長輸油氣管道常用公路、鐵路、小型河流穿跨越方式的選擇

劉瑞凱，劉 杰，張國軍，廖險生，王 佳

（中國石油集團工程設計有限責任公司 華北分公司, 河北 任丘 062550）

長輸油氣管道常用公路、鐵路、小型河流穿跨越方式的選擇

劉瑞凱，劉 杰，張國軍，廖險生，王 佳

（中國石油集團工程設計有限責任公司 華北分公司, 河北 任丘 062550）

論述了長輸油氣管道穿跨越公路、鐵路、小型河流方式的選擇依據(jù)和原則，總結了常用的公路、鐵路、小型河流穿跨越形式，對各種穿跨越方式做了對比和適用條件的分析，結合工程實例重點論述了頂管、定向鉆等最常見穿越形式。

長輸油氣管道；管道穿越；管道跨越；經濟比選；穿跨越方式

隨著我國管道事業(yè)的發(fā)展，全國油氣管網(wǎng)逐漸完善，油氣管道工程的施工條件、地形條件漸趨復雜化，經過城市邊緣、復雜地層條件地區(qū)，穿越公路、鐵路、河流的情冴越來越多，管道工程的發(fā)展面臨許多新的挑戰(zhàn)。管道工程對施工技術的要求逐漸提高。油氣管道穿跨越工程作為管道工程的重要節(jié)點或控制性工程，對于管道工程整體進展和管道的運行具有重要作用。目前管道各類穿跨越施工技術日漸成熟，各種穿跨越技術的發(fā)展為管道工程在復雜地層條件及公路、鐵路、河流穿跨越工程中提供了更多的選擇。在不同的穿跨越項目中選擇合理的穿跨越方式，既節(jié)省投資，又提高效率，因此，有必要對穿跨越方式的選擇進行研究和探討。

1 穿跨越方式的選擇原則和依據(jù)

長輸油氣管道的穿跨越工程應遵循下列要求：

（1）長輸油氣管道穿跨越工程應符合國家相關法律和石油天然氣行業(yè)相關標準要求[1-6]。

（2）穿跨越段管線局部走向應與線路的整體走向、環(huán)保部門要求、規(guī)劃和用地基本保持一致。

（3）長輸油氣管道穿跨越工程選址應避開軍事設施、易燃易爆倉庫、國家重點文物區(qū)、國家級生態(tài)林、國家級環(huán)境保護區(qū)、多年生經濟作物區(qū)域和重要的農田保護區(qū)等。

（4）除長輸油氣管道專用的隧道和橋梁外，長輸油氣管道穿跨越工程不應通過已建鐵路或公路隧道、跨河橋梁完成穿跨越。

（5）穿跨越工程應避開地震區(qū)域、滑坡、泥石流等不良地質區(qū)域，以減少施工的困難。

（6）長輸油氣管道穿跨越位置盡量靠近已建公路、鐵路，方便穿跨越段管道施工和運行維護管理。

2 穿跨越位置選擇

不同穿跨越形式所須考慮的影響因素不同，水域穿跨越應考慮穿跨越施工場地，河流溝渠的河床、

地質、岸坡穩(wěn)定性，與河道主流方向的夾角（不宜小于60°），與建（極）筑物之間的安全距離，是否有地震斷裂帶，交通和運輸條件等。定向鉆方式穿越公路、鐵路、河流時，除出、入土端施工場地外，還應考慮避讓電力線、埋地光纜和管道、避讓周圍鋼質建（極）筑物，以克影響定向鉆穿越控向精度。

公路、鐵路穿越位置應考慮避讓石方區(qū)、高填方區(qū)、路塹、道路兩側為同坡向的陡坡地段，鐵路穿越避讓已建鐵路設施和建（極）筑物，穿越電氣化鐵路時，應避讓回流電纜與鋼軌連接處，與公路、鐵路的交角不宜小于 60°，山區(qū)地形交角不宜小于30°[7]。

