桩基施工对埋地天然气管道影响及控制措施

3178 2020-09-18 17:36:49

全球低碳经济发展的要求，使得天然气的需求量快速增长，天然气高压管道作为天然气输配系统的主要环节，是输配系统的重要组成部分^［¹^］。2017年7月12日，国家发改委、国家能源局发布《中长期油气管网规划》，规定到2020年，全国油气管网规模达到16.9×10⁴ km；到2025年，全国油气管网规模达到24×10⁴km。随着我国城镇化建设的不断推进，建筑及市政工程建设用地日趋紧张，原有的高压管道“进城”现象越来越多，各类工程施工对天然气高压管道安全的影响也日渐凸显。天然气是易燃易爆物质，天然气管道在高压运行状态下，一旦发生破坏，天然气将在非常短的时间内大量泄漏扩散，容易造成爆炸和火灾，对距现场一定距离的人员和建筑物造成伤害和破坏，直接影响到周边的公共安全和社会稳定。因此，各类工程施工中对既有埋地天然气高压管道安全影响进行分析并采取控制措施是非常重要的，本文从桩基施工这类常见的施工手段出发，分析施工过程中可能对周边埋地天然气管道造成的影响并提出相应的安全控制措施。

1、桩基施工对天然气管道影响分析

桩按设置效应通常分为挤土桩、部分挤土桩及非挤土桩。

挤土桩：实心的预制桩、下端封闭的管桩、木桩以及沉管灌注桩等在锤击和振动贯入过程中都要将桩位处的土体大量排挤开，使土体结构严重扰动破坏，对土的强度及变形性质影响较大。

部分挤土桩：冲击成孔灌注桩、H型钢桩、开口钢管桩和开口预应力混凝土管桩等。在桩的设置过程中对桩周围土体稍有排挤作用，但土的强度及变形性质变化不大。

非挤土桩：如钻（冲或挖）孔灌注桩及先钻孔后打入的预制桩，因设置过程中清除孔中土体，桩周土不受排挤，并可能向桩孔内移动。

本文着重探讨挤土桩及非挤土桩对周边埋地天然气管道的影响。

1.1 挤土桩施工对周围环境的影响

1.1.1 打桩施工产生的挤土效应及规律^［^2-3^］

挤土桩会对土体产生压密或者挤开，从而使土体产生隆起和水平位移。

挤土桩对周边土体的扰动区一般为桩周围3倍桩径的范围。土体的隆起量与桩的体积成正比，与桩基础所占的面积成反比。学者们普遍认为，土体的侧向位移随着距桩中心的距离变大而减小，并且呈指数形式的变化规律。

1.1.2 打桩施工产生的振动特性^［⁴^］

打桩引起的振动波是在重锤击桩瞬间，由锤桩接触点传出的不均匀加速度场。打桩振动在地下主要以体波形式传播，地下结构受打桩振动荷载的作用与地震动力响应有着相似的分析机理。

打桩时每一击贯入度取决于土壤阻力，故振动强度与土壤阻力密切相关。在锤击能量不变时，桩端土层越硬，每击塑性贯入越小，其传入土中能量就越大，引起的振动响应也越显著。反之，土层较软时，就表现为低频振动，振幅也较小。

1.2 非挤土桩施工对周围环境的影响

钻孔灌注桩为非挤土桩的典型代表。钻孔灌注桩使用机械钻孔，现场在桩孔中下入钢笼后浇筑混凝土成桩，钻孔灌注桩无挤土效应，且施工噪声较小，对周围环境影响较小。但钻孔灌注桩施工过程环节比较多，在遇到复杂地质如卵石层、淤泥质土层时，如若施工工艺控制不当，容易出现塌孔、缩径、桩孔倾斜等质量问题，这时会对周围环境产生一定的影响。

综上所述，在桩基施工前，其周边的埋地天然气管道与土层之间已经达到了一定的平衡状态。挤土桩基施工时，必然会扰动附近的土体，由于管土之间的相互作用，会破坏管道埋置的平衡状态，从而对埋地管道产生影响；非挤土桩基施工时，正常情况下对周边环境影响较小，但若遇卵石层、淤泥质层等复杂地层时，也会对周边的地下结构物造成一定的影响。

2、桩基施工对天然气管道危险有害因素

桩基附近埋地天然气管道破坏的形式主要有：冲击荷载直接作用在管道上引起的损伤；外力作用下过量变形引起的损伤；应力波反复作用于管道上造成的疲劳破坏。

桩基施工是一个系统性的工程，除了打桩过程扰动土层对周边埋地天然气管道产生影响以外，其施工过程中的每个环节都可能对管道产生影响。桩基整个施工过程中对埋地天然气管道的影响主要表现在以下方面：打桩（指打设挤土桩）或钻孔（指非挤土桩钻孔）、天然气管道物探误差、机械车辆运输及施工作业面的布置、土方开挖、天然气管道警戒线及警示标志的设置、操作者的不安全行为、安全管理方面不完善等，主要的危险有害因素分析如下。

