王曉峰 鄭正友 曹 洋

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 2. 浙江省電力建設有限公司， 浙江 寧波 315012； 3. 浙江省浙能天然氣管網(wǎng)有限公司， 浙江 杭州 310051

0 前言

進入21世紀以來,隨著中國經(jīng)濟建設的迅猛發(fā)展,國家對石油、天然氣能源的需求更加迫切。浙江省作為中國東部沿海地區(qū),經(jīng)濟發(fā)達且增長迅速,能源需求量大。2010年浙江省能源消費總量16 865×104t標準煤,其中煤炭占61.3%,天然氣僅占2.4%。隨著浙江省產(chǎn)業(yè)結(jié)構升級和能源結(jié)構優(yōu)化工作的進一步推進,節(jié)能減排要求不斷提高,清潔能源需求量不斷增長。根據(jù)《浙江省省級天然氣管網(wǎng)建設規(guī)劃》,浙江省將形成“多氣源一環(huán)網(wǎng)”的供氣格局。金麗溫輸氣管道是浙江省天然氣管網(wǎng)規(guī)劃“一環(huán)網(wǎng)”中的南段,其實施將填補浙江省南部地區(qū)天然氣供應的空白,并與現(xiàn)有和擬建的省級主干管形成管網(wǎng),實現(xiàn)互聯(lián)互通,進一步增強供氣的安全性和穩(wěn)定性。

金麗溫輸氣管道工程線路途經(jīng)金華市、永康市、麗水市、溫州市等9個縣(區(qū))市,干線全長220.2 km,支線長度6.7 km,管徑Φ 813 mm,設計壓力6.3 MPa。工程所經(jīng)過的地區(qū)為浙江中部金衢盆地、浙南山地,經(jīng)濟發(fā)達、人口稠密、公路及鐵路交通縱橫交錯、河流溝渠水網(wǎng)密布、山區(qū)丘陵植被茂密,還有眾多的環(huán)境敏感點(風景區(qū)、寺廟、墳地墓區(qū)、生態(tài)保護區(qū)、珍惜魚類保護區(qū)、飲用水源保護區(qū)等等)。大口徑天然氣長輸管道通過上述地區(qū),必須因地制宜采用多種多樣的穿跨越方式,做到安全可靠、依法合規(guī)、經(jīng)濟合理、施工便捷[1]。管道線路穿越大、中型河流12處(定向鉆2處、大開挖2處、水下隧道6處、頂管2處),新建山嶺隧道30條,陸上定向鉆穿越1次,穿越高速公路12次,穿越國省干道9次,穿越縣道26次,穿越鐵路13次等。

目前，國內(nèi)已建大口徑天然氣長輸管道工程中,金麗溫輸氣管道工程穿跨越部分長度占管道線路總長度的20.8%,為國內(nèi)第一;其中,石門洞隧道全長4 329 m,為目前已建的國內(nèi)最長天然氣長輸管道山嶺隧道;小溪管道跨越全長467 m,為國內(nèi)最大跨度的天然氣長輸管道上承式矩形桁架跨越[2]。

本文以金麗溫輸氣管道工程線路穿跨越部分的設計及施工情況為例,對大口徑天然氣長輸管道穿跨越工程建設進行探討和經(jīng)驗總結(jié)。

1 工程地質(zhì)

金麗溫輸氣管道工程管道所經(jīng)區(qū)域受地殼運動、巖性和斷裂構造,以及外動力地質(zhì)作用的綜合影響,地貌類型復雜多樣,其地勢總體呈東南高西北低。通過的地貌單元有山地(低山)、丘陵(深丘、淺丘)、山間、丘間溝谷、山前平原、河谷階地等。其中南段線路經(jīng)過地區(qū)以低山為主,丘陵次之,間夾山間沖溝,整體海拔高程30～720 m,相對高差20～300 m;沖海積平原僅在溫州末站附近分布,海拔高程8～13 m。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及地質(zhì)測繪,本段構造剝蝕地貌單元內(nèi)出露的地層巖性以侏羅紀世磨石山群、白堊紀世永康群地層為主,局部有燕山期侵入巖體。第四系覆蓋層遍布于部分河床谷地、沖溝及山坡坳地,厚度變化較大。沖海積平原地貌單元上部為第四系沖海相沉積物,底部為風化基巖。沿線地下水受地形地貌、水文地質(zhì)單元、地層巖性和地質(zhì)構造的多種因素控制,主要劃分為第四系松散堆積層孔隙潛水和基巖裂隙水兩大類。

