0 引言
目前我国获批轨道交通建设规划的城市已达36个，截至2013 年底，我国有19 个城市拥有地铁，总里程达到2 366 km，预计到2020 年全国拥有轨道交通的城市将达到50 个，轨道交通达到近6 000 km 的规模，地铁建设的高峰期已经到来。同时，我国已累计建成天然气主干管线约5 万km，其中，仅上海市“十一五”期间建设高压燃气管线600 km，“十二五”期间新增加150 km; 北京市“十二五”期间新增加高压、次高压管线约620 km。作为对现代城市发展至关重要的2 项基础工程，必将在各地不断出现地铁隧道工程下穿高压LNG( 液化天然气) 管线的建设问题。目前，国家和地方相关规范、规定对下穿高压LNG 管线距离要求及变形控制标准存在不统一的情况。如: 文献［1］中仅明确了管道跨越铁路或道路时，管道架空结构的最下缘净空高度，文献［2］仅明确了埋地高压、超高压天然气输气管道与建筑物的水平净距离，上述文献中并未对铁路或地铁下穿高压LNG 管线的距离作出明确规定。部分下穿工程在施工时虽然也制定了相应的标准，但普遍存在标准太高或缺乏理论依据的问题，如文献［3］和文献［4］分别规定了对风险等级较低、无特殊要求的地下燃气管道及刚性管道的沉降累计控制值及变化速率，未对高压燃气管线沉降标准进行明确。另外，一些工程实践中对燃气管线沉降标准也做出了一些规定，如: 天津地铁二期工程施工监测技术规定煤气管线允许沉降10 mm; 深圳地铁5 号线土建施工规定次高压LGN 管线允许位移20 mm、速率3 mm/d。上述控制标准一般都是通过专家会议确定的，但实际工程监测数据显示上述限值是保守的。以深圳地铁5 号线为例，大多数管线的沉降值超过了35 mm 的控制值，但管线仍是安全的［5］。文献［6］对于地铁隧道下穿高压LNG 管线时距离要求及沉降标准的研究仅停留在采用数值模拟进行计算，并未提出相关计算公式。本文旨在通过规范梳理、理论计算和案例分析等手段，对地铁隧道下穿高压LNG 管线距离要求和沉降控制标准进行探讨，以给类似工程提供参考。
1 高压LNG 管道保护相关规定的理解
1) 《中华人民共和国石油天然气管道保护法》中有明确规定: 在管道专用隧道中心线两侧各1 km 地域范围内，因修建铁路、公路和水利工程等公共工程，确需实施采石、爆破作业的，应当经管道所在地县级人民政府主管管道保护工作的部门批准，并采取必要的安全防护措施方可实施。此项法令是国家级法律，表达也十分明确，必须按相关要求执行。
2) 《油气输送管道与铁路交汇工程技术及管理规定》( 2016 年1 月1 日起施行) 第14 条规定: 新建铁路隧道在埋地管道下方采用控制爆破开挖时，隧道顶部与埋地管道底部的垂直高度不应小于20 m，同时应考虑铁路隧道断面大小、围岩条件、地面沉降变形及管道结构安全性等因素，特殊地形情况下，采取工程措施并经既有设施企业审批通过后，可将交叉净距适当减小。本规定中“铁路”包括高速铁路、客货共线铁路( Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级) 、重载铁路、城际铁路和工业企业专用线等，不包括城市轨道交通。
本条规定中“20 m”的距离要求是综合考虑现有铁路隧道开挖断面面积、施工沉降控制水平、爆破控制水平、管线沉降变形能力并结合多年经验制定的，是指在能满足2 项工程使用功能、增加投资可控的条件下应该遵守的基本要求。同时，本规定也具有灵活性，“采取工程措施并经既有设施企业审批通过后，可将交叉净距适当减小”，具体可以减小到多少，规定并未明确，但明确规定适用范围不包括城市轨道交通。
