仲维华

(中国铁建港航局集团有限公司 广东珠海 519100)

1 前言

近年来，我国城市燃气发展迅速，供气总量达到1 291.5×108m3，用气人口5.4亿。但城市燃气管网运行中事故频发，存在着严重的安全隐患。2017年7月4日，吉林省松原市发生燃气管道泄漏爆炸，造成7人死亡、85人受伤；2021年1月25日，辽宁省大连市发生燃气管道爆炸，导致3人死亡、8人受伤；2021年11月22日，内蒙古呼和浩特市发生燃气管道爆炸，目前造成1人死亡、2人重伤。此类事故造成大量的人员伤亡，带来巨大的经济损失，引起社会各界对城市燃气管网安全问题的高度关注。

国内对地下管道变形破坏的研究始于二十世纪中叶，顾安全[1]教授调查研究大量深埋管道，对深埋管道的主要破坏形式进系统分析；高惠瑛[2]、冯启民[3]等人针对穿越震陷场地的管道，对高田至郎的数学模型进行改进，对受沉陷作用的埋地管道分析理论计算进行探索。下面结合珠海市洪湾港北片区填筑及市政基础设施工程，在港区填筑及道路施工时对7.8 MPa高压燃气管道的保护技术进行了研究。

2 工程概况及重难点分析

2.1 工程概况

洪湾港北片区填筑及市政基础设施工程位于珠海市一体化区域红湾村境内。洪湾港北片区填筑及市政基础设施工程主要建设内容:(1)弃土场设计(包括但不限于弃土场临时便道临时便桥、弃土场位置及范围、弃土填筑方案等)；(2)场地填筑及场地软基处理；(3)市政配套设施，含道路工程(不含道路沥青路面、机动车道侧石)、道路软基处理工程、桥涵工程(不含道路沥青路面)、人行地道工程、道路绿化、排洪渠工程、交通工程(不含交通标线工程等)、安监工程、管线工程(不含机动车道范围的雨水篦、雨污水管线井盖及井盖支座)、预留沟工程、缆线管廊电缆沟工程照明工程等，并预留燃气管位(具体见图1)。

图1 项目地理位置

该工程施工区域内现共有2根燃气管，规格分别为 RQ(钢)φ660、RQ(钢)φ332，压力 7.8 MPa，顶管施工。两条管分别沿东西走向、南北走向，汇聚于场地西北角的现状天然气站。其中:东西走向燃气管最深埋深为10 m，最浅埋深为1.1 m，位于拟建港平五路北侧，距道路边线约45～125 m；南北走向燃气管最深埋深为15 m，最浅埋深为1.5 m，位于场地西侧(见表1)。

表1 燃气管具体位置

2.2 工程地质情况

根据钻探揭露的地层自上而下为:地表水、人工填土(Q4ml)层、第四系海陆交互相沉积(Q4mc)层、残积(Qel)层、下伏基岩为燕山三期侵入花岗岩(γ52(3))。

(1)人工填土

褐黑、黄褐、灰黄、褐灰等杂色，稍湿～湿，松散～局部稍密状。主要由黏性土混砂组成，含约10% ～30%左右的碎石，粒径约2～8 cm，为人工回填而成。平均厚度约2.00 m。

(2)第四系海陆交互相沉积(Q4mc)

淤泥②1:灰黑色，饱和，流塑，成分以黏粒为主，含有机质及少量贝壳碎片，黏性好，切面光滑，干强度高，韧性高，无摇振反应，具腐臭味，局部夹薄层粉细砂。目前揭露的厚度为12.50～31.50 m，平均约19.00 m。

淤泥质黏土②2:灰黑色，饱和，软塑，成分以黏粒为主，含有机质，黏性好，切面光滑，干强度高，韧性高，无摇振反应，略具腐臭味，局部夹薄层粉细砂。该层在场地内较广泛的分布，目前揭露的厚度为3.10～24.40 m，平均约12.00 m。

(3)第四系残积(Qel)层

砂质黏性土③:灰白、灰黄、褐黄、褐红色，稍湿～湿，硬塑，成分以长石风化形成的次生黏土矿物为主，含约25%左右的石英砂，干强度中等，韧性中等，无摇振反应，浸水易崩解、软化。目前只是局部揭露出该层，目前揭露的厚度为1.10～14.20 m，平均约4.00 m。

2.3 重难点分析

(1)根据地质情况，现场淤泥厚度达到29 m，土方回填离管线较近，回填过程中，很难控制淤泥产生挤压造成燃气管道发生偏位。

(2)道路施工范围内的燃气管道有4条道路与现状燃气管交叉。因燃气管养单位要求，燃气管道10 m内禁止施工，需考虑跨过燃气管道保护形式，施工难度较大。

(3)部分燃气管道已发生偏移，施工过程需进行人工探挖，因是淤泥，探挖难度较大，费用较高。

3 高压燃气管保护技术

3.1 总体保护方案

(1)根据现场踏勘及相关资料显示，场地填筑区域西、北两侧有现状高压燃气管。在对场地填筑、排洪渠及道路施工时，为减少对天然气管道的影响，填筑施工时在燃气管道两侧各10 m范围做膜袋砂围堰[4－5](见图2)，围堰下打设塑料排水板加固地基，围堰标高为＋4.0 m。

