郝清源 任衡泰 李昌林 高啟晨 高秀花
(1.中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司;2.國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司)
國(guó)家發(fā)展改革委與國(guó)家能源局在2017年5月聯(lián)合發(fā)布《中長(zhǎng)期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》,發(fā)展目標(biāo)為:“到2020年,全國(guó)油氣管網(wǎng)規(guī)模達(dá)到16.9萬(wàn)km;到2025年,全國(guó)油氣管網(wǎng)規(guī)模達(dá)到24萬(wàn)km。全國(guó)省區(qū)市成品油、天然氣主干管網(wǎng)全部連通,100萬(wàn)人口以上的城市成品油管道基本接入,50萬(wàn)人口以上的城市天然氣管道基本接入。”結(jié)合目前的油氣管道建設(shè)情況,油氣管道在未來(lái)還將迅猛發(fā)展,將逐步形成“主干互聯(lián)、區(qū)域成網(wǎng)”的全國(guó)天然氣基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò),以及“東西半環(huán)、海油登陸”原油通道格局。
在如此大規(guī)模的油氣管網(wǎng)規(guī)劃下,油氣將由北向南、由西向東在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行輸送,管網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中將面臨諸多穿越大中型河流的情況,常規(guī)穿越方式有大開挖穿越、定向鉆穿越以及盾構(gòu)隧道穿越。其中盾構(gòu)隧道穿越方式具有穿越長(zhǎng)度長(zhǎng)、不會(huì)對(duì)河流水質(zhì)造成影響、不影響航運(yùn)、適用復(fù)雜地質(zhì)條件等優(yōu)點(diǎn)。因此輸油氣管道在穿越大中型河流、尤其是特大型河流時(shí),往往選擇盾構(gòu)隧道穿越方式。若選擇盾構(gòu)隧道的穿越方式,且需穿越含沼氣地層,則存在發(fā)生工程施工以及安全風(fēng)險(xiǎn)事故的可能性。本文將對(duì)盾構(gòu)隧道穿越含沼氣地層時(shí)可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)事故進(jìn)行梳理,并提出防范各種事故的措施。
沼氣是多種氣體的混合物,無(wú)色,略帶臭味,主要成分為甲烷,還含有CO2和少量N2、H2、H2S等,其特性與甲烷相似,具有易燃易爆性,還可導(dǎo)致缺氧窒息。我國(guó)長(zhǎng)三角地區(qū)、珠三角地區(qū)及內(nèi)陸大江大河流域城市淺層地層中均發(fā)現(xiàn)有沼氣[1-2],一般情況下淺層沼氣埋藏于全新統(tǒng)早期沖積相沉積層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及下伏的晚更新統(tǒng)海相沉積層粉細(xì)砂地層中[3]。
鑒于上述沼氣的特性及分布特點(diǎn),輸油氣管道在采用盾構(gòu)隧道方式穿越含沼氣地層時(shí),存在很大的事故風(fēng)險(xiǎn)隱患。
輸油氣管道采用盾構(gòu)隧道方式穿越含沼氣地層時(shí),會(huì)出現(xiàn)沼氣溢出的情況,導(dǎo)致沼氣事故風(fēng)險(xiǎn)。本文從溢出沼氣對(duì)隧道豎井施工、對(duì)盾構(gòu)工程、以及對(duì)管道運(yùn)營(yíng)等方面造成的沼氣事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。
沼氣對(duì)豎井施工的主要影響表現(xiàn)在地連墻施工和內(nèi)襯施工兩個(gè)階段。
1)對(duì)地連墻施工的影響
地連墻成槽施工過(guò)程中,沼氣的排放直接影響槽壁的穩(wěn)定性,易造成槽壁外地層蠕動(dòng)、塌方,造成成槽困難。在混凝土澆筑時(shí),混凝土凝固前后,沼氣若透入混凝土中會(huì)造成槽壁氣孔、夾渣、裂紋及貫通裂縫等質(zhì)量缺陷,影響地連墻強(qiáng)度和防水質(zhì)量。
2)對(duì)內(nèi)襯施工的影響
在內(nèi)襯開挖時(shí),豎井區(qū)沼氣層氣體排放不徹底或周邊地層沼氣透入豎井區(qū)域時(shí)可能引起沼氣突出事故,若沼氣疏散不及時(shí)導(dǎo)致濃度增加或措施不到位,易造成沼氣燃燒、爆炸等事故。
1)對(duì)開挖面穩(wěn)定性的影響
