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1、新建鐵路隧道下穿天然氣管道安全施工技術方案一、工程概況圖1.1天然氣管道過隧道頂部的橫斷面外岙一號隧道位于浙江省慈溪市茶亭南外岙自然村。隧道起訖里程：DK111+345DK111+494，全長149m。經過現場勘查，在外岙1#隧道山頂有一直徑30cm的慈溪天然氣管道，該段天然氣管道設計壓力為4Mpa,管道在隧道線路里程DK111+410,方向大致與杭甬客專線路方向垂直。管道在山頂埋深約1.2m，距離DK111+410隧道斷面洞頂垂直距離約14m（附斷面圖）。進出口距離管道的距離分別為65m和84m。外岙一號隧道位于剝蝕低山丘陵區，相對高差約60m，自然坡度1530，植被發育，主要為楊梅樹林。圍2、巖分級：級圍巖129m，級圍巖20m。二、施工技術方案根據國務院2001年第313號令石油天然氣管道保護條例：第二十六條 違反本條例的規定，在管道中心線兩側或者管道設施場區外各50米范圍內禁止爆破。因此，外岙1#隧道在施工中，大于50m范圍以外采用控制爆破，孔深控制在0.75-1m，周邊眼單孔裝藥量控制在0.1kg/m，斷面開挖取0.15kg/m。嚴格控制裝藥量，控制隧道安全震動速度小于1cm/s。距管道距離小于50m范圍不采取任何爆破作業，采用鉆孔灌膨脹劑再用鑿巖機進行開挖和破碎巖石的施工方法。進入天然氣管道下部施工前，考慮到隧道開挖后可能會產生地表沉降，影響天然氣管道的安全。因此，設計方案3、采取鋼桁架懸吊天然氣管道的方案施工，確保隧道在開挖過程中管道不因地表沉降而受到影響。三、主要的施工方法和施工工藝巖石破碎方法及施工工藝由于在50m范圍內不能采取炸藥爆破的方式進行開挖作業，因此為了天然氣管道的安全，我們采用兩種方案進行開挖：一：鉆孔灌膨脹劑對巖石迫裂的辦法進行開挖和破碎作業；二：當遇到比較破碎的巖層，灌注膨脹劑迫裂的效果不理想，采取人工風鎬配合破碎機進行開挖。迫裂法作用機理：膨脹劑灌入孔中，發生水化反應，放熱、固結、體積膨脹，對孔壁施加壓力，將孔壁外的巖石破裂。1、主要工藝流程炮孔布置膨脹劑迫裂法布孔參數如下：炮孔按梅花形排列，以利于把巖石破碎成小塊，見下圖3.2圖3.2爆破布4、孔圖孔距 =d，d為孔徑，k值按下表選取 混凝土的K值（孔徑50mm） 表1混凝土種類含筋率/kg.m-3標準k值素混凝土無1018說明：把巖石視作混凝土來考慮，標準值先選取，視破碎情況做調整最小抵抗性和排距是介質強度、自由面狀況、孔徑的函數，一般可參照下表選取最小抵抗線值 表2破碎對象的名稱W值/cm破碎對象的名稱W值/cm軟巖4060中、硬質巖石3040孔深L=,H為被破碎體高度，為經驗系數，對厚巖=1.05每米炮孔裝填量及參考單耗，見下表 每米炮孔用藥量 表3孔徑/mm3032343638404244464850用藥量/kg.m-11.11.31.51.71.92.12.32.52.735、.03.3 單位體積破碎用量 表4介質種類破碎劑用量/kg.m-3備 注軟質巖石破碎810全斷面每延米需要2100kg，按109m暗洞計算，整個隧道要228噸膨脹劑。中質巖石破碎1015硬質巖石破碎1220膨脹劑迫裂法裝填及養護工藝如下：拌料 散裝粉狀膨脹劑，嚴格按選定水灰比，一般控制在0.280.33用人工或手提式攪拌機拌勻，攪拌時間不超過1min，攪拌好后馬上裝入孔中。