油气管道瓦斯隧道的设计及施工

石长元 王晓峰 杜呈祥

1．中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都610041; 2．中国人民解放军九四一零四部队，陕西宝鸡721008

油气管道瓦斯隧道的设计及施工

石长元1王晓峰1杜呈祥2

1．中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都610041; 2．中国人民解放军九四一零四部队，陕西宝鸡721008

油气管道隧道在特殊情况下需穿越含瓦斯地层，为了保证管道隧道在施工期间及后期管道运营安全，需要从隧道内瓦斯的检测、设计支护方式和施工中采取必要的措施等方面进行综合考虑，选择安全、环保、经济、适用的方案。结合油气管道瓦斯隧道工程实例，从瓦斯检测的方法和设备，到相应的隧道支护方式，再到施工期间的各项安全措施要求，较全面地阐述了瓦斯隧道设计、施工过程，为今后类似工程提供参考。

油气管道;瓦斯隧道;检测;设计;施工

0 前言

随着我国国民经济的迅猛发展，国家对石油、天然气能源的需求更加迫切，从国内到国外，正在建设大量的油气管道，诸如西气东输工程、中缅管道工程、中亚管道工程、中俄管道工程等。油气管道在穿越大江大河、高山峻岭等特殊地段，已经越来越多地采用隧道穿越方式。由于受到管道线路总体走向、地方规划、地质地形、环境敏感区、高后果区等各种因素的影响，不可避免地导致个别管道隧道需要穿越含瓦斯地层，这就要求从勘察、设计、施工各方面采取特殊措施来应对瓦斯可能带来的危害，以保证管道隧道的施工及运营安全。本文以四川某天然气管道瓦斯隧道为例，对隧道中的瓦斯检测及隧道的设计、施工进行探讨。

1 概况

某天然气管道瓦斯隧道穿越山岭全长1 537.9 m，隧道断面形式为直墙半圆拱形，净宽2.7 m，净高2.7 m(其中墙高1.5 m，拱高1.2 m)，纵断面采用平巷－斜巷形式。进口端坡度为10%，水平长979.3 m，斜长984.2 m;出口端斜巷坡度为46.63%，水平长500.1 m，斜长551.61 m，水平明洞2 m。隧道水平长1 481.4 m，实际长1 537.9 m。隧道穿越纵断面示意见图1。

图1 隧道穿越纵断面示意图

2014年5月15日20:30，该隧道出口端掘进至K 1+ 273 m处(位于隧道出口斜巷段)，施工作业班组在打眼作业时，发现工作面有臭鸡蛋味、同时发现掌子面右侧下方3个钻孔冒气泡。经甲烷气体检测仪检测，气泡出口的甲烷气体体积浓度为1.83%;检测掌子面空气，数据显示气体体积浓度为0.16%，经16 h释放后，用甲烷气体检测仪对掌子面空气检测，甲烷气体体积浓度含量为0%，出气口检测，气体体积浓度为0.36%。经3 d连续释放后，掌子面空气检测，气体体积浓度为0%，出气口检测，气体体积浓度为0.58%;经30 d排放后，经检测出气口、掌子面空气，甲烷气体体积浓度均为0%。

2 区域地质情况

2.1 地质构造

该隧道所处区域在大地构造上属扬子准地台(Ⅰ1)之四川台拗(Ⅱ5)，其区域构造体系属新华夏系第三沉降带四川盆地东缘川东弧群高陡褶皱区的一部分，由背斜、向斜相间组合分布，组合形态为狭长梳状高背斜与宽缓向斜相间排列，形成典型的隔挡式构造。隧址区位于铁山短轴背斜北倾末端北西冀，无活动断裂构造痕迹，岩层为单斜层状产出，岩层较平缓，岩层走向为25°～45°，倾向NW 295°～315°，倾角6°～24°。

2.2 地形地貌

该隧道所处区域属中低山地貌单元。区域山脉总体走向与构造线走向基本一致，呈北东方向展布，最高处标高901.6 m，最低处为进口前缘沟谷477.6 m，相对高差424 m。隧道轴线近于垂直穿越擂鼓坡山岭，山体零碎，舒缓而单薄。洞身段轴线走向与岩层走向夹角近垂直相交。隧址区内除山脊陡崖地段基岩出露外，缓坡台地及山岭斜坡地段均被第四系松散层覆盖。

