大口徑天然氣管道工程水網地區機械化施工難點及應對措施

王鵬宇,胡成洲,王春林,李 超,王本明,苗 繪

國家石油天然氣管網集團有限公司建設項目管理分公司,河北廊坊 065000

1 水網地區特點及機械化施工難點

水網地區土層富含水、土質松軟、承載力低，而在我國經濟較為發達的江南水網地區，還具有養殖塘分布密集、環境敏感點多的特點，給機械化程度較高的大口徑天然氣管道工程施工帶來了諸多挑戰［1-6］。

一是水網地區水資源比較豐富，生態紅線、生態空間管控區域密集分布，沿線環境敏感點多。

二是經濟較為發達的水網地區村莊、房屋、工廠較為密集，鄉村道路發達，管道穿越埋地電（光）纜、燃氣管道、飲用水管道等地下障礙物多，地方政府規劃政策性強，協調難度大，影響整體施工進度。

三是水網地區水道縱橫交錯，湖泊、水塘、河流星羅棋布，地表以連片水稻田為主，溝渠縱橫，局部地區養殖塘分布密集，以在建的中俄東線天然氣管道工程（連云港—泰興）為例，河流、溝渠小型穿越共1 911處，平均4.2處/km，造成頂管、定向鉆穿越數量多，熱煨彎管使用量大，施工斷點多，全自動焊接機組連續施工作業受阻，降效嚴重。

四是水網地區全年降水量大且多種植水稻，常年遭水浸泡，土壤承載力低，大型施工設備自身行走、吊裝作業困難，常規的布管、組對焊接、下溝等工序很難正常開展，特別是對自動焊工藝焊接過程的穩定性造成影響，導致焊接質量不易控制。

因此，需要在管道設計時充分考慮并優化作業帶布置、管道敷設方式、管道保護措施等，在施工過程中需對施工便道修筑、施工作業帶修筑、運布管、焊接施工、沉管下溝等方案進一步完善，合理選擇焊接工藝并優化機組配置，才能切實提高水網地區大口徑天然氣管道的施工效率并保證施工質量。

2 設計優化

2.1 管道敷設方式

針對水網地區地形地貌分布特點，大口徑天然氣管道的敷設主要以開挖、頂管和定向鉆三種方式為主。

（1）針對地勢平坦的連片水田地段，管道敷設選擇開挖直埋的方式，見圖1。管頂埋深一般控制在1.2～1.5 m之間。對于水田之間的灌溉渠，由于分布較為密集，且深度往往較淺，管道在此區域也可采用開挖直埋的敷設方式，管頂埋深一般控制在1.5～2.0 m之間。

圖1 管道在水田區域采用開挖直埋方式敷設

（2）針對兩岸村莊房屋分布密集的干渠及小型河流、國省干道、鄉村道路等區域，為縮減作業面寬度、減少施工期間的房屋拆遷量以及避免長時間中斷道路通行，管道穿越上述區域時一般采用頂管穿越的方式，頂管深度應滿足河流、溝渠等防洪要求，見圖2。

圖2 管道在國省干道及房屋密集區域采用頂管穿越方式

（3）對于大中型河流、分布密集的溝渠和連片的養殖塘以及不適合采用頂管穿越的區域，采用水平定向鉆的穿越方式，見圖3。定向鉆穿越長度、深度等需結合現場實際情況確定。

圖3 管道在溝渠密集區域采用定向鉆穿越方式

2.2 管道保護措施

針對養殖塘、道路、小型河流溝渠等不同穿越地段，應制定相應的管道保護措施。

（1）養殖塘地段。為了防止養殖塘定期清淤對管道造成影響，采用管道上方鋪設“U型”混凝土預制塊進行保護，此種保護方式同時具有配重穩管的作用。

（2）穿越道路區域。采用混凝土蓋板涵對管道進行保護，此種保護方式既可以保護管道不受道路荷載的影響，同時也可降低第三方施工時對管道造成的破壞。

（3）穿越小型河流溝渠區域。采用混凝土配重塊進行穩管保護，同時在河流溝渠的底部設置混凝土蓋板過水面，防止河道清淤時對管道造成破壞。

以國內水網地區在建的某管道工程為例，管道保護方式見圖4。

圖4 管道保護方式

（4）河流、溝道段。當管道與河流、溝道交叉敷設時，不可避免地會受到水流沖刷侵蝕的影響。防護措施主要包括坡式護岸、擋墻式護岸、過水面、石籠護底、混凝土澆筑穩管、防沖墻等。采用圍堰開挖方式穿越河流時，施工結束后應及時拆除圍堰，棄土運至附近的管道作業帶回填。