3) ［87］油建字505 号/铁基［1987］780 号《原油、天然气长输管道与铁路相互关系的若干规定》中第6条规定: 油、气管道需跨越铁路时，管道应有可靠的防护措施，其建筑物底至轨顶距离在蒸汽或内燃机车牵引地段，不得小于6． 0 m，在电力机车牵引( 含电气化规划铁路) 地段，区间内不得小于11． 1 m。铁路桥梁跨越油、气管道时，其梁底至桥下自然地面距离不得小于2． 0 m。本条规定主要是针对油、气管道需要跨越地面铁路桥梁、路基段时相互距离的要求，此条中“蒸汽或内燃机车牵引地段，不得小于6． 0 m”主要是依据GB 146． 2—83《标准轨距铁路建筑限界》中对桥梁限界不小于6 000 mm 的规定; 电力机车牵引地段，除应满足上述要求外，又考虑了接触网设计高度、导线与建筑物间最小距离、承力索( 带电) 至接触网高度后确定为11． 1 m; 关于铁路桥梁要求“其梁底至桥下自然地面距离不得小于2 m”，是考虑换管或抢修管道时，满足开挖施工的作业要求。
从以上分析可知，此条规定是不适用于地铁区间隧道下穿高压LNG 管线工况的，但对于高压LNG 管线跨越地铁高架、路基区间的距离要求有很好的借鉴作用。
需要注意的是本规定已经作废，但由于其编制依据解释得十分清楚，对理解其他一些规范、规定有帮助作用，因此仍然将其列出。
4) GB 50459—2009《油气输送管道跨越工程设计规范》第3． 1． 10 条规定［1］: 管道跨越铁路或道路时，管道架空结构的最下缘净空高度在铁路不应低于6． 5 ～ 7． 0 m，在电气化铁路不应低于11． 0 m。本条规定的依据与《原油、天然气长输管道与铁路相互关系的若干规定》中第6 条规定依据基本相同，不再赘述。
5) 上海市工程建设规范DGJ08—102—2003《城镇高压、超高压天然气管道工程技术规程》第5． 5． 1 条规定［2］: 埋地高压、超高压天然气输气管道与建筑物( 铁路地铁线路) 的水平净距离要求如表1 所示。
表1 高压、超高压天然气输气管道与建( 构) 筑物的水平净距
本条规定是参考英国IGE /TD/I edition3 1993 的规定并结合上海市的实际情况及上海市防火规范多年执行的经验提出的符合上海实际的有可操作性的数据。对于地铁区间隧道下穿高压LNG 管线工况有一定的参考价值。此条规范建议应在地铁已经建成，而高压LNG 管线后于地铁建设、特别是2 工程线位平行的工况时执行。
高压、超高压天然气管道与地下构筑物或相邻管道之间垂直净距对于铁路轨底为垂直距离大于1． 2m、对于有轨电车轨底为垂直距离大于1 m( 当有套管时，以套管计) 。此条是根据天然气管道多年来的实践经验，为了保护地下天然气管道和铁路、地铁等的安全给出的净距。
从上述规定、规范可以看出，对于地铁区间隧道下穿高压燃气管线的距离要求，相关规范并未作出明确要求，工程实践中应该结合管线重要性程度、压力、管径及地铁区间隧道的施工工法、断面大小等并结合已有工程实例具体确定，不能一概而论。当然，在有条件且地铁工程投资合理的前提下，区间隧道与高压LNG管线距离应尽量拉大。
2 高压LNG 管线沉降标准适用性分析
高压LNG 管线沉降控制值应在调查分析管线功能、材质、工作压力、管径、接口形式、埋置深度、铺设方式和铺设年代等基础上，结合其与工程的空间位置关系和当地工程经验进行确定。
GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》第9． 3． 3 条规定［3］: 当无地方工程经验时，对风险等级较低无特殊要求的地下燃气管道( 管径100 ～400 mm) 其沉降累计控制值为10 ～30 mm，变化速率为2 mm/d，差异沉降为0． 3%Lg( Lg为管节长度) 。对于高压LNG 管线来说，其压力和管径一般都超出此范围，因此本条规定并不能完全作为高压LNG 管线的沉降标准。
上海市DG/TJ08—2001—2006《基坑工程施工监测规程》第6． 15． 2 条规定［4］: 当无具体报警值时，对于刚性的煤气、供水管线位移累计值的报警值为10mm，变化速率为2 mm/d。此条规定一般指的是刚性的管线，对于高压LNG 管线，目前要求必须采用高等级无缝钢管，因此本规定也不能完全作为高压LNG 管线的沉降标准。