2.3 地层岩性

2)侏罗系上统遂宁组(J3s):主要分布于隧道进口侧(K 0+000 m)至擂鼓坡东坡一带(K 1+120 m)，是隧道工程穿越的主要基岩地层。岩性主要以粉砂质泥岩为主，仅在洞身夹薄层粉砂岩。

3)侏罗系上统蓬莱镇组下段(J3p1):主要分布于洞身擂鼓坡东坡段(K 1+120 m处)至出口侧(K 1+867.4 m)之间，是隧道工程穿越的主要基岩地层。岩性由粉砂岩夹数层粉砂质泥岩或二者呈不等厚互层组成。

后期经过隧道施工开挖揭露及现场地面踏勘情况显示，虽然该隧道勘察资料显示进、出口端均不含煤系地层及炭质页岩，但隧道出口端揭露了薄层碳质岩，且进、出口端附近均有煤线出露地表。由于隧道所处地区油气资源富集，该隧道施工期间瓦斯涌出的来源，有可能为下部薄煤层内瓦斯经长期释放并运移至隧道洞身岩体裂隙内，也有可能为深部油气经大地构造断层和地层裂隙向上运移，吸附于岩层裂隙中，在开挖爆破时自然涌出至掌子面风流中。

3 瓦斯检测及鉴定

3.1 瓦斯等级鉴定依据

目前国内石油天然气行业还没有专门针对油气管道隧道的瓦斯鉴定和判别的标准、规范，与铁路、公路、矿山等隧道相比，除了用途不同、开挖断面稍有差异外，施工方法及施工中的灾害基本相似。因此，油气管道隧道内瓦斯等级的鉴定依据目前主要参考其他行业的相关标准(TB 10120《铁路瓦斯隧道技术规范》［1］、AQ 1025《矿井瓦斯等级鉴定规范》［2］等)的相关规定。

TB 10120《铁路瓦斯隧道技术规范》中规定:“4.1.3低瓦斯工区和高瓦斯工区可按绝对瓦斯涌出量进行判定。当全工区的瓦斯涌出量小于0.5 m3/min时，为低瓦斯工区;大于或等于0.5 m3/min时，为高瓦斯工区”“条文说明3.1.2由于瓦斯的来源除煤系地层外还有油页岩及含天然气、石油地层，所以本规范将后者统称含瓦斯地层，与煤系地层一起作为瓦斯地质的工作对象”。

由于瓦斯隧道等级鉴定的具体方法在TB 10120《铁路瓦斯隧道技术规范》中没有明确规定，在此借鉴煤矿瓦斯等级鉴定的方法执行［3］。按照AQ 1025《矿井瓦斯等级鉴定规范》“5.1.1矿井瓦斯等级的鉴定工作应在正常生产条件下进行”的相关要求，鉴定过程中参数测定应在隧道正常开挖施工状况下进行［4－5］。

3.2 瓦斯等级鉴定过程

该隧道采用CJG 10型光干涉式甲烷测定器测定瓦斯浓度，CFD－5及CFD－25型电子式风速表测定风速，CLH 100型H2S气体检测仪检测H2S浓度以及CTH 1000型CO气体检测仪检测CO浓度［6－7］。

测定断面选择前后50 m范围内没有障碍物(如出渣车、挖掘机、电焊机、其他杂物等)，洞内支护光滑平整，风流稳定、不紊乱的位置［8］。断面瓦斯浓度测点布置见图2。

图2 断面瓦斯浓度测点布置图

通过现场检测，隧道进口端3 d中最大平均瓦斯涌出量为0.19 m3/min，出口端最大平均瓦斯涌出量为0.09 m3/min。按测定数据，根据TB 10120《铁路瓦斯隧道技术规范》4.1.3条，可以判定为低瓦斯隧道。

同时，采用超前钻孔对瓦斯涌出情况及瓦斯浓度作了检测［9－10］。参照TB 10120《铁路瓦斯隧道技术规范》要求，钻孔作业采用了湿式钻孔方式。

在隧道进、出口工区掌子面各施工3个超前钻孔，距底板0.5～1 m，呈三角形布置，孔径75 mm，孔深40 m。在钻探过程中，每钻进2 m，停止钻探，然后对孔口向内20 cm处掌子面和回风流中瓦斯及其他气体体积浓度进行检测。

