天然气过江隧道充排水方案研究

2019-10-30中国市政工程西南设计研究总院有限公司

上海煤气 2019年5期

中国市政工程西南设计研究总院有限公司

宋玉银李斌蒋袁曦申建波

为完善上海市天然气主干管网，加快长三角区域天然气主干管网互联互通，上海拟实施崇明岛-长兴岛-浦东新区五号沟LNG 站管线工程项目。本工程天然气管道需两次穿越长江，拟采用隧道穿越。北线隧道为长兴岛-崇明岛，长度约8.2 km。南线隧道为浦东曹路-长兴岛，长度约6.9 km。隧道内径为φ3.4 m，呈“W”型。为防止管道泄漏时天然气在隧道内聚集，根据设计，隧道建成后采用充水运行。

本文以南线隧道(以下简称隧道)为例，对该隧道内的充排水时间和排水方案进行研究，选择合理可行的技术方案，为工程建成后的运行和维护提供支持。

1 隧道水力学特征分析

过江隧道呈“W”型，江北侧为长兴过江井，江南侧为曹路过江井，全线长约6.9 km，隧道内设计坡度为0.1%，隧道内各节点高程变化见图1。

图1 隧道内各节点高程变化示意

隧道内各节点标高汇总见表1。

表1 隧道内各节点标高汇总

1.1 各段存水量

根据隧道断面设计，如图2 所示，隧道总充水容积Vs 根据式(1)计算。

式中：

Vs——充水容积，m3；

L——隧道长度，m；

S1——隧道截面积，m2；

S2——管道截面积及支墩截面积(管道连续，支墩为间隔)，m2；

S3——隧道平台截面积，m2。

经计算，南线隧道总充水约50 070 m3。

由于隧道呈“W”型，隧道内最高点E 距离两端过江井长度不同，且最低点标高不同，导致在排水过程中，以最高点E 为界，隧道南北两侧存水量不同，需分别计算。

隧道水位变化示意图见图3。

图2 隧道断面示意

图3 隧道水位变化示意

当隧道内水位下降至最高点E1 时(即基准线1)，隧道内充水总容积为47 561 m3；而当隧道内水位下降至最高点E2 时(即基准线2)，最高点E 至长兴过江井北侧隧道部分的充水容积为7 949 m3，最高点E至曹路过江井南侧隧道部分的充水容积则为35 581 m3。

1.2 “W”型结构气囊

由于隧道呈“W”型，且隧道内两处最低点D、F 标高不同，D 点高于F 点。初次充水时，当隧道内水位升至最低点D1 处，即基准线0 水位时，隧道内F→D 之间标高超过-26.680 m 内空间的空气将形成一个巨大的结构气囊，无法自动外排，若不采取工程措施，则无法使隧道内完全充满水。

当隧道需要外排水时，隧道内水位到达最高点E1 标高-23.270m 即基准线1 之后，隧道内壁以最高点E 位置为原点将逐步承受因抽排水造成的负压，且该压力值随着排水量的增加而增加，受负压范围也将逐渐扩大，不利于排水的正常进行。因此，应采取必要的工程措施，消除隧道内充排水过程中的阻力。

2 隧道充水与排气

2.1 充水分析

为减少充水时间，隧道采用双向同时充水的方案，分别从长兴过江井站、曹路过江井站两端充水。考虑到充水时应尽量减少对周边供水管网的影响，充水计算流速按1.5 m/s 计。

各站区均单独敷设专用填充水的给水专线，当供水专线管道为DN100 口径时，隧道的总充水时间约25 d。当供水专线管道为DN150 口径时，隧道的总充水时间约12 d。

2.2 排气分析

当供水专线管道为DN100 口径时，隧道总进水流量为0.024 m3/s，只要隧道内排气流量不低于进水流量时，隧道充水就能顺畅进行，因此，根据本工程特点，采用自然排气的方式。

隧道中部最高点E 距离长兴过江井最近，因此设置1 根通风管，管道口径DN150，一端起点为隧道中部最高点隧道顶，一端为长兴过江井出井口连接大气层。当隧道排水时，水位下降至基准线1 后，强制向隧道内进风，避免隧道内出现真空状态。

3 隧道排水方案探讨

3.1 排水分析

隧道呈“W”型，隧道较长，填充水容量大，隧道内设计坡度为0.1%，水体自然流动缓慢，分析排水水位下降过程，隧道内水容积变化表见表2。

表2 隧道排水过程容积变化情况

表2 中，隧道排水时，水位标高在基准线2 之上的水量可由隧道两端过江井中排水泵同时抽吸排放，水位线下降速度一致，但在基准线2 之下的水量则是分别由隧道两端的排水泵排放，水位线下降速度不一致，且排水过程互不影响。

