石長(zhǎng)元 王曉峰 杜呈祥

1．中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川成都610041; 2．中國(guó)人民解放軍九四一零四部隊(duì)，陜西寶雞721008

油氣管道瓦斯隧道的設(shè)計(jì)及施工

石長(zhǎng)元1王曉峰1杜呈祥2

1．中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川成都610041; 2．中國(guó)人民解放軍九四一零四部隊(duì)，陜西寶雞721008

油氣管道隧道在特殊情況下需穿越含瓦斯地層，為了保證管道隧道在施工期間及后期管道運(yùn)營(yíng)安全，需要從隧道內(nèi)瓦斯的檢測(cè)、設(shè)計(jì)支護(hù)方式和施工中采取必要的措施等方面進(jìn)行綜合考慮，選擇安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、適用的方案。結(jié)合油氣管道瓦斯隧道工程實(shí)例，從瓦斯檢測(cè)的方法和設(shè)備，到相應(yīng)的隧道支護(hù)方式，再到施工期間的各項(xiàng)安全措施要求，較全面地闡述了瓦斯隧道設(shè)計(jì)、施工過程，為今后類似工程提供參考。

油氣管道;瓦斯隧道;檢測(cè);設(shè)計(jì);施工

0 前言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，國(guó)家對(duì)石油、天然氣能源的需求更加迫切，從國(guó)內(nèi)到國(guó)外，正在建設(shè)大量的油氣管道，諸如西氣東輸工程、中緬管道工程、中亞管道工程、中俄管道工程等。油氣管道在穿越大江大河、高山峻嶺等特殊地段，已經(jīng)越來越多地采用隧道穿越方式。由于受到管道線路總體走向、地方規(guī)劃、地質(zhì)地形、環(huán)境敏感區(qū)、高后果區(qū)等各種因素的影響，不可避免地導(dǎo)致個(gè)別管道隧道需要穿越含瓦斯地層，這就要求從勘察、設(shè)計(jì)、施工各方面采取特殊措施來應(yīng)對(duì)瓦斯可能帶來的危害，以保證管道隧道的施工及運(yùn)營(yíng)安全。本文以四川某天然氣管道瓦斯隧道為例，對(duì)隧道中的瓦斯檢測(cè)及隧道的設(shè)計(jì)、施工進(jìn)行探討。

1 概況

某天然氣管道瓦斯隧道穿越山嶺全長(zhǎng)1 537.9 m，隧道斷面形式為直墻半圓拱形，凈寬2.7 m，凈高2.7 m(其中墻高1.5 m，拱高1.2 m)，縱斷面采用平巷－斜巷形式。進(jìn)口端坡度為10%，水平長(zhǎng)979.3 m，斜長(zhǎng)984.2 m;出口端斜巷坡度為46.63%，水平長(zhǎng)500.1 m，斜長(zhǎng)551.61 m，水平明洞2 m。隧道水平長(zhǎng)1 481.4 m，實(shí)際長(zhǎng)1 537.9 m。隧道穿越縱斷面示意見圖1。

圖1 隧道穿越縱斷面示意圖

2014年5月15日20:30，該隧道出口端掘進(jìn)至K 1+ 273 m處(位于隧道出口斜巷段)，施工作業(yè)班組在打眼作業(yè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)工作面有臭雞蛋味、同時(shí)發(fā)現(xiàn)掌子面右側(cè)下方3個(gè)鉆孔冒氣泡。經(jīng)甲烷氣體檢測(cè)儀檢測(cè)，氣泡出口的甲烷氣體體積濃度為1.83%;檢測(cè)掌子面空氣，數(shù)據(jù)顯示氣體體積濃度為0.16%，經(jīng)16 h釋放后，用甲烷氣體檢測(cè)儀對(duì)掌子面空氣檢測(cè)，甲烷氣體體積濃度含量為0%，出氣口檢測(cè)，氣體體積濃度為0.36%。經(jīng)3 d連續(xù)釋放后，掌子面空氣檢測(cè)，氣體體積濃度為0%，出氣口檢測(cè)，氣體體積濃度為0.58%;經(jīng)30 d排放后，經(jīng)檢測(cè)出氣口、掌子面空氣，甲烷氣體體積濃度均為0%。