从检测结果可知:进、出口掌子面钻孔内均有微量瓦斯不断往外逸散，但瓦斯气体体积浓度均较小，最大不超过0.1%，没有出现喷孔、瓦斯大量涌出等现象。

3.3 鉴定结果

在隧道进、出口掌子面钻孔内采集的气样，均检测出存在瓦斯，按照TB 10120《铁路瓦斯隧道技术规范》总则第1.0.3条规定的“铁路隧道勘测与施工过程中，通过地质勘探或施工检测表明隧道内存在瓦斯，该隧道应定为瓦斯隧道”，可判定该隧道为含瓦斯地层隧道。

4 设计要求及施工措施

根据对该隧道进行的瓦斯检测和鉴定，明确了该隧道为含瓦斯地层隧道。因此，需对该隧道按照低瓦斯隧道进行支护设计和相应的施工管理。

4.1 设计依据

目前国内石油天然气行业尚无关于管道隧道含瓦斯地层处理的相关规范标准，但在Q/SY 1444－2011《油气管道山岭隧道设计规范》［11］中规定:“14.5.2隧道通过煤系地层时，应采用防爆型机具设备，加强通风，使隧道内瓦斯含量符合规定要求。具体设计要求按照TB 10120相关规定执行。”因此，该隧道含瓦斯地层的支护设计和施工处理措施均应按照TB 10120《铁路瓦斯隧道技术规范》中“4.2.4含瓦斯地段的喷射混凝土厚度不应小于15 cm，模筑混凝土衬砌厚度不应小于40 cm”“4.2.5喷射混凝土中掺用气密剂后，透气系数不应大于10－10cm/s，模筑混凝土中掺用气密剂后，透气系数不应大于10－11cm/s。模筑混凝土衬砌施工缝应进行气密处理，其封闭瓦斯性能不应小于衬砌本体”执行。

4.2 设计要求

根据TB 10120《铁路瓦斯隧道技术规范》的要求，瓦斯段隧道衬砌结构应根据瓦斯地段等级划分来确定，主要采用的方法有:围岩注浆;喷射混凝土中掺气密剂;设置瓦斯隔离层;模筑混凝土中掺气密剂;模筑混凝土中掺钢纤维;施工缝气密处理。

该隧道为低瓦斯隧道，具体衬砌设计采用初期支护喷射气密性混凝土C 20，150 mm厚;二次衬砌为模筑钢筋混凝土(掺气密剂)C 30，400 mm厚，抗渗等级P 8;施工缝采用气密处理。隧道衬砌浇筑完毕达到设计强度后，再在衬砌背后拱部压注M 20掺气密剂水泥砂浆，以达到围岩与衬砌之间的紧密结合。喷射混凝土中掺用气密剂后，透气系数不应大于10－10cm/s，模筑混凝土中掺用气密剂后，透气系数不应大于10－11cm/s。

4.3 施工措施

4.3.1 掺气密剂材料的选用要求

1)水泥宜选用强度等级为32.5的硅酸盐和普通硅酸盐水泥，不得采用其他水泥［12－13］。

2)砂的细度模数Mx≥2.7，含泥量不大于3%，不得使用细砂。

3)石子的最大粒径Dmax≤40 mm，级配宜为2～3级，含泥量不大于1%，不得有泥土块，或泥土包裹石子表面，针片状颗粒含量不大于15%。

4)气密剂宜选用FS-KQ型，掺量应符合设计要求，气密剂为硅灰、粉煤灰及高效减水剂的复合剂。

4.3.2 掺气密剂的施工应符合的要求

1)C 20混凝土配合比宜为1∶2.5∶3.5，水灰比宜取0.48。

2)原材料应按以上配合比进行称量，水的允许偏差为±1%，水泥及气密剂的允许偏差为±2%，砂石允许偏差为±3%。

3)原材料应按采用强制式搅拌机搅拌，不得采用人工拌合;水泥、气密剂及砂应先干拌1～1.5 min，颜色均匀后，再加入石子及水搅拌1.5～2.0 min，形成均匀的拌合物。