在盾構(gòu)施工掘進(jìn)過(guò)程中,因地層沼氣壓力釋放,可能會(huì)導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)、塌方,造成開挖面壓力頻繁波動(dòng),從而影響開挖面的穩(wěn)定性。盾構(gòu)隧道施工進(jìn)出洞階段,開挖面失穩(wěn)將直接導(dǎo)致洞門涌水涌砂,從而導(dǎo)致地面塌陷、隧道塌方等事故。
另外,若透出的沼氣進(jìn)入排漿管路造成排漿泵抽空,會(huì)出現(xiàn)噪聲、管路振動(dòng)等情況,加速葉輪汽蝕,縮短泵的壽命。
2)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)施工的影響
盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,由于沼氣的存在,土體的抗剪切強(qiáng)度會(huì)有所增加,導(dǎo)致刀盤摩擦阻力大,增加了掘進(jìn)方向的控制難度;其次,因?yàn)檎託饷芏鹊汀⒘鲃?dòng)性好,土體受到刀盤切削后與土顆粒分離,聚集于上部,而下部的砂質(zhì)粉土流動(dòng)性差,出現(xiàn)上部阻力小,下部阻力大,盾構(gòu)掘進(jìn)方向控制困難;盾構(gòu)掘進(jìn)的過(guò)程中,底部土層中的沼氣釋放,會(huì)使土層上部的盾構(gòu)機(jī)下沉,造成盾構(gòu)機(jī)磕頭。
3)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響
施工擾動(dòng)造成土層中沼氣的釋放,會(huì)造成隧道底部土體收縮,甚至土體與隧道結(jié)構(gòu)脫離,導(dǎo)致隧道發(fā)生變形,嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)裂縫,進(jìn)而影響隧道結(jié)構(gòu)安全。
4)對(duì)作業(yè)人員的影響
(1)刀具檢查、更換作業(yè)
進(jìn)行刀具檢查、更換作業(yè)時(shí),人員必須進(jìn)入刀盤內(nèi)進(jìn)行作業(yè),必要時(shí)還需要進(jìn)行動(dòng)火作業(yè)。在含沼氣地層進(jìn)行此類作業(yè),易發(fā)生沼氣燃燒、爆炸事故或窒息事故,直接威脅作業(yè)人員的生命安全。
(2)尾刷更換作業(yè)
常規(guī)盾尾刷的使用壽命一般在4~5 k m,對(duì)于超長(zhǎng)距離盾構(gòu)而言,不可避免地要進(jìn)行尾刷更換作業(yè)。在含沼氣地層進(jìn)行尾刷更換作業(yè),若措施不到位,發(fā)生沼氣通過(guò)尾刷間隙進(jìn)入隧道的情況,易造成燃燒、爆炸事故,影響作業(yè)人員的生命安全。
(3)管道安裝作業(yè)
盾構(gòu)隧道構(gòu)筑于靠近或位于沼氣含氣地層中時(shí),若發(fā)生后期隧道變形,管片間隙變大,地層中的沼氣可能通過(guò)隧道管片的縫隙或其他孔隙進(jìn)入隧道內(nèi)。管道安裝期間,若隧道內(nèi)存在沼氣并形成沼氣帶,可能會(huì)造成人員窒息,在管道焊接產(chǎn)生電火花時(shí)還可能發(fā)生爆炸事故。
含沼氣地層往往出現(xiàn)在長(zhǎng)三角地區(qū)、珠三角地區(qū)及內(nèi)陸大江大河流域城市淺層地層中。對(duì)于輸油氣管道而言,在穿越大型河流時(shí),才會(huì)采用隧道方式,存在輸油氣管道穿越含沼氣地層的情況,即輸油氣管道盾構(gòu)隧道穿越含沼氣地層的情況一般出現(xiàn)在水域隧道工程中。
GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定“水域隧道宜充水運(yùn)營(yíng)”。輸油氣管道穿越沼氣層的盾構(gòu)隧道為水域隧道,按照規(guī)范運(yùn)營(yíng)期充水運(yùn)營(yíng)。充水型的水域隧道,即使隧道內(nèi)部有沼氣,也將通過(guò)兩岸豎井逐步溢出,不存在運(yùn)營(yíng)期間發(fā)生燃燒、爆炸事故的情況,對(duì)于管道運(yùn)營(yíng)影響較小。
1)地面鉆孔抽采,釋放沼氣
為確保豎井施工的安全,可采用地面鉆孔抽采釋放沼氣的方式。在豎井周邊的地面布置鉆孔預(yù)抽沼氣,鉆孔深度結(jié)合地質(zhì)勘察情況,深入沼氣層。鉆孔直徑、間距、數(shù)量和深度等關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)根據(jù)沼氣抽采效果進(jìn)行調(diào)整。
2)地連墻槽段增加排氣管路
為降低淺層沼氣對(duì)地連墻施工的影響,防止沼氣進(jìn)入混凝土中造成槽壁氣孔、夾渣、裂紋及貫通裂縫等質(zhì)量缺陷。在地連墻每幅槽段中均應(yīng)安裝一根排氣管,深入沼氣層深度下約1 m,以便收集透入混凝土中的沼氣。
