输油气管道盾构隧道穿越沼气地层风险分析及防范

郝清源 任衡泰 李昌林 高启晨 高秀花

(1.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司；2.国家石油天然气管网集团有限公司)

0 引 言

国家发展改革委与国家能源局在2017年5月联合发布《中长期油气管网规划》，发展目标为：“到2020年，全国油气管网规模达到16.9万km；到2025年，全国油气管网规模达到24万km。全国省区市成品油、天然气主干管网全部连通，100万人口以上的城市成品油管道基本接入，50万人口以上的城市天然气管道基本接入。”结合目前的油气管道建设情况，油气管道在未来还将迅猛发展，将逐步形成“主干互联、区域成网”的全国天然气基础网络，以及“东西半环、海油登陆”原油通道格局。

在如此大规模的油气管网规划下，油气将由北向南、由西向东在全国范围内进行输送，管网建设过程中将面临诸多穿越大中型河流的情况，常规穿越方式有大开挖穿越、定向钻穿越以及盾构隧道穿越。其中盾构隧道穿越方式具有穿越长度长、不会对河流水质造成影响、不影响航运、适用复杂地质条件等优点。因此输油气管道在穿越大中型河流、尤其是特大型河流时，往往选择盾构隧道穿越方式。若选择盾构隧道的穿越方式，且需穿越含沼气地层，则存在发生工程施工以及安全风险事故的可能性。本文将对盾构隧道穿越含沼气地层时可能遇到的风险事故进行梳理，并提出防范各种事故的措施。

1 沼气的特性及危害

沼气是多种气体的混合物，无色，略带臭味，主要成分为甲烷，还含有CO2和少量N2、H2、H2S等，其特性与甲烷相似，具有易燃易爆性，还可导致缺氧窒息。我国长三角地区、珠三角地区及内陆大江大河流域城市浅层地层中均发现有沼气[1-2]，一般情况下浅层沼气埋藏于全新统早期冲积相沉积层淤泥质粉质黏土及下伏的晚更新统海相沉积层粉细砂地层中[3]。

鉴于上述沼气的特性及分布特点，输油气管道在采用盾构隧道方式穿越含沼气地层时，存在很大的事故风险隐患。

2 输油气管道盾构隧道工程沼气事故风险

输油气管道采用盾构隧道方式穿越含沼气地层时，会出现沼气溢出的情况，导致沼气事故风险。本文从溢出沼气对隧道竖井施工、对盾构工程、以及对管道运营等方面造成的沼气事故风险进行分析。

2.1 对隧道竖井施工的影响

沼气对竖井施工的主要影响表现在地连墙施工和内衬施工两个阶段。

1)对地连墙施工的影响

地连墙成槽施工过程中，沼气的排放直接影响槽壁的稳定性，易造成槽壁外地层蠕动、塌方，造成成槽困难。在混凝土浇筑时，混凝土凝固前后，沼气若透入混凝土中会造成槽壁气孔、夹渣、裂纹及贯通裂缝等质量缺陷，影响地连墙强度和防水质量。

2)对内衬施工的影响

在内衬开挖时，竖井区沼气层气体排放不彻底或周边地层沼气透入竖井区域时可能引起沼气突出事故，若沼气疏散不及时导致浓度增加或措施不到位，易造成沼气燃烧、爆炸等事故。

2.2 对盾构工程的影响

1)对开挖面稳定性的影响

在盾构施工掘进过程中，因地层沼气压力释放，可能会导致开挖面失稳、塌方，造成开挖面压力频繁波动，从而影响开挖面的稳定性。盾构隧道施工进出洞阶段，开挖面失稳将直接导致洞门涌水涌砂，从而导致地面塌陷、隧道塌方等事故。

