天然气专用隧道中填充物的研究

上海燃气工程设计研究有限公司 张淼馨

关键字：天然气专用隧道 填充物 泡沫混凝土

0 引言

随着国内天然气事业的蓬勃发展，“西气东输”管道及各省市级管网基本连通到全国各个大中型城市，其中多次穿越长江、黄河等大型河流。由于受到穿越长度、地形地貌、地质情况和运营需求等因素的影响，现采用顶管和盾构工艺完成天然气专用隧道进行天然气管道敷设的情况也越来越多，比如“西气东输”穿越长江、上海天然气主干管网穿越长江至长兴岛及崇明岛。考虑到天然气管道安全及运营维护需求，如何选择恰当的隧道填充物成为了各天然气专用隧道需要面对的问题。

本文结合国内外天然气专用隧道所使用填充物的情况，对各种填充物进行阐述，并对各种填充物的特性和对隧道及管道工程的影响进行了分析，针对不同的天然气专用隧道(以下简称隧道)推荐不同的填充物。

1 国内外隧道内填充物使用情况

1.1 国内

国内中石油天然气管道隧道大多采用水填充方式，比如“西气东输”钱塘江隧道、九江长江隧道等，其隧道长度均小于3 km，用水填充隧道是考虑防止外力破坏，同时也为管道的检修留有余地。

还有少数隧道采用空气填充，其主要考虑管道检修的便利，但为防止外力破坏，则需借助于一定的安保措施，比如中石油三江口隧道内部及两侧工作井均有武警部队驻防维护。

1.2 国外

日本燃气隧道多采用泡沫混凝土进行填充，主要考虑防止外力破坏，特别是在地震多发地区。此外，日本燃气隧道的设计理念就是全寿命周期内的本质安全，从设计施工材料等各方面严格把关，因此不考虑后期隧道内的检修及更换，采用一次泡沫混凝土填实，既可以提高管道运行安全性，管道运营管理也更为方便。

2 隧道填充物介绍

适用于作为天然气管道隧道内常用填充物有空气(不填充)、水和泡沫混凝土3种。

2.1 空气(不填充)

用空气作为介质填充就是隧道内部与大气相通，也就是不对施工完毕后的隧道进行其他介质的填充。这样做的优点在于不存在填充施工，填充物无成本，并且人员可以随时进入隧道内部进行管道及隧道的管理与维护；缺点则在于隧道内管道长期暴露在空气当中，管道存在外力破坏的隐患，而且管道一旦发生泄漏，易引发燃烧、爆炸等灾难，给管道安全运行带来较大风险。同时，由于人员可能进入隧道，使得隧道内部必须具备完善的监控及报警、照明、通风和排风等应急体系，两侧工作井也需24 h进行安全监控和人员驻场，并且需要对操作人员进行严格的培训。

工程实例：

中石油三江口越江盾构，隧道全长 1992 m，隧道内径3800 mm。

2.2 水

用水作为介质填充隧道时，须采用不具腐蚀性，不含有机、无机脏物，低盐，低氯化物的中性洁净水。

由于水良好的充填性及成本低廉，所以水也是天然气隧道内常用填充物的选择之一。其成本较低、填充工期较短及对天然气管道运行期间保持温度恒定等众多优势使国内多条天然气隧道均使用水作为填充物。特别在长距离隧道内部以水为填充物，通过隧道两侧井体内的水面观察，可了解管道泄漏情况，在进行抽水作业后，操作人员可以进入隧道作业。

工程实例：

中石油钱塘江盾构，隧道全长3093m，隧道内径 3080mm；中石油九江长江盾构，隧道全长2590m，隧道内径3080 mm。

2.3 泡沫混凝土

泡沫混凝土是用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与水泥基胶凝材料、水及可选组分集料、掺和料和外加剂等按照一定的比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料(见图1)。

图1 泡沫混凝土

泡沫混凝土作为隧道填充物在国内运用的比较少，但日本多条长距离盾构均选用泡沫混凝土作为填充物。其缺点在于填充成本较高、填充施工工艺较复杂，填充完成后人员无法进入维护。隧道建成后不考虑维修与检修。优点在于填充均匀，重量轻，填充后管道运营安全、稳定，风险低，对隧道结构的影响比填充水要小。

工程实例：

日本伊势湾盾构，隧道全长13300m，隧道内径 3080 mm；日本东京湾天然气隧道，隧道全长18060m，隧道内径3080 mm。

3 填充物对隧道工程和管道运营维护的影响

3.1 不同填充物对工程建设的影响

针对上文介绍的三种填充物，笔者就不同的填充物对工程建设的影响做一分析。

3.1.1 对隧道工程的影响

针对上述三种填充物，在隧道设计时需考虑填充物对隧道结构的影响，其中，用空气填充(不填充)和泡沫混凝土相对简单，基本无需额外考虑填充物对隧道工程的影响。

如果隧道采用水填充方式，隧道衬砌不仅承受外部水土压力，还承受内部水压力，衬砌结构、接头渗漏水(双向)控制要求高。内外水压力差不大时，单层衬砌结构能够满足施工阶段、运营阶段的结构强度、刚度和稳定性要求，以及防水的标准和要求，而且具有结构受力明确、施工工序单一、施工效率高等优点。但是衬砌结构强度、变形、耐久性和水密性设计与不采用水填充方式的结构有较大不同。

