天然氣過(guò)江隧道充排水方案研究

中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司

宋玉銀 李 斌 蔣袁曦 申建波

為完善上海市天然氣主干管網(wǎng)，加快長(zhǎng)三角區(qū)域天然氣主干管網(wǎng)互聯(lián)互通，上海擬實(shí)施崇明島-長(zhǎng)興島-浦東新區(qū)五號(hào)溝LNG 站管線工程項(xiàng)目。本工程天然氣管道需兩次穿越長(zhǎng)江，擬采用隧道穿越。北線隧道為長(zhǎng)興島-崇明島，長(zhǎng)度約8.2 km。南線隧道為浦東曹路-長(zhǎng)興島，長(zhǎng)度約6.9 km。隧道內(nèi)徑為φ3.4 m，呈“W”型。為防止管道泄漏時(shí)天然氣在隧道內(nèi)聚集，根據(jù)設(shè)計(jì)，隧道建成后采用充水運(yùn)行。

本文以南線隧道(以下簡(jiǎn)稱隧道)為例，對(duì)該隧道內(nèi)的充排水時(shí)間和排水方案進(jìn)行研究，選擇合理可行的技術(shù)方案，為工程建成后的運(yùn)行和維護(hù)提供支持。

1 隧道水力學(xué)特征分析

過(guò)江隧道呈“W”型，江北側(cè)為長(zhǎng)興過(guò)江井，江南側(cè)為曹路過(guò)江井，全線長(zhǎng)約6.9 km，隧道內(nèi)設(shè)計(jì)坡度為0.1%，隧道內(nèi)各節(jié)點(diǎn)高程變化見圖1。

圖1 隧道內(nèi)各節(jié)點(diǎn)高程變化示意

隧道內(nèi)各節(jié)點(diǎn)標(biāo)高匯總見表1。

表1 隧道內(nèi)各節(jié)點(diǎn)標(biāo)高匯總

1.1 各段存水量

根據(jù)隧道斷面設(shè)計(jì)，如圖2 所示，隧道總充水容積Vs 根據(jù)式(1)計(jì)算。

式中：

Vs——充水容積，m3；

L——隧道長(zhǎng)度，m；

S1——隧道截面積，m2；

S2——管道截面積及支墩截面積(管道連續(xù)，支墩為間隔)，m2；

S3——隧道平臺(tái)截面積，m2。

經(jīng)計(jì)算，南線隧道總充水約50 070 m3。

由于隧道呈“W”型，隧道內(nèi)最高點(diǎn)E 距離兩端過(guò)江井長(zhǎng)度不同，且最低點(diǎn)標(biāo)高不同，導(dǎo)致在排水過(guò)程中，以最高點(diǎn)E 為界，隧道南北兩側(cè)存水量不同，需分別計(jì)算。

隧道水位變化示意圖見圖3。

圖2 隧道斷面示意

圖3 隧道水位變化示意

當(dāng)隧道內(nèi)水位下降至最高點(diǎn)E1 時(shí)(即基準(zhǔn)線1)，隧道內(nèi)充水總?cè)莘e為47 561 m3；而當(dāng)隧道內(nèi)水位下降至最高點(diǎn)E2 時(shí)(即基準(zhǔn)線2)，最高點(diǎn)E 至長(zhǎng)興過(guò)江井北側(cè)隧道部分的充水容積為7 949 m3，最高點(diǎn)E至曹路過(guò)江井南側(cè)隧道部分的充水容積則為35 581 m3。

1.2 “W”型結(jié)構(gòu)氣囊

由于隧道呈“W”型，且隧道內(nèi)兩處最低點(diǎn)D、F 標(biāo)高不同，D 點(diǎn)高于F 點(diǎn)。初次充水時(shí)，當(dāng)隧道內(nèi)水位升至最低點(diǎn)D1 處，即基準(zhǔn)線0 水位時(shí)，隧道內(nèi)F→D 之間標(biāo)高超過(guò)-26.680 m 內(nèi)空間的空氣將形成一個(gè)巨大的結(jié)構(gòu)氣囊，無(wú)法自動(dòng)外排，若不采取工程措施，則無(wú)法使隧道內(nèi)完全充滿水。

