頂管隧道穿越管道安裝施工技術

魏仁軍 季仁柱 張寶林 高云宇 程勝霞

河北華北石油工程建設有限公司 河北任丘 062552

頂管隧道穿越管道安裝施工技術

魏仁軍 季仁柱 張寶林 高云宇 程勝霞

河北華北石油工程建設有限公司 河北任丘 062552

油氣管道在遇到通航河道以及現場條件不適宜大開挖或定向鉆穿越的河流時，多采用一種頂管隧道穿越的施工方法。其主要特點為受人文地理等客觀條件影響較小，具有一定的施工靈活性和經濟性。主要以西氣東輸二線南昌—上海支干線8標段頂管隧道穿越工程為例，對頂管隧道穿越工程中的管道安裝、管道防腐、隧道注漿等關鍵工序的施工方法進行總結，為今后頂管隧道施工提供了相應的參考。

頂管隧 管道安裝 防腐 注漿

西氣東輸二線管道工程（東段）南昌—上海支干線第8標段，管線起自蕭山海寧界，終點為上海末站，管道沿途經過浙江省海寧市、海鹽縣、平湖市、上海的金山區，共4個縣市區，線路全長99.8km。管道設計規格為Φ1016，設計壓力10MPa，鋼管材質X 70，沿線共設置5座線路閥室，1座嘉興分輸站，1座上海末站。第8標段共設計頂管隧道穿越8條（見表1），頂管隧道由內徑為2.2 mm鋼筋混凝土套管、直徑10m的始發井和直徑8m的接收井三部分組成。

表1 上海支干線8標段頂管隧道穿越主要工程量

頂管隧道管道安裝工程主要由隧道內管道安裝、豎井內管道安裝及一般段管道安裝三部分組成。

1 施工前期準備

1.1 人員、物資準備

1.1.1 人員準備

包括管理人員的配置和作業面的人員配備。作業面配備電焊工12名（分三班倒）、起重工2名、防腐工4名，管工2名，特種作業人員必須持證上崗。

1.1.2 修整施工便道

根據現場實際情況，修復和加固在頂管沉井作業期間修筑的施工便道，以滿足施工設備、材料進退場需求。

1.1.3 場地平整

始發井和接收井四周平整出50m×50m的場地，用于搭建臨時設施、材料堆放和設備停放。

1.1.4 材料準備

施工前將施工必需的材料、設備拉運到平整好的場地內。鋼管卸車后每根管子兩端各加一個臨時管帽，防止泥土、石塊等雜物進入管內。

1.2 隧道主體工程的驗收

隧道主體工程完成后，主體施工單位提前48h通知業主、監理、EPC和管道安裝單位代表進行聯合驗收，驗收合格后，管道安裝單位予以接收。進行驗收時，應重點關注一下內容：

（1）復測隧道的坐標位置和高程以及平巷直線度允許偏差。復測后得到的數據應符合設計要求，是否存在設計變更，直線度允許偏差1.5‰。核對是否存在設計變更，以便及時對管道安裝數據進行調整。

（2）檢查平巷套管之間、平巷與豎井之間水封是否符合規范要求，有沒有滲水現象。有輕微滲漏的標示出來，安排主體施工單位處理。滲漏嚴重的視為不合格，不進行接收。

（3）檢查平巷套管之間是否有脫節、錯位現象。當有輕微錯位（不大于15%套管壁厚）和底部不平整時，主體施工單位應用水泥砂漿進行找平。嚴重錯位和套管脫節時視為不合格，不進行接收。

2 施工方案

2.1 總體施工方案及卷揚機的選定

2.1.1 總體施工方案

頂管隧道一般采用“豎井+平巷+豎井”形式，始發井直徑為10m，接收井直徑為8m，平巷結構為內徑為2.2m的鋼筋混凝土管。

平巷內管道安裝采用在管道上安裝滾輪支座方式進行隧道穿越，組對、焊接在始發井內進行（采取相應措施后可在隧道內外同時焊接），在接收井側設置卷揚機等作為管道牽引設備完成管道的最終就位（見圖1）。豎井內的管道組裝在地面上整體預制完成后，用吊車整體吊裝到位，和隧道內管道連接，然后再安裝一般段的管道。