筒裝膨脹劑只需將之放入盛水容器中浸泡直到不發生氣泡為止，一般45分鐘即可。裝填 攪拌好的漿體必須在510min內裝完，然后用塞子封口。2、安全注意事項因膨脹劑對皮膚有腐蝕作用，要避免直接接觸，沾上要立即用清水洗凈、裝填作業時6、，裝填人員要戴防護眼鏡，作業人員避免進入已裝填好的區段，以防噴孔傷人。圍巖支護方法及工藝1開挖方式隧道的施工方法與支護參數及輔助施工措施密切相關,根據監控結果合理調整支護參數,從而確保施工安全及天然氣管道的安全。外岙一號隧道隧道主要以、級圍巖為主，級圍巖共長20m、級圍巖共長129m。級圍巖開挖采用CRD法，級開挖掘進方法采用三臺階七步開挖，開挖掘進的方式全部采用鑿巖機對隧道斷面內的巖層進行機械破碎，裝載機裝碴，自卸車輛進行運碴出碴。機械開挖掘進中堅持“短進尺、強支護、勤量測、緊襯砌、快封閉”的原則。2.支護方法2.1.為保護洞頂天然氣管道，施工中注意事項：2.1.1.隧道施工應堅持“機械掘進7、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的原則。開挖進尺嚴格控制在50cm，嚴禁塌方發生。2.1.2.開挖方式均采用機械開挖，不采取爆破。2.1.3.工序變化處之鋼架（或臨時鋼架）應設鎖腳鋼管，且必須對鎖腳鋼管進行注漿，以確保鋼架基礎穩定。2.1.4.當現場導坑開挖孔徑及臺階高度需進行適當調整時，應保證側壁導坑臨時支護與主體洞身鋼架連接牢固，橫向鋼支撐可根據監控量測結果適當調整其位置。并考慮側壁導坑自身的穩定及施工的便捷性。2.1.5.鋼架之間縱向連接鋼筋應按要求設置，及時施作并連接牢固。2.1.6.臨時鋼架的拆除應等洞身主體結構初期支護施工完畢并穩定后，方可進行。2.1.7.施工中，應按有關規范及8、標準圖的要求，進行監控量測，及時反饋結果，分析洞身結構的穩定，為支護參數的調整、澆筑二次襯砌的時機提供依據。2.1.8.隧道施工以前須提前通知天然氣管道的產權單位，在產權單位允許后方可施工。開挖過程中嚴密監控，特別在天然氣管道中心5m范圍內設置警戒線，避免在開挖過程中施工機具接觸天然氣管道。對原有的天然氣管道警戒標志應該防護保留，并派專人定期檢查。管道開挖出來以后不能長期暴露，必須采取相應的措施及時處理。2.1.9.制定詳細周密的安全方案進行備案。在隧道施工期間，派專人攜帶便攜式燃氣檢測儀在隧道施工場地周圍不停檢查空氣中天然氣濃度，出現異常立即停止施工，找出解決方案。2.1.10.隧道施工結束9、后對施工范圍內的管道用2cm厚的鋼管做保護套管，以防止一旦發生天然氣泄漏爆炸不至于從隧道頂部炸開，確保隧道貫通鐵路通車后的運營安全。2.1.11.雙口掘進的匯合點要距離管道斷面20m以外，防止施工機械同時震動對管道造成破壞。2.2初期支護初期支護是復合式襯砌的重要組成部分,有足夠的強度和剛度控制圍巖下沉變形,外岙隧道工程初期支護主要采用直徑22mm，長4m的錨桿、28cm 厚噴射混凝土、I20工字鋼支撐及掛鋼筋網。軟弱破碎圍巖地段支護及早封閉成環。在開挖每循環進尺0.6m后，停止掘進，先進行I20工字鋼環向封閉支撐，在兩側拱腳及時施作直徑50mm的鎖腳鋼管，同時進行環向注漿錨桿施工，讓山體圍巖10、與工字鋼及錨桿系統形成一個整體。待這一個支護循環施工完畢后再進行下一個循環的機械開挖掘進。2.3.砂漿錨桿支護砂漿錨桿采用螺紋鋼筋現場制作，長度為4m。