上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司 張淼馨

關(guān)鍵字：天然氣專用隧道 填充物 泡沫混凝土

0 引言

隨著國內(nèi)天然氣事業(yè)的蓬勃發(fā)展，“西氣東輸”管道及各省市級(jí)管網(wǎng)基本連通到全國各個(gè)大中型城市，其中多次穿越長江、黃河等大型河流。由于受到穿越長度、地形地貌、地質(zhì)情況和運(yùn)營需求等因素的影響，現(xiàn)采用頂管和盾構(gòu)工藝完成天然氣專用隧道進(jìn)行天然氣管道敷設(shè)的情況也越來越多，比如“西氣東輸”穿越長江、上海天然氣主干管網(wǎng)穿越長江至長興島及崇明島?？紤]到天然氣管道安全及運(yùn)營維護(hù)需求，如何選擇恰當(dāng)?shù)乃淼捞畛湮锍蔀榱烁魈烊粴鈱Ｓ盟淼佬枰鎸?duì)的問題。

本文結(jié)合國內(nèi)外天然氣專用隧道所使用填充物的情況，對(duì)各種填充物進(jìn)行闡述，并對(duì)各種填充物的特性和對(duì)隧道及管道工程的影響進(jìn)行了分析，針對(duì)不同的天然氣專用隧道(以下簡稱隧道)推薦不同的填充物。

1 國內(nèi)外隧道內(nèi)填充物使用情況

1.1 國內(nèi)

國內(nèi)中石油天然氣管道隧道大多采用水填充方式，比如“西氣東輸”錢塘江隧道、九江長江隧道等，其隧道長度均小于3 km，用水填充隧道是考慮防止外力破壞，同時(shí)也為管道的檢修留有余地。

還有少數(shù)隧道采用空氣填充，其主要考慮管道檢修的便利，但為防止外力破壞，則需借助于一定的安保措施，比如中石油三江口隧道內(nèi)部及兩側(cè)工作井均有武警部隊(duì)駐防維護(hù)。

1.2 國外

日本燃?xì)馑淼蓝嗖捎门菽炷吝M(jìn)行填充，主要考慮防止外力破壞，特別是在地震多發(fā)地區(qū)。此外，日本燃?xì)馑淼赖脑O(shè)計(jì)理念就是全壽命周期內(nèi)的本質(zhì)安全，從設(shè)計(jì)施工材料等各方面嚴(yán)格把關(guān)，因此不考慮后期隧道內(nèi)的檢修及更換，采用一次泡沫混凝土填實(shí)，既可以提高管道運(yùn)行安全性，管道運(yùn)營管理也更為方便。

2 隧道填充物介紹

適用于作為天然氣管道隧道內(nèi)常用填充物有空氣(不填充)、水和泡沫混凝土3種。

2.1 空氣(不填充)

用空氣作為介質(zhì)填充就是隧道內(nèi)部與大氣相通，也就是不對(duì)施工完畢后的隧道進(jìn)行其他介質(zhì)的填充。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于不存在填充施工，填充物無成本，并且人員可以隨時(shí)進(jìn)入隧道內(nèi)部進(jìn)行管道及隧道的管理與維護(hù)；缺點(diǎn)則在于隧道內(nèi)管道長期暴露在空氣當(dāng)中，管道存在外力破壞的隱患，而且管道一旦發(fā)生泄漏，易引發(fā)燃燒、爆炸等災(zāi)難，給管道安全運(yùn)行帶來較大風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，由于人員可能進(jìn)入隧道，使得隧道內(nèi)部必須具備完善的監(jiān)控及報(bào)警、照明、通風(fēng)和排風(fēng)等應(yīng)急體系，兩側(cè)工作井也需24 h進(jìn)行安全監(jiān)控和人員駐場，并且需要對(duì)操作人員進(jìn)行嚴(yán)格的培訓(xùn)。

工程實(shí)例：

中石油三江口越江盾構(gòu)，隧道全長 1992 m，隧道內(nèi)徑3800 mm。

2.2 水

用水作為介質(zhì)填充隧道時(shí)，須采用不具腐蝕性，不含有機(jī)、無機(jī)臟物，低鹽，低氯化物的中性潔凈水。

由于水良好的充填性及成本低廉，所以水也是天然氣隧道內(nèi)常用填充物的選擇之一。其成本較低、填充工期較短及對(duì)天然氣管道運(yùn)行期間保持溫度恒定等眾多優(yōu)勢(shì)使國內(nèi)多條天然氣隧道均使用水作為填充物。特別在長距離隧道內(nèi)部以水為填充物，通過隧道兩側(cè)井體內(nèi)的水面觀察，可了解管道泄漏情況，在進(jìn)行抽水作業(yè)后，操作人員可以進(jìn)入隧道作業(yè)。

