大直径盾构下穿对成品油管道的影响评估
筑鼎问道 
摘 要：杭州地铁1 号线三期工程采用11.67 m 的大直径盾构下穿钱塘江，线路与已建的镇杭成品油管道存在交叉，交叉影响范围达到90 m，施工时有可能对成品油管道的安全运行产生影响。经过管线迁改、“S 大弯曲线”和小角度交叉三个方案比选，最终采用小角度交叉设计方案，评估认为通过采取施工技术措施能够将施工影响降到最低，设计方案可以接受、可行。管道与盾构隧道交叉段垂直净距均大于10 m，符合有关规定的要求。油管允许沉降量按管道焊缝接口的允许地表沉降来控制，允许地表沉降为60 mm，由此认为现有施工水平下的盾构施工引起的管道沉降风险可控。
1 概述
杭州地铁1 号线三期工程下穿钱塘江段首次采用覬11.67 m 的大断面盾构，穿越深厚淤泥质粉质黏土夹粉土层⑥2，姿态控制困难，上覆地层为软弱地层，易发生地层沉降或隆起。较常规覬6.34 m的地铁盾构而言，其对周围地层的扰动影响更加显著。盾构线路与已建的镇杭成品油管道存在交叉（见图1、表1），交叉点里程为K43 495.763，交叉影响范围达到90 m，工程施工时有可能对该成品油管道的安全运行产生影响。镇杭成品油管道的萧山至杭州管段总长40.5 km，管径覬273.1 mm，壁厚6.4 mm，设计压力2.5 MPa，运行压力1.5 MPa，线路用管选用高频直缝电阻焊钢管，材质L290，采用外加电流阴保方式，防腐层为环氧粉末加强级。全面查找、分析和预测大直径盾构下穿实施中对成品油管道产生的可能影响，能够保障已建镇杭成品油管道的安全，有着重要的实用价值。
图1 该工程评估段所在区域地理位置示意图
表1 镇杭成品油管道与盾构交叉点标高信息
2 设计方案评估
地铁1 号线三期工程钱塘江段在前期选线及设计阶段曾考虑过包括成品油管道迁改、地铁盾构隧道“S 大弯曲线”及地铁盾构隧道直线小角度设计三个方案。各方案的优缺点见表2。
表2 地铁1 号线三期工程钱塘江段设计方案比选
基于设计方案对比分析，方案1 现阶段暂不具备实施可行性，方案2 较方案3 的施工风险更大，且对今后地铁运行控制影响也较大。而最终采用的小角度交叉设计方案，通过采取施工技术措施，能够将盾构施工对镇杭成品油管道的影响降到最低，因此该设计方案是可接受、可行的。
3 交叉段垂直净距评估
现有规范没有对油气管道与地铁盾构隧道交叉段垂直净距做出明确规定，因此评估时参考《油气输送管道与铁路交汇工程技术及管理规定》（国能油气〔2015〕392 号）进行分析。
评估范围内镇杭成品油管道与地铁盾构隧道交叉段垂直净距均大于10 m，符合规定要求。此外，在地铁盾构隧道与管道交叉段范围内（建议交叉位置两侧各50 m 以上范围），地铁盾构自身应采取特别的加强措施（如结构加固、防渗漏等措施），以防止油气管道可能发生的泄漏、火灾、爆炸事故对地铁隧道自身产生破坏性影响。
4 盾构隧道施工影响评估
根据地铁施工图设计要求，盾构施工一般要求做到隧道轴线误差小于50 mm，地面隆起小于10 mm，沉降小于30 mm。评估采用理论公式计算方法对油气管道的允许沉降值进行分析。
4.1 管道沉降计算结果
对于均质地层，盾构法隧道施工所引起的地表横向沉降槽符合正态概率曲线分布，地面沉降为
式中：x 为距隧道中心线的距离；S 为距隧道中心线的距离为x 的地表沉降量；Smax 为隧道中心线处最大沉降量；i 为沉降槽宽度系数，经验公式为
式中：H 为覆土厚度；R 为隧道半径；φ 为地层内摩擦角。
当隧道深度小于34 m 时，不同深度处沉降槽曲线规律对于黏性土地层有如下经验公式：
式中：ip 为管线水平面上沉降槽宽度系数；zp 为从地表至管线轴线的深度。
不论地表下沉或地表以下管线位置下沉，其原因都在于隧道开挖引起土层损失，而此损失都为沉降槽面积，所以不同深度的沉降槽面积相等，故
可得到当管道达到极限应力状态时，有
式中：[σ]为管道的允许应力，考虑到管道已使用年限和已有的埋土荷载作用，可取一定管道的允许应力综合折减系数。
对该工程而言，评估范围内镇杭成品油管道及隧道埋深分别为14.7 m 和25.8 m，镇杭成品油管道管径为273.1 mm，地铁隧道等效半径为3.1 m。由式（2）计算出沉降槽宽度系数i=13.26 m，代入式（3）计算出管线水平面上沉降槽宽度系数ip=6.88 m。管道材料弹性模量Ep 取207 GPa，管道允许应力综合折减系数取0.4，管道的允许应力[σ]= 290×0.4=116（MPa），由式（5）计算得到[Smax]=119 mm。
4.2 管道焊缝接口的允许地表沉降
可以用管道所在地层变形曲线来代替管道的变形曲线，当管道与隧道正交时，直径为d 的管段在曲率最大处焊缝的张开值Δ 达最大，其值为：
式中：Δ 为管道接头焊缝张开值；Rmin 为管段平面上沉降曲线的最小曲率半径；b 为管节长度。
将式（7）代入式（6），得
即当管道焊缝的张开量达到极限值[Δ]时，则有：
把式（9）代入式（4）可得相应的地表允许沉降量：
根据该工程的具体情况，评估范围内镇杭成品油管道埋深为14.7 m，管径为273.1 mm。沉降槽宽度系数为i =13 . 26m，管线水平面上沉降槽宽度系数ip=6 . 88 m，管道管节取12 m，计算得出[Smax]=60 mm。
4.3 施工影响评估
综合以上两种方法分析的结论，评估范围内油气管道允许沉降量按较小值取值，即以隧道施工时管道焊缝接口的允许地表沉降计算分析值为评估依据。
鉴于目前地铁盾构施工过程中沉降控制水平，实际施工过程中管道沉降量完全可以控制在理论计算的允许沉降量范围内，因此评估认为地铁盾构施工引起的管道沉降风险是可控的。但为确保安全，仍建议施工中采取质量控制措施，加强施工过程中的管道沉降监测，将对成品油管道沉降影响降到最低程度。
5 结语
（1）杭州地铁1 号线三期工程大直径盾构在钱塘江底下穿镇杭成品油管道，采用了小角度交叉设计方案，通过采取施工技术措施能够把盾构对管道的施工影响降到最低，评估后认为设计方案是可接受、可行的。
（2）镇杭成品油管道与地铁盾构隧道交叉段垂直净距均大于10 m，评估后认为垂直净距符合《油气输送管道与铁路交汇工程技术及管理规定》（国能油气〔2015〕392 号）的要求。
（3）油气管道允许沉降量按管道焊缝接口的允许地表沉降来控制，为60 mm，现有施工水平下的管道沉降量完全可以控制在允许沉降范围内，评估后认为地铁盾构施工引起的管道沉降风险是可控的。
（4）为确保油管安全，施工中需要采取质量控制措施，加强施工过程中的管道沉降监测，将对成品油管道沉降影响降到最低程度。
摘自：城市道桥与防洪