錨桿采用錨桿臺車或風動鑿巖機鉆孔，鉆孔前根據設計要求定出孔位，鉆孔保持直線并與所在部位巖層結構面盡量垂直，并保證注漿的飽滿度。2.4.鋼支撐鋼架由型鋼彎制而成。鋼架在洞外加工廠利用臺架按設計加工制作成型，初噴混凝土之后在洞內進行安裝，與定位鋼筋焊接。鋼架間以混凝土噴平，鋼架與巖面之間的間隙用噴射混凝土充填密實，并使鋼架埋入混凝土中，鋼架拱腳必須放在牢固的基礎上，架立時垂直隧道中線，架設時中線、高程和垂直度由測量技術人員嚴格控制，并將錨桿與鋼架焊11、接連為整體，鋼架靠近圍巖側的保護層厚度不小于40 mm。2.5鋼筋網鋼筋網選用HPB240鋼筋 ， 鋼筋直徑6 mm或8 mm，鋼筋網由縱橫鋼筋加工成方格網片，鋼筋相交處可點焊成塊，也可用鐵絲綁扎成一體，網格間距200 mm250 mm，保護層不小于20 mm,均在加工場統一加工成型后再運至洞內安裝。2.6.濕噴纖維混凝土外岙一號隧道、級圍巖支護設計中，臨時支護封閉掌子面采用素噴混凝土，、級圍巖段采用改性聚脂纖維（鋼纖維）噴射混凝土。3二次襯砌二襯采用自行式全斷面液壓鋼模襯砌臺車，襯砌臺車長10m。四、確保隧道施工安全的主要技術措施和其它保證措施主要技術措施1.監控量測監控量測的主要目的在于了12、解圍巖穩定狀態和支護、襯砌可靠程度，獲取二次襯砌及仰拱施作時機，確保施工安全及結構的長期穩定性。在隧道施工期間實施監測，提供及時、可靠的信息用以評定隧道工程在施工期間的安全性，并對可能發生危及安全的隱患或事故及時、準確地預報，以便及時采取有效措施，避免事故發生的同時指導設計和施工，實現“動態設計、動態施工”的根本目的。監控量測主要做好這幾個方面的工作：一是和產權單位簽定安全監控協議，由他們委托浙江逸欣天然氣公司負責管線的調查（包括：管道的材質、管壁的防護、焊縫情況）和監控管道位置的變化（包括：管道的下沉和擾動）等。二是，由我們自己做好隧道內、外的監控量測工作，及時掌握隧道拱頂變化、凈空變化、地13、表沉降情況，為安全施工起到指導作用。具體操作流程為：1.1. 監控量測斷面及測點設計凈空變化、拱頂下沉和地表下沉（淺埋地段、管道頂部及前后5m斷面）等必測項目設置在同一斷面，其量測斷面間距及測點數量根據圍巖級別、隧道埋深、開挖方法等按表6進行，洞口及淺埋段量測斷面間距取小值。必測項目量測斷面間距和每斷面測點數量 表6圍巖級別斷面間距（m）開挖方法每斷面測點數量凈空變化拱頂下沉級5三臺階七步法20個測點1點CRD法3條基線3點級10臨時仰拱臺階法2條基線1點沉降觀測按圍巖級別確定，本隧道級按5m、級按10m布設一個監測斷面。隧道洞口里程、隧線分界里程、明暗分界里程、有仰拱和無仰拱陳其變化歷程及隧14、道襯砌沉降縫兩側均設置一個斷面。除變形縫外每斷面布置2個沉降觀測點，分別布置在隧道中線兩側各4.6m處，變形縫處每個觀測斷面布置4個沉降觀測點，分別布置在隧道中線兩側各4.6m和變形縫前后各0.5m處。1.2 .主要監測項目測點布置水平收斂測方法采用水準抄平方法，基準點分別設置在洞內和洞外（用于校核），視線長度一般不大于30m，監測誤差控制在1.0mm以內（高程誤差0.7mm），必要時采用冗余觀測方法來提高監測精度。測點布置如圖1、2所示。拱頂下沉在確定監測的斷面隧道開挖或初噴后24小時內，在隧道拱頂部位埋設1個帶掛鉤的測樁（測樁埋設深度約15cm，鉆孔直徑約20cm，用早強錨固劑固定），并進15、行初始讀數。