2 山嶺隧道穿越

2.1 隧道穿越設計

2.1.1 位置選擇

本工程管道在通過山區(qū)地段時,為了減少對地表植被的破壞,減少大削坡大挖方對地形地貌的破壞,保證管道運營安全,降低施工難度,采用了大量的山嶺隧道進行穿越通過。根據(jù)對已建的多個油氣長輸管道工程的調(diào)研分析,管道在山區(qū)段的地表采用翻山敷設、橫坡敷設方式時,由于氣候因素、地形地貌變化、施工質(zhì)量、第三方破壞等多種原因,致多處管溝被沖毀、管道被拉裂、氣體泄漏爆燃、山體滑坡、地表水土流失等等,對周圍人員及建構筑物造成巨大損失,而敷設在隧道內(nèi)的油氣管道均安然無恙[3-5]。因此,本工程在山區(qū)段采用了30條山嶺隧道,總長度約37.4 km。

2.1.2 隧道斷面設計

考慮到管道路由經(jīng)過的地區(qū),首先要滿足國家相關法律、法規(guī)及規(guī)范要求,又要滿足地方政府規(guī)劃要求,同時還要盡量繞避環(huán)境敏感區(qū)域等,因此,本工程山嶺隧道平面及縱斷面設計中,利用油氣管道自身靈活多變的敷設方式,采用了多種多樣的隧道結(jié)構形式,如平面折線、縱斷面折線、大坡度斜井、超長隧道等等,較好地滿足了相關要求。例如,石門洞隧道(全長4 329 m),采用超長隧道方式,有效地避開了國家級4 A風景區(qū)、在建高鐵以及野生動物黿保護區(qū);江心田隧道(全長1 072 m),在隧道中部采用122°平面轉(zhuǎn)角,有效地避開了仙人谷風景區(qū)、采礦場、居民聚居點等,通過在隧道轉(zhuǎn)折點位置局部擴大凈空斷面,滿足管道彎管運輸安裝要求,以前類似工程中曾出現(xiàn)過直線型隧道由于緊鄰敏感建、構筑物,從而導致施工期間多次變更施工方案,不得而已采用非爆破開挖(靜態(tài)爆破、機械或人工掘進等),延長了施工工期和增加了工程投資;橫欄上隧道(全長1 034 m),采用單坡18.17%大坡度斜井方式,管道在斜井段利用錨固墩和滑動支墩相結(jié)合方式來固定管道,較好地解決了管道翻越高陡坡的安全風險;施工中采用了大容繩量的卷揚機(設置了擋車器、安全岔軌等)有軌出渣方式,按照規(guī)范要求大于17%的坡度應采用有軌運輸方式;同時,采用高揚程大容量水泵(一用一備)分級提升的方式,進行隧道內(nèi)排水,保證隧道施工安全。

根據(jù)油氣行業(yè)管道隧道相關規(guī)范要求,本工程管道直徑813 mm,隧道斷面一般情況下為3.0 m×3.0 m(凈寬×凈高)[6];在兼顧安全可靠、經(jīng)濟合理、施工方便的原則下,考慮到部分隧道自身特殊性,對隧道斷面做了適當增大。如石門洞隧道,因為長度超長,小斷面隧道在掘進到800 m以上時,爆破后煙塵排放時間較長,隧道出渣運距增長,且相關的襯砌支護材料(如長距離泵送混凝土、鋼材等)的運輸及施工也非常困難,導致工效明顯降低,為了方便施工、加快進度,將斷面改為3.5 m×3.5 m;對于平面轉(zhuǎn)角隧道,在轉(zhuǎn)角處,為了滿足管道安裝要求,將該處斷面局部進行適當加大。