另外，若透出的沼气进入排浆管路造成排浆泵抽空，会出现噪声、管路振动等情况，加速叶轮汽蚀，缩短泵的寿命。

2)对盾构掘进施工的影响

盾构掘进过程中，由于沼气的存在，土体的抗剪切强度会有所增加，导致刀盘摩擦阻力大，增加了掘进方向的控制难度；其次，因为沼气密度低、流动性好，土体受到刀盘切削后与土颗粒分离，聚集于上部，而下部的砂质粉土流动性差，出现上部阻力小，下部阻力大，盾构掘进方向控制困难；盾构掘进的过程中，底部土层中的沼气释放，会使土层上部的盾构机下沉，造成盾构机磕头。

3)对隧道结构安全性的影响

施工扰动造成土层中沼气的释放，会造成隧道底部土体收缩，甚至土体与隧道结构脱离，导致隧道发生变形，严重时出现裂缝，进而影响隧道结构安全。

4)对作业人员的影响

(1)刀具检查、更换作业

进行刀具检查、更换作业时，人员必须进入刀盘内进行作业，必要时还需要进行动火作业。在含沼气地层进行此类作业，易发生沼气燃烧、爆炸事故或窒息事故，直接威胁作业人员的生命安全。

(2)尾刷更换作业

常规盾尾刷的使用寿命一般在4～5 k m，对于超长距离盾构而言，不可避免地要进行尾刷更换作业。在含沼气地层进行尾刷更换作业，若措施不到位，发生沼气通过尾刷间隙进入隧道的情况，易造成燃烧、爆炸事故，影响作业人员的生命安全。

(3)管道安装作业

盾构隧道构筑于靠近或位于沼气含气地层中时，若发生后期隧道变形，管片间隙变大，地层中的沼气可能通过隧道管片的缝隙或其他孔隙进入隧道内。管道安装期间，若隧道内存在沼气并形成沼气带，可能会造成人员窒息，在管道焊接产生电火花时还可能发生爆炸事故。

2.3 对管道运营的影响

含沼气地层往往出现在长三角地区、珠三角地区及内陆大江大河流域城市浅层地层中。对于输油气管道而言，在穿越大型河流时，才会采用隧道方式，存在输油气管道穿越含沼气地层的情况，即输油气管道盾构隧道穿越含沼气地层的情况一般出现在水域隧道工程中。

GB 50423—2013《油气输送管道穿越工程设计规范》规定“水域隧道宜充水运营”。输油气管道穿越沼气层的盾构隧道为水域隧道，按照规范运营期充水运营。充水型的水域隧道，即使隧道内部有沼气，也将通过两岸竖井逐步溢出，不存在运营期间发生燃烧、爆炸事故的情况，对于管道运营影响较小。

3 输油气管道盾构隧道沼气事故风险防范措施

3.1 沼气对隧道竖井施工影响的应对措施

1)地面钻孔抽采，释放沼气

为确保竖井施工的安全，可采用地面钻孔抽采释放沼气的方式。在竖井周边的地面布置钻孔预抽沼气，钻孔深度结合地质勘察情况，深入沼气层。钻孔直径、间距、数量和深度等关键参数应根据沼气抽采效果进行调整。

2)地连墙槽段增加排气管路

为降低浅层沼气对地连墙施工的影响，防止沼气进入混凝土中造成槽壁气孔、夹渣、裂纹及贯通裂缝等质量缺陷。在地连墙每幅槽段中均应安装一根排气管，深入沼气层深度下约1 m，以便收集透入混凝土中的沼气。

3)安装通风管道置换竖井底部气体

隧道竖井施工土体开挖期间，为防止沼气在竖井底部聚集或发生突发性大量沼气透入，应在竖井井壁安装风筒，对开挖断面的气体进行置换，确保开挖面持续供应新鲜空气。

3.2 沼气对盾构施工影响的应对措施

为减小沼气对盾构施工的影响，前期应采用地面钻孔抽采措施，施工中要对沼气进行监控并且按照一定标准进行通风，施工期间采取措施，增加隧道结构的密封性，对施工电器设备进行防爆改造。