2 區(qū)域地質(zhì)情況

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

該隧道所處區(qū)域在大地構(gòu)造上屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)(Ⅰ1)之四川臺(tái)拗(Ⅱ5)，其區(qū)域構(gòu)造體系屬新華夏系第三沉降帶四川盆地東緣川東弧群高陡褶皺區(qū)的一部分，由背斜、向斜相間組合分布，組合形態(tài)為狹長(zhǎng)梳狀高背斜與寬緩向斜相間排列，形成典型的隔擋式構(gòu)造。隧址區(qū)位于鐵山短軸背斜北傾末端北西冀，無活動(dòng)斷裂構(gòu)造痕跡，巖層為單斜層狀產(chǎn)出，巖層較平緩，巖層走向?yàn)?5°～45°，傾向NW 295°～315°，傾角6°～24°。

2.2 地形地貌

該隧道所處區(qū)域?qū)僦械蜕降孛矄卧?。區(qū)域山脈總體走向與構(gòu)造線走向基本一致，呈北東方向展布，最高處標(biāo)高901.6 m，最低處為進(jìn)口前緣溝谷477.6 m，相對(duì)高差424 m。隧道軸線近于垂直穿越擂鼓坡山嶺，山體零碎，舒緩而單薄。洞身段軸線走向與巖層走向夾角近垂直相交。隧址區(qū)內(nèi)除山脊陡崖地段基巖出露外，緩坡臺(tái)地及山嶺斜坡地段均被第四系松散層覆蓋。

2.3 地層巖性

2)侏羅系上統(tǒng)遂寧組(J3s):主要分布于隧道進(jìn)口側(cè)(K 0+000 m)至擂鼓坡東坡一帶(K 1+120 m)，是隧道工程穿越的主要基巖地層。巖性主要以粉砂質(zhì)泥巖為主，僅在洞身夾薄層粉砂巖。

3)侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組下段(J3p1):主要分布于洞身擂鼓坡東坡段(K 1+120 m處)至出口側(cè)(K 1+867.4 m)之間，是隧道工程穿越的主要基巖地層。巖性由粉砂巖夾數(shù)層粉砂質(zhì)泥巖或二者呈不等厚互層組成。

后期經(jīng)過隧道施工開挖揭露及現(xiàn)場(chǎng)地面踏勘情況顯示，雖然該隧道勘察資料顯示進(jìn)、出口端均不含煤系地層及炭質(zhì)頁巖，但隧道出口端揭露了薄層碳質(zhì)巖，且進(jìn)、出口端附近均有煤線出露地表。由于隧道所處地區(qū)油氣資源富集，該隧道施工期間瓦斯涌出的來源，有可能為下部薄煤層內(nèi)瓦斯經(jīng)長(zhǎng)期釋放并運(yùn)移至隧道洞身巖體裂隙內(nèi)，也有可能為深部油氣經(jīng)大地構(gòu)造斷層和地層裂隙向上運(yùn)移，吸附于巖層裂隙中，在開挖爆破時(shí)自然涌出至掌子面風(fēng)流中。

3 瓦斯檢測(cè)及鑒定

3.1 瓦斯等級(jí)鑒定依據(jù)

目前國(guó)內(nèi)石油天然氣行業(yè)還沒有專門針對(duì)油氣管道隧道的瓦斯鑒定和判別的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，與鐵路、公路、礦山等隧道相比，除了用途不同、開挖斷面稍有差異外，施工方法及施工中的災(zāi)害基本相似。因此，油氣管道隧道內(nèi)瓦斯等級(jí)的鑒定依據(jù)目前主要參考其他行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(TB 10120《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》［1］、AQ 1025《礦井瓦斯等級(jí)鑒定規(guī)范》［2］等)的相關(guān)規(guī)定。

TB 10120《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定:“4.1.3低瓦斯工區(qū)和高瓦斯工區(qū)可按絕對(duì)瓦斯涌出量進(jìn)行判定。當(dāng)全工區(qū)的瓦斯涌出量小于0.5 m3/min時(shí)，為低瓦斯工區(qū);大于或等于0.5 m3/min時(shí)，為高瓦斯工區(qū)”“條文說明3.1.2由于瓦斯的來源除煤系地層外還有油頁巖及含天然氣、石油地層，所以本規(guī)范將后者統(tǒng)稱含瓦斯地層，與煤系地層一起作為瓦斯地質(zhì)的工作對(duì)象”。

