許新裕

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸廈門輸氣分公司

摘要：鐵路隧道采取爆破掘進(jìn)的方式通過在役天然氣管道下方，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。在交叉部位開展應(yīng)力、地表位移和振動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握隧道施工期間管道的應(yīng)力應(yīng)變情況。通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，掌握管道運(yùn)行狀態(tài)、應(yīng)變及管道周圍土體沉降等情況，以便采取相應(yīng)的保護(hù)措施，保障管道安全可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè)；輸氣管道；預(yù)防；安全防護(hù)

近年來，山嶺鐵路隧道建設(shè)項(xiàng)目增多，隧道與在役管道交叉或并行情況時(shí)有發(fā)生。大部分山嶺鐵路隧道的掘進(jìn)施工以鉆爆法為主，其產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊波不可避免地對(duì)附近地下管道造成沖擊，會(huì)使管道承受較強(qiáng)激振作用而產(chǎn)生應(yīng)力損傷，當(dāng)振動(dòng)頻率等于管道固有頻率時(shí)，會(huì)引起共振位移破壞[1-2]。為實(shí)時(shí)掌握在隧道鉆爆掘進(jìn)過程中管道周圍土體發(fā)生沉降、管道受力或沉降的情況，在管道與隧道交叉處布置應(yīng)力、位移和振動(dòng)等監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道施工過程中管道的應(yīng)力、振動(dòng)和位移，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，可為隧道施工過程中的管道保護(hù)工作提供技術(shù)依據(jù)。

1  工程概況

在建龍龍鐵路龍武段雙髻山隧道（以下簡(jiǎn)稱雙髻山隧道）位于福建省龍巖市上杭縣蛟洋鎮(zhèn)，在隧道DK 13+450 m處下穿在役西氣東輸三線管道（IB 017+700 m），管徑1219 mm，壁厚18.4 mm，材質(zhì)L555鋼，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，隧道拱頂距離管道最近處約36.7 m，兩者交叉角度為79°。

雙髻山隧道進(jìn)口里程為DK 11+670.73 m，出口里程為DK 19+339.58 m，全長(zhǎng)7668.85 m，最大埋深約334 m，隧道洞身總體走向?yàn)?56°，路線縱坡為單面坡，縱斷面坡度最大為15‰。隧道設(shè)計(jì)Ⅱ～Ⅴ級(jí)圍巖，其中Ⅱ級(jí)圍巖2643 m，Ⅲ級(jí)圍巖2624 m；Ⅳ 級(jí)圍巖1254 m；Ⅴ級(jí)圍巖1147.85 m。

雙髻山隧道在距天然氣管道50 m范圍內(nèi)采用機(jī)械開挖，50 m～200 m范圍內(nèi)采用控爆方式掘進(jìn)。

2  管道監(jiān)測(cè)

根據(jù)雙髻山隧道與西氣東輸管道交叉段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際及相關(guān)技術(shù)規(guī)范，在管道IB 017+700 m X01處開展應(yīng)變、振動(dòng)及地表位移等監(jiān)測(cè)。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)采用振弦式應(yīng)變傳感器，管道及附近巖土振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)采用測(cè)振儀，地表位移監(jiān)測(cè)采用振弦式靜力水準(zhǔn)儀。

（1）監(jiān)測(cè)裝置。野外監(jiān)測(cè)裝置由太陽能供電系統(tǒng)、智能采集模塊、DTU模塊、監(jiān)測(cè)樁體四大部分組成（圖 1）。數(shù)據(jù)采集儀與振弦式應(yīng)變計(jì)之間通過雙絞線實(shí)施通訊連接，振弦式應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)的振頻模數(shù)經(jīng)采集儀壓縮、存儲(chǔ)后，由數(shù)據(jù)采集儀通過DTU模塊連接到互聯(lián)網(wǎng)，并通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與監(jiān)控中心服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集或?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集儀發(fā)送相關(guān)測(cè)控指令。

圖 1 野外應(yīng)力監(jiān)測(cè)裝置

（2）應(yīng)變監(jiān)測(cè)。為掌握隧道與管道交叉處管道截面上的軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變，在交叉段的管道上安裝1組管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)截面（圖 2），編號(hào)為X01，用于監(jiān)測(cè)管道軸向應(yīng)力變化情況；在監(jiān)測(cè)截面順氣流方向管周9點(diǎn)（L）、12點(diǎn)（U）、3點(diǎn)（R）位置各安裝1支振弦應(yīng)變計(jì)；管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)截面X01用1套一體化野外監(jiān)測(cè)樁進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集傳輸。

圖 2 交叉段管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)截面布置斷面圖

（3）振動(dòng)監(jiān)測(cè)。為掌握隧道與管道交叉處管道及附近巖土體水平、垂直方向的振動(dòng)情況，在交叉段的管道管底及隧道DK 13+458 m處的管底相同埋深土體內(nèi)各布置1臺(tái)測(cè)振儀，編號(hào)分別為Z01、Z02，用于監(jiān)測(cè)交叉段管道及附近巖土體水平、垂直方向的振動(dòng)情況。

（4）地表位移監(jiān)測(cè)。為掌握隧道與管道交叉處管道上方地面沉降情況，在交叉段地表布置1套振弦式靜力水準(zhǔn)儀；該套靜力水準(zhǔn)儀設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)J02（交叉段管道正上方）、1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)J01（隧道8 m外、管道附近穩(wěn)定區(qū)）；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集傳輸與管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)截面X01共用一體化野外監(jiān)測(cè)樁。

（5）監(jiān)測(cè)頻次及周期。按照管道交叉段隧道施工期65天、施工后快速沉降期35天計(jì)算，頻次1次（期）/天；之后按1次（期）/15天監(jiān)測(cè)頻次，監(jiān)測(cè)周期9個(gè)月。

