施工的主要手段，對管道保護具有重要意義。本次主要設置的監測項目有:隔離保護膜袋砂圍堰監測等[12]。

(6)對所有隔離保護膜袋砂圍堰提前布置沉降位移觀測點，沉降監測采用蘇光精密水準儀進行測量，并按照二級測量精度要求，進行周期性觀測。如有發現不正常的沉積及位移，立即停止附近的所有施工，并報告上級單位。

4.2 簡支橋結構及鋼筋混凝土蓋板保護措施

(1)環港北路保護橋樁基直徑1 200 mm，共44根，樁基直徑1 400 mm，共34根，現場投入6臺沖擊鉆進行施工，其中 z0＃、y0＃、z1＃、y1＃墩的樁距離燃氣管最小間距為5 m。

(2)考慮到對匝道橋梁的影響，保護橋樁基施工采取“橫向隔樁跳打，橫向逐根成孔”的施工順序。

(3)保護橋樁基施工時，為最大程度降低施工機械震動對高壓燃氣管結構造成影響，所有沖孔樁機均擺放在遠離高壓燃氣管的一側(見圖6)。

圖6 燃氣管保護樁沖擊鉆擺放位置示意

(4)為盡可能減少車輛、機械荷載對高壓燃氣管的影響，保護橋施工時，不考慮新修便道，直接利用區域內規劃施工便道進行施工。臨近高壓燃氣管的樁基澆筑混凝土時，為避免混凝土罐車行走對高壓燃氣管結構造成影響，采用56 m天泵在遠離高壓燃氣管側(保護橋南側)進行樁基混凝土澆筑。

5 結論與體會

(1)填筑速度由5 d一層逐步增大到10 d一層、20 d一層時，施工完成時天然氣管道的最大隆起量及隆起量變化速率會顯著增大。

(2)填筑過程中由臨近天然氣管道向遠離天然氣管道的順序逐層施工，以減小天然氣管道的隆起量。

(3)對稱填筑將減少填筑過程對天然氣管的影響，因此施工過程中圍堰和填筑同步進行。

(4)為減少樁基鉆孔施工時對燃氣管的影響，樁基施工設置鋼護筒，鋼護筒應穿過燃氣管下2 m。鋼護筒采用單護筒，護筒效果良好。

(5)鋼筋混凝土蓋板保護法施工過程中，沿管道外側5 m處進行填筑壓實，并設置減震溝，溝底位于管道側下方0.3 m，以減少壓實土體過程中震動對管線的影響，施工效果良好。