3)安裝通風(fēng)管道置換豎井底部氣體
隧道豎井施工土體開挖期間,為防止沼氣在豎井底部聚集或發(fā)生突發(fā)性大量沼氣透入,應(yīng)在豎井井壁安裝風(fēng)筒,對(duì)開挖斷面的氣體進(jìn)行置換,確保開挖面持續(xù)供應(yīng)新鮮空氣。
為減小沼氣對(duì)盾構(gòu)施工的影響,前期應(yīng)采用地面鉆孔抽采措施,施工中要對(duì)沼氣進(jìn)行監(jiān)控并且按照一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通風(fēng),施工期間采取措施,增加隧道結(jié)構(gòu)的密封性,對(duì)施工電器設(shè)備進(jìn)行防爆改造。
1)地面鉆孔抽采措施
可根據(jù)地質(zhì)勘探情況,測(cè)定的沼氣壓力、含氣層透氣性系數(shù)、鉆孔沼氣流量衰減系數(shù)等參數(shù)綜合考慮,決定采用地面定向鉆孔預(yù)抽排氣法還是直接地面鉆孔排氣法。在抽排地層沼氣過(guò)程中及沼氣釋放后,可能會(huì)造成地層失穩(wěn)、地面沉降、隧道位移等問(wèn)題,因此在沼氣抽排過(guò)程中,還應(yīng)加強(qiáng)地面沉降、管片變形等監(jiān)測(cè)工作,根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,對(duì)隧道進(jìn)行注漿填充和加固。
2)盾構(gòu)機(jī)應(yīng)對(duì)沼氣地層的適應(yīng)性設(shè)計(jì)
(1)設(shè)備防爆性要求
盾構(gòu)機(jī)作為一種高度機(jī)電一體化的機(jī)械設(shè)備,在沼氣地層施工,很難做到完全防爆,但是必須進(jìn)行關(guān)鍵部位關(guān)鍵部件的防爆處理。在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)當(dāng)根據(jù)沼氣施工特點(diǎn),針對(duì)盾構(gòu)機(jī)盾尾、鉸接裝置處等重點(diǎn)部位的關(guān)鍵部件進(jìn)行防爆設(shè)計(jì),防止施工中發(fā)生火災(zāi)甚至爆炸,避免造成人員傷亡、設(shè)備損壞、隧道損毀等嚴(yán)重后果。
(2)刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
刀盤結(jié)構(gòu)具備常壓換刀功能,配置一定數(shù)量的可常壓更換的刮刀,最大程度減少人員進(jìn)入沼氣地層更換刀具作業(yè)的次數(shù),以降低施工風(fēng)險(xiǎn)。
(3)鉸接密封性
在水壓高、穿越距離長(zhǎng)、砂層掘進(jìn)等情況下,盾構(gòu)鉸接密封易發(fā)生磨損,造成滲漏水和漏氣,沼氣通過(guò)滲漏點(diǎn)進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部。為了保證鉸接密封性能,鉸接密封須采用更優(yōu)化的密封設(shè)計(jì)方案和材料,降低磨損,延長(zhǎng)壽命,確保工程安全。
(4)盾尾密封性
盾尾密封是通過(guò)盾尾刷與油脂構(gòu)成密封系統(tǒng)。通常,盾構(gòu)機(jī)盾尾密封配置普通型3道盾尾刷和一道止?jié){板。盾尾刷作為盾構(gòu)機(jī)上最易磨損的部件,需要在設(shè)計(jì)制造時(shí)特別加強(qiáng),應(yīng)充分考慮需要在施工中具備更換盾尾刷的能力,始終保證盾尾密封性能,防止密封漏氣,以及沼氣進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)和隧道內(nèi),造成嚴(yán)重的后果。比如,可采用4道加強(qiáng)型盾尾刷、一道鋼板束和一道止?jié){板,并能夠在盾構(gòu)施工期間更換兩道盾尾刷。
(5)盾尾安裝加強(qiáng)排放管路
盾尾刷磨損后發(fā)生滲漏,是沼氣透入隧道的關(guān)鍵控制點(diǎn)。因此可在盾構(gòu)機(jī)盾尾部位,安裝一套沼氣排放管路,根據(jù)沼氣濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果,適時(shí)開啟排放設(shè)備,通過(guò)該管路,快速將盾尾區(qū)域聚集的沼氣,排放至后方隧道內(nèi),通過(guò)通風(fēng)進(jìn)行稀釋。
(6)泥水倉(cāng)設(shè)置檢查管路
在盾構(gòu)機(jī)泥水倉(cāng)內(nèi)及倉(cāng)壁上設(shè)置沼氣檢查管路,作為沼氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一部分,實(shí)時(shí)檢查倉(cāng)內(nèi)頂部沼氣濃度,根據(jù)其濃度值,采取排放和抽出措施。