①挤土桩的危险有害因素

a.打桩：未合理控制桩基与管道之间的间距，打桩产生挤土效应和振动，引起管道破坏。

b.天然气管道物探误差：布置桩基位置时，若未考虑埋地天然气管道物探的误差，从而在打桩过程中，直接对埋地管道造成冲击破坏，或是使埋地管道位于其扰动区范围内而引起管道破坏。

②非挤土桩的危险有害因素

a.钻孔：未合理控制桩基与管道之间的间距，或在钻孔过程中未采取充分的质量保障措施，在塌孔及桩孔倾斜时引起管道破坏。

b.天然气管道物探误差：布置桩基位置时，若未考虑埋地天然气管道物探的误差，从而在钻孔过程中，直接对埋地管道造成冲击破坏。

3、桩基施工前和过程中采取的控制措施

3.1 桩基施工前的控制措施

3.1.1 桩基类型的选择

通过前文介绍的两种典型桩基的成桩工艺可以看出，非挤土桩对邻近埋地天然气管道的影响明显小于挤土桩，在设备、地质等条件适合的情况下，尽量选用非挤土桩，以减少对周边天然气管道的影响。

3.1.2 桩基与埋地天然气管道安全间距的控制

保证桩基与埋地天然气管道之间的安全间距是桩基施工时天然气管道不受破坏的重要因素，确定安全间距时建议：

①挤土桩除了需布置于天然气管道保护范围以外，还应结合其挤土效应和振动特性来确定其与埋地管道之间的安全间距。本文提到的天然气管道保护范围为：城镇燃气管道参考，长输管道执行的《石油天然气管道保护法》第30条规定的管道中心线两侧各5m范围。

②非挤土桩除了需布置于天然气管道保护范围以外，与埋地天然气管道之间的间距应考虑到施工机械有足够的操作空间以及管道的物探误差、塌孔、缩径、钻杆倾斜率等因素。

3.1.3 埋地天然气管道的精确探测

地下天然气管道通常有直埋敷设和非开挖敷设，直埋敷设埋深较浅（1~3 m），非开挖敷设通常埋深较深（2~35m），目前工程中常用的地下管线探测仪采用的是电磁感应方法，其隐蔽管道点探查精度：水平位置限差±0.10 h，埋深限差±0.15 h（h为地下管道的中心埋深，当h≤100 cm时，以100 cm计）。从探测精度来看，该方法仅局限于浅埋管道探测，当管道埋深超过5 m时管道的探测误差较大，一般平面误差达到埋深的20%~30%，甚至更大或无法探测定位，深度探测误差比平面位置探测误差更大^［⁵^］。

埋地天然气管道的位置是桩位布置的前提，大部分桩基对埋地天然气管道破坏的事故都是由于管道探测不准确而引起的，尤其是管道埋深较大的情况下，所以需采用有效的物探方法精确定位既有埋地管道，具体措施如下：

①对于直埋天然气管道，采用常规的电磁感应法测得地下管道的位置，然后在管道业主的监护下，采取开挖样洞的方式现场验证管道的确切位置。

②对于非开挖敷设天然气管道，常用的地下埋地管道精确探测方法主要有以下几种^［⁶^］：

a.人工地震波法，其基本原理是利用不同介质有不同的波阻抗值，可产生弹性界面，当界面两侧的弹性波速度和波阻抗差达到一定程度时，地震波法探测即会取得满意的探测效果。

b.磁梯度法，井中磁梯度探测可作为保证探测管道深度可靠性的验证手段，通过比较磁梯度和其他相关物探方法的探测结果，评价其他相关物探方法的有效性。

c.孔中雷达法，采用超高频雷达技术，分辨率很高，它向地层发射高频电磁波，利用电磁波在地层中的传播特性来获取地层信息，从而解释地下构造。

深埋管道探测工作往往需要各种探测手段相互印证，来确保管道探测成果的准确性，通常的管道精确探测工序见图1。

图1 深埋管道精确探测工序

3.2 桩基施工过程中采取的控制措施

3.2.1 挤土桩打（压）桩过程中采取的控制措施^［⁷^］

①挤土桩及施工机械应布置于天然气管道保护范围外。

②预钻孔取土，成孔后打桩：预先在桩位处钻孔取土，来抵消一部分桩的挤土量，减少周围土体的挤压力及扰动。

③帷幕保护法：在桩和管道之间一定的宽度和范围内设置隔离帷幕，以隔离打桩引起的土体位移。

④控制施工方式：合理安排沉桩顺序、控制沉桩速率。

3.2.2 非挤土桩施工采取的控制措施

①施工机械应布置于远离埋地管道的一侧。

②桩机在开钻前测量人员应严格按照坐标点位进行放样，专职质检员在开钻前对孔位进行核查，确定无误后方可开钻。钻进过程中现场技术人员应实时对孔位、钻杆垂直度、倾斜度进行复核，确保在受控范围内。