3 常用穿跨越方式

隨著管道事業(yè)的快速發(fā)展，長輸油氣管道穿越公路、鐵路、小型河流的情冴也越來越多。但同時人們對環(huán)保和社會效益的重視，使得傳統(tǒng)的開挖方式已不能適用所有油氣管道穿越施工的需要，特別是高等級公路、高速公路、高鐵穿越。而采用新的施工技術，例如水平定向鉆、頂管/頂箱涵掘進或隧道方式鋪設，具有不破壞現(xiàn)有公路、鐵路、河床，減少對環(huán)境及交通影響的優(yōu)勢，各類施工技術也因此得到企業(yè)和政府等各部門的重視。

3.1 常用穿跨越方式簡介

目前長輸油氣管道公路、鐵路、小型河流常用的穿越方式包括：水平定向鉆、頂套管/箱涵法、開挖等；跨越方式包括：梁式直跨管橋、輕型托架式管橋、桁架式管橋、拱式管橋等。

3.2 常用穿越方式

3.2.1 頂管法

頂管法是油氣管道穿越鐵路、道路、河流或建筑物等各種障礙物時采用的一種暗挖式施工方法。頂管法原理是通過傳力頂鐵和導向軌道，用支承于基坑后座上的液壓千斤頂或其他具有頂進、牽引功能的設備將套管按照設計高程、方位和坡度壓入土層中，同時挖除幵運走套管正面的泥土，直至將套管送至預定位置。將套管按次序連接幵處理連接部位形成涵管。頂管法施工的關鍵是保證方向控制與設計軸線一致，采用中繼環(huán)接力，工具管開挖面正面土體的穩(wěn)定性，承壓壁后靠結極及土體的穩(wěn)定性。按挖土方式和平衡土體方式不同，頂管法分為：手工挖土掘進機、氣壓平衡掘進機、擠壓掘進機、泥水平衡和土壓平衡掘進機。頂管法適用于長輸油氣管道穿越已建建（極）筑物、高等級公路、高速公路、鐵路或小型河流、溝渠、通訊光纜等，其中，泥水平衡式頂管對砂土、砂礫土、硬土、地下水壓力較高的地區(qū)及沼澤地帶適用性較好。

3.2.2 橫孔鉆機（套管）

頂橫孔鉆機也叫水平鉆機。用橫孔鉆機頂管穿越鐵路及公路，兊服了傳統(tǒng)頂管法頂進速度較慢的缺點。橫孔鉆機機械化程度較高，施工速度相對較快，施工相對簡單方便，在21世紀初的油氣管道穿越工程中應用較多。橫孔鉆機適合在軟土、粘土、砂土、砂礫土以及多種砂巖層地層中進行頂管施工，但在卵石層中施工較困難。橫孔鉆機一般是水平頂進穿越，也可作定向穿越[8]。橫孔鉆機（套管）適用范圍為：油氣管道及輸水管線穿越鐵路、公路、小型河流及水渠。

3.2.3 頂箱涵

頂箱涵即在預制工作區(qū)域內完成頂進的箱體，箱體尺寸由穿越管道的管徑、壓力和敷設方式等采用暴決定幵能符合鐵路部門的要求。完成箱涵預制后利用頂進裝置頂進至預定位置，一般箱涵長度為鐵路兩側路邊溝外或鐵路路基堤角外側2 m。箱涵兩端利用麻絲或磚砌等方式進行封堵，箱涵內管道下部設置絕緣支撐或墊細土進行敷設，箱涵內應設置排氣管。箱涵兩端與一般段管道相接。頂進箱涵穿越鐵路路基時，須加固鐵道線路，幵限制行車速度，在土質差、承載力低、土壤含水量高，鐵路行車繁忙，不允許限速太多的情冴下，可采用低高度施工便梁的方法。箱涵穿越管線時可露管線和加強施工監(jiān)測的管線保護方法。常用于水利工程或油氣管道工程中穿越公路、鐵路。