2.2 施工措施

由于本工程山嶺長隧道較多,超過2 000 m以上的就有6條(包括石門洞隧道),施工期間的通風、出渣尤為重要[7]。施工單位的通風方式靈活采用“風機多段接力式”“壓入式”“壓入式+抽出式”等多種方式,分別采用2×11 kW軸流式通風機。出渣施工,根據(jù)小隧道斷面的特點,定制了小型帶四驅(qū)的農(nóng)用車,方便隧道內(nèi)進出,見圖1。同時,根據(jù)圍巖條件,靈活設置錯車道,提高施工工效[8-9]。

圖1 定制帶四驅(qū)農(nóng)用車照片F(xiàn)ig.1 Customized agricultural vehicle with 4 WD

同時,考慮到隧道所處區(qū)域均為植被茂密、山體水系發(fā)達、地表村莊眾多的地區(qū),因此設計對施工期間地下水的處理提出了更嚴格的要求,全程堅持超前預探、遇水注漿、以堵為主、限量排放的原則[10],根據(jù)綜合超前地質(zhì)預報成果資料，可分別采用超前帷幕注漿、超前局部注漿或開挖后徑向注漿等方式[11-12],防止大量地下水流入隧道,確保施工安全和運營期間的水環(huán)境安全。具體實施圖片見圖2～5。

圖2 隧道洞口軸流通風機照片F(xiàn)ig.2 Axial fan for tunnel portal

圖3 隧道內(nèi)超前地質(zhì)預報照片F(xiàn)ig.3 Advance geological prediction in tunnel

圖4 隧道內(nèi)超前地質(zhì)鉆探照片F(xiàn)ig.4 Advanced geological drilling in tunnel

圖5 隧道內(nèi)注漿堵水施工照片F(xiàn)ig.5 Grouting and blocking water construction in tunnel

2.3 政策處理及地方協(xié)調(diào)

2.3.1 爆破影響的處理

本工程山嶺隧道均采用鉆爆法施工,雖然在前期隧道洞口位置選擇時,盡量繞避及遠離了村莊民居等建、構筑物,但還是不能完全避免隧道洞口爆破施工對周邊鄰近建、構筑物的影響。因此,設計人員在前期應對隧道洞口周邊相鄰建、構筑物進行詳細調(diào)查和精確測量,在設計文件中明確相應的處理工程量:原則上在洞口為中心50 m范圍內(nèi),均考慮拆遷處理;50～200 m范圍內(nèi),考慮爆破振動損害賠償?shù)墓こ塘?一般情況下根據(jù)當?shù)氐慕?jīng)濟情況,綜合考慮每平方米建筑面積的賠償金額)。在隧道施工正式開展前,委托具有相關資質(zhì)的房屋鑒定機構,對爆破影響范圍內(nèi)建、構筑物的現(xiàn)狀進行鑒定評估;在隧道施工完成后,再進行一次鑒定評估,根據(jù)二者差異進行賠償、修復等工作。這樣大大減少了隧道施工期間因爆破影響而導致村民漫天要價、阻工等影響正常施工的情況發(fā)生。

