作者：范霁雯，吴丹琪，刘珣，求伟杰，王胜炎
第一作者单位：杭州市城乡建设设计院股份有限公司
摘自《煤气与热力》2018年5月刊
1   概述
顶管施工在与既有天然气管道交叉时，可能对既有天然气管道造成影响，轻则引起天然气管道周边土体滑移导致管道应力集中或损伤管道外防腐层，重则损坏天然气管道引起泄漏，进而引发火灾、爆炸事故，造成人员伤亡和财产损失［1］。
 
2   顶管建设对天然气管道的危险因素
①工程勘察阶段
 
a.勘探单位事前没有调查既有埋地管道信息，地质勘探时采用的静力触探仪将既有管道钻破。
 
b.勘探单位采用不可靠的物探方法。目前普遍采用的电磁感应法，通常以英国雷迪管线仪作为唯一的物探手段，在周边存在电磁干扰的情况下，对深埋管道物探时往往误差很大，最大水平误差可能达到10～20 m，深度误差达到6～8 m。
 
②工程设计阶段
 
a.既有管道竣工资料不准确、管道物探成果误差大可能导致顶管设计标高不合理，从而引发事故。
 
b.顶管设计交叉间距太小，未充分考虑地层土壤特性、物探及施工误差等因素，导致事故。
 
③工程施工阶段
 
a.野蛮施工、顶进平面及标高随意变更，是造成事故的主要原因。
 
b.从施工管理角度看，未对施工人员进行培训交底、安全制度不完善、管道业主单位未到场监护等，也是常见的事故原因。
 
3   安全保障措施
通常情况下，在新建工程前期首先应通过当地规划、国土、建设等部门了解过境管道、电缆及光缆信息。在对现场进行实地勘测时，应主动寻找天然气管道的标志桩或指示牌，提前与天然气管道业主单位取得联系，当得知既有管道为直埋敷设时，可在业主单位监护下开挖样坑求证。如果既有管道采用定向钻或顶管深埋敷设时，则必须通过地下管线精确物探技术取得天然气管道的确切平面位置以及纵向标高，设计时按照相关标准规范要求进行间距控制，避免既有管道安全受到威胁。
3.1  精确探测技术的应用
传统物探方法原理为电磁感应，误差通常为0.10 h～0.15 h（h为管线埋深），误差随着管道埋深增加而加大。当管线埋深超过3 m时，许多物探单位没有把握保证管道物探成果的精度。这主要是由于电磁感应物探技术容易受周边管线或高压输电线等干扰从而产生较大偏差，这时必须对管道进行现场开挖样坑来确认管位。当天然气管道采用定向钻或顶管施工时，埋深往往超过5 m，最深点甚至达到20～30 m，因此非开挖深埋管道无法采用开挖样坑的方式来验证。部分物探单位曾采用电磁感应外加静力触探方法试图确定管道的准确位置，结果因误探把天然气管道顶破。另外，静力触探容易损伤管道防腐层，也不应提倡。
 
许多深埋天然气管道竣工资料无法准确反映天然气管道真实位置，给后建工程的建设增加了难度。尤其对于水平定向穿越的既有管道，水平定向钻技术可以走平面和竖向曲线，设计曲率半径与施工往往不一致。尤其遇到软土地层，管道施工完成后还会滑移，施工完毕即使使用了陀螺仪定位也无法保证日后竣工资料的准确性。
 
在物探、竣工资料不准确又无法开挖的情况下施工，顶管顶进时存在较大的风险。精确物探是采用以地震映像法、磁梯度法为主，电磁感应法为辅的综合物探方法，其探测误差小于20 cm，精确程度远远优于以电磁感应法为原理的传统物探方法［2］。精确物探费用较高，平均探测1个点价格在（5～7）×104元，在两条管道交叉的情况下，需要探测的点可取2~3个，物探费用（10～20）×104 元。但相比于因地下管线情况未知而带来的风险如天然气管道被破坏造成的人员伤亡和经济损失，在前期勘测阶段采用精确物探技术是可接受、切实可行的安全措施。
3.2  交叉间距控制
 
在设计阶段充分考虑两条管道的竖向标高与管径大小，保证足够净距，是新建顶管工程建设过程中保证天然气管道安全的必要措施。目前GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》、GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》等相关规范规定的管道交叉间距仅适用于双方均为直埋管道，不适用于顶管与深埋天然气管道的交叉间距控制要求，通常可参考CECS 246：2008《给水排水工程顶管技术规程》，该规范第5.3.2条规定：“空间交叉管道的净间距，钢管不宜小于0.5倍管道外径，且不应小于1.0 m；钢筋混凝土管和玻璃钢纤维增强塑料夹砂管不宜小于1倍管道外径，且不应小于2 m。”
 
根据顶管标高设计的不同，顶管有可能在天然气管道的上方或下方穿越。参照GB 50289—2016《城市工程管线综合规划规范》第4.1.12条规定：“当工程管线交叉敷设时，管线自地表面向下的排列顺序宜为：通信、电力、燃气、热力、给水、再生水、污水。”顶管在进行竖向标高设计时，在考虑到顶进技术可行性、竖井施工难易程度的前提下应参照上述规范推荐的顺序进行设计［3］。
3.3  顶管精度控制
 