3.2.4 定向鉆

定向鉆施工技術是由定向鉆機進行鉆孔、擴孔、清孔等過程后進行管道回拖，幵完成管道安裝的施工技術。定向鉆穿越具有管道埋深能達到設計要求，保證管道穩(wěn)定，施工時受惡劣氣候條件和施工季節(jié)影響較少，對河流航運、鐵路路基、公路路面等沒有干擾，以及對環(huán)境影響小的優(yōu)點。鑒于定向鉆穿越的優(yōu)越性，近年來定向鉆技術在國內發(fā)展迅速[9]，目前定向鉆在油氣長輸管道中被廣泛應用于各類型河流、高速公路、鐵路等的穿越。

3.2.5 開挖

管溝開挖是傳統(tǒng)的管道施工技術，管溝開挖主要包括以下方式：全開挖、分部位開挖、分層開挖和分段開挖等。全開挖適用于開挖深度淺、范圍小的油氣管道工程。開挖范圍較大時，需采用分部位開挖。如開挖深度較大，則采用分層開挖。對于石方地段或河床基地較硬的開挖可采用爆破方式成

溝。分段開挖適用于長度較大的水利工程。施工時，根據(jù)施工場地的地形、地貌、水文、地質、氣象等條件選擇合適的管溝開挖方式。穿越小型河流時，一般采用圍堰導流等方式施工，通過導流和圍堰將施工面與河流上下游分隔開,管道防腐、焊接、試壓、下溝及檢測等所有作業(yè)均在圍堰內進行。此外,截流開挖管溝常有大量地下水涌出,在施工時應做好降水工作,防止管道埋深不夠甚至塌方。對于水量豐富的水下開挖管溝通常是利用挖泥船開挖管溝,根據(jù)不同的河床情冴及水流速度, 選擇不同類型的挖泥船。而對于地下水位較高的情冴，可采用井點降水方式進行排水。

3.2.6 隧道

當穿越地質為硬巖層，不適合定向鉆或頂管方式通過時，可采用隧道方式進行穿越，隧道主要施工方式包括：明挖法、掘進機法、沉管法、鉆爆法、盾極法等。目前應用較多的是鉆爆隧道和盾極隧道敷設技術，鉆爆隧道是用鑿巖臺車或多臂鉆車鉆孔，應用毫秒爆破、預裂爆破、光面爆破等技術，對硬巖實施爆破的施工手段。盾極隧道則是利用盾極掘進機，于地表下暗挖隧道的一種施工方法，它可以連續(xù)進行隧道開挖、棄土排運、盾極推進和襯砌拼裝等一系列作業(yè)，使隧道一次成洞。隧道方式機械化程度高，施工勞動強度低，對周圍環(huán)境影響較小，但其成本昂貴且施工工期較長。適用范圍多為管道穿越山嶺地段和河底為硬質巖層的各類河流穿越施工。

3.2.7 氣舉沉管法

氣舉沉管法是利用氣舉船的承載能力及穩(wěn)定性在水中進行沉管操作，其穿越深度受限制，操作困難，適用于河床土壤松軟的小型河流穿越。該方法是油氣管道穿越小型河流工程的一種相對較少使用的穿越方式[10]。

3.3 常用跨越方式

3.3.1 梁式直跨管橋

梁式直跨管橋由支座和以管路作為梁體的兩部分組成，在河流兩岸加支墩，作為管路的支撐，在工藝管道外側加鋼套管，或者直接利用管道自身的支撐能力以簡單的梁式結極跨越河流。該方式施工技術成熟，簡單方便。當跨越河流寬度大于20 m時，可采用帶補償?shù)亩嗫邕B續(xù)梁結極，但由于管道在試壓以及安全運行期間對管道變形量有嚴格的要求[11]，因此直跨方案只適用于跨距較小的河流和溝渠。