2.3.2 棄渣場的處理

由于隧道施工的特殊性,會產(chǎn)生出大量的棄渣,而棄渣的安全處置又非常重要。棄渣場位置的選擇原則上盡量占用荒地、洼地,少占耕地,嚴格控制侵占良田[13];不得將棄渣場設置在水源保護區(qū)、風景名勝區(qū)、自然保護區(qū)等敏感地區(qū)。本工程所經(jīng)過的地區(qū)大多為山區(qū)丘陵,可供選擇的棄渣堆放場地非常有限,特別是青田縣素有“九山半水半分田”之稱,足見其平地的匱乏。因此,本工程棄渣場的選擇,充分依托隧道洞口所在當?shù)剜l(xiāng)鎮(zhèn)的政府基層組織,選擇指定的棄渣臨時或永久堆放場,并做好棄渣場的水工保護措施(如截排水溝、擋渣墻、涵管等);棄渣的利用,根據(jù)政府統(tǒng)一要求進行處理,如修筑道路、平整場地、建筑材料等,棄渣再利用率達到45%。隧道棄渣場及棄渣再利用見圖6。

圖6 隧道棄渣場及棄渣再利用照片F(xiàn)ig.6 Photos of tunnel spoil area and its reuse

3 水域穿跨越

3.1 鉆爆隧道穿越

本工程水域鉆爆隧道共4條(總長度約5 500 m)。主要穿越的水域為甌江及其支流水系。由于地形條件的限制,金麗溫高速公路、金麗溫高鐵、國道330、金溫鐵路等均在緊鄰甌江兩岸布置,本工程的水域隧道不可避免地與上述公路、鐵路進行交叉或并行,因此隧道洞口及平面位置的選擇非常困難,設計中創(chuàng)新地提出了平面與豎向轉(zhuǎn)角相結(jié)合的方式,解決了此難題。例如,大溪隧道(全長1 279 m),采用斜井+平巷+斜井的形式,在進口端斜井與平巷交界處,采用平面轉(zhuǎn)角142°+豎向轉(zhuǎn)角14°的方式,較好地解決了整條隧道依次穿越國防光纜、居民聚居區(qū)、金麗溫高速公路、國道330、大溪主河道、金溫鐵路等障礙物。在隧道平面與豎向轉(zhuǎn)角交界處,加大了隧道凈空斷面,方便管道運輸及安裝,此處管道彎管需要采用疊加角空間彎管。水域鉆爆隧道統(tǒng)計見表1。

表1 水域鉆爆隧道統(tǒng)計表

由于隧道進出洞口緊鄰上述敏感建、構筑物,因此,在爆破施工中采用了小藥量的毫秒雷管微振爆破,嚴格控制爆破振動速率,做好洞口沖擊波運動方向的外圍防護,最大程度減小對周邊建、構筑物的影響;爆破振動速率按照GB 6722《爆破安全規(guī)程》中的相關規(guī)定,控制在2.0 cm/s;同時,針對在運的金溫鐵路,專門編制了相應的安全評估報告,并協(xié)調(diào)鐵路運營單位,在爆破施工期間對隧道與鐵路交叉范圍內(nèi),進行列車運營管制,保證鐵路運行的安全及隧道施工正常進行。在今后處理鉆爆隧道與鐵路、公路交叉的情況時,應協(xié)同業(yè)主提早與相關部門溝通,完善設計及施工安全措施方案,在滿足規(guī)范及行業(yè)條例同時,做到安全可靠、施工便捷、經(jīng)濟合理。

3.2 河流跨越

本工程建成之前,浙江地區(qū)還尚未采用過大口徑天然氣長輸管道跨越,其主要原因還是后期管道運營管理不太方便。但是在特殊情況下,受地質(zhì)條件和周邊環(huán)境條件等諸多因素的制約,其他穿越方式均不適宜采用時,還是需要采用跨越方式[14]。小溪桁架跨越就是本工程唯一的大型跨越(全長約467 m),見圖7。根據(jù)地質(zhì)勘察報告顯示,該處河段平均水深約10 m,河床上層有漂石層(層厚1.90～14.80 m),粒徑200 mm以上占60%～70%,粒徑20～200 mm占20%左右;卵石層(層厚4.00～17.90 m),粒徑20～200 mm占60%～70%,粒徑5～20 mm占20%左右;下層為侏羅系上統(tǒng)磨石山組凝灰?guī)r。經(jīng)過綜合技術比選分析,采用大開挖、定向鉆、頂管隧道、鉆爆隧道等穿越方式均不太適宜,因此設計推薦采用多跨桁架+梁式直跨相結(jié)合的方式,先采用5跨桁架跨過小溪主河道,然后采用梁式直跨通過灘地及鄰近的縣道。