監測儀器采用水準儀和水準尺。地表沉降隧道淺埋地段地表下沉的量測與洞內凈空變化和拱頂下沉量測在同一橫斷面內。監測斷面垂直于隧道軸向布置，監測斷面橫斷面方向應在隧道中線兩側每隔25m布設地表下沉測點，每個斷面設5點，中心點在隧道拱頂正上方，直到拱腳與水平方向45度夾角的地層滑動線與地表交點，在最外測點以外至少5m設兩個不動點作為參照基點，通過精密水準儀量測不同時刻測點的高程即可得到測點在不同時間段內的下沉值，如圖三所示。另外，在沿著管道縱向每5米懸吊點的桁架上做好標記，測好桁架完全受力時的初始讀數，之后開挖至管道下方前后20m范圍每天測兩次，根據鐵四院的設計參數，地表沉降按最大值2cm16、來考慮加固管道。2.地質超前預報2.1隧道地質超前預報的目的TSP203探測系統可預報施工隧道掌子面前方以下不良（或特殊）地質問題：1）軟弱巖層的分布，2）斷層及其破碎帶，3）節理裂隙發育帶，4）含水情況，5）空洞，6）圍巖類別，即可以預測即將開挖隧道相關地質結構及其周圍地質狀況，同時也可以對力學參數（動態彈性摸量、剪切摸量、泊松比、密度、彈性縱波速度、彈性橫波速度等）進行評估，有利于及時預報隧道掌子面前方的地質狀況，以便正確指導隧道施工。3.防止地表下沉的技術措施隧道開挖后為了防止拱頂下沉而導致地表下沉，一方面我們在天然氣管道下方前后10m范圍將鋼拱架的間距調整到0.5m，另一方面采取在初期17、支護內圈增設20的工字鋼做護拱，護拱的間距等同初期支護的工字鋼架的間距，以增加拱圈的剛性，避免拱頂圍巖柔性變形產生拱頂下沉導致地表下沉。由于隧道埋深只有14m，在隧道施工過程中地表可能產生沉降，由此，可能導致天然氣管道產生較大的變形，甚至開裂。因此，在隧道中線左右各17.5m（鐵四院提供的參數）范圍外的不動點處設置兩個混凝土支墩，支墩為門式框架墩，上面架設桁架梁將管道懸吊起來，使地表的下沉不帶動管道的下沉，確保施工過程中天然氣管道的安全輸氣。避免由于任何原因對天然氣管道輸氣造成影響。（后附桁架設計圖）安全保證措施1、天然氣管道事故應急預案發生事故時要迅速切斷氣源，封鎖事故現場和危險區域，迅速撤18、離、疏散現場人員，設置警示標志，同時設法保護相鄰裝置、設備，關停一切火源、電源，防止靜電火花，將易燃易爆物品搬離危險區域，防止事態擴大和引發次生災害；設置警戒線和劃定安全區域，對事故現場和周邊地區進行可燃氣體分析、有毒氣體分析、大氣環境監測和氣象預報，必要時向周邊居民發出警報；及時制定事故應急救援方案（滅火、堵漏等），并組織實施；現場救援人員要做好人身安全防護，避免燒傷、中毒等傷害；保護國家重要設施和標志，防止對江河、湖泊、交通干線等造成重大影響。2. 通風技術措施由于隧道是雙口掘進，根據存在天然氣管道的特殊情況，進口、出口各設置兩臺110KW2的通風機。為了減少風阻，在保證有效凈空的情況下，19、選用大直徑(1.5m)的風管。嚴格控制通風時間，確保置換掌子面附近足夠的施工距離。因DK111+410里程處的天然氣管道在隧道頂部14m處，為防止天然氣管道因施工發生開裂，導致天然氣滲漏進隧道，在隧道內設置氣體濃度檢測儀，隨時隨地對隧道內的空氣濃度進行檢測。空氣濃度一旦出現異常，立即停止施工，所有人員撤離現場，關閉電源、火源，在施工現場內停止使用手機，防止發生爆炸事故。