(7)沼氣濃度監(jiān)控功能
盾構(gòu)機(jī)應(yīng)配置沼氣濃度自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng),以便及時(shí)根據(jù)沼氣濃度采取相應(yīng)措施。在盾構(gòu)機(jī)泥水倉(cāng)、前中后盾、拖車,以及角落等位置安裝監(jiān)測(cè)裝置。沼氣自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備信息采集、顯示、存儲(chǔ)、打印報(bào)表、報(bào)警、自動(dòng)切斷等功能。
3)加強(qiáng)管片拼裝質(zhì)量
嚴(yán)格按照盾構(gòu)施工規(guī)范中管片拼裝質(zhì)量要求,管理現(xiàn)場(chǎng)管片拼裝質(zhì)量。包括管片拼裝錯(cuò)縫、錯(cuò)臺(tái)量,避免管片破損、密封條損壞,防止地層中沼氣滲漏進(jìn)入隧道內(nèi)。
4)加強(qiáng)管片注漿質(zhì)量
根據(jù)地層配置漿液配合比,保證管片注漿量,控制注漿壓力,采用同步注漿與二次補(bǔ)漿相結(jié)合的方式,起到有效填充地層空隙及固結(jié)隧道的作用。盾構(gòu)施工完成后,再對(duì)隧道管片整體滲漏水情況進(jìn)行調(diào)查,制定再次補(bǔ)漿計(jì)劃,對(duì)隧道進(jìn)行補(bǔ)漿。
5)沼氣監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系
建立以自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為主,人工監(jiān)測(cè)為輔的沼氣監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系,配置沼氣自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng),對(duì)作業(yè)面和回風(fēng)流中甲烷等有毒有害氣體濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。
沼氣自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備甲烷斷電儀和甲烷風(fēng)電閉鎖裝置的全部功能,必須具有斷電狀態(tài)和饋電狀態(tài)監(jiān)測(cè)、報(bào)警、顯示、存儲(chǔ)和打印報(bào)表功能,實(shí)現(xiàn)風(fēng)、沼氣、電閉鎖和聲光報(bào)警。沼氣濃度達(dá)到報(bào)警值時(shí),傳感器應(yīng)發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào),斷電儀發(fā)出光報(bào)警信號(hào),計(jì)算機(jī)發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)。沼氣濃度超過(guò)斷電值時(shí),斷電儀可自動(dòng)切斷超限區(qū)的電源,而自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍正常工作。
建立沼氣監(jiān)控中心,配置經(jīng)安全培訓(xùn)并考核合格的沼氣監(jiān)控員,并建立24 h連續(xù)值班制度。
6)建立綜合安全監(jiān)控系統(tǒng)
在盾構(gòu)施工作業(yè)期間,隨時(shí)對(duì)隧道內(nèi)沼氣濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè),確保施工安全。設(shè)計(jì)安裝安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控室大屏顯示系統(tǒng),用于隧道施工環(huán)境安全綜合監(jiān)測(cè)。
在地面監(jiān)控室設(shè)置環(huán)境安全系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)及視頻監(jiān)控主機(jī),隧道內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面調(diào)度室,監(jiān)控人員可通過(guò)主機(jī)及調(diào)度大屏對(duì)隧道內(nèi)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視及歷史數(shù)據(jù)的查詢等工作,方便施工人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)管理,確保施工安全。