图2 管道保护围堰设计断面图

(2)道路施工范围内的燃气管道，其中有4条道路与现状燃气管交叉，采用预应力砼空心板桥及实心板形式保护。因灌注桩需入岩，所以采用冲击钻钻孔，采用保护形式见表2。

表2 管道保护形式

3.2 施工准备

(1)设计合理保护工作

施工前，根据管线图纸走向及实际探测结果，设置施工期间的临时保护措施。根据现有调查结果，本工程对高压燃气管拟采用膜袋砂围堰保护结合道路简支梁桥隔离以及水泥搅拌桩加固等进行保护，保证高压燃气管运行安全，设计方案前进行相关技术方面论证。

(2)施工前后积极同有关管线单位沟通

对高压燃气管保护进行调查前，积极向各有关权属单位沟通，了解施工范围内的高压燃气管具体情况。与管线单位建立联系，加强沟通。并对相关设计保护方案进行交流论证，查漏补缺，避免施工过程中高压燃气管牵连其他事故发生。

(3)设立监测机制

在施工过程中，通过埋设沉降板等沉降位移监测仪器，定期监测，及时发现施工过程中及后续运营过程中的问题，采取相应应急预案，避免事故发生。

3.3 膜袋砂围堰隔离保护技术

(1)施工技术

围堰充填砂袋采用陆上施工法[6]。施工过程中根据图纸进行测量放样，将加工好的充填袋固定在放样位置，避免膜袋在充填沙袋时滑入高压燃气管施工安全范围外，控制施工时的安全距离。

采用泵砂船上的抽砂泵在运砂泥驳上水力稀释后抽砂进行充填。为了减小燃气管的隆起量，在吹填时，充填方向从近燃气管向远离燃气管的顺序逐层施工，每层充填砂速率控制在7～8 d。

第一层围堰充填袋采用木桩固定，木桩间距一般为3 m，沿充填袋两侧进行布置，根据图纸要求固定木桩，用钢丝将充填袋两侧固定在木桩上(见图3)。

图3 膜袋围堰施工

(2)抗滑稳定计算

采用圆弧条分法计算。分为总应力法和有效应力法。

按照总应力法，抗滑稳定安全系数计算公式为:

按照有效应力法，抗滑稳定安全系数计算公式为:

稳定计算时考虑施工过程中软土层强度增长(见图4)，其强度增长按下式考虑:

图4 围堰稳定分析

式中，η为经验系数，取0.7；U为堤基土的固结度；Δσc为剪切前的有效固结压力；φcq为固结快剪试验测得的内摩擦角。

当填筑至最高标高3.5 m时为最危险时刻，围堰下打设了排水板，淤泥此时固结度达到85%，因此淤泥剪切参数c＝5＋70×tan 2.5°＝7.5 kPa，ψ取 4.5°。

计算结论:本工程为填土项目，施工期与使用期状态相同，填土边界为鱼塘，经计算抗滑稳定安全系数为Fs＝1.26，满足工程需要。

3.4 简支桥结构保护技术

(1)施工技术

该工程跨高压燃气管段采用简支桥结构进行保护，基础采用冲击钻机进行钻孔灌注桩施工。跨桥梁段施工前首先对现场进行场地清理整平，测量对高压燃气管位置安全距离进行复核，计算桥桩基至高压燃气管中心线距离，要求桩孔桩机施工富余距离大于5.0 m的安全施工距离。

根据施工现场实际部署情况，将钻孔灌注桩分为两部分。第一部分为靠近高压燃气管侧的钻孔灌注桩，该部分桩基施工时，采用3 m钢护筒保护；第二部分为普通钻孔灌注桩，该部分灌注桩施工时，采用2 m钢护筒保护，以充分减少现场桩基钻孔施工扰动对既有管线的影响，钢护筒在外定制，直接成型运至施工现场。

钻孔前安排技术人员对现场操作人员进行技术和安全交底后方可开始钻进。灌注桩钢筋笼在钢筋加工厂制作完成，根据现场实际情况，计算吊装最大高度，控制钢筋笼加工长度，分段将钢筋笼插入桩孔中，同时现场施工前做好对高压燃气管、电力隧道、供水管防挤压保护措施。

(2)冲击钻钻孔振动检算

该工程桩基采用冲击钻钻孔施工，其冲击作用可能对既高压燃气管道造成破坏影响，详细需具体的施工工艺参数综合确定[7－11]。参照《爆破安全规程》(GB 6722—2014)可知，既有工业和商业结构物的安全振动速度为3.5～5.0 cm/s。工程采用冲击钻，其中1.2 m桩基采用4 t重锤，落距按6 m考虑，下落重锤具有势能B＝mgh＝235 200 J。冲击钻施工引起的周边建筑物振动速度可采用式(4):