由于瓦斯隧道等級(jí)鑒定的具體方法在TB 10120《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》中沒有明確規(guī)定，在此借鑒煤礦瓦斯等級(jí)鑒定的方法執(zhí)行［3］。按照AQ 1025《礦井瓦斯等級(jí)鑒定規(guī)范》“5.1.1礦井瓦斯等級(jí)的鑒定工作應(yīng)在正常生產(chǎn)條件下進(jìn)行”的相關(guān)要求，鑒定過程中參數(shù)測(cè)定應(yīng)在隧道正常開挖施工狀況下進(jìn)行［4－5］。

3.2 瓦斯等級(jí)鑒定過程

該隧道采用CJG 10型光干涉式甲烷測(cè)定器測(cè)定瓦斯?jié)舛?，CFD－5及CFD－25型電子式風(fēng)速表測(cè)定風(fēng)速，CLH 100型H2S氣體檢測(cè)儀檢測(cè)H2S濃度以及CTH 1000型CO氣體檢測(cè)儀檢測(cè)CO濃度［6－7］。

測(cè)定斷面選擇前后50 m范圍內(nèi)沒有障礙物(如出渣車、挖掘機(jī)、電焊機(jī)、其他雜物等)，洞內(nèi)支護(hù)光滑平整，風(fēng)流穩(wěn)定、不紊亂的位置［8］。斷面瓦斯?jié)舛葴y(cè)點(diǎn)布置見圖2。

圖2 斷面瓦斯?jié)舛葴y(cè)點(diǎn)布置圖

通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，隧道進(jìn)口端3 d中最大平均瓦斯涌出量為0.19 m3/min，出口端最大平均瓦斯涌出量為0.09 m3/min。按測(cè)定數(shù)據(jù)，根據(jù)TB 10120《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》4.1.3條，可以判定為低瓦斯隧道。

同時(shí)，采用超前鉆孔對(duì)瓦斯涌出情況及瓦斯?jié)舛茸髁藱z測(cè)［9－10］。參照TB 10120《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》要求，鉆孔作業(yè)采用了濕式鉆孔方式。

在隧道進(jìn)、出口工區(qū)掌子面各施工3個(gè)超前鉆孔，距底板0.5～1 m，呈三角形布置，孔徑75 mm，孔深40 m。在鉆探過程中，每鉆進(jìn)2 m，停止鉆探，然后對(duì)孔口向內(nèi)20 cm處掌子面和回風(fēng)流中瓦斯及其他氣體體積濃度進(jìn)行檢測(cè)。

從檢測(cè)結(jié)果可知:進(jìn)、出口掌子面鉆孔內(nèi)均有微量瓦斯不斷往外逸散，但瓦斯氣體體積濃度均較小，最大不超過0.1%，沒有出現(xiàn)噴孔、瓦斯大量涌出等現(xiàn)象。

3.3 鑒定結(jié)果

在隧道進(jìn)、出口掌子面鉆孔內(nèi)采集的氣樣，均檢測(cè)出存在瓦斯，按照TB 10120《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》總則第1.0.3條規(guī)定的“鐵路隧道勘測(cè)與施工過程中，通過地質(zhì)勘探或施工檢測(cè)表明隧道內(nèi)存在瓦斯，該隧道應(yīng)定為瓦斯隧道”，可判定該隧道為含瓦斯地層隧道。

4 設(shè)計(jì)要求及施工措施

根據(jù)對(duì)該隧道進(jìn)行的瓦斯檢測(cè)和鑒定，明確了該隧道為含瓦斯地層隧道。因此，需對(duì)該隧道按照低瓦斯隧道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)和相應(yīng)的施工管理。

4.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

目前國(guó)內(nèi)石油天然氣行業(yè)尚無關(guān)于管道隧道含瓦斯地層處理的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，但在Q/SY 1444－2011《油氣管道山嶺隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］中規(guī)定:“14.5.2隧道通過煤系地層時(shí)，應(yīng)采用防爆型機(jī)具設(shè)備，加強(qiáng)通風(fēng)，使隧道內(nèi)瓦斯含量符合規(guī)定要求。具體設(shè)計(jì)要求按照TB 10120相關(guān)規(guī)定執(zhí)行?！币虼?，該隧道含瓦斯地層的支護(hù)設(shè)計(jì)和施工處理措施均應(yīng)按照TB 10120《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》中“4.2.4含瓦斯地段的噴射混凝土厚度不應(yīng)小于15 cm，模筑混凝土襯砌厚度不應(yīng)小于40 cm”“4.2.5噴射混凝土中摻用氣密劑后，透氣系數(shù)不應(yīng)大于10－10cm/s，模筑混凝土中摻用氣密劑后，透氣系數(shù)不應(yīng)大于10－11cm/s。模筑混凝土襯砌施工縫應(yīng)進(jìn)行氣密處理，其封閉瓦斯性能不應(yīng)小于襯砌本體”執(zhí)行。