相对保守的管线沉降控制标准能够为管线安全提供一定的余量，但实际施工实践中往往难以达到，因此，很有必要确定一套既能满足管线的安全要求，又与目前的地铁施工沉降技术水平相适应的地铁区间隧道下穿高压LNG 管线沉降标准。
3 高压LNG 管线沉降标准计算分析
研究地铁区间隧道下穿高压LNG 管线沉降标准，首先必须明确地铁本身施工引起的沉降标准。地铁区间隧道施工时，一般断面一般地段允许沉降控制值为30 mm，此标准虽然没有明确的规范规定，但结合多年的实践经验已成为地铁行业的一个要求准则。因此，可以认为在现有的盾构隧道施工沉降技术水平下，地表沉降可以控制在30 mm 内。
3． 1 计算模型的简化
1) 将高压管线简化为弹性地基梁，地基采用有限元计算中的弹簧进行模拟，管线上方荷载考虑土压及超载。用有限元软件按实际情况进行建模，管线采用梁单元，管线的物理属性和管径等均可以进行设定，计算简化模型如图1 所示。
图1 计算简化模型
2) 当地铁区间隧道进行开挖时，假定隧道范围内管线下方的土体逐渐失效，即弹簧已经失效，并对管线沉降进行试算。弹簧失效采取逐一失效法进行，直到管线最大沉降达到30 mm。土体失效简化模型如图2所示。
图2 土体失效简化模型
3) 提取计算结果，主要包括管线全长范围内各节点的弯矩和沉降值。计算结果简图详见图3。
图3 计算结果
通过已知的弯矩、剪力计算出管线最大弯曲拉、压应力，剪切应力及最大拉、压应变。
根据GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》［7］第4． 2． 3 条，输气管道强度设计系数应符合表2规定。
因此，通过上述有限元模拟计算出的最大应力结合管线及地铁所处地区等级必须满足
σmax ＜ Fσs。( 1)
式中: F 为强度设计系数; σmax为计算最大弯曲应力;
σs为钢管的屈服强度。
表2 强度设计系数
3． 2 管线最小曲率半径的计算
3． 2． 1 有关概念
1) 弹性弯曲。管道轴向在外力或自重作用下产生的弹性限度范围内的弯曲变形。
2) 弹性敷设。利用弹性弯曲的变形改变管道走向或适应高程变化的管道敷设方式。
3) 沉降控制值的确定。钢管具有一定的轴向弯曲能力，且管道接口均采用焊接连接，因此钢管管道具备弹性敷设能力，并能适应一定的轴向变形弯曲。可通过在役钢管管道的轴向允许弯曲变形能力大小来确定管道的沉降控制值［8］。
4) 地铁盾构隧道施工引起的沉降量，目前普遍采用Peck 公式进行预测，Peck 提出隧道上方地表沉降槽的形态可用正态分布曲线来表述［9］，即
式中: S 为距隧道中心线x 的地表沉降量; Smax为隧道中心线处最大沉降量; x 为距隧道中心线的距离; i 为沉降槽宽度系数。
式中Vs为盾构隧道单位长度地层损失系数。i 可由下列经验公式计算
式中: H 为隧道埋深; Ｒ 为隧道水力半径; φ 为隧道周围地层内摩擦角。引入Peck 公式的目的是为确定研究影响管线的长度。
3． 2． 2 计算过程
假定下穿段管线长度为L，管道由原来的直线状态ABCDE 变为弧线AGHIE，其中弧线的曲率半径均为Ｒ，最大变形量为hmax。管道沉降状态示意图详见图4。
图4 管道沉降状态示意图
AM 表示弧线AG 弹性敷设的切线长度，设其长度为T。由于实际工程中管道转角α 非常小，因此实际上M 点非常接近直线AB 的中点，可以近似认为
弹性敷设管道的曲率半径应满足钢管强度要求，不应小于钢管外径的1 000 倍，且不宜小于钢管外径的1 500 倍，垂直面上弹性敷设管道的曲率半径还应大于管道在自重作用下产生的挠度曲线的曲率半径，曲率半径
式中: Ｒ 为管道弹性弯曲曲率半径，m; α 为管道的转角，( °) ; D 为钢管外径，m。
因此，对于弹性敷设的管道，沉降后曲率半径应满足
联立求解式( 5) 和式( 6) ，可计算出Ｒ 及α，并带入式( 8) 和式( 9) 可计算出管道沉降量
4 工程实例分析
4． 1 工程概况