式中，K为冲击钻冲击能量系数，4 t重锤，冲程为0.5 m时，K取1.2，冲程为1.0～2.0 m 时，K取4.9～6.1，冲程为2.0～4.0 m时，K取6.1～8.5，冲程为4.0～6.0 m时，K取8.5～10.9；r为测点与震源的距离；β为衰减系数，根据地质取1.2～1.4。

根据计算可知，本工程桩基与临近既有管线的最小距离为5.0 m，最大振动速度v＝1.8 cm/s，远小于3.5～5 cm/s，采用冲击钻进行施工满足规范安全要求。

3.5 钢筋混凝土盖板保护技术

在对港纵一路施工时采用盖板结构形式进行保护。保护盖板基础采用水泥搅拌桩和压实素填土。在对填筑压实时会对周围土体产生扰动，为了避免对燃气管道发生扰动影响，考虑沿管道外侧5 m处进行填筑压实，并设置减震沟，沟底位于管道侧下方0.3 m。

保护水泥搅拌桩墙施工时(见图5)，为最大程度降低施工机械震动对高压燃气管结构造成的影响，所有水泥搅拌机均摆放在远离高压燃气管的一侧。

图5 水泥搅拌桩布置

4 施工过程中保护措施

4.1 膜袋砂围堰保护措施

(1)隔离保护法:通过在燃气管道两侧各10 m范围做膜袋砂围堰，围堰下打设塑料排水板加固地基，围堰标高为＋4.0 m，形成隔离体，限制地下管线周围的土体位移、挤压或振动管道。

(2)在对Q-1弃土区域填筑弃土施工以及C-2吹填区域吹填施工时，采用断面为标准梯形膜袋砂围堰防护施工。后续弃土及吹填均在燃气管两侧对称施工，均匀加载，避免地块整体位移压迫燃气管道。

(3)本工程围堰充填砂袋采用陆上施工法，施工时，先进行测量定位，打木桩将预先加工好的充填袋固定在设计平面位置上。

(4)提前在高压燃气管侧打设木桩，主要是避免膜袋滑入高压燃气管施工安全范围外，控制施工时的安全距离。

(5)为确保管道的安全，全过程施工监测是保障高压燃气管在施工过程中的稳定性、安全性以及信息化施工的主要手段，对管道保护具有重要意义。本次主要设置的监测项目有:隔离保护膜袋砂围堰监测等[12]。

(6)对所有隔离保护膜袋砂围堰提前布置沉降位移观测点，沉降监测采用苏光精密水准仪进行测量，并按照二级测量精度要求，进行周期性观测。如有发现不正常的沉积及位移，立即停止附近的所有施工，并报告上级单位。

4.2 简支桥结构及钢筋混凝土盖板保护措施

(1)环港北路保护桥桩基直径1 200 mm，共44根，桩基直径1 400 mm，共34根，现场投入6台冲击钻进行施工，其中 z0＃、y0＃、z1＃、y1＃墩的桩距离燃气管最小间距为5 m。

(2)考虑到对匝道桥梁的影响，保护桥桩基施工采取“横向隔桩跳打，横向逐根成孔”的施工顺序。

(3)保护桥桩基施工时，为最大程度降低施工机械震动对高压燃气管结构造成影响，所有冲孔桩机均摆放在远离高压燃气管的一侧(见图6)。

图6 燃气管保护桩冲击钻摆放位置示意

(4)为尽可能减少车辆、机械荷载对高压燃气管的影响，保护桥施工时，不考虑新修便道，直接利用区域内规划施工便道进行施工。临近高压燃气管的桩基浇筑混凝土时，为避免混凝土罐车行走对高压燃气管结构造成影响，采用56 m天泵在远离高压燃气管侧(保护桥南侧)进行桩基混凝土浇筑。

5 结论与体会

(1)填筑速度由5 d一层逐步增大到10 d一层、20 d一层时，施工完成时天然气管道的最大隆起量及隆起量变化速率会显著增大。

(2)填筑过程中由临近天然气管道向远离天然气管道的顺序逐层施工，以减小天然气管道的隆起量。

(3)对称填筑将减少填筑过程对天然气管的影响，因此施工过程中围堰和填筑同步进行。

(4)为减少桩基钻孔施工时对燃气管的影响，桩基施工设置钢护筒，钢护筒应穿过燃气管下2 m。钢护筒采用单护筒，护筒效果良好。

(5)钢筋混凝土盖板保护法施工过程中，沿管道外侧5 m处进行填筑压实，并设置减震沟，沟底位于管道侧下方0.3 m，以减少压实土体过程中震动对管线的影响，施工效果良好。