4.2 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)TB 10120《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》的要求，瓦斯段隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)瓦斯地段等級(jí)劃分來確定，主要采用的方法有:圍巖注漿;噴射混凝土中摻氣密劑;設(shè)置瓦斯隔離層;模筑混凝土中摻氣密劑;模筑混凝土中摻鋼纖維;施工縫氣密處理。

該隧道為低瓦斯隧道，具體襯砌設(shè)計(jì)采用初期支護(hù)噴射氣密性混凝土C 20，150 mm厚;二次襯砌為模筑鋼筋混凝土(摻氣密劑)C 30，400 mm厚，抗?jié)B等級(jí)P 8;施工縫采用氣密處理。隧道襯砌澆筑完畢達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再在襯砌背后拱部壓注M 20摻氣密劑水泥砂漿，以達(dá)到圍巖與襯砌之間的緊密結(jié)合。噴射混凝土中摻用氣密劑后，透氣系數(shù)不應(yīng)大于10－10cm/s，模筑混凝土中摻用氣密劑后，透氣系數(shù)不應(yīng)大于10－11cm/s。

4.3 施工措施

4.3.1 摻氣密劑材料的選用要求

1)水泥宜選用強(qiáng)度等級(jí)為32.5的硅酸鹽和普通硅酸鹽水泥，不得采用其他水泥［12－13］。

2)砂的細(xì)度模數(shù)Mx≥2.7，含泥量不大于3%，不得使用細(xì)砂。

3)石子的最大粒徑Dmax≤40 mm，級(jí)配宜為2～3級(jí)，含泥量不大于1%，不得有泥土塊，或泥土包裹石子表面，針片狀顆粒含量不大于15%。

4)氣密劑宜選用FS-KQ型，摻量應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，氣密劑為硅灰、粉煤灰及高效減水劑的復(fù)合劑。

4.3.2 摻氣密劑的施工應(yīng)符合的要求

1)C 20混凝土配合比宜為1∶2.5∶3.5，水灰比宜取0.48。

2)原材料應(yīng)按以上配合比進(jìn)行稱量，水的允許偏差為±1%，水泥及氣密劑的允許偏差為±2%，砂石允許偏差為±3%。

3)原材料應(yīng)按采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌，不得采用人工拌合;水泥、氣密劑及砂應(yīng)先干拌1～1.5 min，顏色均勻后，再加入石子及水?dāng)嚢?.5～2.0 min，形成均勻的拌合物。

4)混凝土拌合物從攪拌機(jī)卸出至灌注完畢所需時(shí)間宜為40～60 min。

5)連續(xù)養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于28 d，并應(yīng)避免在環(huán)境溫度5℃以下施工。

4.3.3 隧道開挖施工技術(shù)要求

1)采用超前鉆探與地質(zhì)雷達(dá)等高新技術(shù)手段相結(jié)合，在開挖前初步探明前方是否存在含瓦斯地層［14］。

2)瓦斯工區(qū)鉆孔作業(yè)要求:開挖工作面附近20 m風(fēng)流中瓦斯?jié)舛缺仨毿∮?.5%;炮眼深度不應(yīng)小于0.6 m;必須采用濕式鉆孔［15］。

3)瓦斯工區(qū)裝藥與爆破作業(yè)要求:爆破地點(diǎn)20 m內(nèi)，風(fēng)流中瓦斯?jié)舛缺仨毿∮?%;爆破地點(diǎn)20 m內(nèi)，礦車、碎石等物體阻塞開挖斷面不得大于1/3;炮眼封泥不足或不嚴(yán)不能進(jìn)行爆破;炮眼內(nèi)煤、巖粉應(yīng)清除干凈;通風(fēng)應(yīng)保證風(fēng)量足，風(fēng)向穩(wěn)［16］。

4)瓦斯段隧道內(nèi)的施工機(jī)械及電氣設(shè)備，應(yīng)具有防爆和隔爆性能［17］。

5)在瓦斯工區(qū)進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，爆破15 min后應(yīng)巡視爆破地點(diǎn)，檢查通風(fēng)、瓦斯、瞎炮、殘炮等情況，遇有危險(xiǎn)必須立即處理。正常通風(fēng)1 h，在瓦斯氣體體積濃度小于1%，CO2濃度小于1.5%后，解除警戒，施工人員方可進(jìn)入開挖工作面作業(yè)［18－19］。

