外部工程施工对在役埋地燃气管道的影响

中国市政工程西南设计研究总院有限公司

杨 罗 李 斌 吴小平 刘世杰

供气安全是燃气行业的基本要求。在城市燃气给城市居民带来便利的同时，在役埋地燃气管道因为第三方破坏、腐蚀等原因会失效而导致燃气泄漏，从而引发中毒、火灾及爆炸等事故时有发生。尤其是外部工程施工所造成的燃气管道第三方破坏已经排在各类在役埋地燃气管道事故原因的首位。本文通过分析冲击钻孔桩施工、基坑施工及盾构施工这3种典型的外部工程施工对附近在役埋地燃气管道的影响，提出了相应的监控和防护措施。

1 外部工程施工对在役埋地燃气管道的影响

目前对在役埋地燃气管道运行安全影响较大的外部工程施工方式主要为：冲击钻孔桩施工、基坑施工及盾构施工。这3种典型的外部工程施工对附近在役埋地燃气管道的影响分别如下：

1.1 冲击钻孔桩施工

桩基施工通常分为非挤土桩和挤土桩。非挤土桩(以桩孔灌注桩为代表)为先钻孔后打入的预制桩，施工过程中清除孔中土体，桩周围土体不受排挤，不会发生挤土效应，对周围环境影响较小。挤土桩(以冲击钻孔桩为代表)为预制桩、封闭的管桩等，挤土桩在锤击和振动贯入过程中都要将桩位处的土体大量排挤开，使土体结构严重扰动破坏。以下重点讨论冲击钻孔桩施工对附近燃气管道的影响。

冲击钻孔桩施工对附近在役埋地燃气管道的影响主要为两个方面：一是冲击钻孔桩施工时对土体压密或者挤开，使土体产生隆起和水平位移，从而造成附近燃气管道的位移破坏；二是冲击钻孔桩施工时的振动造成附近燃气管道的振动破坏。

冲击钻孔桩施工造成的挤土效应和振动特性对附近在役埋地燃气管道的影响大小与桩-管之间的距离呈负相关的规律，即随着桩管之间的距离变大，冲击钻孔桩造成的挤土效应和振动对附近的燃气管道影响减小。要减小或控制冲击钻孔桩造成的挤土效应和振动对附近燃气管道的影响，首先应该在精确定位在役埋地燃气管道位置的基础上，确保冲击钻孔桩施工位置与在役埋地燃气管道保持一定的间距。根据相关试验研究及文献记录，打桩施工的挤土效应对周边土体的严重扰动区一般为桩周围3D(D为冲击钻孔桩桩径)的范围，实际工程中挤土桩与管道距离不小于3D时，挤土效应造成的管道变形影响相对较小；如果在役埋地燃气管道位于冲击钻孔桩施工位置3倍冲锤半径(3R)之外的范围，可基本保证冲击打桩施工过程中所产生的振动不会对管基的岩土层造成破坏，继而避免威胁到管道的安全。冲锤半径R指打桩机械冲锤的底面半径，常见冲锤底面半径有1.2 m、1.5 m、1.8 m、2.0 m等。冲击钻孔桩施工位置与在役埋地燃气管道间距的确定参考《中华人民共和国石油天然气保护法》中第三十条第(二)款的规定：保证钻孔桩施工位置与在役埋地燃气管道的间距不小于5 m，当冲击钻孔桩桩径的3倍数值或打桩机械冲锤半径的3倍数值大于5 m时，应选取上述数值较大者作为冲击钻孔桩施工位置与在役埋地燃气管道的间距要求。

1.2 基坑开挖施工

基坑开挖施工对附近燃气管道影响主要表现为：基坑开挖导致坑内土体卸载，基坑侧壁土体受到的内力平衡被打破，土体内应力重新分布。即基坑围护结构在开挖过程中，由于坑内土体卸荷而造成土压力移除，从而打破应力平衡，改变基坑侧壁土体受力，致使围护结构产生变形和位移，引起基坑周围地表沉陷。随着基坑开挖基坑侧壁土体发生变形位移，附近的埋地管线位于基坑外侧土体内，由于管土相互作用，所以基坑侧壁土体的位移必然会导致周围地埋管线的位移变形。