2.1.2 卷揚機噸位選定

套管內鋼管為Φ1016×26.2mm，長度為245m（按穿越長度最長的寧袁塘隧道考慮），鋼管重量約為157t。每組管箍以及安裝完后五個小輪中重量為401+518=919（kg），管箍及滾輪共需30組。鋼管及附件總重按照184t考慮，鋼輪與混凝土表面的滾動摩擦系數取0.1，計算卷揚機的牽引力為18.4t，所以選擇30t的卷揚機能夠滿足要求，鋼絲繩的規格為6×34mm。

在接收井內進行鋼筋混凝土澆注時，選用材質為Q235的20#槽鋼制作預埋件，作為地錨與接收井底座一并進行澆筑，使之與接收井成為一體，作為高強度的整體混凝土地錨，用以安裝轉向滑輪（見圖2）。

地錨槽鋼的應力校核：

2.2 施工工序

2.3 管道滾輪組制作安裝

2.3.1 管道滾輪組制作

（1）隧道主體管道安裝施工前，首先進行按照設計圖紙<穿-304/1>制作管道滾輪。為保證管道向隧道內拖進的順利進行，經與設計代表溝通，取消管子頂部的2個滾輪，并將3個滾輪徑向延長線的交點改為與Φ2200混凝土套管同心（見圖4）。

（2）滾輪座、滾輪材質為ZG270-500。管箍與加強筋板焊接連接，焊縫高度不小于10mm；管箍與管座焊接連接時應采用鑄鋼焊條，焊縫高度20mm。

（3）支撐輪、導向輪、管座等附件預制加工公差等級為GB/T1084;滾輪軸及軸孔的粗糙度應達到Ra2.5級。

2.3.2 管道滾輪組安裝

滾輪組預制完成后，運至施工現場。滾輪組每8m設置一處，安裝前，先在管道防腐層外層包裹10mm厚、800mm寬橡膠板，然后用M 20*120mm端頭螺栓將管箍固定在橡膠板外層，螺栓務必要擰緊，保證管箍固定牢固，防止其串動損傷防腐層。為便于光纜套管安裝，在每個管箍的第一條螺栓位置安裝一個滑輪支架（見圖5）。

2.4 施工機具設備安裝

2.4.1 牽引設備安裝

在接收井內安裝牽引架和卷揚機的導向輪。發電機和卷揚機放置接收井上方的自然地面上，用地腳螺栓固定牢固。

在始發井內搭設1m高的設備平臺，將DC400和送絲機安置在平臺上，防止突降暴雨，由于排水不及時造成施工設備被淹。在豎井底部的集水坑內放置揚程25m的潛水泵，隨時進行排水。

2.4.2 照明設施安裝

在始發井和接收井井內分別設置兩層照明設施，下層設在施工平臺上，上層設在井口，光線斜向下照向施工區域，同時在井上的施工場地（50×50m范圍內）四周每10m設置一盞防爆燈。隧道內每20m設置一盞防爆燈（見圖6）。

