史振鋒

中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司

摘要：管道隧道穿越施工是石油天然氣管道建設(shè)工程的關(guān)鍵工程，存在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、施工操作風(fēng)險(xiǎn)和管道相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)等困難和挑戰(zhàn)。分別介紹了某石油管道和天然氣管道隧道穿越工程面臨復(fù)雜地質(zhì)條件和周邊等復(fù)雜環(huán)境，通過(guò)采用智能監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化裝備、新材料應(yīng)用、數(shù)字化管理等安全防護(hù)新技術(shù)，顯著提升了施工安全水平與管理效能。從技術(shù)成本與投資回報(bào)、技術(shù)兼容性與集成難度、人員技術(shù)水平與培訓(xùn)需求、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)與監(jiān)管機(jī)制的適應(yīng)性四個(gè)方面，詳細(xì)分析了應(yīng)用安全防護(hù)新技術(shù)存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，并提出了針對(duì)性策略。為石油天然氣管道隧道施工安全防護(hù)新技術(shù)應(yīng)用提供了可借鑒的范本。為實(shí)現(xiàn)管道隧道施工智能化、無(wú)人化、綠色化，未來(lái)仍需不斷探索研究與工程實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：管道隧道；安全風(fēng)險(xiǎn)；安全防護(hù)新技術(shù)；應(yīng)用案例

在石油天然氣管道建設(shè)中，隧道穿越是常遇工程形式，用以克服復(fù)雜地形與障礙物。管道隧道專為敷設(shè)管道設(shè)計(jì)，與其他隧道相比特點(diǎn)顯著：即功能單一，斷面緊湊，以保護(hù)管道為核心，荷載以靜態(tài)為主，但需適應(yīng)介質(zhì)特性，如防腐、耐高溫或防爆，結(jié)構(gòu)需長(zhǎng)期穩(wěn)定抗?jié)B，防止沉降開(kāi)裂。然而，隧道穿越施工面臨地質(zhì)條件復(fù)雜、施工空間受限等難題，易引發(fā)安全事故，如坍塌、突泥涌水、瓦斯泄漏、爆炸等，不僅危及施工人員生命安全，還會(huì)造成環(huán)境污染與巨大經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)安全防護(hù)手段難以滿足當(dāng)下施工安全需求，研發(fā)與應(yīng)用安全防護(hù)新技術(shù)成為保障石油天然氣管道隧道穿越施工安全、高效進(jìn)行的關(guān)鍵。

1  管道隧道穿越施工的安全風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1  地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)

在管道隧道穿越施工中，地質(zhì)條件的復(fù)雜性是引發(fā)安全事故的重要因素。圍巖失穩(wěn)坍塌是常見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)，尤其在軟弱圍巖與破碎帶地段。可能出現(xiàn)因未對(duì)軟弱圍巖采取有效加固措施，施工中發(fā)生坍塌，掩埋部分施工設(shè)備與通道，導(dǎo)致工期延誤與經(jīng)濟(jì)損失。突泥涌水也是嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)，富水地層或巖溶區(qū)施工時(shí)，若超前地質(zhì)預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確或止水措施不當(dāng)，易引發(fā)突泥涌水，沖毀隧道，危及人員與設(shè)備安全。

1.2  施工操作風(fēng)險(xiǎn)

施工過(guò)程中的違規(guī)操作與設(shè)備故障也易引發(fā)安全事故。爆破作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大，若爆破參數(shù)不合理、操作不規(guī)范，可能導(dǎo)致爆炸威力失控，損壞隧道結(jié)構(gòu)與周邊設(shè)施。機(jī)械設(shè)備故障同樣不容忽視，隧道施工設(shè)備長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境運(yùn)行，易出現(xiàn)故障，若未及時(shí)檢修維護(hù)，設(shè)備突發(fā)故障可能造成人員傷亡與施工停滯。例如，深圳地鐵5號(hào)線某區(qū)間施工中，盾構(gòu)機(jī)刀具磨損嚴(yán)重未及時(shí)更換，導(dǎo)致掘進(jìn)受阻，刀盤損壞，延誤工期。

1.3  管道相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)于穿越既有石油天然氣管道的工程，保護(hù)既有管道安全是關(guān)鍵。施工振動(dòng)與沉降可能導(dǎo)致既有管道變形、破裂，引發(fā)泄漏與爆炸事故。同時(shí)，管道交叉部位密封處理不當(dāng)，也易引發(fā)泄漏，威脅施工安全與環(huán)境安全。