7)加強(qiáng)隧道通風(fēng)
隧道通風(fēng)是稀釋隧道內(nèi)部沼氣,防止隧道內(nèi)部形成沼氣帶的最有效方式。
根據(jù)隧道內(nèi)施工人員數(shù)量、隧道內(nèi)通風(fēng)降溫、最小風(fēng)速、沼氣涌出量及稀釋要求等,對(duì)需風(fēng)量進(jìn)行測(cè)算,確定合適的風(fēng)筒及風(fēng)機(jī),以確保隧道內(nèi)部各作業(yè)面風(fēng)量的需求。
1)建立通風(fēng)系統(tǒng)
在盾構(gòu)隧道施工完成后,通風(fēng)系統(tǒng)繼續(xù)作為管道安裝施工的通風(fēng)系統(tǒng)。在隧道貫通后,對(duì)隧道內(nèi)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè),確定沼氣滲漏點(diǎn)。根據(jù)管道安裝作業(yè)計(jì)算隧道內(nèi)所需通風(fēng)量,以便保證隧道內(nèi)通風(fēng)量。
2)建立通風(fēng)管理系統(tǒng)
同盾構(gòu)施工期類似,建立管道安裝期間的隧道內(nèi)通風(fēng)管理系統(tǒng),包括隧道內(nèi)沼氣監(jiān)測(cè)、監(jiān)控及綜合安全監(jiān)控系統(tǒng)。
1)按照GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,水域隧道宜充水運(yùn)營(yíng)。目前,國(guó)內(nèi)輸油氣管道水域盾構(gòu)隧道在運(yùn)營(yíng)期通常采用隧道內(nèi)充水的管理方式。對(duì)于充水隧道,隧道內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生靜電,若產(chǎn)生沼氣,會(huì)從水中溢出,應(yīng)在充水運(yùn)營(yíng)隧道兩岸豎井頂部蓋板處安裝沼氣放空管,將溢出水面的沼氣排出。
2)盾構(gòu)隧道可能會(huì)產(chǎn)生沼氣,而沼氣與天然氣或油品揮發(fā)物的主要成分均為甲烷。為了區(qū)分是沼氣報(bào)警還是天然氣泄漏報(bào)警,應(yīng)根據(jù)天然氣介質(zhì)或油品揮發(fā)物中存在乙烷的特點(diǎn),在隧道兩端值班室、站控室設(shè)置便攜式氣相色譜分析儀,以便能夠快速、可靠地監(jiān)測(cè)乙烷泄漏。以此來(lái)判斷泄漏氣體是天然氣或油品揮發(fā)物還是沼氣。
1)對(duì)工程所有可能涉及的施工、運(yùn)營(yíng)及管理人員進(jìn)行沼氣知識(shí)培訓(xùn),加強(qiáng)員工對(duì)沼氣地層的認(rèn)識(shí),了解相關(guān)事故的救援知識(shí)等。
2)制定應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急措施,并定期進(jìn)行演練。
3)嚴(yán)格火源管理[4]和進(jìn)洞管理制度[5],編制動(dòng)火制度、開艙換刀等各項(xiàng)瓦斯隧道管理制度。
我國(guó)油氣管網(wǎng)正處于迅猛發(fā)展階段,輸油氣管道建設(shè)過(guò)程中可能穿越大中型河流并面臨河流流域淺層地層含有沼氣的情況,從環(huán)保角度以及工程適用性考慮,大中型河流往往采取盾構(gòu)隧道的穿越方式。由于盾構(gòu)隧道施工的特點(diǎn),在穿越沼氣地層時(shí)將存在諸多事故風(fēng)險(xiǎn),如施工人員安全風(fēng)險(xiǎn)、增加工程施工難度、影響工程質(zhì)量等,嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)工程造成損壞,甚至還會(huì)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故等。
為減小或避免各種事故風(fēng)險(xiǎn),建設(shè)單位應(yīng)在工程前期、施工過(guò)程、以及運(yùn)營(yíng)過(guò)程等各個(gè)階段遵循相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)防范措施。工程前期及施工過(guò)程主要從采用抽采方式主動(dòng)排氣、對(duì)沼氣濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及監(jiān)控、加強(qiáng)通風(fēng)、施工器械設(shè)計(jì)等多個(gè)方面進(jìn)行防范;運(yùn)營(yíng)過(guò)程主要從管理方面入手,嚴(yán)格管理,制定應(yīng)急預(yù)案并定期演練。