新型機具在U型斜巷水下隧道管道施工中的應用

劉坤 蘭國霖 趙國輝 陳化昀 周榮

中國石油天然氣管道局第三工程分公司

在金麗溫輸氣管道工程施工中，由于隧道斷面尺寸不一，進出口施工環(huán)境不同，且出口斜坡段有安全樓梯，常規(guī)龍門吊設備無法滿足施工需求。為此，研制了特殊隧道施工用可伸縮式電動龍門架，此機具適用隧道范圍廣泛，具備可拆卸功能，可循環(huán)使用，在上皮山隧道、車龍隧道、江心田隧道工程應用中取得良好效果。

1 工程背景

金麗溫輸氣管道工程在浙江省天然氣主干管網的南端，線路干線全長220.6 km，管徑為813 mm[1]。管線起于西氣東輸二線金華接收端的金華首站，終于甬臺溫輸氣管道溫州末站。工程上皮山隧道起始樁點為J051-J052，為水下隧道，全長1 546 m。隧道凈空斷面為3.0 m×3.0 m（寬×高），穿越段管道設計壓力為6.3 MPa，直管段壁厚14.3 mm，熱煨彎管段壁厚17.5 mm。隧道進口端斜巷長度445 m，角度6°；出口端斜巷長度462 m，角度21°；中間平巷段長度為639 m。隧道穿越施工的特點為：隧道內空間小，距離長，斜巷長度長且坡度大，水平轉角大。

隧道施工一般包含隧道內照明、通風等輔助系統(tǒng)安裝，排水系統(tǒng)安裝，制作運管車和龍門架及進行隧道內運布管等施工程序。

施工流程：施工前準備→測量放線→隧道內照明、通風等輔助設施安裝→排水系統(tǒng)安裝→隧道內運布管→支墩制作→管道組對焊接檢測→防腐補口→錨固墩安裝→測試樁安裝→通球試壓→臨時設施拆除→隧道口封堵→標志樁安裝→地貌恢復。

2 管線施工影響因素分析

由于隧道內焊接一般需要龍門架配合運管、布管和組對，龍門架能否在隧道內暢通無阻，將決定工序能否順利銜接。通常由于Ⅱ、Ⅲ級圍巖爆破效果差，易造成隧道開挖輪廓凹凸不平有棱角，往往會使隧道洞身內部的凈空斷面尺寸大小不一[2-3]，因此施工前一定要對隧道整體的斷面尺寸進行測量，避免出現龍門架通行受阻的問題。

由于隧道內的管材規(guī)格高于一般線路的管材規(guī)格，例如本工程中線路管材為10.0 mm壁厚，上皮山隧道所用管材為14.3 mm壁厚，因此水下隧道的管材一定要按需領取，否則管材短缺或超出實際所需，都將增加施工成本。

水下隧道施工時，施工探水與治水是其重要環(huán)節(jié)，也是關系到工程建設成敗的主要因素之一[4]。排水及防水措施是隧道驗收的重要內容，濕度超出允許范圍將對焊接質量產生極大影響，而如果水位得不到有效控制，一旦平巷段焊接完成，易發(fā)生漂管。此外，隧道內濕度過大，不僅影響施工人員的身體健康，還易產生用電等安全隱患。

由于相關規(guī)范以及項目的設計要求，管道焊口與管道支墩要錯開布置，且不應小于1 m。因此，隧道內所有基坑的間距以及尺寸必須要根據圖紙現場復合，以防管道安裝過程中出現焊口與基坑間距小于1 m的情況。

消除影響因素的有效措施如下：

（1）在施工中，根據隧道洞身的凈空斷面尺寸制作龍門架，保證龍門架在最小橫斷面尺寸也可自由通行。針對進出口兩端的不同施工環(huán)境，將龍門架進行了改進，使其具有伸縮性，以適應不同區(qū)域，同時為了防止龍門架在隧道內跑偏，在龍門架可伸縮端設置了支撐導向輪，如圖1所示。