2  安全防護(hù)新技術(shù)的應(yīng)用案例分析

2.1  某大型石油管道隧道穿越工程案例

（1）工程概況。某大型石油管道隧道穿越工程，隧道全長(zhǎng)3.5 km，穿越地層復(fù)雜，包括砂巖、頁(yè)巖、灰?guī)r與斷層破碎帶，且需下穿既有鐵路與多條市政管線。工程施工難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，對(duì)安全防護(hù)技術(shù)要求嚴(yán)格。

（2）新技術(shù)應(yīng)用情況。該工程全面應(yīng)用安全防護(hù)新技術(shù)，采用智能監(jiān)測(cè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，部署上千個(gè)傳感器，如位移傳感器、壓力傳感器、應(yīng)力傳感器、瓦斯傳感器與溫濕度傳感器等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、有害氣體濃度與環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心。利用大數(shù)據(jù)分析與人工智能算法，建立安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)。

施工中使用智能化盾構(gòu)機(jī)，配備先進(jìn)導(dǎo)航、地質(zhì)探測(cè)與自動(dòng)化控制系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)利用衛(wèi)星定位與慣性導(dǎo)航技術(shù)，精確控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向，確保掘進(jìn)安全高效。地質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)超前雷達(dá)、聲波探測(cè)儀等設(shè)備，提前探測(cè)前方地質(zhì)情況，為施工提供地質(zhì)信息，便于及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)。自動(dòng)化控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)、出土、注漿等作業(yè)自動(dòng)化控制，減少人工操作失誤。

采用控制爆破技術(shù)與新型支護(hù)技術(shù)，如預(yù)裂爆破、微差爆破結(jié)合自進(jìn)式錨桿與噴射纖維混凝土，保障隧道開(kāi)挖與支護(hù)安全。

運(yùn)用基于BIM的施工管理平臺(tái)，整合隧道工程地質(zhì)、設(shè)計(jì)圖紙、施工進(jìn)度、設(shè)備信息與安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等信息，實(shí)現(xiàn)施工全流程可視化管理，并與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成，為安全決策提供依據(jù)。

配備智能安全帽等先進(jìn)的人員安全防護(hù)裝備，建立人員安全管理系統(tǒng)，保障施工人員安全。

（3）應(yīng)用效果評(píng)估。新技術(shù)應(yīng)用成效顯著。相比傳統(tǒng)施工方法，施工安全事故發(fā)生率大幅降低80%以上。施工進(jìn)度明顯加快，提前3個(gè)月完成隧道貫通，節(jié)約工程成本。隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好，未出現(xiàn)明顯變形與裂縫，保障管道長(zhǎng)期安全運(yùn)行。同時(shí)，施工對(duì)周邊環(huán)境與既有設(shè)施影響極小，未對(duì)既有鐵路運(yùn)營(yíng)與市政管線安全造成不良影響，得到各方高度認(rèn)可。

2.2  某天然氣管道隧道穿越復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域案例

（1）工程背景與挑戰(zhàn)。某天然氣管道隧道穿越工程穿越區(qū)域的地質(zhì)條件極為復(fù)雜，存在巖溶、暗河、斷層與高地應(yīng)力等不良地質(zhì)現(xiàn)象，施工面臨巨大挑戰(zhàn)，安全風(fēng)險(xiǎn)極高。

（2）針對(duì)性技術(shù)措施實(shí)施。面對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件，采取了一系列針對(duì)性安全防護(hù)技術(shù)措施。加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，采用 TSP 地震波探測(cè)、地質(zhì)雷達(dá)、超前鉆探等多種手段聯(lián)合探測(cè)，提前準(zhǔn)確掌握前方地質(zhì)情況。在巖溶發(fā)育區(qū)，采用注漿填充、鋼護(hù)筒穿越等技術(shù)處理巖溶洞穴與暗河。對(duì)于高地應(yīng)力區(qū)，采取應(yīng)力解除爆破、優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)等措施，防止巖爆發(fā)生。利用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)隧道圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。同時(shí)，采用高性能支護(hù)材料，如高強(qiáng)度鋼材制作鋼支撐、自進(jìn)式錨桿與高性能噴射混凝土，增強(qiáng)隧道支護(hù)能力。

（3）成果與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。隧道工程成功穿越復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域，有效避免突泥涌水、巖爆等重大安全事故發(fā)生，保障施工安全與人員生命安全。隧道施工質(zhì)量?jī)?yōu)良，滿足天然氣管道敷設(shè)要求。總結(jié)出一套針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域隧道穿越施工的安全防護(hù)技術(shù)體系與施工管理經(jīng)驗(yàn)，為類似工程提供寶貴借鑒。例如，在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方面，多種探測(cè)手段聯(lián)合應(yīng)用可提高地質(zhì)探測(cè)準(zhǔn)確性；在巖溶處理中，注漿填充與鋼護(hù)筒穿越結(jié)合效果良好；在高地應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力解除爆破與優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)能有效控制巖爆風(fēng)險(xiǎn)。