CECS 246：2008《给水排水工程顶管技术规程》第13.2节规定：顶进长度1 000 m以内的顶管，直线顶管高程的最大允许偏差钢管为100 mm、钢筋混凝土管为80 mm；水平轴线的最大允许偏差钢管为200 mm、钢筋混凝土管为100 mm。
3.4  施工过程中的监测、控制措施
 
顶管施工的监测、控制包括对管道顶进以及沉降的监测与控制。
 
顶进过程中应随进尺同步监测偏差变化，保证顶进轨迹在预期范围，对偏离超标及时矫正，将最大偏差控制在限值内［4］。
 
顶管施工的沉降量主要由顶管机顶进的附加推力引起。根据现有顶管穿越工程经验，顶管顶进过程中每4 h进行一次沉降测量，当路面日沉降量大于2 mm，累计大于20 mm时，及时采取针对性措施（如加压水泥浆、粉煤灰等），以防地表变形沉降。地面沉降有严格要求时，应选择对正面阻力有精确计量装置的平衡式顶管机。顶管施工时主要以预防为主，控制顶进速度［5］。
 
施工时，应委托具备相应资质的第三方单位对顶管工程实施现场监测。监测单位应编制监测方案。施工期间天然气管道业主单位人员应到场监护。
 
3.5  相关单位要求
 
①施工单位要求
 
项目施工单位应选择训练有素、富有经验的施工人员进行操作。安全培训教育及安全交底中必须强调关于对天然气管道保护的安全管理内容，现场施工人员应充分重视既有天然气管道的安全。
 
②天然气管道业主单位要求
 
天然气管道业主单位在施工期间应指定专职的安全管理人员对施工现场进行安全监督、检查及处理相关的协调工作。施工单位和天然气管道业主单位应确保应急救援所需的资源，无论是人员还是设备都应能及时获得，并在紧急情况下，能迅速组织施救和抢险。
 
4   事故案例与工程实例
4.1  事故案例
 
2013年11月20日，宁波北仑某工业用水管道项目顶管施工作业过程中，顶裂某公司深埋氮气管道，导致5人窒息死亡，1人受伤，直接经济损失逾690×104 元。该项目没有详细调查氮气管道的确切位置，施工单位层层转包，既有氮气管道未经过验收即投入使用，顶管施工多次更改位置和标高，最终导致事故。
 
同年12月27日，杭州城西采用非开挖敷设的4 MPa高压天然气管道在地下约11 m处被某污水厂主干管顶管施工过程中的工作机头顶破。一周后从地面打孔测到泄漏的天然气。
 
该事故的主要原因是采用传统电磁感应及静力触探的物探方法没有探测到高压天然气管道。所幸顶管操作技工经验丰富，发现电流异常立刻停机，破管内的天然气仅发生微量泄漏，尚未漏入顶管机内，也未发生天然气大量喷出，否则可能发生井下工人因窒息或爆炸事故而导致人员伤亡。同时所幸管道两端均有上游气源保证供应，否则将给下游富阳区、西湖区、之江旅游度假区大量用户造成严重的停气事故。该事故发生后，重新建设了一条非开挖定向钻高压天然气管道，污水管顶管机头处临时加设一只中继顶管井，共计经济损失逾900×104 元。
 
4.2  工程实例
 
杭州城西高压天然气管道事故发生后，为保证后续工程顺利进行，对高压天然气管道东侧的2条中压燃气管道进行了二次物探。二次物探采用精确物探技术，准确测量了管道的标高、埋深。由于使用精确物探技术可以精准控制交叉间距，取消了污水管道后续顶管工程原本为躲避2条中压燃气管道而准备采用的下沉方案，为污水管道顺直施工创造了条件，保证了污水管道的流通能力。后续顶管采用2 m直径钢管，最终顶管完成后，地面沉降监测符合要求，实测顶管与中压燃气管道最小交叉净距为1.70 m，满足CECS 246：2008《给水排水工程顶管技术规程》的偏差要求。
 
5   结论
①当顶管与既有天然气管道不可避免有交叉时，在前期进行管线探测时采用精确探测技术可以大大提高探测结果的精准性，减小顶管施工的风险。
 
②顶管在设计时必须按照相关规范严格控制顶管与既有天然气管道的间距，合理考虑管道的垂直空间布置次序，优选施工作业队伍，加强施工过程中的监测、控制，均是顶管建设中应采取的安全保障措施。
③现行天然气管道相关规范中，未见顶管与天然气管道间距的相关规定。顶管穿越的交叉不同于一般开挖敷设管道的交叉，建议相关标准规范修订时，可结合现有技术水平和实际操作经验，将不同穿越方式敷设的管道与天然气管道垂直间距要求加以区分，以便更加精准地指导实践。

参考文献：
［1］杨惠丰． 长距离土压平衡顶管工程设计与施工［J］.  煤气与热力，2014，34（5）：B22-B27.
 
［2］王胜炎，茅斌辉，顾紫娟，等.  深埋天然气管道精确探测技术探讨［J］.  煤气与热力，2015，35（4）：B01-B05.
 
［3］李水明． 浅析顶管轴线偏移对上覆土层的影响［J］.  非开挖技术，2016（4）：68-72.
 
［4］闫福明． 顶管穿越过程中的精度控制及缺陷处理［J］.  油气储运，2006，26（9）：53-54.
 
［5］张爽． 西气东输二线遂川江顶管穿越施工监测［J］.  油气储运，2012，31（11）：861-864.
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