3隧道工程各分項工程質量保證措施3.1隧道開挖保證措施開挖支護是隧道工程的質量控制的源頭，針對不同的情況采取切實有效的措施是保證開挖支護質量。堅持“先治水、短進尺、強支護、早封閉、勤量測，快成環、早襯砌”的原則開挖過程中嚴格按設20、計控制開挖斷面，每開挖循環均測量放樣標出隧道中線位置和開挖輪廓，嚴格控制超挖。當出現超挖時，采用噴錨等永久支護體系時，多次復噴，直至大面平順。根據地質預報了解的前方圍巖情況，選擇適宜的開挖方案。開挖過程中鋼架或臨時支撐，重視鎖腳錨桿（管）的施工，以確保鋼架基礎穩定，確保下一個工序的安全施工，要及早封閉成環，必要時增設臨時仰拱，保護基底。3.2砂漿錨桿施工措施砂漿錨桿長度根據圍巖狀況及設計確定嚴格按交底長度下料，錨桿打設角度與巖層層理相匹配，錨桿角度盡可能與巖層面垂直多穿巖層，呈梅花形布置。要求錨孔內砂漿飽滿，保證錨桿、砂漿、圍巖間的粘結力。3.3噴射混凝土施工措施噴射混凝土采用濕噴工藝，按初噴21、和復噴組織施工。噴射混凝土由混凝土拌合站拌合。初噴在清幫、找頂后立即進行，初噴混凝土厚度45cm，及早快速封閉圍巖。復噴在拱架、掛網、錨桿施工完成后進行。3. 4襯砌混凝土施工措施二次混凝土襯砌采用襯砌臺車進行。混凝土襯砌施工采用輸送泵灌注，拌合站集中拌和，嚴格按混凝土配合比生產，混凝土輸送車輸送。擋頭模板及臺車下緣注意模板拼縫防止漏漿，確保施工縫質量。采用同條件養護試件強度，控制襯砌混凝土強拆模時間，嚴禁提前拆模。隧道襯砌前，必須將隧道底部和墻腳的虛碴、浮碴清除干凈，確保仰拱及隧道的拱墻襯砌置于堅實的基礎上，避免襯砌不均勻下沉開裂。添加粉煤灰等改善混凝土性能，盡量降低水灰比，控制水泥用量。采22、用泵送混凝土工藝，周密組織混凝土運輸，防止混凝土離析，最大限度的縮減混凝土運輸時間和澆筑間歇時間，并加強混凝土灌注過程中搗固，確保混凝土搗固質量，保證襯砌混凝土的密實度。控制混凝土入模、拆模時的環境溫度與混凝土溫差在規范范圍內。4監控量測質量保證措施認真加固拱腳，加強縱向聯結等，上臺階初支要清除拱腳積水與淤泥，通過打設超長拱腳錨桿或擴大拱腳減少下臺階開挖后的下沉量。使初期支護與圍巖形成完整體系。盡量單側落底或雙側交錯落底，避免上半斷面兩側拱腳同時懸空；控制落底長度，視圍巖情況采用1-3m，不大于6m。找出每道工序的合理施工時間，各工序嚴格按標定時間進行控制，從而縮短循環作業時間，減少開挖面土體23、的暴露時間，支護及時封閉成環。及時監控量測圍巖，觀察拱頂，拱腳的收劍情況，據此調整初期支護參數。合理進行圍巖支護：采用聚丙烯纖維混凝土、錨桿、鋼筋網及鋼架進行聯合支護，并緊跟開挖掌子面，并根據具體情況在隧道底部打設錨桿，或在隧道頂部打入超前注漿小導管支護，并盡可能使初期支護在開挖面周壁迅速閉合；襯砌結構盡早閉合，膨脹巖隧道開挖后，圍巖向內擠壓變形一般是在四周同時發生，所以施工時要求隧道襯砌及早封閉，要求隧道開挖能盡快形成全斷面，以便快速完成隧道斷面的二次襯砌施工。五、天然氣管道加固方案1. 為防止隧道在開挖過程中出現垮塌，天然氣管道采取桁架吊頂的措施進行加固。以隧道線路中線線為中點，沿天然氣管24、道左右各17.5米，總長35米的范圍設置三角桁架，桁架的設計詳見附件。2.桁架的支撐采用門式墩，在35米的范圍兩頭各設置一個，墩基礎采用明挖擴大基礎，基礎置于硬質基巖上。墩身采用鋼筋混凝土，高度約1.5米。門式墩結構尺寸詳見附件。3.桁架架設完畢后，每隔5米設置一個吊點。