當(dāng)隧道需要外排水時(shí)，隧道內(nèi)水位到達(dá)最高點(diǎn)E1 標(biāo)高-23.270m 即基準(zhǔn)線1 之后，隧道內(nèi)壁以最高點(diǎn)E 位置為原點(diǎn)將逐步承受因抽排水造成的負(fù)壓，且該壓力值隨著排水量的增加而增加，受負(fù)壓范圍也將逐漸擴(kuò)大，不利于排水的正常進(jìn)行。因此，應(yīng)采取必要的工程措施，消除隧道內(nèi)充排水過(guò)程中的阻力。

2 隧道充水與排氣

2.1 充水分析

為減少充水時(shí)間，隧道采用雙向同時(shí)充水的方案，分別從長(zhǎng)興過(guò)江井站、曹路過(guò)江井站兩端充水?？紤]到充水時(shí)應(yīng)盡量減少對(duì)周邊供水管網(wǎng)的影響，充水計(jì)算流速按1.5 m/s 計(jì)。

各站區(qū)均單獨(dú)敷設(shè)專用填充水的給水專線，當(dāng)供水專線管道為DN100 口徑時(shí)，隧道的總充水時(shí)間約25 d。當(dāng)供水專線管道為DN150 口徑時(shí)，隧道的總充水時(shí)間約12 d。

2.2 排氣分析

當(dāng)供水專線管道為DN100 口徑時(shí)，隧道總進(jìn)水流量為0.024 m3/s，只要隧道內(nèi)排氣流量不低于進(jìn)水流量時(shí)，隧道充水就能順暢進(jìn)行，因此，根據(jù)本工程特點(diǎn)，采用自然排氣的方式。

隧道中部最高點(diǎn)E 距離長(zhǎng)興過(guò)江井最近，因此設(shè)置1 根通風(fēng)管，管道口徑DN150，一端起點(diǎn)為隧道中部最高點(diǎn)隧道頂，一端為長(zhǎng)興過(guò)江井出井口連接大氣層。當(dāng)隧道排水時(shí)，水位下降至基準(zhǔn)線1 后，強(qiáng)制向隧道內(nèi)進(jìn)風(fēng)，避免隧道內(nèi)出現(xiàn)真空狀態(tài)。

3 隧道排水方案探討

3.1 排水分析

隧道呈“W”型，隧道較長(zhǎng)，填充水容量大，隧道內(nèi)設(shè)計(jì)坡度為0.1%，水體自然流動(dòng)緩慢，分析排水水位下降過(guò)程，隧道內(nèi)水容積變化表見表2。

表2 隧道排水過(guò)程容積變化情況

表2 中，隧道排水時(shí)，水位標(biāo)高在基準(zhǔn)線2 之上的水量可由隧道兩端過(guò)江井中排水泵同時(shí)抽吸排放，水位線下降速度一致，但在基準(zhǔn)線2 之下的水量則是分別由隧道兩端的排水泵排放，水位線下降速度不一致，且排水過(guò)程互不影響。

由于隧道內(nèi)最高點(diǎn)E 距離靠近隧道北側(cè)端點(diǎn)A，因此在排水過(guò)程中，當(dāng)水位線下降在基準(zhǔn)線2之下后，隧道內(nèi)南側(cè)水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于北側(cè)水量。

3.2 排水泵配置模式

排水泵的數(shù)量和安裝位置決定了排水周期和排水效率。根據(jù)隧道形狀，隧道兩端均采用串聯(lián)排水方式，即隧道內(nèi)部排水泵與過(guò)江井內(nèi)排水泵串聯(lián)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。

由于隧道定期保養(yǎng)的時(shí)間間隔較長(zhǎng)(參照國(guó)內(nèi)外多個(gè)類似項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，多為8～15 年)，正常工況下填充水排空的頻率較低，配套設(shè)置的排水泵使用率極低，因此排水泵布置有兩種安裝方案，分別是固定永久性安裝和臨時(shí)移動(dòng)性安裝，通過(guò)以下兩種安裝方案的分析比選，確定推薦安裝方案。