2.4.3 通風設施

每個井內分別設置一臺鼓風機和一臺軸流風機，保障井內的通風良好和排煙的通暢，其設置（如圖7）所示。

2.5 隧道內管道安裝

2.5.1 組對焊接前準備

（1）選擇與主線路相同的焊接工藝規程（WPS-XQ2-ZF006），隧道內管道焊接采用STT打底，半自動焊填充蓋面。

（2）施工前，將DC400焊接和送絲機安裝在豎井內的施工平臺上，并對所有焊接設備進行調試，使焊接設備性能滿足焊接工藝要求。

（3）抽調焊接技術水平高的焊工進行施焊，力爭焊接一次合格，減少焊縫返修工作量。

（4）組對前，在地面作業場地對管口進行噴砂除銹，達到Sa2.5級，噴砂除銹僅限于當天使用的管口。隔日需重新做除銹處理。

（5）檢查管子的坡口尺寸。對于不合格的坡口，采用機械（坡口機）方式對焊接坡口進行加工，使其滿足焊接工藝要求。

（6）吊裝前，在地面上用電火花檢漏儀仔細檢查管道防腐層，發現防腐層由損傷時及時進行補傷。

2.5.2 鋼管吊裝就位

（1）因隧道始發井的直徑為10m，故隧道內安裝的管道采用8.0～8.5m長的頂管隧道專用管道，以保證管道能夠順利吊裝到位。

（2）在始發井周邊平整用于30t吊車等設備作業的施工場地（8m×8m）。施工場地承載力應滿足30t吊車吊裝要求。如承載力不足應根據地質條件采取鋪設鋼板或鋪墊枕木等加固措施，確保滿足吊裝要求。

（3）吊裝前，所有井內施工人員應躲到隧道口內。吊裝時，井上、井下各安排一名起重工，井上起重工站在吊車對面的井口負責指揮，井下起重工輔助。用30t吊車將單根鋼管吊起，緩慢移動到發送井口的中心位置，調整方向后緩慢落到井底。將鋼管順著管線敷設方向放置在發送平臺臨時管托上（見圖8）。

2.5.3 鋼管組對焊接

（1）在首根管道相應位置安裝好滾輪支架，端部焊接上牽引頭，接好牽拉鋼絲繩，并與接收井外卷揚機連接，將首根鋼管牽引進入隧道內。

（2）吊放入第二根鋼管，采用吊車、千斤頂輔助外對口器進行管道的組對，組對質量檢驗合格后，焊工在豎井內進行管道焊接作業。

（3）當焊道填充量完成管道壁厚的1/2時停止焊接，啟動卷揚機將鋼管拖入隧道，牽引到位后，使用吊車將隧道口外露的管道端頭吊起500mm左右，用枕木支墊牢固。

（4）施工人員進入隧道內，在未完成焊接的焊口前方2m左右位置，使用千斤頂和臨時管托將管道頂起，頂起高度滿足焊工在隧道內進行焊接作業的高度位置，不少于450mm，然后用道木進行支墊，支護措施一定要牢固，保證管道不會發生移動。

（5）進行下道焊口的組對，根焊完成后，1組焊工進入隧道內部焊接之前未完成的焊口，另1組焊工完成新組對焊口的焊接，隧道內外同時進行2道口的焊接，以提高焊接進度。

2.5.4 隧道內焊口檢測

（1）每道口焊接完成后，進行焊道外觀檢查，合格后進行無損檢測委托。24h后，對焊口進行100%射線和100%超聲波探傷檢驗，其檢測應符合《西氣東輸二線管道工程無損檢測規范》（Q/SY GJX 0112-2007）的相關規定，Ⅱ級以上焊縫為合格。

（2）如焊口無損檢測不合格，采用吊車配合使用千斤頂的方式，將管線抬起，下部墊上兩根枕木，使管道距離隧道底有400～500mm的空間，進行返修作業。焊口返修時應嚴格WPS-XQ2-21067-1返修工藝規程進行預熱，所采用的焊接方式應符合返修工藝規程的要求。

2.6 豎井內管線安裝

豎井內管道安裝主要是兩個大角度熱煨彎管的安裝，采取在地面上對熱煨彎管和短節進行預制，焊道無損檢測合格并進行防腐補口作業后，使用2臺30t吊車整體吊裝與隧道內管道進行連頭。

（1）使用挖掘機配合鑿巖機，根據測量線位，在豎井壁上開鑿出用于整體吊裝預制管段的開口，開口的深度和寬度要按照圖紙施工。

（2）根據現場場地狀況，選擇合理的吊車站位，在起重工的指揮下，由2臺吊車配合將預制管段吊裝就位，完成組對焊接。

2.7 硅管套管安裝

豎井內管道安裝完成后，按照要求進行硅管套管的安裝施工。硅管套管用φ114×5mm鋼管焊接，焊接時要做到焊道內部成型良好，保證光纜硅管順利通過。套管在安裝時，首先用角鐵和滾輪組合制作一個滑動支架，將滑動支架用螺栓緊固主穿越管道的管箍上，然后在豎井內進行套管組焊，每焊接完成一根，通過牽引繩往隧道內牽引一根，直至全部硅管套管安裝完畢。