在吊點的位置開挖出天然氣管道，管道埋深約1.2米，開挖至1.0米時候，更換工具，采用木制鍬進行開挖，主要目的是為了防止鐵質工具破壞管道外面的絕緣漆，產生火花。4.天然氣管道在吊點進行吊裝時候，管道外應該先包裹一層橡膠絕緣套管，防止鐵質吊裝設施直接管道發生摩擦，保護天然氣管道。5.管道吊裝完畢后，及時對開挖出的管道進行原土回填，25、避免管道長期暴露。6.在施工過程中，對隧道頂天然氣管道采用柵欄進行封閉，并指派專職安全員進行巡邏檢查，禁止閑雜人及明火等進入管道防護區域。7、按鐵四院的設計方案施工地表沉降值最大不超過2cm，而管道不允許有沉降變形，因此在每個吊點處的管道上面安裝一個與之相連接并露出地面的測點，一旦檢測到管道有下沉，立即用懸吊點的緊線器緊鋼絲繩，確保管道沉降量為零。8.隧道施工完畢后，對隧道頂35米范圍內的天然氣管道采取換管措施，并加設2cm的套管，具體換管方案由具有相關資質的浙江省煤電研究設計院設計。六、鋼桁架的設計方案計算過程 （鋼 柱） 截面類型= 16; 布置角度=0; 計算長度：Lx=1.46, Ly26、=2.00; 長細比：x= 4.9,y= 18.9 構件長度=2.00; 計算長度系數: Ux=0.73 Uy=1.00 截面參數: B1=450, B2=450, H=700, Tw=14, T1=20, T2=20 軸壓截面分類:X軸:b類, Y軸:b類 驗算規范: 普鋼規范GB50017-2003強度計算最大應力對應組合號: 27, M=-166.42, N=303.64, M=-1088.08, N=-297.48強度計算最大應力 (N/mm*mm)=189.67強度計算最大應力比 =0.925平面內穩定計算最大應力 (N/mm*mm) =138.74平面內穩定計算最大應力比 = 0.27、677平面外穩定計算最大應力 (N/mm*mm) =145.39平面外穩定計算最大應力比 =0.709腹板容許高厚比計算對應組合號: 18, M=40.76, N= 192.20, M= -149.06, N= -61.17GB50017腹板容許高厚比 H0/TW =64.12GB50011腹板容許高厚比 H0/TW =70.00 翼緣容許寬厚比 B/T =13.00 強度計算最大應力 f= 205.00 平面內穩定計算最大應力 f= 205.00 平面外穩定計算最大應力 f= 205.00 腹板高厚比 H0/TW= 47.14 H0/TW= 64.12 翼緣寬厚比 B/T = 10.90 B28、/T= 13.00 壓桿,平面內長細比 = 5. = 150 壓桿,平面外長細比 = 19. =150均布荷載下最大撓度計算：經公式Ymax=ql4/8EI計算得最大撓度19.6mm=20mm風荷載作用下柱頂最大水平（X 向）位移:節點( 30), 水平位移 dx=0.042(mm) = H / 75441.風載作用下柱頂最大水平位移: H/75441 柱頂位移容許值: H/150經過計算，設計的桁架受力、滿荷載下的最大撓度以及風荷載下的水平位移均滿足要求。七、結束語 事實證明這種近距離高壓天然氣輸氣管線的隧道開挖及安全防護方案是安全的，用監控量測來預控沉降變形的措施是切實可行的。鋼桁架懸吊輸氣管線起到了安全儲備的作用，相當于新奧法施工隧道二次襯砌的作用機理，有效的防止了管道的沉降變形，確保了輸氣管道在整個施工過程中的安全。