（2）申請管材調撥前，不迷信圖紙，要與隧道施工方及時溝通，并去現場實際測量，根據實際測量結果上報所需管材。

（3）隧道驗收過程中明確責任劃分，并在驗收前進行長時間觀察：隧道排水設施是否可靠，內襯是否有大面積漏水等現象。施工過程中要安排專人監(jiān)護排水設施，出現問題及時上報解決。

圖1 改進后的龍門架Fig.1 Improved gantry crane

（4）隧道施工前根據現場測量數據繪制實際基坑布置圖，盡量利用管材的原長調節(jié)焊口與基坑的距離，特殊情況可使用短節(jié)。

（5）檢查諸如底板厚度、混凝土質量等是否符合規(guī)范設計要求。

3 施工過程管理

3.1 焊接

U型斜巷隧道焊接順序一般為平巷段→緩坡段→陡坡段。

（1）首先在平巷段焊接，可使管線“生根”。相較于斜向段，平巷段管道更容易固定，不易發(fā)生滾管、滑管等現象，且平巷段的作業(yè)難度相對較小，可以給作業(yè)人員由簡入難的適應過程。

（2）平巷段焊接完成后，可立即進行錨桿施工，底板、管卡安裝，支墩混凝土澆筑等后續(xù)作業(yè)，使工序更加緊湊合理，還可起到穩(wěn)管作用。當隧道內水位得不到控制時，還可防止發(fā)生漂管。

（3）平巷段位于隧道中間，平巷段的管段焊接完成后，如需趕工，可增加焊接班組，從兩邊斜巷段相向施工，縮短工期。

3.2 臨時支墩設置

由于涉及到底板、管卡等安裝，隧道內永久性支墩一般是在管線安裝完成后才開始制作，因此焊接過程中需要設置臨時支墩。上皮山隧道使用枕木作為臨時支墩，利用鋼釘在枕木上固定兩塊三角掩木，可起到很好的防滑、防滾效果。同時，利用沙袋每隔50 m 設置一個通墩，即利用沙袋作為臨時支墩，延長至隧道內壁，形成一個橫貫隧道縱面的臨時支墩。

3.3 運布管

隧道內的運布管一般有兩種方式：一種是利用特制的運管炮車將管運至隧道內，利用龍門架卸管、組對；另一種是在隧道口安置卷揚機，利用鋼絲繩牽引，使用龍門架運管。前者速度較快，適合平巷段和緩坡段；后者速度慢，適用于炮車無法通行的陡坡段。

3.4 卷揚機與鋼絲繩的選取

卷揚機的選型主要從最大牽引力、運行速度、安全等幾方面進行考慮[5]。卷揚機的功率根據牽引外力的最小值確定，牽引外力主要由運管小車、鋼管質量，以及軌道與小車間的摩擦力決定。

根據制作材料估算，小車（龍門吊、引導輪）的總質量約3 t。鋼管規(guī)格為Φ813 mm×14.3 mm，按照單根管子最大長度12.5 m 計算，鋼管密度7.8 g/cm3，鋼管質量約為3.6 t，小車與鋼管合計6.56 t。

圖2 鋼絲繩受力分析Fig.2 Stress analysis of wire rope

如圖2所示，鋼絲繩所受拉力為

式中：f為小車載重時的摩擦力，根據摩擦系數表可查鑄鐵與軋鋼之間摩擦因數最小為0.05，可以計算出F=2.4 t。

根據《鋼絲繩》GB/T8918—1996、《一般用途鋼絲繩》GB/T20118—2006[6]及鋼絲繩在礦井、斜井和豎井使用的拉張安全因數不小于5的規(guī)定，取安全因數為5，鋼絲繩破斷拉力不小于5 F，即12 t。因此，根據《鋼絲繩分類及直徑測量辦法》確定，直徑為17.5 mm的6×37（6股鋼絲繩每股鋼絲繩有37 根鋼絲）鋼絲繩即可滿足要求。根據《卷揚機安全》選取卷揚機的功率為22 kW，根據國標確定鋼絲繩直徑為17.5 mm就能滿足要求，上皮山隧道施工現場選用的鋼絲繩尺寸為19.5 mm，可承受拉力16 t，滿足拉力要求。