3.1.2 对天然气管道工程防腐的影响

隧道填充物的选取对天然气管道工程防腐也会带来不同的影响。其中，用空气填充时由于隧道内部环境与隧道外大气环境相通，地下水的渗透使天然气管道处于有一定湿度的空气环境中。因此除按常规设计外，还需考虑额外的空气冷凝水及地下水对管道外防腐层及管道支架的影响；用水填充时，则需考虑水的酸碱性对管道外防腐层及管道支架、承台及固定装置的影响；而如果用泡沫混凝土填充，由于相对隔绝水、空气等，基本无需考虑泡沫混凝土对管道外防腐层的影响。

3.2 不同填充物对天然气管道运营维护的影响

3.2.1 正常工况

根据隧道内填充物的不同，天然气管道的运营维护方案也不尽相同。用空气填充时，可以对隧道内天然气管道进行日常的运营维护，包括每天的沿线巡检。当然这也需要增添许多额外的安全措施，譬如隧道内天然气泄漏报警设备、通风照明设备、紧急逃生设备等等；用水填充时，不能进行隧道内天然气管道的日常巡检，但可以在特定的时间，譬如天然气管道运营若干年后，对隧道内的天然气管道进行定期的检查，当然这也需要制定专门的方案和措施，包括隧道内水的抽取、空气环境的检测、临时通风照明设备的安装等等；用泡沫混凝土填充时，则不能进行隧道内天然气管道的日常巡检和运营后的定期巡检。

无论是用水和泡沫混凝土填充，对管道本身相当于又多了一层保护，并且杜绝了隧道内人员对管道有意或无意的破坏；填充后所形成的密实空间因为隔绝了大气也就杜绝了隧道内部因管道天然气泄漏发生燃烧、爆炸等破坏性后果，管道的安全风险将大大降低。

3.2.2 应急工况

根据隧道内填充物的不同，在应急工况时，采取的方案也不尽相同。用空气填充在遇到应急工况时，可以切断隧道两侧的阀门，并通过放散、置换等应急预案的方案进行处置；用水填充，在遇到应急工况时，可以切断隧道两侧的阀门，并通过隧道排水、增设临时通风、浓度监测报警等设备及放散、置换方案，进而满足检修维修的条件，但是由于上述措施的难度较大、周期较长，因此在应对应急工况时显得过于滞后而不实用，所以在用水填充遇到应急工况时，一般只是切断隧道两侧的阀门而不做其他的应急措施，在后续的工作中，结合原先定期检查的方案，做下一步的维修工作；用泡沫混凝土填充，在遇到应急工况时，可以切断隧道两侧的阀门，无法进入隧道内部检修。

4 隧道填充物的比选

在前面章节中，对空气、水和泡沫混凝土这三种隧道填充物进行了介绍，并且分别探讨了采用这些填充物后可能对隧道工程、管道防腐工程及后期运营维护带来的影响。结果汇总见表1。

表1 不同填充物对比

通过表1得知各填充物的特性比较如下：

空气——填充物的填充成本低，施工工期短，但由于空气对管道防腐层的影响较大，以及为保证巡线，隧道内需长期配置通风、照明等设施，安全控制要求高，提高了运营维护的成本，使运营管理难度增大。

水——填充物的填充成本较低，施工工期较短，对管道防腐层的防水要求较高；增加了荷载，对隧道结构有一定影响；但由于在应急状况时需进行排水，敷设临时通风、照明等设施，使应急处理的成本较高，实施难度较大。

泡沫混凝土——填充物的填充成本高、施工工期长、填充工艺较复杂，填充后无法进入隧道内部进行维护，但由于其状态稳定，密度比水低，降低了对隧道结构和管道防腐层的影响。

5 结语

(1)空气、水、泡沫混凝土均可作为天然气专用隧道的填充物。

(2)空气作为填充物比较适合短距离隧道内使用，因为长距离隧道用空气填充运营管理难度大，后期管道运行风险高。

(3)水作为填充物适合于短距离和长距离隧道内使用，因为水作为填充物后期运营管理方便，在必要的情况下也可进入隧道进行管道维护。

(4)泡沫混凝土作为填充物因其不存在后期运营维护问题，比较适合长距离甚至超长距离隧道内使用。

笔者通过以上分析，建议根据工程实际情况，在综合考虑燃气隧道空间利用、管道运行安全和后期运维需求等方面的因素下，选择最适合本身工程条件的隧道填充物。