某地铁工程下穿高压LNG 管线，管线埋深4． 7 ～4． 8 m，隧道结构顶距离管道套管底10． 3 ～ 10． 5 m，区间隧道埋深16． 4 m，下穿段关系图详见图5。
图5 某地铁区间隧道下穿高压LNG 管线横剖面图( 单位: m)
下穿段地层从上至下依次为素填土、残积砂质黏性土、全风化花岗岩、散体状强风化花岗岩、碎裂状强风化花岗岩和中等风化花岗岩。地下水可分为3 类:赋存于第四系土层中的松散岩类孔隙水; 赋存于残积层及全、强风化带中的风化残积孔隙裂隙水; 赋存于碎裂状强风化带及以下的基岩裂隙水，地层富水性差，地层参数如表3 所示。
地铁采用盾构法施工，盾构管片外径6． 2 m。高压LNG 管道管径711 mm，壁厚16 mm，材质L450M 钢管，管道压力为7． 5 MPa，管线最大允许轴向拉伸应变0． 001 13，最大允许压缩应变0． 000 67。
4． 2 沉降量30 mm 时管线应力、应变计算
利用有限元软件MIDAS － GTS 进行建模，管线单元划分长度为0． 5 m，并对地基弹簧采用逐一失效法进行试算，其中，地基弹簧系数为25 000 kN/m，管线上方的超载值为94 kPa。最大沉降量计算模型详见图6。
当管线沉降量为31 mm 时，弹簧失效范围约为10m，其最大弯矩为857 kN•m，最大剪力为483 kN，弯矩及剪力图详见图7 和图8。
图6 最大沉降量计算模型
表3 下穿段地层参数
图7 沉降后管线弯矩图( 单位: kN•mm)
图8 沉降后管线剪力图( 单位: kN)
根据材料力学公式求得管线最大拉应力为144． 3MPa ＜0． 4 × 450 = 180 MPa，压应力为104． 8 MPa ＜ 0． 4 ×450 =180 MPa，拉伸应变及压缩应变分别为0． 000 687 及0． 000 499，均可满足高压LNG 管线设计要求。
4． 3 最小曲率半径计算
采用Peck 公式对本盾构隧道地表沉降进行了预测，其中隧道半径为3． 1 m，地层土体损失率为0． 9%，预测左右线施工后其沉降槽宽度约为70 m，地表沉降曲线如图9 所示。
根据式( 5) ～ ( 9) 可得出:
L = 70 m，T = L /8 = 8． 75 m，α = 0． 104 2°，Ｒ =962 6 m，h = 15． 91 mm，hmax = 31． 81 mm。
可见，当管线沉降为31． 81 mm 时，其曲率半径大于1 500 倍钢管外径，满足规范要求。
图9 地表沉降曲线
5 结论与建议
高压燃气管线功能重要，服务范围广，一旦发生停气、泄露和爆炸等事故，其后果十分严重，属于社会影响重大事故［11］，相关工程必须引起高度重视。通过本文的研究得出了以下几点结论和建议:
1) 对于地铁区间隧道下穿高压LNG 管线的距离要求相关规范并未作出明确要求，工程实践中应该结合管线重要性程度、压力、管径及地铁区间隧道的施工工法、断面大小等并结合已有工程实例具体确定，方案设计中不能硬性规定地铁区间隧道与高压LNG 管线的距离要求，这样既能保证高压LNG 管线的安全，又能做到地铁工程投资的合理。
2) 结合现有地铁盾构区间隧道施工沉降控制标准并根据高压LNG 管线的埋深、管径、材质及所处地质条件，可将30 mm 作为管线下方土体失效后管线沉降的控制值，以此来检算管线的应力及应变是否满足设计要求。
3) 对于弹性敷设的LNG 高压管道，沉降后曲率半径应满足本文式( 7) 的要求。
4) 由于高压LNG 管线压力值的不同，其管线重要性及影响范围是不同的，因此，在下穿施工中需要根据管线压力的不同，制定相关应急预案，以便发生事故时有针对性地进行救援、抢修和处理。
5) 由于地铁运营过程中产生的杂散电流对钢制管线会产生一定的腐蚀作用，因此应根据监测结果采取一定的防腐措施，建议在实际类似下穿工程中加强后期运营时杂散电流的监测，若地铁运营时监测到阴保电位超出要求范围，应采取排流等相关措施。
摘自：隧道建设