由于受小溪兩岸地方規(guī)劃及現(xiàn)有建、構筑物的制約,經(jīng)過與地方政府及村民的多次協(xié)商溝通,確定了跨越軸線無法與河道垂直,只能與主河道成37°交角斜跨,采用斜交方式過河,大大增加了桁架的總長度,同時也相應減小了通航河道的有效凈空;為滿足通航評價的要求,通航的主河道采用了主跨為95 m大跨度變截面上承式桁架,兩側(cè)河道采用了跨度為75 m,69 m及2跨59 m的桁架組合[15-16]。桁架跨越段采用雙樁基礎橋墩,承臺下布置2根Ф1.5 m的機械成孔灌注樁;直跨段采用單樁橋墩,承臺下布置1根Ф1.2 m的機械成孔灌注樁。施工時,進展非常順利,僅用4個月就全部完成了跨越主體部分施工。

圖7 小溪桁架跨越全貌照片F(xiàn)ig.7 Overall perspective of Xiaoxi truss type pipeline aerial crossing

3.3 大開挖穿越

隨著國家對環(huán)境保護和水土保持的要求不斷提高,對于大、中型河流水域越來越多要求采用非開挖方式通過。本工程大、中型河流采用大開挖方式只有2處,其中大溪(南明湖段)大開挖穿越設計的水平長度約 340 m。因河段上游修建有水庫大壩,穿越河段枯水期水面寬度約45～50 m,水深1～5 m,河床表部主要為卵石、漂石,適宜在枯水期采用大開挖方式穿越。施工中,采用河道分段圍堰開挖的方式,完成順利。

需要提醒的是,本工程施工圖設計完成時間2013年10月,但由于各種因素影響,實際施工時間在2016年12月,由于時隔3年多時間,水利部門在上、下游新建了水庫大壩,導致前期所作的防洪評價已經(jīng)不能滿足現(xiàn)狀的要求,因此需要重新進行評價,核算沖刷線深度,最終在原設計沖刷線位置再加深了1.5 m,確定管道的安全埋深,相應的開挖工程量也增加了。

3.4 頂管穿越

本工程大、中型河流采用頂管隧道方式只有2處,其中青田縣四都港(河道)穿越相對復雜。四都港(河道)原穿越方式是采用大開挖方式,設計已于2013年4月提交施工圖,在實施階段,由于地方政府規(guī)劃調(diào)整,總體線路走向發(fā)生變化,導致四都港(河道)穿越位置進行了4次調(diào)整。最終實施的四都港(河道)穿越方案包括主河道、灘地和省道S 230的頂管穿越,實長198.1 m,頂管隧道凈斷面為Φ1.5 m。河道和省道S 230公路頂管長137 m(豎井+平巷+豎井,其中套管頂進120 m),其余為開挖敷設段。由于省道S 230為傍山公路,一側(cè)緊鄰河道,一側(cè)緊靠山脊,設計人員結(jié)合臨河場地分布受限等特點,充分考慮場地影響,合理布置頂管穿越兩側(cè)豎井位置,減少施工時對省道路基安全影響[17-18]。頂管穿越的層位是強風化～中風化凝灰?guī)r,采用泥水平衡頂管機進行掘進,經(jīng)過4個月施工,順利完成。

3.5 定向鉆穿越

本工程陸上定向鉆穿越僅1次,為穿越縉云縣新建鎮(zhèn)堆土區(qū)。設計階段,該地區(qū)是一片空地,無任何堆積物;到施工階段放線測量時,新出現(xiàn)大面積堆土情況,如采用直接開挖敷設,需將大量堆土臨時外運,工程量大且完工后又需將外運土方拉回恢復,管道也需采取保護方式,且大量土方堆積和機器作業(yè)對管道安全造成較大隱患。