3  應(yīng)用安全防護(hù)新技術(shù)的問(wèn)題與對(duì)策

3.1  技術(shù)成本與投資回報(bào)

安全防護(hù)新技術(shù)的應(yīng)用通常前期需要較高投入，包括設(shè)備采購(gòu)、系統(tǒng)搭建、人員培訓(xùn)等費(fèi)用。以智能監(jiān)測(cè)與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為例，傳感器、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備與軟件平臺(tái)采購(gòu)成本較高，且后期維護(hù)與升級(jí)也需持續(xù)投入。對(duì)于一些小型施工企業(yè)或資金緊張項(xiàng)目，可能因難以承擔(dān)高額技術(shù)成本而對(duì)新技術(shù)應(yīng)用望而卻步。同時(shí)，新技術(shù)應(yīng)用的投資回報(bào)周期較長(zhǎng)，其帶來(lái)的安全效益與經(jīng)濟(jì)效益在短期內(nèi)難以直觀體現(xiàn)，部分企業(yè)對(duì)新技術(shù)投資持謹(jǐn)慎態(tài)度。

這就需要優(yōu)化技術(shù)成本與投資模式。政府與行業(yè)協(xié)會(huì)應(yīng)發(fā)揮引導(dǎo)作用，出臺(tái)相關(guān)扶持政策，如財(cái)政補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠等，鼓勵(lì)企業(yè)應(yīng)用安全防護(hù)新技術(shù)，降低企業(yè)技術(shù)應(yīng)用成本。同時(shí)，企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)與科研機(jī)構(gòu)、高校合作，開(kāi)展產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，研發(fā)性價(jià)比高的新技術(shù)與設(shè)備，降低技術(shù)研發(fā)成本。在投資模式上，可探索采用PPP（政府和社會(huì)資本合作）模式或設(shè)備租賃模式，由專業(yè)機(jī)構(gòu)投資建設(shè)新技術(shù)設(shè)施，施工企業(yè)通過(guò)租賃或購(gòu)買服務(wù)方式使用，減輕企業(yè)一次性投資壓力，提高投資回報(bào)率。例如，在智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)中，采用PPP模式，由政府與專業(yè)科技企業(yè)合作建設(shè)，施工企業(yè)按使用量支付費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)多方共贏。

3.2  技術(shù)兼容性與集成難度

管道隧道穿越施工涉及多種技術(shù)與設(shè)備，不同廠家、不同時(shí)期的技術(shù)與設(shè)備在接口、數(shù)據(jù)格式與通信協(xié)議等方面可能存在差異，導(dǎo)致新技術(shù)兼容性與集成難度大。例如，在智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成中，不同類型傳感器來(lái)自不同廠家，其數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不一致，需花費(fèi)大量時(shí)間與精力進(jìn)行數(shù)據(jù)整合與系統(tǒng)調(diào)試，增加施工復(fù)雜性與成本。此外，新技術(shù)與既有施工工藝、管理流程融合也存在困難，可能需要對(duì)施工組織與管理模式進(jìn)行較大調(diào)整，部分施工人員與管理人員對(duì)改變存在抵觸情緒，阻礙新技術(shù)推廣應(yīng)用。

可通過(guò)制定統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，明確不同新技術(shù)設(shè)備接口、數(shù)據(jù)格式與通信協(xié)議，提高技術(shù)兼容性。行業(yè)協(xié)會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)化組織應(yīng)組織相關(guān)企業(yè)與專家，加快編制《石油天然氣管道隧道智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)》《隧道自動(dòng)化裝備接口技術(shù)規(guī)程》等文件，推動(dòng)設(shè)備間無(wú)縫對(duì)接。同時(shí)，鼓勵(lì)企業(yè)開(kāi)展集成創(chuàng)新，例如開(kāi)發(fā) “一站式” 安全防護(hù)管理平臺(tái)，將智能監(jiān)測(cè)、人員定位、設(shè)備控制等功能整合，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同技術(shù)的靈活嵌入。

3.3  人員技術(shù)水平與培訓(xùn)需求

安全防護(hù)新技術(shù)的應(yīng)用對(duì)施工人員與管理人員技術(shù)水平要求高。智能化設(shè)備操作、大數(shù)據(jù)分析、BIM 平臺(tái)應(yīng)用等都需要專業(yè)知識(shí)與技能。然而，目前部分施工人員文化水平較低，缺乏新技術(shù)相關(guān)知識(shí)與培訓(xùn)，難以熟練掌握新技術(shù)設(shè)備操作與應(yīng)用。例如，一些施工人員對(duì)智能安全帽功能了解有限，僅將其當(dāng)作普通安全帽使用，無(wú)法充分發(fā)揮其安全監(jiān)測(cè)與通信功能。同時(shí)，新技術(shù)不斷更新?lián)Q代，企業(yè)需持續(xù)投入培訓(xùn)資源，以提升人員技術(shù)水平，這對(duì)企業(yè)培訓(xùn)體系與資金投入是巨大挑戰(zhàn)。