當管道順河（溝）岸邊敷設時，由于河（溝）岸的崩塌后退會導致管道長距離的暴露或懸空。為了保證岸坡免受水流的沖刷側蝕而后退，通常采用護岸的方式抵抗水流的沖刷和淘蝕作用，防護措施主要包括漿砌石擋墻式護岸、漿砌石坡式護岸等。

當管道順河（溝）底敷設時，需根據實際情況開展必要的防洪評價，確定沖刷深度及河勢變化情況，保證管道埋深符合要求。為確保管道安全，防止其他意外破壞，還應采取其他必要的水工保護措施，如設置溝內漿砌石截水墻、混凝土連續覆蓋、過水面、石籠護底等。

3 施工組織與措施方案

3.1 施工組織

通過分析水網地區施工特點和難點，結合長輸管道施工要求，水網地區施工組織應重點考慮均衡化施工和單元化施工。

均衡化施工主要包括三個方面：一是結合工期計劃安排，對施工期進行階段劃分，針對不同階段組織資源；二是充分利用旱季施工，結合沿線農業輪作和養殖業周期，全力完成水網區域內施工，力爭完成試壓前的所有連頭施工；三是合理安排雨季施工，雨季主要進行頂管、連頭、試壓等施工，結合現場實際可開展鋼管“二接一”焊接預制，為旱季施工提高效率提供保障。

單元化施工是指將全自動焊接機組能夠連續通行作業的施工段落劃分為一個獨立的“施工單元”。優先采取施工措施盡可能增長每個“施工單元”的長度，減少機組搬家，保證連續施工。每個“施工單元”按照“干一段、完一段”的原則，焊接、防腐、下溝回填等工序連續施工，跟進作業，確保機組在雨季之前及時上“岸”（“岸”指雨季能滿足機組通行、施工的地段），將連頭處留在雨季也能進場施工的路邊等位置。

3.2 施工便道修筑

管材和設備進場是水網地區管道施工的主要難點，為保證管材運輸和施工設備進場需要，應根據不同地貌條件修筑施工便道。

3.2.1 道路通行條件好的便道修筑

（1）對于道路通行狀態良好的地段，可依托作業帶周邊的省道、縣道、村級道路等各等級道路作為進場便道。對于路面承載能力良好的村級道路，僅需做簡單的修筑即可使用；若道路承載能力差，可在道路上鋪設干土、磚渣、碎石和厚鋼板加固。

（2）若依托的道路路面寬度較窄，不能滿足施工需求，可采用鋪設干土、磚渣、碎石子、木樁、竹排等措施加固道路寬度。

3.2.2 道路通行條件差的便道修筑

（1）對于道路通行狀態差，作業帶周邊無道路依托的地段，可利用田間機耕道，用推土機堆土拓寬、機械平整，碾壓后修筑施工便道。采取地基強化措施修筑復合便道，先鋪軟石層，再鋪厚碎石層進行壓實，便道兩側開挖邊溝和集水坑，保證排水。

（2）對于個別分布在軟地基地段上的鄉間路，可采取底層鋪一至兩層竹排，再鋪土工布，上面墊砂石的方法對其進行加固，以滿足機具設備通行的需要。

3.2.3 經過河流、溝渠的便道修筑

由于河流、溝渠截斷而無進場道路時，可采取以下幾種方式。

（1）直接填土。當通過對水流截斷無特殊要求的一般溝渠時，可采取直接填土方式進行截斷，修筑作業帶。

（2）原橋加固。對于需要通過水流的河流、溝渠地段，一般選用河流上方的橋梁通行，通行之前應校核橋梁的承載力，若橋梁的承載能力不能滿足施工需要，可加固加寬原有橋梁予以解決。

