非開挖技術在大口徑長距離蒸汽管道施工中的應用

聶仲

摘要：十三五期間隨著國家大力提倡節能減排，在電力投資建設以熱定電的原則下各地投資建設的蒸汽聯合循環機組項目越來越多，這種“熱電聯產”項目或者“熱電冷三聯供分布式能源”項目通過配套蒸汽管道建設將合格的蒸汽產品提供至用戶。蒸汽管網建設的過程中沿途需要穿越道路（鐵路）、跨越河流，因場地及周圍環境的影響，管道在施工過程中不可能全部采用開挖及上跨桁架的形式，因此管道非開挖施工技術在體現了其優越性。本文結合項目實際，重點探討了非開挖技術在大口徑、長距離蒸汽管道建設中的應用。

Abstract： As the state vigorously advocates energy conservation and emission reduction during the 13th Five-Year Plan period， more and more steam combined cycle units are invested and constructed under the principle of heat and power investment and construction. This kind of "heat-power combined production" project or "heat-electric-cooling triple supply distributed energy" project supply users with qualified steam products by construction of supported steam pipe. During the process of steam pipe network construction， it is necessary to cross the road （railroad） and cross the river. Due to the influence of the site and the surrounding environment， it is impossible for the pipeline to be fully excavated and trans-truss in the process of construction. Therefore， technology reflects its superiority. Based on the actual project， this paper focuses on the application of trenchless technology in the construction of large-caliber and long-distance steam pipelines.

關鍵詞：非開挖；大口徑；長距離；蒸汽管道

Key words： trenchless；large diameter；long distance；steam pipe

中圖分類號：TU990.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）05-0159-02

1 項目背景介紹

本項目來源于上海華電莘莊工業區燃氣三聯供改造項目二期熱網管道工程。管道沿線多次穿越（跨越）市政主要道路、河道，在管道穿越北松公路、俞塘河區段受周圍場地的影響（管道沿線西側為昆陽路高架橋橋樁、東側為星陽酒家、維凱光電辦公樓、地下有市政110kV高壓電纜及市政燃氣管道，管道敷設范圍僅有2.5米）無法采用傳統的開挖地埋、頂管等施工工藝，施工難度可謂“華山一條路”。為此借鑒非開挖技術并結合地埋蒸汽管道的特性，開展了相關技術研究攻克工作。本項目實施時間為2016年3月至5月。

2 應用領域和技術原理

主要領域為：地埋蒸汽管道的過路及過河穿越方式，主要技術原理為：采用管線定向鉆進的非開挖施工工藝，通過地下管線定位、打導向孔及多級擴孔、管道回拖的形式完成管道穿越。

3 成果的主要技術創新點

①技術思路方面的創新：市政蒸汽管網在建設過程中由于外部場地條件的各種限制，采用傳統的施工工藝很難實施，為克服場地限制影響、減少對周圍環境（包括既有設施）的影響，采用“非開挖”施工工藝能起到事半功倍的效果。在本次蒸汽管網建設的過程中面臨“華山一條路”的艱難險阻因素，將“非開挖”施工工藝成功的應用在大口徑、長距離（芯管直徑DN500、外套管直徑DN1020、距離460米）蒸汽管道的施工中，成功打通了整條管線的“咽喉要道”。

②關鍵技術方面的創新：由于本次采用“非開挖”施工工藝，結合蒸汽管道不同于普通燃氣、電力、自來水等管道，蒸汽管道為“鋼套鋼”中間夾保溫層的復合管道，在管道施工過程中主要有以下關鍵技術的創新：

1）管道距離長達460多米、重量達230噸，如何確保回拖力是本項方案實施的關鍵技術之一。為確保管道一次拖拉成功，必須對回拖力做充分的計算、分析，考慮到本項目實際，根據需要穿越深度21米及出入土曲率半徑R=1200D計算，穿越管道長度約460米，管道每米重量500公斤，穿越管道總重量約230噸，管道拖力：T=T1+T2，T1=U1·N1 T2=（F-N2）·U2

注：T=回拖力，T1=在地面上管道的摩擦阻力，T2=入洞內管道的摩擦阻力；

N1=在地面上的管道自重，N2=入洞段的管道自重；

U1=在地面上的磨阻系數，U2=入洞后的磨阻系數。

分析如下；管道在地面上的摩阻系數一般為0.6，管道的最大拖力（既啟動拉力經計算約為138噸，要減少啟動拉力，可采取在開挖發送溝內灌水，將管道浮起來，在沒條件挖發送溝的地方采用設備將管道吊起來或加設滾輪支架，這樣既減少了管道的自重，又降低了摩阻系數，大大降低了啟動拖力T1。endprint

管道入洞之后，由于孔內充滿泥漿，摩擦系數大大減少約為0.3管道的浮力每米約為785公斤，孔內最大拖力T2=（F-N2）·U2=（785-500）×0.3×460=39.3噸。穿越砂質粉土容易形成抱管，大大增加阻力，根據以上計算本工程設備選用130噸美國威猛鉆機。

2）本次管道直徑大，外徑達1020mm，且管道中間夾著保溫層，如何確保在管道拖拉過程中管道外護管不擠扁確保蒸汽管道的保溫質量是本次技術方案的一個關鍵技術之一。為了確保管道在拖拉頭的位置不因集中受力而造成外套管擠扁，本項目現場量身訂做了“工裝”，采用鋼板拼接出錐形拖拉頭并加設加勁板，確保了管道頭部有足夠的受力強度；與此同時，本項目在管道端頭增加了一節（約12米）的外套管，進一步增加了對蒸汽管道端頭的保護作用。