4.3.4 隧道瓦斯的監(jiān)測(cè)

瓦斯爆炸是施工中最大的安全隱患。瓦斯爆炸的3個(gè)必要條件:一是要有一定濃度的瓦斯(主要為CH4);二是要有火源;三是要有足夠的O2。通過對(duì)瓦斯的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，控制和防止瓦斯?jié)舛瘸?，是防止瓦斯爆炸的關(guān)鍵。為安全起見，隧道施工期間的瓦斯監(jiān)測(cè)采取人工與自動(dòng)相結(jié)合的監(jiān)測(cè)方式，兩者監(jiān)測(cè)的數(shù)值相互印證，避免誤報(bào)現(xiàn)象［20］。

通過采取上述的設(shè)計(jì)及施工措施，該隧道已經(jīng)順利完工交付驗(yàn)收，目前隧道內(nèi)未檢測(cè)到瓦斯氣體存在。通過采取上述施工措施而增加的工程費(fèi)用約250萬元。

5 結(jié)論

1)管道隧道在進(jìn)行選址時(shí)，應(yīng)盡可能避開煤系地層區(qū)域，避免直接穿越含瓦斯地層。

2)在選址過程中，確實(shí)無法完全避開瓦斯地層時(shí)，應(yīng)按照規(guī)范要求采取瓦斯隧道的相關(guān)設(shè)計(jì)要求、施工措施及監(jiān)控手段。

3)由于目前暫無油氣管道瓦斯隧道設(shè)計(jì)及施工的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，只能參照鐵路瓦斯隧道相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。但是，由于管道隧道與鐵路隧道在運(yùn)營(yíng)方式、凈空斷面尺寸方面存在較大差別，一味參照鐵路瓦斯隧道規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，勢(shì)必會(huì)造成一定的浪費(fèi)。因此，急需完善油氣管道隧道有關(guān)穿越瓦斯地層的相關(guān)設(shè)計(jì)、施工的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以滿足工程建設(shè)的需要。

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我國(guó)最大國(guó)產(chǎn)化LNG工廠復(fù)產(chǎn)

在經(jīng)歷10個(gè)月的停產(chǎn)后，我國(guó)最大國(guó)產(chǎn)化LNG工廠——湖北黃岡500×104m3/d LNG工廠于2016年10月2日生產(chǎn)出合格LNG產(chǎn)品，復(fù)產(chǎn)一次成功，標(biāo)志著我國(guó)LNG工廠在工藝技術(shù)設(shè)備、運(yùn)行調(diào)控和建設(shè)質(zhì)量等方面完全具備自主開發(fā)能力，具備應(yīng)對(duì)不同工況條件下開工運(yùn)行的能力。

此前，昆侖能源有限公司對(duì)湖北黃岡500×104m3LNG工廠復(fù)產(chǎn)進(jìn)行了周密籌劃、組織和準(zhǔn)備。9月23日9時(shí)28分工廠開始進(jìn)氣，10月2日4時(shí)20分生產(chǎn)出合格的LNG產(chǎn)品。

湖北黃岡500×104m3LNG工廠作為自主設(shè)計(jì)、自主建設(shè)的我國(guó)規(guī)模最大LNG工廠，技術(shù)自主化率達(dá)100%，大型LNG裝備國(guó)產(chǎn)化率突破99%。目前，每天外運(yùn)LNG的車輛已上升至40輛，為華中、華東、華南地區(qū)用戶源源不斷地提供清潔能源。

據(jù)悉，昆侖能源有限公司近期還陸續(xù)啟動(dòng)了包括廣元、廣安、肇慶、任丘、霸州、安塞等LNG工廠的復(fù)工工作，有效發(fā)揮自身在天然氣全產(chǎn)業(yè)鏈的資源調(diào)配優(yōu)勢(shì)，為寒冬來臨時(shí)天然氣市場(chǎng)調(diào)峰做好應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備。

(曾妍摘自中國(guó)石油新聞網(wǎng))

10.3969/j．issn．1006－5539.2016.06.003

2016－08－09

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重點(diǎn)工程資助項(xiàng)目(S 2011－22)

石長(zhǎng)元(1978－)，男，甘肅天水人，工程師，學(xué)士，主要從事技術(shù)及項(xiàng)目管理工作。