（3）便橋修筑。若河流、溝渠上方無橋梁，可在河流、溝渠上方修筑便橋。便橋的修筑可采用涵管便橋、臨時沉箱便橋、木樁+噸袋+涵管便橋以及鋼制便橋等方式。

3.3 施工作業帶修筑

選取合適的修筑方式來打通水網地區施工作業帶是保證機械化施工連續作業能力、提高施工效率的關鍵。

（1）對于水田段施工作業帶，可在作業帶邊緣修筑攔水壩、開挖排水溝，將作業帶內的積水通過排水溝排到作業帶以外，再進行晾曬。同時在施工作業帶內加設涵管保證作業帶兩邊耕地灌溉及原有水道的暢通。

（2）對于養殖塘段施工作業帶，用水泵將塘內的水抽排干凈并徹底清除塘底淤泥。塘底經適當晾曬，使其承載力滿足施工條件。連續池塘的穿越施工，首先針對單個池塘進行圍堰、排水、晾曬，然后逐一拆除塘堤將其整體貫通，修筑施工作業帶。

此外，需結合地基承載力情況采用鋪設“草簾+鋼板”或“管排+鋼板”或“土工布+草袋素土+鋼板”的方式，以滿足機械化施工的需要。

3.4 運布管施工

在水網地區的管道施工中，鋼管及設備的運輸是施工的一個重要環節。根據水網地區河網密布、水路發達的特點，結合現場實際情況，當河流將施工作業帶隔斷或無運管道路且無法通過施工作業帶進行管材倒運的時候，可采用以下幾種方式進行管材和施工設備、機具的運輸。

（1）承載力較好的作業帶。對于排水并晾曬后具有較好的地面承載力的一般稻田地，可采用炮車倒運，并配合寬履帶濕地吊管機或吊管機進行布管。

（2）承載力較差的作業帶。采用寬履帶推土機牽引拖管爬犁或在推土機上安裝托管架進行二次倒管，用寬履帶濕地吊管機進行布管作業。

3.5 管口組對

水網地區地基承載力較差，可能導致管口組對間隙等參數發生變化，推薦采取以下措施確保管口組對參數滿足焊接工藝規程的要求。

（1）當作業帶承載力滿足吊管機進場且現場土質滿足土墩成形要求時，管口組對采用土墩支撐方式。

（2）當土墩不成形時，支墩可采用多組、多層方木壘筑，上面鋪設土袋或膠皮對管道防腐層進行保護，管道焊接完成后取出方木支墩，以便重復利用。

（3）對地基承載力極差的地段，可采用專用氣囊輔助管道組對，以提高組對施工效率。

（4）為保證組對時吊管設備不產生沉降，確保組對與根焊質量，組對時在吊管機靠近管道一側履帶下方鋪設鋼浮板。

3.6 焊接施工

3.6.1 焊接優化與工藝提升

傳統的自動焊焊接方式主要有兩種，一種是內焊機根焊+外焊機自動焊填充蓋面的全自動焊工藝（GMAW），一種是STT/RMD/GTAW根焊+氣保護藥芯焊絲填充蓋面（FCAW-G）的組合自動焊工藝。上述兩種焊接工藝在中俄東線天然氣管道工程（黑河—長嶺段，長嶺—永清段）中得到了大面積應用。

在水網地區，通過采用晾曬等措施的水稻田地段、連片水域段或穿越段，可采用內焊機根焊的全自動焊接工藝進行流水焊接和多接一預制。通過研究，對內焊機根焊的全自動焊工藝按照流水作業和預制兩種情況分別確定了最優的焊接單元組合方式。以D1 422 mm×32.1 mm鋼管為例，流水作業時焊接單元推薦采用1個內焊機工作站+5個外焊機工作站的組合方式，平臺預制推薦采用1個內焊機工作站+3個外焊機工作站的組合方式。在局部線路斷點區域，采用組合自動焊進行連頭處焊口的焊接，采用小流水或包口焊（從根焊到蓋面焊均由一組人員完成）的方式。仍然以D1 422 mm×32.1 mm鋼管為例，小流水作業焊接單元推薦采用1個氬弧根焊工作站+3個外焊機工作站的組合方式，包口焊接單元推薦采用1個氬弧根焊工作站+1個外焊機工作站的組合方式。