工程實(shí)例：

中石油錢塘江盾構(gòu)，隧道全長3093m，隧道內(nèi)徑 3080mm；中石油九江長江盾構(gòu)，隧道全長2590m，隧道內(nèi)徑3080 mm。

2.3 泡沫混凝土

泡沫混凝土是用物理方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，與水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻和料和外加劑等按照一定的比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成的一種輕質(zhì)材料(見圖1)。

圖1 泡沫混凝土

泡沫混凝土作為隧道填充物在國內(nèi)運(yùn)用的比較少，但日本多條長距離盾構(gòu)均選用泡沫混凝土作為填充物。其缺點(diǎn)在于填充成本較高、填充施工工藝較復(fù)雜，填充完成后人員無法進(jìn)入維護(hù)。隧道建成后不考慮維修與檢修。優(yōu)點(diǎn)在于填充均勻，重量輕，填充后管道運(yùn)營安全、穩(wěn)定，風(fēng)險(xiǎn)低，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響比填充水要小。

工程實(shí)例：

日本伊勢(shì)灣盾構(gòu)，隧道全長13300m，隧道內(nèi)徑 3080 mm；日本東京灣天然氣隧道，隧道全長18060m，隧道內(nèi)徑3080 mm。

3 填充物對(duì)隧道工程和管道運(yùn)營維護(hù)的影響

3.1 不同填充物對(duì)工程建設(shè)的影響

針對(duì)上文介紹的三種填充物，筆者就不同的填充物對(duì)工程建設(shè)的影響做一分析。

3.1.1 對(duì)隧道工程的影響

針對(duì)上述三種填充物，在隧道設(shè)計(jì)時(shí)需考慮填充物對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，其中，用空氣填充(不填充)和泡沫混凝土相對(duì)簡單，基本無需額外考慮填充物對(duì)隧道工程的影響。

如果隧道采用水填充方式，隧道襯砌不僅承受外部水土壓力，還承受內(nèi)部水壓力，襯砌結(jié)構(gòu)、接頭滲漏水(雙向)控制要求高。內(nèi)外水壓力差不大時(shí)，單層襯砌結(jié)構(gòu)能夠滿足施工階段、運(yùn)營階段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求，以及防水的標(biāo)準(zhǔn)和要求，而且具有結(jié)構(gòu)受力明確、施工工序單一、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)。但是襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形、耐久性和水密性設(shè)計(jì)與不采用水填充方式的結(jié)構(gòu)有較大不同。

3.1.2 對(duì)天然氣管道工程防腐的影響

隧道填充物的選取對(duì)天然氣管道工程防腐也會(huì)帶來不同的影響。其中，用空氣填充時(shí)由于隧道內(nèi)部環(huán)境與隧道外大氣環(huán)境相通，地下水的滲透使天然氣管道處于有一定濕度的空氣環(huán)境中。因此除按常規(guī)設(shè)計(jì)外，還需考慮額外的空氣冷凝水及地下水對(duì)管道外防腐層及管道支架的影響；用水填充時(shí)，則需考慮水的酸堿性對(duì)管道外防腐層及管道支架、承臺(tái)及固定裝置的影響；而如果用泡沫混凝土填充，由于相對(duì)隔絕水、空氣等，基本無需考慮泡沫混凝土對(duì)管道外防腐層的影響。

3.2 不同填充物對(duì)天然氣管道運(yùn)營維護(hù)的影響

3.2.1 正常工況

根據(jù)隧道內(nèi)填充物的不同，天然氣管道的運(yùn)營維護(hù)方案也不盡相同。用空氣填充時(shí)，可以對(duì)隧道內(nèi)天然氣管道進(jìn)行日常的運(yùn)營維護(hù)，包括每天的沿線巡檢。當(dāng)然這也需要增添許多額外的安全措施，譬如隧道內(nèi)天然氣泄漏報(bào)警設(shè)備、通風(fēng)照明設(shè)備、緊急逃生設(shè)備等等；用水填充時(shí)，不能進(jìn)行隧道內(nèi)天然氣管道的日常巡檢，但可以在特定的時(shí)間，譬如天然氣管道運(yùn)營若干年后，對(duì)隧道內(nèi)的天然氣管道進(jìn)行定期的檢查，當(dāng)然這也需要制定專門的方案和措施，包括隧道內(nèi)水的抽取、空氣環(huán)境的檢測(cè)、臨時(shí)通風(fēng)照明設(shè)備的安裝等等；用泡沫混凝土填充時(shí)，則不能進(jìn)行隧道內(nèi)天然氣管道的日常巡檢和運(yùn)營后的定期巡檢。