3  數(shù)據(jù)分析

（1）管道監(jiān)測(cè)應(yīng)力閾值計(jì)算。依據(jù)GB 50251―2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，管道軸向應(yīng)力按式（1）計(jì)算：

σL＝σt +σp +σe +σb     （1）

式中：σL為埋地管道軸向應(yīng)力；σt 為溫差應(yīng)力；σp 為內(nèi)壓產(chǎn)生的泊松應(yīng)力；σe 為外荷載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力；σb 為彈性敷設(shè)、重力或外荷載作用產(chǎn)生的名義彎曲應(yīng)力，單位均為MPa。

根據(jù)公式計(jì)算各監(jiān)測(cè)截面監(jiān)測(cè)拉、壓應(yīng)力閾值如表 1所示，采用安裝時(shí)溫度17.25℃，正負(fù)溫差變化為±27.3℃：計(jì)算出監(jiān)測(cè)拉應(yīng)力閾值和壓應(yīng)力閾值分別為290.2 MPa、﹣244.3 MPa。

表 1 X01監(jiān)測(cè)拉、壓應(yīng)力閾值

（2）地表位移控制標(biāo)準(zhǔn)確定。國(guó)家和地方相關(guān)規(guī)范、規(guī)定對(duì)隧道工程下穿高壓天然氣管線變形控制無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。 根據(jù) GB 50251―2015，對(duì)于管道徑向穩(wěn)定校核，管道徑向最大變形量不應(yīng)大于鋼管外徑的 3%，西氣東輸管線直徑1219 mm，徑向最大允許變形量36.57 mm。根據(jù)GB 50497―2019《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)應(yīng)管道位移監(jiān)測(cè)預(yù)警值累計(jì)值要求為10 mm～20 mm，變化速率為2 mm/d。根據(jù) GB 50911―2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》，當(dāng)無地方工程經(jīng)驗(yàn)時(shí)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低無特殊要求的地下燃?xì)夤艿莱两道塾?jì)控制值為 10 mm～30 mm，變化速率為2 mm/d。雙髻山隧道下穿西氣東輸管線，選取管道位移控制標(biāo)準(zhǔn)為10 mm，變化速率為2 mm/d。

（3）管道所受速度閾值確定。考慮到振動(dòng)頻率也會(huì)對(duì)爆破振動(dòng)產(chǎn)生一定影響[3]，且天然氣長(zhǎng)輸管道屬于重要的公共基礎(chǔ)設(shè)施，在實(shí)際工程中通常選擇2～6 cm/s的峰值振動(dòng)速度作為天然氣長(zhǎng)輸管道的安全判定標(biāo)準(zhǔn)，能夠確保爆破地震波不會(huì)嚴(yán)重影響管道安全運(yùn)行[4]。經(jīng)專家評(píng)審和現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試，最終確定2.0 cm/s 作為天然氣管道安全判定標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合《鐵路工程爆破振動(dòng)安全技術(shù)規(guī)程》以允許值的 85%作為預(yù)警值，因此本次最終管道速度安全標(biāo)準(zhǔn)值為1.7 cm/s。

（4） 管道應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。施工后對(duì)管道應(yīng)力應(yīng)變、位移（沉降）、振動(dòng)實(shí)施9個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。應(yīng)力監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線如圖 3，在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，監(jiān)測(cè)截面管道附加應(yīng)力均處于較小值，最大拉應(yīng)力6.93 MPa，最大壓應(yīng)力﹣8.95 MPa，遠(yuǎn)未達(dá)到藍(lán)色預(yù)警值。累積沉降位移變化曲線如圖 4，當(dāng)前測(cè)點(diǎn)累積沉降位移值偏小，僅為﹣0.793 mm ，遠(yuǎn)小于安全閾值10 mm。2個(gè)監(jiān)測(cè)截面振動(dòng)速度隨時(shí)間變化曲線如圖 5、圖 6，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度值較小，均遠(yuǎn)小于安全閾值。其中，Z01測(cè)點(diǎn)沿Z軸方向振動(dòng)速度最大值為0.86 mm/s，Z02測(cè)點(diǎn)沿X軸方向振動(dòng)速度最大值為0.31 mm/s，均小于管道安全速度1.7 cm/s。

圖 3 最大軸向應(yīng)力時(shí)程曲線

圖 4 累積沉降位移隨時(shí)間變化曲線

圖 5 Z01振動(dòng)速度隨時(shí)間變化曲線

圖 6 Z02振動(dòng)速度隨時(shí)間變化曲線

4  結(jié)語

與鐵路隧道交叉的在役天然氣管段，在隧道掘進(jìn)期間應(yīng)及時(shí)開展應(yīng)力、地表位移和振動(dòng)監(jiān)測(cè)，以便實(shí)時(shí)掌握管道的應(yīng)力應(yīng)變情況，采取適當(dāng)?shù)陌踩�保護(hù)措施。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，雙髻山隧道與管道交叉處采用機(jī)械開挖和鉆爆相結(jié)合方式施工，隧道施工期間管道應(yīng)變、地表位移及振動(dòng)均處于可接受狀態(tài)，該種施工方式對(duì)管道運(yùn)行是安全的。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫金山，李正川，劉貴應(yīng)，等.爆破振動(dòng)在邊坡巖土介質(zhì)中誘發(fā)的動(dòng)應(yīng)力與振動(dòng)特征分析[J].振動(dòng)與沖擊.2018，37( 10) ：141-148．

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作者簡(jiǎn)介：許新裕，1984年生，碩士研究生，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京），工程師，廈門輸氣分公司管道科副科長(zhǎng)，從事管道完整性管理工作。聯(lián)系方式：021-58847727，1772748941@qq.com。