4)混凝土拌合物从搅拌机卸出至灌注完毕所需时间宜为40～60 min。

5)连续养护时间不得少于28 d，并应避免在环境温度5℃以下施工。

4.3.3 隧道开挖施工技术要求

1)采用超前钻探与地质雷达等高新技术手段相结合，在开挖前初步探明前方是否存在含瓦斯地层［14］。

2)瓦斯工区钻孔作业要求:开挖工作面附近20 m风流中瓦斯浓度必须小于1.5%;炮眼深度不应小于0.6 m;必须采用湿式钻孔［15］。

3)瓦斯工区装药与爆破作业要求:爆破地点20 m内，风流中瓦斯浓度必须小于1%;爆破地点20 m内，矿车、碎石等物体阻塞开挖断面不得大于1/3;炮眼封泥不足或不严不能进行爆破;炮眼内煤、岩粉应清除干净;通风应保证风量足，风向稳［16］。

4)瓦斯段隧道内的施工机械及电气设备，应具有防爆和隔爆性能［17］。

5)在瓦斯工区进行爆破作业时，爆破15 min后应巡视爆破地点，检查通风、瓦斯、瞎炮、残炮等情况，遇有危险必须立即处理。正常通风1 h，在瓦斯气体体积浓度小于1%，CO2浓度小于1.5%后，解除警戒，施工人员方可进入开挖工作面作业［18－19］。

4.3.4 隧道瓦斯的监测

瓦斯爆炸是施工中最大的安全隐患。瓦斯爆炸的3个必要条件:一是要有一定浓度的瓦斯(主要为CH4);二是要有火源;三是要有足够的O2。通过对瓦斯的实时监测，控制和防止瓦斯浓度超限，是防止瓦斯爆炸的关键。为安全起见，隧道施工期间的瓦斯监测采取人工与自动相结合的监测方式，两者监测的数值相互印证，避免误报现象［20］。

通过采取上述的设计及施工措施，该隧道已经顺利完工交付验收，目前隧道内未检测到瓦斯气体存在。通过采取上述施工措施而增加的工程费用约250万元。

5 结论

1)管道隧道在进行选址时，应尽可能避开煤系地层区域，避免直接穿越含瓦斯地层。

2)在选址过程中，确实无法完全避开瓦斯地层时，应按照规范要求采取瓦斯隧道的相关设计要求、施工措施及监控手段。

3)由于目前暂无油气管道瓦斯隧道设计及施工的相关规范标准，只能参照铁路瓦斯隧道相关规范执行。但是，由于管道隧道与铁路隧道在运营方式、净空断面尺寸方面存在较大差别，一味参照铁路瓦斯隧道规范进行设计和施工，势必会造成一定的浪费。因此，急需完善油气管道隧道有关穿越瓦斯地层的相关设计、施工的规范和标准，以满足工程建设的需要。

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我国最大国产化LNG工厂复产

在经历10个月的停产后，我国最大国产化LNG工厂——湖北黄冈500×104m3/d LNG工厂于2016年10月2日生产出合格LNG产品，复产一次成功，标志着我国LNG工厂在工艺技术设备、运行调控和建设质量等方面完全具备自主开发能力，具备应对不同工况条件下开工运行的能力。

此前，昆仑能源有限公司对湖北黄冈500×104m3LNG工厂复产进行了周密筹划、组织和准备。9月23日9时28分工厂开始进气，10月2日4时20分生产出合格的LNG产品。

湖北黄冈500×104m3LNG工厂作为自主设计、自主建设的我国规模最大LNG工厂，技术自主化率达100%，大型LNG装备国产化率突破99%。目前，每天外运LNG的车辆已上升至40辆，为华中、华东、华南地区用户源源不断地提供清洁能源。

据悉，昆仑能源有限公司近期还陆续启动了包括广元、广安、肇庆、任丘、霸州、安塞等LNG工厂的复工工作，有效发挥自身在天然气全产业链的资源调配优势，为寒冬来临时天然气市场调峰做好应对准备。

(曾妍摘自中国石油新闻网)

10.3969/j．issn．1006－5539.2016.06.003

2016－08－09

中国石油天然气集团公司重点工程资助项目(S 2011－22)

石长元(1978－)，男，甘肃天水人，工程师，学士，主要从事技术及项目管理工作。