3.2.1 固定安裝排水泵

只有在隧道兩端最低點(diǎn)固定安裝排水泵，方能完全排空整條隧道內(nèi)填充水，因此應(yīng)在最低點(diǎn)F、D 和過(guò)江井端點(diǎn)A、K 這四個(gè)位置點(diǎn)安裝排水泵，同時(shí)配套安裝排水管道。

其中，D 點(diǎn)和端點(diǎn)A 處排水泵串聯(lián)運(yùn)行，D 點(diǎn)排水泵抽取隧道內(nèi)水至過(guò)江井(端點(diǎn)A)，同時(shí)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行過(guò)江井(端點(diǎn)A)內(nèi)排水泵，提升出水至站區(qū)地面污水管道內(nèi)，最終匯入市政污水管網(wǎng)；F 點(diǎn)和端點(diǎn)K 處排水泵串聯(lián)運(yùn)行，F(xiàn) 點(diǎn)排水泵抽取隧道內(nèi)水至過(guò)江井(端點(diǎn)K)，同時(shí)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行過(guò)江井(端點(diǎn)K)內(nèi)排水泵，提升出水至站區(qū)地面污水管道內(nèi)，最終匯入市政污水管網(wǎng)。

隧道內(nèi)串聯(lián)運(yùn)行的排水泵流量一致，揚(yáng)程根據(jù)實(shí)際各安裝位置確定，方案示意見圖4。

圖4 隧道內(nèi)固定安裝排水泵方案示意

3.2.2 臨時(shí)設(shè)置移動(dòng)排水泵

臨時(shí)排水方案中，隧道內(nèi)無(wú)任何排水設(shè)施，僅固定安裝排水管，該條管道上每隔一定間距設(shè)置一個(gè)預(yù)留接口，起點(diǎn)為隧道最低點(diǎn)，終點(diǎn)為過(guò)江井。隧道排水時(shí)，采取臨時(shí)設(shè)置移動(dòng)式水泵接力排水模式，在隧道內(nèi)安裝移動(dòng)式排水泵，泵出水就近排入固定排水管內(nèi)，最終排入過(guò)江井內(nèi)集水坑，由該集水坑內(nèi)臨時(shí)設(shè)置的排水泵將填充水排出至地面排水管網(wǎng)。

臨時(shí)移動(dòng)式接力排水模式示意圖見圖5，隨著隧道內(nèi)水位的下降，人工運(yùn)輸移動(dòng)排水泵至隧道最低點(diǎn)。

圖5 隧道內(nèi)移動(dòng)排水泵接力排水方案示意

3.2.3 方案比選

根據(jù)隧道的結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)行模式，兩種排水方案比選見表3。

表3 隧道排水方案的比選

4 排水時(shí)間與排水泵數(shù)量的匹配

4.1 排水時(shí)間

根據(jù)天然氣過(guò)江隧道的特點(diǎn)，在工程設(shè)計(jì)中已將安全等級(jí)達(dá)到最高，從管材、防腐、控制、監(jiān)測(cè)等方面做到本質(zhì)安全，因此隧道中的排水根據(jù)常規(guī)情況周期較長(zhǎng)。正常情況下，每次檢修時(shí)排水時(shí)間不低于30 d，連續(xù)排放。但在非正常緊急情況，要求排水時(shí)間越短越好。因此必須根據(jù)上述排水泵的配置形式，考慮泵的運(yùn)輸、配電線纜的重量等因素，依據(jù)系統(tǒng)控制的應(yīng)急措施，合理選擇非正常工況下的排水時(shí)間。

4.2 正常工況下排水泵的配置

過(guò)江井隧道正常工況檢修周期時(shí)間較長(zhǎng)，根據(jù)工程的多項(xiàng)參數(shù)監(jiān)測(cè)確定是否需要排水檢修，在正常工況下確定隧道填充水排空時(shí)間為30 d。