企業(yè)需要強(qiáng)化人員培訓(xùn)與人才儲(chǔ)備，建立多層次培訓(xùn)體系，針對(duì)施工人員、技術(shù)人員和管理人員制定差異化培訓(xùn)方案。對(duì)一線工人開(kāi)展 “理論 + 實(shí)操” 培訓(xùn)，通過(guò)VR模擬演練掌握智能設(shè)備操作，如利用虛擬場(chǎng)景培訓(xùn)盾構(gòu)機(jī)故障應(yīng)急處理；對(duì)技術(shù)人員開(kāi)設(shè)大數(shù)據(jù)分析BIM建模等進(jìn)階課程；對(duì)管理人員進(jìn)行數(shù)字化管理理念培訓(xùn)。此外，校企合作建立人才培養(yǎng)基地，將新技術(shù)應(yīng)用納入高校石油工程、隧道工程專業(yè)課程體系，如西南石油大學(xué)與企業(yè)共建 “智慧隧道實(shí)驗(yàn)室”，定向培養(yǎng)復(fù)合型人才。同時(shí)，企業(yè)內(nèi)部設(shè)立技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，激發(fā)員工學(xué)習(xí)新技術(shù)的積極性。

3.4  法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)與監(jiān)管機(jī)制的適應(yīng)性

隨著安全防護(hù)新技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)有法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)與監(jiān)管機(jī)制存在一定滯后性，難以適應(yīng)新技術(shù)應(yīng)用需求。部分新技術(shù)在應(yīng)用中缺乏明確法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，導(dǎo)致施工企業(yè)在技術(shù)選擇與應(yīng)用中存在困惑，也給監(jiān)管部門執(zhí)法帶來(lái)困難。例如，對(duì)于新型支護(hù)材料與結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，其設(shè)計(jì)、施工與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)尚未完善，不同地區(qū)、不同項(xiàng)目執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不一致。此外，監(jiān)管機(jī)制在新技術(shù)安全評(píng)估、質(zhì)量監(jiān)督等方面存在不足，無(wú)法及時(shí)有效對(duì)新技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行監(jiān)管，可能引發(fā)安全隱患。

政府部門需加快修訂現(xiàn)有法規(guī)，將智能監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化施工等新技術(shù)納入《油氣輸送管道穿越工程施工安全規(guī)范》，明確技術(shù)應(yīng)用的安全底線與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。例如，規(guī)定隧道智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)留存期限不得少于工程設(shè)計(jì)使用年限，預(yù)警響應(yīng)時(shí)間需控制在1分鐘以內(nèi)。建立動(dòng)態(tài)監(jiān)管機(jī)制，運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)施工數(shù)據(jù)的不可篡改存證，監(jiān)管部門可實(shí)時(shí)調(diào)取施工全過(guò)程數(shù)據(jù)。推廣 “雙隨機(jī)一公開(kāi)” 監(jiān)管模式，利用無(wú)人機(jī)巡查、衛(wèi)星遙感等技術(shù)開(kāi)展遠(yuǎn)程監(jiān)督，監(jiān)測(cè)隧道施工對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理違規(guī)行為。

4  結(jié)語(yǔ)

石油天然氣管道隧道穿越施工安全防護(hù)新技術(shù)通過(guò)智能監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化裝備、新材料應(yīng)用、數(shù)字化管理等手段，顯著提升了施工安全水平與管理效能。然而，當(dāng)前仍面臨成本高、集成難、人才缺、標(biāo)準(zhǔn)滯后等挑戰(zhàn)。未來(lái)需通過(guò)政策扶持、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、人才培養(yǎng)、法規(guī)完善等措施，推動(dòng)新技術(shù)的深度應(yīng)用與持續(xù)創(chuàng)新，為我國(guó)能源管道建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)安全保障。隨著5G、人工智能、新材料等技術(shù)的發(fā)展，石油天然氣管道隧道施工安全防護(hù)將向智能化、無(wú)人化、綠色化方向邁進(jìn)，相關(guān)研究與實(shí)踐仍需不斷探索與完善。

作者簡(jiǎn)介：史振鋒，1991年生，本科，技術(shù)員，現(xiàn)任中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司安質(zhì)部副部長(zhǎng)，主要從事土建項(xiàng)目安全管理工作。聯(lián)系方式：15051893034，747864132@qq.com。