1)地面钻孔抽采措施

可根据地质勘探情况，测定的沼气压力、含气层透气性系数、钻孔沼气流量衰减系数等参数综合考虑，决定采用地面定向钻孔预抽排气法还是直接地面钻孔排气法。在抽排地层沼气过程中及沼气释放后，可能会造成地层失稳、地面沉降、隧道位移等问题，因此在沼气抽排过程中，还应加强地面沉降、管片变形等监测工作，根据监测结果，对隧道进行注浆填充和加固。

2)盾构机应对沼气地层的适应性设计

(1)设备防爆性要求

盾构机作为一种高度机电一体化的机械设备，在沼气地层施工，很难做到完全防爆，但是必须进行关键部位关键部件的防爆处理。在盾构机设计时，应当根据沼气施工特点，针对盾构机盾尾、铰接装置处等重点部位的关键部件进行防爆设计，防止施工中发生火灾甚至爆炸，避免造成人员伤亡、设备损坏、隧道损毁等严重后果。

(2)刀盘结构设计

刀盘结构具备常压换刀功能，配置一定数量的可常压更换的刮刀，最大程度减少人员进入沼气地层更换刀具作业的次数，以降低施工风险。

(3)铰接密封性

在水压高、穿越距离长、砂层掘进等情况下，盾构铰接密封易发生磨损，造成渗漏水和漏气，沼气通过渗漏点进入盾构机内部。为了保证铰接密封性能，铰接密封须采用更优化的密封设计方案和材料，降低磨损，延长寿命，确保工程安全。

(4)盾尾密封性

盾尾密封是通过盾尾刷与油脂构成密封系统。通常，盾构机盾尾密封配置普通型3道盾尾刷和一道止浆板。盾尾刷作为盾构机上最易磨损的部件，需要在设计制造时特别加强，应充分考虑需要在施工中具备更换盾尾刷的能力，始终保证盾尾密封性能，防止密封漏气，以及沼气进入盾构机和隧道内，造成严重的后果。比如，可采用4道加强型盾尾刷、一道钢板束和一道止浆板，并能够在盾构施工期间更换两道盾尾刷。

(5)盾尾安装加强排放管路

盾尾刷磨损后发生渗漏，是沼气透入隧道的关键控制点。因此可在盾构机盾尾部位，安装一套沼气排放管路，根据沼气浓度监测结果，适时开启排放设备，通过该管路，快速将盾尾区域聚集的沼气，排放至后方隧道内，通过通风进行稀释。

(6)泥水仓设置检查管路

在盾构机泥水仓内及仓壁上设置沼气检查管路，作为沼气监测系统的一部分，实时检查仓内顶部沼气浓度，根据其浓度值，采取排放和抽出措施。

(7)沼气浓度监控功能

盾构机应配置沼气浓度自动监控系统，以便及时根据沼气浓度采取相应措施。在盾构机泥水仓、前中后盾、拖车，以及角落等位置安装监测装置。沼气自动监控系统应具备信息采集、显示、存储、打印报表、报警、自动切断等功能。

3)加强管片拼装质量

严格按照盾构施工规范中管片拼装质量要求，管理现场管片拼装质量。包括管片拼装错缝、错台量，避免管片破损、密封条损坏，防止地层中沼气渗漏进入隧道内。

4)加强管片注浆质量

根据地层配置浆液配合比，保证管片注浆量，控制注浆压力，采用同步注浆与二次补浆相结合的方式，起到有效填充地层空隙及固结隧道的作用。盾构施工完成后，再对隧道管片整体渗漏水情况进行调查，制定再次补浆计划，对隧道进行补浆。

5)沼气监测监控体系

建立以自动监测系统为主，人工监测为辅的沼气监测监控体系，配置沼气自动监控报警系统，对作业面和回风流中甲烷等有毒有害气体浓度进行连续监测。

沼气自动监控系统应具备甲烷断电仪和甲烷风电闭锁装置的全部功能，必须具有断电状态和馈电状态监测、报警、显示、存储和打印报表功能，实现风、沼气、电闭锁和声光报警。沼气浓度达到报警值时，传感器应发出声、光报警信号，断电仪发出光报警信号，计算机发出声音报警信号。沼气浓度超过断电值时，断电仪可自动切断超限区的电源，而自动监测系统仍正常工作。