2.8 管道安裝的重點及難點施工方法

2.8.1 管道牽引安裝

（1）管道的牽引形式(如圖9)所示。

（2）第一根鋼管下管前，在鋼管牽引端焊上牽引頭，牽引頭采用Φ1016×26.2的鋼管加內堵制作，在管頭上對稱焊上4個牽引肋板，牽引肋板采用δ=50mm鋼板制作，連接處所有焊縫均應滿焊，焊縫高度不小于10mm。在第一根管另一端距離管口2m處包裹10mm厚橡膠板，安裝滾輪組。

（3）用鋼絲繩將牽引頭與卷揚機連接，鋼絲繩連好后，檢查卷揚機、鋼絲繩的所有卡扣是否連接牢靠。待確認無誤后，由經驗豐富的起重工指揮啟動卷揚機，30t吊車吊起另一端，配合卷揚機，將鋼管平穩、緩慢、勻速的牽引到組對端距離隧道口約1m的位置，停止牽引，安裝對口器。起重工指揮吊車將第二根鋼管吊下，開始組對焊接。

（4）牽引過程中，牽引管道兩側不得站人，接收井和發送井分別安排專人負責用對講機進行聯絡，隨時監控牽引管道的運行狀態，避免管道傾倒。

（5）管道焊接過程中，將第2套滾輪組安裝在第2根管末端距離管口2m處。待焊接完畢，檢查焊縫表面無缺陷，符合規范要求后，啟動卷揚機，按上述方式進行下一道口的組對焊接。

2.8.2 隧道內防腐補口

隧道內的防腐補口有兩大難點，一是濕度大，二是空間狹小操作不便。針對這些難點，為保證隧道內管道防腐質量，采取如下措施：

（1）選用外防腐層無損傷的管材，在地面進行噴砂除銹，合格后用透明膠帶包裹，以減少在隧道內作業。

（2）防腐前，從隧道中部向兩邊進行預熱，因隧道內潮氣濕度大，預熱溫度以加熱到50～60℃左右為宜。在管口兩邊搭接防護膠皮進行二次噴砂除銹，直到表面出現金屬光澤，錨紋深度達到Sa2.5級。

（3）將焊口兩側已打毛的防腐層預熱至70～80℃，加熱后用接觸式測溫儀或紅外線測溫儀進行檢查，至少要檢測補口部位表面周向均勻分布的四個點的溫度。

（4）整體收縮完成后，應對熱縮帶整體再加熱，使其表面溫度始終保持在150～180℃不少于3m in，再對熱縮帶進行碾壓以趕出氣泡，用指壓法檢查熱縮帶熱熔膠熔化情況，以確認熱熔膠充分熔化，粘接良好。

2.8.3 隧道內水泥砂漿灌注

為防止管線漂浮，管線試壓完畢后，先進行水泥砂漿填筑，然后再進行排水，確保主輸氣管道不會產生漂浮。

（1）施工技術要求

在頂管隧道與輸氣管道間的環型空間每隔20m砌筑一處隔斷墻，使頂管隧道與輸氣管道間的環型空間達到均勻封固。

使用1∶2的水泥砂漿，由商混公司直接運送到施工現場，每100m3做一組水泥砂漿抗壓強度試驗。

注漿壓力控制在2MPa以內，注入時應連續、均勻，注漿速度控制在2m3/m in左右。

（2）頂管隧道口封堵的制作

在頂管隧道與輸氣管道間的環型空間每隔20m砌筑隔斷墻作為封堵使用，最中間的隔間，一端封死，另一端距離頂部留有200mm的空間放置注漿管。其它隔斷墻暫時砌筑到管頂300mm處，作為注漿管的臨時管墩使用（見圖10）。