3.6.2 減少連頭口

針對大口徑管道全自動焊接施工特點，為充分發揮全自動焊接工效，應最大程度地減少連頭處和連頭焊口的形成。

（1）穿越道路與溝渠。對于采用大開挖方式通過道路、溝渠的焊接施工，先對穿越管道進行“二接一或多接一”預制，通過對內焊機的氣電纜、控制線等進行加長改造，可實現預制管道與主管道的全自動焊接，減少連頭口。

（2）穿越地下障礙物。對于穿越地下管道、光（電）纜等障礙物的焊接施工，通過與權屬單位的協調，盡量采取斷地下障礙物不斷主管道的方式，保證自動焊連續施工，不留頭。

（3）連頭施工。其一，連頭處應盡量選擇施工設備在雨季能夠通行的路邊等位置。其二，針對現場地基承載力較差，連頭焊接設備進出場或現場設備擺放排布較為困難時，為保障焊接設備使用效率，可考慮將焊接設備直接固定在爬犁上，利用挖掘機作為牽引進出現場。其三，預留連頭位置的管口封堵應使用鋼板進行滿焊，避免管道埋地后出現“灌腸”的現象。

3.7 沉管下溝

長輸管道下溝方式主要有兩種，一是利用吊管機進行常規吊裝下溝，此方法主要應用于地基承載力與管溝成形較好，且下溝管道自重較小的長輸管道；二是利用挖掘機進行沉管下溝，主要應用于地基承載力與管溝成形較差，且下溝管道自重較大的長輸管道。水網地區一般推薦沉管下溝的方式，即利用管道自身重力作用緩慢將管道自然降落到管溝內的施工方法。

3.7.1 沉管下溝準備工作

施工前應在現場區域內進行開挖驗證，通過開挖驗證，復核設計勘查成果的準確性，查明地下水位和涌水量情況，預判地基承載能力及管溝邊坡的穩定性，有針對性地編制水網段施工方案，對于特殊地質或區域編制專項施工方案，必要時邀請專家共同研討，優化水網段沉管下溝工藝。

針對邊溝不成形或塌方嚴重而導致作業帶超寬的區域，根據外協征地情況可考慮使用鋼板樁，確保管溝成形，減少超占地或二次征地的費用。

3.7.2 沉管下溝過程管理

沉管下溝過程中，當地下水位較高需要對管道進行壓載時，應按設計圖紙要求測量定位并在管道安裝位置作標記。考慮淤泥段、粉質黏土段開挖完成后，管溝邊坡穩定性較差，可能存在溝底塌方導致管道上浮的現象，現場需在沉管下溝過程中根據土質特點適當超挖，避免回淤造成管道淺埋的風險。

針對高地下水位段施工，當管溝開挖完成后溝內積水較多時，現場可采用分段截壩的方式進行，同時采用抽水泵將溝內積水抽出，避免管道出現漂管現象。此外，管溝開挖過程中也可采用明溝降水，即在管溝內每間隔10～30 m設一處積水坑，用泵將積水排出溝外。

4 結束語

機械化施工已成為提升管道工程施工質量、保證管道本質安全的重要手段。如何提高施工效率、降低施工成本、縮短施工工期已成為水網地區機械化施工的重要課題。通過總結國內在建的水網地區天然氣長輸管道機械化施工經驗，為后續水網地區機械化施工提供參考。今后應從設計優化、施工組織策劃、施工方案提升、施工裝備及工法升級等方面，系統地圍繞水網地區機械化施工開展研究，持續提升天然氣長輸管道工程機械化施工水平。