建立沼气监控中心，配置经安全培训并考核合格的沼气监控员，并建立24 h连续值班制度。

6)建立综合安全监控系统

在盾构施工作业期间，随时对隧道内沼气浓度进行监测，确保施工安全。设计安装安全监控系统、人员定位系统、视频监控系统、监控室大屏显示系统，用于隧道施工环境安全综合监测。

在地面监控室设置环境安全系统、人员定位系统及视频监控主机，隧道内传感器数据通过光纤网络传输至地面调度室，监控人员可通过主机及调度大屏对隧道内情况进行实时监视及历史数据的查询等工作，方便施工人员进行现场管理，确保施工安全。

7)加强隧道通风

隧道通风是稀释隧道内部沼气，防止隧道内部形成沼气带的最有效方式。

根据隧道内施工人员数量、隧道内通风降温、最小风速、沼气涌出量及稀释要求等，对需风量进行测算，确定合适的风筒及风机，以确保隧道内部各作业面风量的需求。

3.3 沼气对管道安装施工影响的应对措施

1)建立通风系统

在盾构隧道施工完成后，通风系统继续作为管道安装施工的通风系统。在隧道贯通后，对隧道内进行全面监测，确定沼气渗漏点。根据管道安装作业计算隧道内所需通风量，以便保证隧道内通风量。

2)建立通风管理系统

同盾构施工期类似，建立管道安装期间的隧道内通风管理系统，包括隧道内沼气监测、监控及综合安全监控系统。

3.4 沼气对管道运营安全影响的应对措施

1)按照GB 50423—2013《油气输送管道穿越工程设计规范》规定，水域隧道宜充水运营。目前，国内输油气管道水域盾构隧道在运营期通常采用隧道内充水的管理方式。对于充水隧道，隧道内不会产生静电，若产生沼气，会从水中溢出，应在充水运营隧道两岸竖井顶部盖板处安装沼气放空管，将溢出水面的沼气排出。

2)盾构隧道可能会产生沼气，而沼气与天然气或油品挥发物的主要成分均为甲烷。为了区分是沼气报警还是天然气泄漏报警，应根据天然气介质或油品挥发物中存在乙烷的特点，在隧道两端值班室、站控室设置便携式气相色谱分析仪，以便能够快速、可靠地监测乙烷泄漏。以此来判断泄漏气体是天然气或油品挥发物还是沼气。

3.5 其他措施

1)对工程所有可能涉及的施工、运营及管理人员进行沼气知识培训，加强员工对沼气地层的认识，了解相关事故的救援知识等。

2)制定应急预案、应急措施，并定期进行演练。

3)严格火源管理[4]和进洞管理制度[5]，编制动火制度、开舱换刀等各项瓦斯隧道管理制度。

4 结论与建议

我国油气管网正处于迅猛发展阶段，输油气管道建设过程中可能穿越大中型河流并面临河流流域浅层地层含有沼气的情况，从环保角度以及工程适用性考虑，大中型河流往往采取盾构隧道的穿越方式。由于盾构隧道施工的特点，在穿越沼气地层时将存在诸多事故风险，如施工人员安全风险、增加工程施工难度、影响工程质量等，严重时会对工程造成损坏，甚至还会发生火灾爆炸事故等。

为减小或避免各种事故风险，建设单位应在工程前期、施工过程、以及运营过程等各个阶段遵循相关的风险防范措施。工程前期及施工过程主要从采用抽采方式主动排气、对沼气浓度进行实时监测及监控、加强通风、施工器械设计等多个方面进行防范；运营过程主要从管理方面入手，严格管理，制定应急预案并定期演练。