排水泵的選型原則如下：

(1)單臺(tái)排水泵的抽水能力及揚(yáng)程根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果分析確定，確保排水泵在在較高效率區(qū)運(yùn)行；

(2)在滿足抽水安全及運(yùn)輸方便的前提下，水泵配置臺(tái)數(shù)盡可能減少，以降低設(shè)備投資和減小排水泵安裝場(chǎng)地；

(3)為便于運(yùn)行操作，宜采用相同結(jié)構(gòu)型式的水泵。由于隧道南北兩側(cè)排水總量不同，因此固定安裝的排水管道口徑也不同，其中D→A 點(diǎn)排水管道口徑為DN100，F(xiàn)→E 點(diǎn)排水管道口徑為DN150。正常情況下排水泵配置見表4。

表4 隧道各點(diǎn)排水泵安裝配置

4.3 非正常工況排水泵的配置

隧道內(nèi)一旦發(fā)生天然氣泄漏事故，需緊急切斷兩端閥門，快速放散且盡快排出隧道內(nèi)水，以便于搶修。

緊急事故時(shí)，移動(dòng)排水系統(tǒng)中水泵數(shù)量和抽水能力決定了隧道的排空時(shí)間。隧道內(nèi)固定安裝的排水管道口徑適當(dāng)調(diào)大一檔，有利于事故排水速度。

根據(jù)水位逐步下降情況，隧道兩端分別從A→D 段、K→F 段，人工運(yùn)輸移動(dòng)防爆排水泵組進(jìn)入隧道內(nèi)部，每段串聯(lián)接力獨(dú)立運(yùn)行，兩段同時(shí)工作。

從隧道設(shè)計(jì)工作斷面圖可見，隧道內(nèi)部在安裝了DN800 的天然氣管及配套設(shè)施后，能供人交通運(yùn)輸?shù)木嚯x僅為1.4 m，從工程實(shí)際可安裝的操作空間考慮，綜合考慮固定安裝的排水管道能力及臨時(shí)安裝排水泵的可行性，確定事故時(shí)各段排空時(shí)間與移動(dòng)排水系統(tǒng)規(guī)模對(duì)應(yīng)情況見表5 和表6。

表5 隧道A→D 段及長(zhǎng)興島過(guò)江井內(nèi)臨時(shí)排水泵安裝配置

表6 隧道K→F 段及曹路過(guò)江井內(nèi)臨時(shí)排水泵安裝配置

從表5 和表6 中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)排空時(shí)間在10 d 以內(nèi)時(shí)，隧道K→F 段需要配置的移動(dòng)排水泵重量都大于100 kg，且需要兩臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行。實(shí)際上隧道可通行空間小，水泵移動(dòng)困難，供電、通風(fēng)難度大，導(dǎo)致實(shí)施難度大。因此，在緊急事故情況下，優(yōu)先系統(tǒng)控制風(fēng)險(xiǎn)，隧道排水時(shí)間需要大于10 d 的移動(dòng)排水方案具有可行性。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)南線隧道內(nèi)的充排水時(shí)間和排水方案進(jìn)行研究后，可以得出以下結(jié)論：

(1)天然氣過(guò)江隧道充水運(yùn)行，當(dāng)供水專線管道為DN100 時(shí)，南線隧道充水時(shí)間約25 d；當(dāng)供水專線管道為DN150 時(shí)，南線隧道充水時(shí)間約12 d。

(2)通風(fēng)管可以有效避免隧道內(nèi)形成負(fù)壓，確保隧道能完全填充水，同時(shí)可以對(duì)隧道內(nèi)是否有燃?xì)庑孤┻M(jìn)行直接檢測(cè)，隧道中部最高點(diǎn)需設(shè)置1 根通風(fēng)管，通風(fēng)管管徑為DN150。

(3)隧道排水采用移動(dòng)式安裝水泵串聯(lián)接力模式。正常工況下，30 d 排水方案可行；非正常工況下，優(yōu)先控制天然氣管路系統(tǒng)，排水時(shí)間至少10 d以上。