顶管法穿越在役管道安全影响风险评估研究

顶管法穿越在役管道安全影响风险评估研究

陈阳1，龚亚南2

（1 中海油（天津）管道工程技术有限公司 天津 300450；2 大港油田第三采油厂地质研究所 河北省沧州市 061023）

摘要：顶管施工是一种在建筑工程中常用的技术,用于铺设地下管道。随着工程建设的蓬勃发展，新建地下管道采用顶管方式穿越在役油气长输管道的第三方施工日益增多。顶管穿越工程存在一定的风险，因此事先进行风险评估十分必要.本文通过对某新建燃气管道采用顶管方式穿越在役输油管道工程进行安全影响风险评估，对工程存在的安全隐患进行识别与评估，并提出相应的防护措施与建议，保证在役管道的安全运行。

关键词：地下管道；顶管；在役管道；安全隐患；风险评估；建议措施

随着我国城市管网工程建设项目迅猛增加，地下管道采用顶管法穿越在役油气管道工程日益增多。顶管穿越具有施工方便，不影响被穿越物体原始状态等优点，但受穿越位置处地质土壤条件、水位情况影响较大，施工风险高。为保证顶管穿越工程的正常施工，确保被穿越在役油气管道的安全运行, 为管道企业提供相关参考意见，本文针对某新建燃气管道采用顶管法穿越在役输油管道工程进行风险评估分析与防护方案研究。

1 项目背景

某新建燃气管线全长约2km，管道设计参数为DN1000-4.0MPa，管道材质为L415M焊接钢管。该燃气管道与在役输油管道存在1处交叉，采用顶管的方式穿越在役管道，穿越长度458m，套管长度为435m，交叉角度88°，交叉处在役输油管道管顶埋深1.41m，交叉点距离发送坑套管边缘间距331.5m，距离接收坑套管边缘间距103.7m，套管顶距在役输油管道净距约7.08m。在役输油管道设计压力为8.5MPa，最高操作温度75℃，管材材质为16Mn，管道规格为D207.5×8.5mm，管道外防腐采用熔结环氧粉末加强级防腐。

2 地质条件

交叉处地貌属平原地貌。地层土质分布为素填土、粉质黏土和黏土地层。顶管穿越处地层选择黏土层穿越。

3 施工方案风险分析及建议措施

3.1堆土占压风险及建议措施

现场顶管施工过程中，会对在役输油管道进行探坑开挖作业，探坑开挖的土方或其他重物等可能会堆放在已建管道的上方，存在损伤管道的风险。如2005年9月6日西南油田公司所管辖的一条输气管线，由于管道周围施工堆土过高，发生山体滑坡，滑体在管道基础下形成滑面并剪出，对管道产生横向作用力，致使其横向位移和变形，超过了管线横向承载能力。致使管道最终在最薄弱的位置断裂，管道着火燃烧。

建议措施：在燃气管道顶管施工过程中要加强管理，探坑开挖的土方及施工过程中的机具材料等不能堆弃在在役输油管道的上方，应堆放于在役管道中心线5m范围外。

3.2重车碾压风险及建议措施

现场顶管施工过程中，可能涉及施工机械等在输油管道上方行驶，管道会受到上部循环荷载作用产生变形，对管道安全造成风险。如果管理人员和现场施工作业人员安全意识不足，在施工过程中违规运输物料可能会导致运输车辆在管道上方碾压或者在管道附近倾覆，威胁在役输油管线安全运行。因此需要强化现场管理人员、施工作业人员安全培训，施工机械禁止在在役输油管道中心线5m范围内行驶。同时加强对现场作业人员地下管线安全保护、业务知识和专业技能的培训，现场管理人员、记录员、技术工人等应持经相关法律法规规定的合格证上岗，未经培训或考核不合格的，不得上岗作业。施工前管道权属企业应对施工人员进行安全交底，并进行《中华人民共和国石油天然气管道保护法》等相关法律法规的培训。