由于隧道内最高点E 距离靠近隧道北侧端点A，因此在排水过程中，当水位线下降在基准线2之下后，隧道内南侧水量远远多于北侧水量。

3.2 排水泵配置模式

排水泵的数量和安装位置决定了排水周期和排水效率。根据隧道形状，隧道两端均采用串联排水方式，即隧道内部排水泵与过江井内排水泵串联联动运行。

由于隧道定期保养的时间间隔较长(参照国内外多个类似项目的实际运行经验，多为8～15 年)，正常工况下填充水排空的频率较低，配套设置的排水泵使用率极低，因此排水泵布置有两种安装方案，分别是固定永久性安装和临时移动性安装，通过以下两种安装方案的分析比选，确定推荐安装方案。

3.2.1 固定安装排水泵

只有在隧道两端最低点固定安装排水泵，方能完全排空整条隧道内填充水，因此应在最低点F、D 和过江井端点A、K 这四个位置点安装排水泵，同时配套安装排水管道。

其中，D 点和端点A 处排水泵串联运行，D 点排水泵抽取隧道内水至过江井(端点A)，同时联动运行过江井(端点A)内排水泵，提升出水至站区地面污水管道内，最终汇入市政污水管网；F 点和端点K 处排水泵串联运行，F 点排水泵抽取隧道内水至过江井(端点K)，同时联动运行过江井(端点K)内排水泵，提升出水至站区地面污水管道内，最终汇入市政污水管网。

隧道内串联运行的排水泵流量一致，扬程根据实际各安装位置确定，方案示意见图4。

图4 隧道内固定安装排水泵方案示意

3.2.2 临时设置移动排水泵

临时排水方案中，隧道内无任何排水设施，仅固定安装排水管，该条管道上每隔一定间距设置一个预留接口，起点为隧道最低点，终点为过江井。隧道排水时，采取临时设置移动式水泵接力排水模式，在隧道内安装移动式排水泵，泵出水就近排入固定排水管内，最终排入过江井内集水坑，由该集水坑内临时设置的排水泵将填充水排出至地面排水管网。

临时移动式接力排水模式示意图见图5，随着隧道内水位的下降，人工运输移动排水泵至隧道最低点。

图5 隧道内移动排水泵接力排水方案示意

3.2.3 方案比选

根据隧道的结构形式和运行模式，两种排水方案比选见表3。

表3 隧道排水方案的比选

4 排水时间与排水泵数量的匹配

4.1 排水时间

根据天然气过江隧道的特点，在工程设计中已将安全等级达到最高，从管材、防腐、控制、监测等方面做到本质安全，因此隧道中的排水根据常规情况周期较长。正常情况下，每次检修时排水时间不低于30 d，连续排放。但在非正常紧急情况，要求排水时间越短越好。因此必须根据上述排水泵的配置形式，考虑泵的运输、配电线缆的重量等因素，依据系统控制的应急措施，合理选择非正常工况下的排水时间。

4.2 正常工况下排水泵的配置

过江井隧道正常工况检修周期时间较长，根据工程的多项参数监测确定是否需要排水检修，在正常工况下确定隧道填充水排空时间为30 d。

排水泵的选型原则如下：

(1)单台排水泵的抽水能力及扬程根据水力计算结果分析确定，确保排水泵在在较高效率区运行；

(2)在满足抽水安全及运输方便的前提下，水泵配置台数尽可能减少，以降低设备投资和减小排水泵安装场地；

(3)为便于运行操作，宜采用相同结构型式的水泵。由于隧道南北两侧排水总量不同，因此固定安装的排水管道口径也不同，其中D→A 点排水管道口径为DN100，F→E 点排水管道口径为DN150。正常情况下排水泵配置见表4。

表4 隧道各点排水泵安装配置

4.3 非正常工况排水泵的配置

隧道内一旦发生天然气泄漏事故，需紧急切断两端阀门，快速放散且尽快排出隧道内水，以便于抢修。

紧急事故时，移动排水系统中水泵数量和抽水能力决定了隧道的排空时间。隧道内固定安装的排水管道口径适当调大一档，有利于事故排水速度。

根据水位逐步下降情况，隧道两端分别从A→D 段、K→F 段，人工运输移动防爆排水泵组进入隧道内部，每段串联接力独立运行，两段同时工作。

从隧道设计工作断面图可见，隧道内部在安装了DN800 的天然气管及配套设施后，能供人交通运输的距离仅为1.4 m，从工程实际可安装的操作空间考虑，综合考虑固定安装的排水管道能力及临时安装排水泵的可行性，确定事故时各段排空时间与移动排水系统规模对应情况见表5 和表6。

表5 隧道A→D 段及长兴岛过江井内临时排水泵安装配置

表6 隧道K→F 段及曹路过江井内临时排水泵安装配置

从表5 和表6 中的数据可以看出，当排空时间在10 d 以内时，隧道K→F 段需要配置的移动排水泵重量都大于100 kg，且需要两台泵并联运行。实际上隧道可通行空间小，水泵移动困难，供电、通风难度大，导致实施难度大。因此，在紧急事故情况下，优先系统控制风险，隧道排水时间需要大于10 d 的移动排水方案具有可行性。