3.5 卷揚機地錨安裝

隧道出洞口端設置1 臺10 t 卷揚機，用于牽引管道和焊接設備。根據運管所需牽引力，10 t卷揚機配裝直徑19.5 mm 的6×37 鋼絲繩即可，容繩量可達到1 200 m，滿足本隧道長度的需要。

卷揚機地錨采用臥式地錨形式，錨樁按照300 kN載荷(P)受力選取，地錨抗拔穩(wěn)定性安全因數K取3，受力分析見圖3。

圖3 地錨受力分析Fig.3 Stress analysis of ground anchor

根據卷揚機受力及地錨拉線引出角度，地錨拉線與地面夾角α為30°，錨樁為Φ273 mm×10 mm無縫鋼管包敷混凝土，長6 m。

地錨安全應滿足如下關系式

式中：G為作用在鋼管上的土重；T為摩擦阻力；F2為地錨荷載的垂直分力，F2=Fsinα；K為地錨抗拔穩(wěn)定性安全系數，此處選擇3；B為鋼管直徑，此處為273 mm；B′為壓力區(qū)有效寬度，B′=B+Htgφ；H為鋼管埋入深度，此處為3 m；φ為土的內摩擦角，松土取15°～20°，一般土取20°～30°，堅硬土取30°～40°，此處取30°；L為鋼管長度，此處為6 m；ρ為土的容重，此處為17.2 kN/m3；μ為摩擦因數，無木壁取0.5，有木壁取0.4，此處取0.5；F1為地錨荷載F的水平分力，F1=Fcosα。

經計算，(G+T)/F2≈3.22 ≥3，地錨制作符合安全要求。

卷揚機安裝場地要壓實、平整，做好塌方、滑坡的防護工作，經HSE 監(jiān)督員組織檢查確認后方可施工[8]。檢查制動器是否正常，調整好制動瓦與制動輪間隙，使制動器處于良好工作狀態(tài)[9]。

4 新型機具

4.1 管上行走小車

焊接環(huán)境直接影響焊接質量【10】，而水下隧道焊接，濕度控制是關鍵，因此要按照焊接工藝要求實時監(jiān)測隧道內的潮濕度，焊接前對管段進行預熱，達到工藝要求的預熱溫度。由于空間受限，如何方便地移動焊接設備就成了提高施工效率的因素之一。為此，研制了管上行走小車，如圖4 所示，將熊谷焊機安置在這種設備上，通過兩邊的滾輪可以輕松地在管段上滑行，提高了施工效率。

4.2 電動龍門架

（1）設備在隧道管道施工中無需鋪設鋼軌，作業(yè)效率高、成本低，實現了運布管作業(yè)與對口作業(yè)同步機械化流水作業(yè)。

圖4 管上行走小車展示Fig.4 Display of walkable trolleys on pipeline

（2）可通過1 個遙控器來實現2 套自行龍門架的聯動控制或單獨控制，實現了運布管行走和管口組對作業(yè)的精準控制，操作方便、安全可靠。

（3）設備具備可伸縮性，施工時不受隧道洞身橫截面積的影響，保證了作業(yè)的連續(xù)性。

（4）適用于多種管徑的隧道施工，使用不同型號的槽鋼制作，在滿足承載力的條件下，在610～1 219 mm范圍管徑都可應用。

（5）龍門架可搭載焊機、施工用具，提高了隧道內管道施工自動化水平，實現了運布管與對口同步化，節(jié)省了工序銜接時間，降低了人工勞動強度。

（6）設備通過外接動力電行走，無需拖拽，在無線遙控下行走靈活，在隧道內運行噪聲小，避免了施工人員在狹小空間承受噪聲危害。

5 結束語

U型斜巷水下隧道的施工是一項綜合復雜的多任務處理過程，在保證安全、質量的前提下，盡可能周密布置施工任務，同時要針對其特殊的施工環(huán)境開展技術創(chuàng)新，以提高工效?？缮炜s式電動龍門架解決了普通龍門架在U型隧道中無法正常施工的難題，提高了工效，并且適用于各種類型的隧道，且具有可拆卸性，一般的雙排車即可倒運，因此可在隧道焊接工程中推廣應用。