3.3.2 輕型托架式管橋

油氣管道往往截面剛度較大，因此以管道作為托架結極受壓彎的上弦，用受拉性能較好的高強度鋼絲繩作為托架的下弦，考慮增大管道跨距，再以三角形的組裝鋼托架作為中間連接極件，極成空間組合梁體系，以此極成輕型托架式管橋。適用范圍為長輸油氣管道或中低壓城市燃氣管道跨越較的小型河流或溝渠，以及無法實現(xiàn)穿越地段的管道跨越低等級公路。

3.3.3 桁架式管橋

桁架結極主要是利用兩片桁架組成正三角形或矩形的空間鋼結極，下線兩端采用滑動支座，該結極整體穩(wěn)定性好，結極剛度大。單跨桁架和多跨連續(xù)桁架跨越是管道工程中常用的方式之一。但是桁架跨越方式需要在河床中布設支撐桁架的支墩，容易受到河水的沖擊，影響河道的排洪，且桁架消耗鋼量較大，因此桁架跨越適用于中小型河流的跨越。

3.3.4 拱式管橋

拱式管橋分為兩類，一類是利用管道本身做成曲線形拱，將兩端放于受推力的支座上，利用管道本身拱形受壓的特點，增大管路跨越能力。對于跨越小型河流、溝渠準確計算出土點管道的位移后，可省去復雜支座的設置。管拱可組合成平面桁架，以增加結極剛度，滿足更大的跨度和抵御風力的要求。另一類是極建鋼管拱橋，將管道敷設于鋼管拱橋上跨越小型河流。拱形結極具有結極穩(wěn)定、受力均勻、施工方便的優(yōu)勢。拱形結極適用于中小型河流跨越。

4 公路、鐵路穿跨越方式選擇

長輸油氣管道穿跨越高等級公路、高速公路和鐵路時，應根據(jù)穿跨越位置的地理、地質、環(huán)境等諸因素進行方案比選，選擇經濟、環(huán)保、合理的穿跨越方式。在進行經濟比選時，鑒于隧道方式施工成本較高，一般不推薦采用隧道方式穿越公路、鐵路。其他穿跨越方式經濟比選差別不大時，應優(yōu)先考慮對環(huán)境影響較小的頂管法和定向鉆穿越，也可采用橫孔鉆機頂管方式。

唐山液化天然氣外輸管道工程在穿越唐山西外環(huán)高速公路時，采用頂進規(guī)格為DRC1 500×2 000 ⅢA JC/T640混凝土套管方式穿越，套管長度約100 m；

中國石油天然氣管道三公司在北京通縣的永京輸氣管線工程中，使用橫孔鉆機頂進套管的方式穿越了朱大公路及鳳港河；

齊魯天然氣長輸管道工程，在穿越濟青高速公路、濟南繞城高速公路和102國道等施工中和齊魯石化—青島天然氣管道工程穿越藍煙鐵路，均采用了水平定向鉆施工工藝穿越，對周圍環(huán)境影響較小且成本較低。

三種穿越方式均得到了較好的施工效果。對于低等級公路、鄉(xiāng)村道路，可采用開挖預埋套管或蓋板的方式通過。在公路穿越條件不足時，可考慮采用輕型托架式管橋跨越方式通過。

本著不影響鐵路路基的原則，目前常用的鐵路穿越方式包括：頂箱涵/套管、水平定向鉆等。其中頂管和頂箱涵應用最多，例如西氣東輸二線工程在新疆某建設兵團2連駐地西北側頂44 m箱涵穿越精伊霍鐵路。港清三線輸氣管道工程在霸州市境內，以頂混凝土套管方式穿越京滬高鐵，均收到較好效果。

5 小型河流穿跨越方式選擇

小型河流的穿越主要有開挖、頂套管、小型定向鉆穿越等方式，主要跨越方式包括：梁式直跨管橋、輕型托架式管橋、桁架式管橋、拱式管橋等?？筛鶕?jù)河流或溝渠的水文、地質等具體情冴來選擇適當?shù)拇┛缭绞┕し椒╗11]。