3.3 顶管施工风险及建议措施

顶管作业时，如现场测量定位偏差过大，或施工单位未按设计要求施工，可能在顶管过程中打穿在役输油管道，造成泄漏甚至火灾爆炸事故。另外顶管过程中可能产生挤土效应，进而导致在役输油管道产生变形。此外，顶管作业中如果产生超挖或欠挖，也会造成在役输油管道发生不均匀沉降，进而导致管道变形破坏。本工程顶管穿越长度458m，穿越长度较长，施工过程中存在顶进力不足的风险。

对于顶管偏差风险，施工过程中要严格控制顶进方向，利用高精度定位仪器，做好实时监测，确保顶管机头不发生偏移，顶进方向平直符合设计要求；

对于挤土风险，通过采用ABAQUS有限元软件，结合设计及施工资料对新建燃气管道顶管施工过程中混凝土套管穿越对在役输油管道的应力影响进行分析，得出套管顶进过程中，在役输油管道最大Mises应力为195.1MPa，小于管道许用应力248.4MPa。管道未发生塑性变形。

对于在役管道沉降风险，根据peck公式对顶管施工造成的地面最大沉降进行了计算和校核。得出本次顶管施工作业，造成的地面最大沉降量为13.36 mm，未超过相关规范要求的限值。由此可以推断，当顶管穿越在役输油管道下方时，输油管道处的土体沉降量应小于该处地面的最大沉降量13.36 mm，管道的位移沉降量在监测预警值10~20 mm范围内。为加强对在役输油管道的保护，建议顶管施工时在已建管道方向上，每隔5米设置一个沉降观测点，监测点数目不少于2个。

对于顶进力不足风险，经计算得出顶力F0=15393.29kN大于Fdc=10240.79kN管材允许顶力，所以需设置中继站以满足顶力需求。建议设置中继间4座，由始发井每90m一处。

3.4 基坑开挖风险及建议措施

顶管操作坑的施工涉及基坑开挖作业。基坑开挖过程中，在役输油管道周边原状土被挖出，土层整体承重能力较差，易造成管道位移，导致在役管道产生变形；天然条件下，含水系统中各地层处于力平衡状态，当基坑开挖时，基坑内存在地下水，需进行降水，当基坑内的水位被抽干时，管沟周边土壤中地下水将汇入基坑，周边土壤中含水层的水位下降，土壤孔隙水压力相应减少，原来由水所承担的一部分上覆地层自重压力转嫁到土层的骨架上，有效应力增加使土层排列紧密，孔隙度变小，含水层压缩，造成地面及在役输油管道的沉降。

建议采取的措施为：基坑开挖过程中对基坑边缘设置钢板桩支护结构；基坑开挖前应出具详细基坑降水设计和施工方案。施工过程中应特别注意该段土体和管道的变形情况，基坑开挖及回填过程中设置地面沉降监测、在役输油管道沉降监测和基坑地表沉降监测点，实时监测地面、基坑及在役输油管道的沉降情况。沉降监测方案报在役输油管道权属单位批准后方可实施，保证沉降监测值满足标准规范要求，一旦超过规范预警值，需立即停止施工。

3.5打桩振动风险及建议措施

顶管施工包含基坑工程作业，基坑支护工程将采用钻孔灌注桩支护。打桩过程中会产生振动影响，对周围土壤产生扰动，在役输油管道存在因土壤扰动造成管道变形的风险。

结合长期积累的打桩震动监测数据，钻孔灌注桩打桩过程中距离管道大于5m位置时，在管道上方覆土满足标准要求的情况下，打桩作业满足管道的抗震强度要求。建议打桩位置距离在役管道的距离大于5m，现场锤击打桩时降低锤击频率在1s以上，待锤击波消散后再进行锤击，避免打桩产生的振动能量叠加或与埋地管道固有频率相同而产生共振。

4 结语

某新建燃气管道顶管穿越在役输油管道工程存在安全隐患，对其开展针对性风险评估措施后，采取合理的保护设计方案，制定详实可行的施工方案，充分落实风险评估中提出的安全建议措施，可以保证顶管法穿越在役输油管道工程的安全施工和在役管道的安全运行。

参考文献：

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