基坑开挖施工对附近燃气管道影响的大小与基坑和燃气管道的距离呈负相关关系，即基坑施工地点与燃气管道的距离越大，对燃气管道的影响越小。对于基坑开挖工程与在役埋地燃气管道的间距要求，目前国内相关规范并没有明确的规定。如果要做到基坑开挖对附近燃气管道影响很小或无影响，需保证基坑开挖工程与燃气管道的间距不小于基坑开挖深度的4倍。但实际工程中往往无法保证上述间距要求，所以基坑开挖工程中对附近燃气管线的监控尤为重要。

1.3 盾构工程施工

GB 50028－2006(2020年版)《城镇燃气设计规范》中第 6.3.3条规定：地下燃气管道不得从其他建筑物和大型构筑物的下面穿越。盾构工程的隧道属于大型地下构筑物，故一般要求盾构工程隧道从在役埋地燃气管道下方通过。盾构工程盾构机掘进下穿管道时引起地层的损失，导致管道下方土体局部下沉，由于管道自身存在一定的纵向抗弯刚度，其变形与周边土体往往不同步，土体变形通常较管线变形先发生且量值较大，易造成管线下方土体脱空，使管线存在较大的损坏风险，情况严重时可导致管线断裂。因此盾构工程施工时必须要控制管道变形在允许的范围内。

国家相关规范及条例对盾构工程下穿燃气管道施工中盾构工程与燃气管道的间距要求如下：

(1)国能油气(2015)392号文《油气输送管道与铁路交汇工程技术及管理规定》第十四条规定：新建管道可在既有铁路隧道洞身上方挖沟敷设。当采取非爆破方式开挖管沟时，管沟底部与铁路隧道结构顶部外缘的垂直间距不应小于10 m，新建铁路隧道在埋地管道下方采用控制爆破开挖时，隧道顶部与埋地管道底部的垂直高度不应小于20 m。

(2)《城镇燃气输配系统设计规范(征求意见稿)》中第 5.3.2条规定：高压、次高压燃气管道距地铁涵洞顶不小于3 m，中压燃气管道距地铁涵洞顶不小于 1.5 m，低压燃气管道距地铁涵洞顶不小于1.0 m。

2 外部工程施工时对附近在役埋地燃气管道的监控防护措施

2.1 冲击钻孔桩施工

针对冲击钻孔桩施工过程中产生的振动对在役埋地燃气管道的影响，必须进行有效的安全监测与控制。监测系统由速度传感器、振动记录仪和计算机组成。振动信号采集设备可选用爆破振动记录仪。该设备价格便宜、操作简便，在实际工程运行中效果较好。监测前将监测传感器布置于在役埋地燃气管线轴线上方的地表中，可实时监测地表竖直方向的质点振动速度峰值。

监测过程中质点振动速度峰值的安全判据可根据GB 50032－2003《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》的规定，参照GB/T 17742－2008《中国地震烈度表》，采用抗震设防烈度作为冲击钻孔振动的安全判据。GB 50032－2003中第1.0.3条规定：抗震设防烈度为6度或高于6度地区燃气管道必须进行抗震设计。换言之只要施工振动导致的质点振动峰值速度不超过5度地震烈度所对应的质点振动峰值速度，则可认为埋地燃气管道是安全的。考虑到地震振动与冲击钻孔振动的差异，冲击钻孔振动周期密集、累积效应严重，当确定冲击钻孔振动对埋地燃气管线影响的安全判据时，可以地震烈度5度的质点振动峰值速度下限值20 mm/s作为基准，并参看史佩栋编著的《桩基工程手册》中相关规定，取冲击钻孔质点安全振动速度最大不超过15 mm/s作为安全判据，当桩基施工过程中质点振动速度峰值接近该值的50%时应预警，达到该值的80%时应停止施工，采取如开挖隔振沟、降低打桩机械冲锤半径或冲程等减振措施，防止对附近在役埋地燃气管道产生破坏。