③在桩机钻进深度离天然气管道垂直净距≤3 m时，应放缓钻进速度，同时实时对孔位、钻孔垂直度、倾斜度等进行监测。

④施工方案编制时应根据地质情况制定防止塌孔的措施。

⑤对于易塌孔、缩孔等不良地层条件，钻孔施工过程中应采取钢护筒或钢板桩等方式使钻孔施工面与埋地天然气管道隔离开来，以防止钻孔施工过程发生塌孔及钻杆倾斜时对埋地天然气管道的影响。

3.3 施工监测

在桩基施工时，应由建设方委托具备相应资质的第三方对桩基施工实施现场监测。施工时应适量布置监测点，对天然气管道的沉降及位移进行监测。

4、工程案例

4.1 埋地天然气管道侧近距离打桩案例一

4.1.1 工程概况

待建工程为桥梁扩建工程，桥梁桩基为钻孔灌注桩，桩径1.3 m，待建桥梁3^#台4^#桩与已建埋地天然气管道相邻；已建天然气管道外直径为406.4 mm，壁厚9.5 mm，敷设方式为顶管穿越公路。套管内直径为1 200 mm，管节长度为2 000 mm，壁厚为120 mm，套管管顶埋深约为4.21~4.65 m；待建桥梁3^#台4^#桩与已建管道套管的净距为2.35 m。

本工程场地位于杭州湾南岸滨海冲积沉积平原，场地埋深20 m范围内分布有粉质粘土、淤泥质粉质粘土，工程力学性质较差。已建的埋地天然气管道位于淤泥质粉质粘土层。

本工程钻孔灌注桩布置于天然气管道的保护范围内，原则上需要管道进行迁改后方可进行桩基施工，但是鉴于桥梁扩建工程工期紧张，在对已建管道采取保护措施并经过安全评估的情况下先进行桩基施工。

4.1.2 桩基施工过程中采取的保护管道措施

①天然气管道管位的确认：进行地下管线探测并现场开挖确认管位。由于天然气管道埋深较深，开挖时须在天然气管道业主的监护下，机械开挖至管顶上方1 m后，再使用人工开挖，现场开挖管位见图2。

图2 天然气管道管位现场确认

②天然气管道保护措施：本工程场地存在厚层软土，钻孔过程中易出现缩孔现象，所以本工程3^#台4^#桩施工前采取了埋设钢护筒的保护措施（见图3），具体步骤为：

图3 3^#台4^#桩钢护筒保护施工断面

a.邻近3^#台4^#桩处开挖探坑以进一步明确管道走向。

b.精确放样钻孔桩（3^#台4^#桩）位置。

c.对3^#台4^#桩下部土方实施挖除，挖至天然气管道保护套管顶面。

d.使用挖掘机配合人工埋设第一节钢护筒，直至钢护筒下沉至保护套管底标高下面1 m处，停止下沉。接下来吊装第二节钢护筒并逐层回填土方，后续钢护筒安装以此类推，所有钢护筒安装完毕并回填土方。

③施工平面优化布置

本工程中的设备材料堆放区、泥浆池、移动板房等施工设施均需设置于已建天然气管道两侧保护范围外，采用反循环履带式钻机，垂直已建管道停放于孔位的另一侧。

④警戒、警示标志设置

在施工范围内的天然气管道所在位置设立标志牌，沿管道走向每隔3 m设立一处标志牌，标明管道名称，并按要求标出禁止开挖范围。

⑤其他措施

要求施工单位在施工组织方案编制时，应体现针对天然气管道的危险辨识、评价及预防、安全交底与培训、应急救援预案等内容。

桥梁扩建工程3^#台4^#桩在施工过程中基本执行了上述针对埋地天然气管道采取的安全对策措施，桩基施工顺利完成，对已建天然气管道的影响均在可控范围内。

4.2 埋地天然气管道侧近距离打桩案例二

4.2.1 工程概况

待建工程为桥梁工程，桥梁桩基为钻孔灌注桩，桩径1 m；已建埋地天然气管道外直径为323mm，壁厚6.4 mm，位于桥梁8^#桥墩与9^#桥墩之间，敷设方式为大开挖穿越河道，管顶埋深为4.21~4.65 m；待建桥梁桩基与已建埋地天然气管道的最小水平净距为5.12 m，见图4。

图4 桥梁桩基与已建天然气管道相对位置

4.2.2 保护措施

本工程中桥梁桩位虽然位于已建天然气管道保护范围以外，但桩基须在河道中进行施工，需要搭设钻机平台，钻机平台的桩基为4~6 m长直径为18 cm的圆木桩。若8^#桥墩与9^#桥墩之间钻机平台的圆木桩连续布置时，必然会在天然气管道两侧保护范围内打设圆木桩（挤土桩），所以本工程在实施时将8^#桥墩与9^#桥墩之间采取断开式布置，见图5。通过钻机平台布置方式的优化，使圆木桩均位于天然气管道保护范围外，从而减小其对管道的影响。