3）本次蒸汽管道外套管設有三布四油防腐層，如何在管道拖拉過程中確保防腐層不被破壞、確保管道正常的設計使用年限是本次技術方案的一個關鍵技術之一。保溫質量的好壞直接決定蒸汽管道的使用壽命，為確保防腐層不在拖拉的過程中被磨損，本項目采用管道沿線開挖水溝，溝內注水同時加膨潤土（泥漿）潤滑，從而達到了保護防腐層的良好效果。

4）本次蒸汽管道芯管與外套管之間設有3個支架，如何在管道拖拉過程中確保支架不因管道轉動而造成受力方向改變是本次技術方案的一個關鍵技術之一。根據設計，蒸汽管道芯管與外套管之間每隔一定間距設置了3個支撐（120度對稱設置），管道在拖拉過程中不可避免的會發生轉動現象，這樣就會造成支撐受力方向改變。經和設計單位溝通將原來設計的3個支撐更改為6個支撐，有效確保了支撐受力，同時也對外套管的剛性進行了加固。

5）本次管道距離長，如何克服管道補償問題也是本次方案中的一個關鍵技術之一。如果因補償無法滿足熱網運行的要求，則在運行過程中可能會造成水擊質量事故，嚴重時會造成管道焊縫拉裂、管道支架拉裂進而造成系統無法正常運行而帶來其他負面損失。為此本項目召集設計單位、監理單位、補償器專業廠家召開了專題會議，充分論證了在管道兩端加設旋轉補償器的可行性，確保了管道后續的正常運行。

6）提高焊接工藝標準，確保外套管在拖拉過程中不會出現斷裂現象也是本項目執行過程中的一項重要質量保證措施。本項目所有的外套管焊接均采用氬弧焊打底、電焊罩面的施工工藝，對本段拖拉管道實行100%射線拍片；與此同時在焊口外側對稱增加6塊加強板來對焊口采取補強措施。

7）人工制造磁場，確保地下管線精確定位是本次非開挖技術的關鍵因素。本次“非開挖”技術實施過程中由于需要避開橋樁、高壓電纜、市政燃氣管道、通訊光纜等干擾因素，管道拖拉最低點深度達21米，如何規避上述障礙物產生的磁場對地下管線定位的干擾是本次技術方案實施的關鍵因素。本項目最初采用地磁導向定位系統，經過數次的嘗試發現由于受周圍環境（設施）的干擾，信號無法準確定位，最大偏差在出土點將達到10米。為了準確定位，本項目組織上海市非開挖協會相關專家召開專題會議，會議決定采用地面布設人工磁場定位的方式進行地下管線定位，通過布置地面人工磁場，有效的屏蔽了建筑物（構筑物）、高壓電纜等產生的干擾磁場，實現了地下管線深度定位。

4 主要施工工序

①組織專家論證會。為確保項目順利實施，項目立項伊始項目組織單位要組織設計單位、施工單位、專業分包單位、監理單位、社會知名專家對項目做論證，落實專家提出的各種問題后方可開展后續工作。

②確定施工工序流程。

施工人員及設備調遣→設計交底交樁→測量放線→鉆機安裝調試→鉆導向孔→分級擴孔→第一次清孔→第二次清孔→管道回拖→地貌恢復→收工

③場地清理，確保施工場地有足夠的空間。由于本次管道一次性拖拉長達460米，這對管道預制場地提出了很高的要求，為了盡量規避在拖拉管道過程中再組對管道可能出現拖拉孔洞坍塌的現象，務必提前完成管道組對、焊接。本項目恰巧管道組裝場地為空曠綠地，這給管道預制提供了便利條件。

④管道本體準備就緒：在管道拖拉之前需完成所有管道的焊接、防腐工作，同時為確保管道本體施工質量，需提前對焊口進行加焊加勁板、100%全射線拍片、拖拉之前完成水壓試驗，確保焊接質量。

⑤管道“二接一”提前就緒：為減少管道在拖拉過程中因管道對接停留時間過長而造成孔洞塌陷現象，在拖拉之前先將管道兩段合并為一段，管道在拖拉過程中不再停頓，一次拖拉成功。

⑥開挖樣溝、注水及膨潤土潤滑：在管道端頭封堵完成后，將管道整體推入開挖的樣溝中，同時注滿誰并投入膨潤土增加管道拖拉過程中的潤滑性。

⑦導向、擴孔完成：提前按照既定的方案完成地下管線的定位、打導向及多級擴孔，確保管線定位的準確性，滿足管道拖拉要求。

⑧管道拖拉：各項準備工作完成后即可開展管道拖拉工作，在拖拉之前先拖拉一節管道，完成試拖。在確保孔洞順暢的條件下管道一次性拖拉成功。

5 性能指標及與國內外同類技術比較

性能指標：本次方案順利已實施完畢，管道壓力、溫降指標符合設計要求。與國內外同類技術比較：目前“非開挖”技術應用在大口徑、長距離蒸汽管道施工中為數不多，在華電系統業內尚屬首例。

6 對促進行業科技進步的作用和意義

本次項目的成功實施對后續其他項目蒸汽管道的建設提供了借鑒與參考價值，對推進“非開挖”技術在蒸汽管道施工上的研究有著重要意義。

7 應用情況，或推廣應用的范圍、條件和前景

十三五期間隨著國家節能減排政策的號召，熱電冷三聯供項目在全國各地得到了大力推廣，該技術方案可廣泛應用于蒸汽管網建設、集中供冷供熱市政管網建設中，前景必然寬廣。

參考文獻：

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