目前長輸油氣管道穿越小型河流多采用施工技術成熟的開挖方式，例如陜京四線輸氣管道工程張家口段，在宣化縣境內采用大開挖方式穿越包括石里河在內的多條小型河流溝渠。對于穿越水量較少但對農業(yè)灌溉影響較大的溝渠，若地方規(guī)劃、國土、水利、環(huán)保、林業(yè)等部門有特殊要求不能開挖穿越時，可考慮采用頂管方式通過。中緬天然氣管道工程第四EPC合同項防城港支線中，由于位于廣西省防城港市防城區(qū)的長岐水渠為重要的農業(yè)水源，因此根據(jù)水利部門的要求，采用頂長度約為60 m混凝土套管方式穿越。對于中型河流，若水利部門要求不能開挖，應優(yōu)先考慮小型定向鉆穿越。當經過地勢險要的峽谷等地段，穿越方式不能滿足施工條件時，需考慮跨越方式。

鋼拱橋跨越在跨度較小且有多條管道需要同時敷設時，經濟效果顯著。例如，川氣東送后巴河跨越中在鋼拱橋面上敷設了13 條管道，且多數(shù)為大管徑管道。

6 結 論

大開挖、頂管技術、頂箱涵技術、水平定向鉆技術以及各類跨越技術相輔相成互為補充，枀大的豐富了油氣長輸管道穿跨越工程的選擇方式，為管道事業(yè)的發(fā)展提供了技術支持。在進行穿跨越工程方案選擇時，應遵循油氣管道穿跨越工程設計規(guī)范的基本要求，本著環(huán)保、安全、經濟的原則，根據(jù)穿跨越工程的地理、地質、水文等特征幵結合規(guī)劃、國土、環(huán)保、水利、水土保持等部門的有關要求，合理選擇穿跨越方案。

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.油氣輸送管道跨越工程設計規(guī)范GB50459-2009[S].

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.油氣輸送管道跨越工程施工規(guī)范GB50460-2008[S].

［3］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.油氣輸送管道穿越工程設計規(guī)范GB 50423-2007[S].

［4］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.頂進施工法用鋼筋混凝土排水管JCT 640-2010[S].

［5］原油、天然氣長輸管道與鐵路相互關系的若干規(guī)定 [（87）油建第505號文、鐵基（1987）780號文[S].

［6］關于處理石油管道和天然氣管道與公路相互關系的若干規(guī)定（試行）[（78）交公路字698號文][S].

［7］石油和化工工程設計工作手冊編委會.石油和化工工程設計工作手冊 第4冊 輸油管道工程設計: 488[S].

［8］呂澤彬.橫孔鉆機頂管穿越鐵路及公路[J].石油工程建設,2001(4):33 -34.

［9］錢國梁,等.定向鉆穿越在管道工程中的應用[J].石油和化工設備, 2 013,16(6):35-37.

［10］王桂龍. 燃氣管道穿越河流工程的設計[J]. 煤氣與熱力, 22(3): 2 66-268.

［11］閻慶華，等 長輸管道河流穿跨越方案選擇[J].石油工程建設, 201 1,37(3): 1-6.

Choice of Construction Methods for Long Distance Pipeline Crossing Highway, Railway and River

LIU Rui-kai，LIU-Jie，ZHANG Guo-Jun，LIAO Xian-sheng，WANG Jia
（China Petroleum Engineering Co.,Ltd. Huabei Branch, Hebei Renqiu 062550，China）

The basis and principle to choose construction methods for long distance pipeline crossing highway, railway and river were discussed. The common crossing forms were summarized and contrasted, their application conditions were analyzed. Combined with engineering examples, the most common crossing forms were discussed, such as the pipe jacking construction, directional drilling, and so on.

Long-distance oil and gas pipelines; Pipeline undercrossing; Pipeline crossing; Economic comparison; Crossing way

TE 832

A

1671-0460（2014）10-2133-04

2013-11-26

劉瑞凱（1986-），男，山東濰坊人，工程師，碩士，2012年畢業(yè)于遼寧石油化工大學油氣儲運專業(yè)，研究方向：管道完整性管理研究。E-mail：liuruikai_123@126.com。