通過與地方政府協(xié)調(diào)處理,設計推薦采用定向鉆穿越方式來通過該堆土區(qū),穿越主要地層為中風化鈣質(zhì)砂巖,同時考慮一并穿越了幾處魚塘,減小了管道在地表敷設時政策處理的難度(包括臨時占地、各種賠償?shù)鹊?。該定向鉆鉆孔施工段水平長692.3 m,實長695.6 m,穿越入土角取9°29′,出土角取9°0′,整個穿越曲線為“兩弧三直”,弧線曲率半徑均為1 250 m;地面堆土區(qū)高度約12 m,工藝設計斷面堆土區(qū)管頂埋深最小14.65 m(即中風化基巖內(nèi)管頂最小埋深),經(jīng)核算能完全保證管道安全;施工時一次穿越成功。在此類丘陵間的河流沖積平原實施定向鉆穿越,應盡量選擇在非雨季施工,避免場地積水影響穿越管道的鉆進、管道拼組等。

從該定向鉆穿越堆土區(qū)的成功實施來分析,在浙江等發(fā)達地區(qū),對于某些特定的人工或天然障礙物,在滿足定向鉆穿越施工條件的前提下,優(yōu)先推薦采用定向鉆穿越方式,可以避免采用其他如大開挖、鉆爆隧道等可能對周邊環(huán)境產(chǎn)生較大影響的施工方式。

4 公路、鐵路穿越

根據(jù)本工程線路管道路由走向,需多次與各種等級公路、鐵路頻繁交叉,為了保證管道安全,并同時滿足公路、鐵路部門的相關安全要求,設計人員根據(jù)現(xiàn)場實際位置關系、地形地貌、地質(zhì)情況,綜合考慮施工場地條件等因素,靈活采用多種多樣的穿越方式進行通過。常用的主要有頂管隧道穿越、大開挖穿越(預埋套管、箱涵或加設蓋板)等。特別是與鐵路和高等級公路交叉時,嚴格遵照交公路發(fā)〔2015〕36號《關于規(guī)范公路橋梁與石油天然氣管道交叉工程管理的通知》、國能油氣〔2015〕392號《油氣輸送管道與鐵路交匯工程技術及管理規(guī)定》的相關規(guī)定要求執(zhí)行。

本工程管道穿越大量的鄉(xiāng)村水泥公路時,在地形不受限制時一般采用頂管方式穿越,在地形受限時采用大開挖加蓋板或加箱涵等方式保護管道(由于浙江西南部山區(qū)較多,公路一般依山而建,無法采用頂管穿越,只能采用大開挖方式)[19-20],同時需要處理好與地方的協(xié)調(diào)關系;另外在穿越長度的確定時應考慮公路擴建等問題,一般在穿越道路兩側(cè)各延長至5 m。

5 結(jié)論

浙江地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達,管道沿途交通網(wǎng)絡密布、各種規(guī)劃、風景區(qū)較多,同時政府環(huán)保意思較強,征地協(xié)調(diào)難度較大。通過金麗溫輸氣管道工程近6年的工程建設,其間遭遇到了2016年百年一遇臺風,對本工程在建的山區(qū)段管道產(chǎn)生了較大影響,但采用了鉆爆隧道、頂管隧道、跨越等穿跨越方式的地段均安然無恙。建議在后續(xù)管網(wǎng)工程的建設中,盡量多采用隧道穿越方案,減少對環(huán)境的破壞,同時有利于減少征地協(xié)調(diào)的難度。

同時,針對管道穿越鐵路、公路、魚塘、水渠等天然或人工障礙物,應綜合考慮地質(zhì)條件、施工場地、政策處理等多種因素,在滿足規(guī)范要求前提下,靈活采用適宜的穿跨越方式。