隔斷墻與管道防腐層之間用10mm厚橡膠板隔開，隔斷墻砌筑完成后，需待墻體能夠承受一定的壓力后才能進行砂漿灌注，密封性要好，保證不漏。光纜硅管安裝在隔斷墻上部環孔方位45°的中間部位。

（3）注漿管道的安裝

注砂漿管用與注漿泵車配套的直徑為127mm的鋼管制作，法蘭連接，每8m一節。注漿管伸入環孔深度1.5～2m，位置在上部環孔左側位置。每完成一個隔間的注漿，拆除一段注漿管，將隔斷墻砌筑至距套管頂200mm處，進行下一個隔間的注漿。

（4）水泥砂漿填筑

在隔斷墻具備一定的強度后，采用水泥車將按照設計要求配制好的水泥砂漿通過水泥砂漿輸送管道源源不斷地注入到隧道環形空間，灌注時應從隧道中間向兩邊灌注。注漿過程中每100m3做一組砂漿試塊。

（5）豎井回填及一般段管道敷設

隧道內注漿完成后，用細土回填豎井，并在豎井中心埋設警示牌。豎井以外管道按一般線路段要求敷設，管頂覆土厚度不小于1.2m。按照設計要求進行地貌恢復和三樁埋設。

3 施工中遇到的問題和解決方法

卷揚機主鋼絲繩單股牽引承受拉力有限，所以選擇了動滑輪組來分散隧道內主鋼絲繩的承受拉力，減輕卷揚機負載。動滑輪組與運載小車固定，帶動動滑輪組在隧道內行走。

寧袁塘頂管隧道穿越長度為245m，主牽引繩采用三組滑輪方式（如采用四組滑輪，卷揚機鋼絲繩不夠長），由30T卷揚機牽引。管線穿越180m位置時，卷揚機略顯吃力。管線穿越至200m位置時，卷揚機卷繩裝置處的支撐圓鋼（后加）發生彎曲變形。

針對以上問題，采取了兩項措施：

（1）立即更換卷揚機卷繩裝置處的支撐圓鋼，選用機械性能更高的材料。

（2）在牽引完成過半以后，剩下的穿越部分增加兩組動滑輪，降低卷揚機承受的負荷。采取措施后，順利的解決了前期由于穿越長度過長，鋼絲繩長度不夠和卷揚機力量不足的問題，節約了工程成本。

4 經驗教訓和改進意見

每個井內分別設置一臺鼓風機和一臺軸流風機，保障井內的通風良好和排煙通暢。在豎井底部的集水坑內放置揚程25m的潛水泵，隨時準備排水。

如焊口無損檢測不合格，采用吊車配合使用千斤頂的方式，將管線抬起，下部墊上兩根枕木，使管道距離隧道底有400～500mm的空間，進行返修作業。焊口返修時應嚴格按照返修工藝規程進行預熱，所采用的焊接方式應符合返修工藝規程的要求。

如果頂管隧道穿越段過長，建議選擇噸位更大的卷揚機做牽引，以保障施工順利及安全。

5 結束語

西氣東輸二線東段南昌—上海支干線穿越大中型河流時，傳統的大開挖施工方法會對河流及航道造成破壞，對于卵石較多的沖積平原地段，不易成空孔，普通河流穿越長度較短，定向鉆施工并不適用于所有的河流穿越。頂管隧道特別適合于長江三角洲粉質粘土地區，在本項目中對頂管隧道穿越中的管道安裝牽引、管道防腐保溫、隧道注漿等施工技術進行總結并合理優化，使得牽引系統改造后就可輕松使用卷揚機一次性就位，略去使用液壓千斤頂頂管的施工步驟，減少了施工周期，提高了施工效率，具有大型管道穿越大中型河流的代表性，并在該標段其余頂管隧道管道穿越施工中成功應用。

TE973

B

1672-9323（2012）05-0062-05

2012-07-12）