2.2 基坑开挖施工

当基坑开挖工程与燃气管道的间距不能大于基坑开挖深度的4倍时，必须对附近燃气管线进行监控。监控内容以监控管线位移、变形为主。参看美国温特科恩(H.F.Winterkorn)，美国方晓阳(H.Y.Fang)主编的《基础工程手册》，对基坑开挖过程中，基坑周围埋地燃气管线的监测点设计有具体要求：(1)对基坑周围地埋管线设计监测点应根据基坑周围管线的材质、类型等特点进行布设；(2)对管线设计监测点宜设计间距为15～25 m，且在管线接头处、转角、及变形曲率较大处应增加监测点的布设；(3)对基坑周围 3倍开挖深度范围内应加强对管线监测。

实际施工过程中对埋地燃气管线的监测方式主要有两种：一种是抱箍式，用扁铁做成大于地埋管线管径的圆形铁环，然后固定测杆和地埋管线，测杆位于地表，所以可以较为精确地测量出基坑开挖过程中地埋管线的沉降或隆起；另外一种为套筒式，利用塑料或者金属类管材埋置于地表与地埋管线之间，测量时可以利用测杆直接测量管线沉降。在正确安装测杆位置的前提下，测量结果可以有效反应基坑开挖过程中地埋管线的沉降变化，适于埋深较浅的管线，也可以有效避免地表开挖。

对于管线位移、变形值的安全判据，目前国家规范没有统一的规定，国内部分地区结合自身实际，根据管线垂直和水平变形、管线接头转角与脱开、管线应变等方面制定有若干的地方标准，如表1所示。

表1 国内地方标准中对管道变形值的安全判据

根据现有研究可以看出目前的控制标准涉及管线位移变形、管线接头变形等方面，但考虑因素的侧重点各有不同。从实际工程应用来看，上海市地方标准DG/TJ 08-2001－2016《基坑工程施工监测规程》中给出的管线位移监测报警方法操作简便，报警数值设置合理。但该规范提供的监测指标中缺少对管道应变控制的指标，可以参考 GB/T 34275－2017《压力管道规范 长输管道》中提供的燃气管线水平应变量指标，在监测报警指标中增加管道径向累计变形量不得大于3%D(D为燃气管线直径)的要求。

2.3 盾构工程施工

盾构工程下穿燃气管道施工中，燃气管线的防护措施以监控管线竖向位移(即沉降指标)为主。竖向位移监测点宜布设在地下燃气管线的节点、转角点、位移变化敏感或者预测变形较大的部位，可采用抱箍法在燃气管道上设置直接监测点，如图1所示。

图1 抱箍法监测点示意

抱箍法是在特制的圆环(也称抱箍)上连接固定测杆，圆环抱箍在管线上，将测杆与管线连接成一个整体，测杆略低于天然地面，测杆出头位置地面处设置相应的保护测杆的窖井。此方法观测精度较高，使用方便。

根据现有的国家标准和地方标准，对于盾构工程下穿燃气管道施工中燃气管线竖向位移值的安全判据如下：

(1)对于管径在DN100～DN400的燃气管道，可参看GB 50911－2013《城市轨道交通工程监测技术规范》中 9.3.3条的规定：竖向位移累计值不得超过10～30 mm，变化速率不大于2 mm/d，差异沉降值不大于0.3%管节长度。

(2)对于管径大于DN400的燃气管道，可参看上海市标准DG/TJ 08-2224－2017《城市轨道交通工程施工监测技术规范》中 9.5.2条的规定：燃气管道竖向位移累计值不得超过10 mm，变化速率不大于2 mm/d，差异沉降值不大于0.25%管节长度。

3 结语

外部工程施工期间如果对在役埋地燃气管道的监控防护措施不到位，存在安全隐患，不仅影响外部工程的正常施工，更会对在役埋地燃气管道造成威胁。为此，应借鉴管道完整性管理理念，建立外部施工对在役埋地燃气管道及设施破坏的全方位、全过程预警体系和监护措施，强调对安全隐患及时做出反应，逐步降低外部施工对在役埋地燃气管道破坏事故发生率，保障管道的安全运行。