無論是用水和泡沫混凝土填充，對(duì)管道本身相當(dāng)于又多了一層保護(hù)，并且杜絕了隧道內(nèi)人員對(duì)管道有意或無意的破壞；填充后所形成的密實(shí)空間因?yàn)楦艚^了大氣也就杜絕了隧道內(nèi)部因管道天然氣泄漏發(fā)生燃燒、爆炸等破壞性后果，管道的安全風(fēng)險(xiǎn)將大大降低。

3.2.2 應(yīng)急工況

根據(jù)隧道內(nèi)填充物的不同，在應(yīng)急工況時(shí)，采取的方案也不盡相同。用空氣填充在遇到應(yīng)急工況時(shí)，可以切斷隧道兩側(cè)的閥門，并通過放散、置換等應(yīng)急預(yù)案的方案進(jìn)行處置；用水填充，在遇到應(yīng)急工況時(shí)，可以切斷隧道兩側(cè)的閥門，并通過隧道排水、增設(shè)臨時(shí)通風(fēng)、濃度監(jiān)測(cè)報(bào)警等設(shè)備及放散、置換方案，進(jìn)而滿足檢修維修的條件，但是由于上述措施的難度較大、周期較長，因此在應(yīng)對(duì)應(yīng)急工況時(shí)顯得過于滯后而不實(shí)用，所以在用水填充遇到應(yīng)急工況時(shí)，一般只是切斷隧道兩側(cè)的閥門而不做其他的應(yīng)急措施，在后續(xù)的工作中，結(jié)合原先定期檢查的方案，做下一步的維修工作；用泡沫混凝土填充，在遇到應(yīng)急工況時(shí)，可以切斷隧道兩側(cè)的閥門，無法進(jìn)入隧道內(nèi)部檢修。

4 隧道填充物的比選

在前面章節(jié)中，對(duì)空氣、水和泡沫混凝土這三種隧道填充物進(jìn)行了介紹，并且分別探討了采用這些填充物后可能對(duì)隧道工程、管道防腐工程及后期運(yùn)營維護(hù)帶來的影響。結(jié)果匯總見表1。

表1 不同填充物對(duì)比

通過表1得知各填充物的特性比較如下：

空氣——填充物的填充成本低，施工工期短，但由于空氣對(duì)管道防腐層的影響較大，以及為保證巡線，隧道內(nèi)需長期配置通風(fēng)、照明等設(shè)施，安全控制要求高，提高了運(yùn)營維護(hù)的成本，使運(yùn)營管理難度增大。

水——填充物的填充成本較低，施工工期較短，對(duì)管道防腐層的防水要求較高；增加了荷載，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)有一定影響；但由于在應(yīng)急狀況時(shí)需進(jìn)行排水，敷設(shè)臨時(shí)通風(fēng)、照明等設(shè)施，使應(yīng)急處理的成本較高，實(shí)施難度較大。

泡沫混凝土——填充物的填充成本高、施工工期長、填充工藝較復(fù)雜，填充后無法進(jìn)入隧道內(nèi)部進(jìn)行維護(hù)，但由于其狀態(tài)穩(wěn)定，密度比水低，降低了對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和管道防腐層的影響。

5 結(jié)語

(1)空氣、水、泡沫混凝土均可作為天然氣專用隧道的填充物。

(2)空氣作為填充物比較適合短距離隧道內(nèi)使用，因?yàn)殚L距離隧道用空氣填充運(yùn)營管理難度大，后期管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高。

(3)水作為填充物適合于短距離和長距離隧道內(nèi)使用，因?yàn)樗鳛樘畛湮锖笃谶\(yùn)營管理方便，在必要的情況下也可進(jìn)入隧道進(jìn)行管道維護(hù)。

(4)泡沫混凝土作為填充物因其不存在后期運(yùn)營維護(hù)問題，比較適合長距離甚至超長距離隧道內(nèi)使用。

筆者通過以上分析，建議根據(jù)工程實(shí)際情況，在綜合考慮燃?xì)馑淼揽臻g利用、管道運(yùn)行安全和后期運(yùn)維需求等方面的因素下，選擇最適合本身工程條件的隧道填充物。