石油天然氣管道隧道穿越施工技術(shù)探究

吳曉鋒

（西南油氣田川東北作業(yè)分公司，四川 達州 636164）

0 引言

石油天然氣管道的輸送距離較長，壓力較高，施工需要穿越山體、河流、鐵路等區(qū)域，具有一定的復(fù)雜性、風(fēng)險性與特殊性[1]。而隧道穿越施工的作業(yè)面較小、濕度大、施工環(huán)境相對惡劣，施工人員、施工設(shè)備和工具全部集中在有限的空間內(nèi)，很大程度上增加了安全事故的發(fā)生風(fēng)險，且施工管理難度大，周圍的地質(zhì)環(huán)境很容易因隧道穿越工程而遭到破壞，出現(xiàn)落石、塌方、崩塌等現(xiàn)象，甚至還會造成意外傷亡。與公路隧道施工相比，石油天然氣管道的隧道穿越工程具有施工斷面小、交通不暢等特點，在有限的空間內(nèi)，無法使用現(xiàn)代化的大型機械。而且隧道施工經(jīng)常會用到鉆爆技術(shù)，風(fēng)險性更高。作為長輸管道施工單位，研究提高隧道穿越施工效率，保障施工安全的有效措施，是一項重要課題，本文就此展開綜述。

1 穿越施工技術(shù)介紹

1.1 大開挖穿越技術(shù)

大開挖穿越技術(shù)是最常見的一種穿越施工技術(shù)，主要用于車流量較少的低等級公路和小型河流穿越，具有施工方式簡單、施工工期短、施工成本低的特點。施工期間一般土建和管道安裝同時進行，或管道提前預(yù)制、試壓完成，等待管溝成型后迅速下溝、回填，以縮短斷道或斷流的時間[2]。一般需在穿越點的兩側(cè)先確定管溝的中心線，并開挖好兩側(cè)管溝，在取得施工許可，確定斷道或斷流時間后迅速完成管溝開挖、管道下溝、防腐檢測、管溝回填、地貌恢復(fù)等施工。在不具備斷道的公路施工時一般會修筑臨時便道或搭設(shè)鋼便橋以保證車輛通行。如果不能一次完成穿越的河流，一般會采取圍堰的方式進行半幅開挖、河底連頭的方式完成穿越。

1.2 頂管穿越技術(shù)

頂管穿越施工技術(shù)能夠避免施工機械對路基穩(wěn)定性、路面結(jié)構(gòu)等造成損壞，也可以避免穿越時存在的交通妨礙問題，所以被廣泛使用。施工時使用挖掘機開挖頂管操作坑和接收坑，將抗力擋墻設(shè)置在千斤頂?shù)暮蠓轿恢茫c此同時還需要加固處理抗力擋墻后方位置的坑壁[3]。在頂管位置施工期間，需通過使用電動油泵將千斤頂驅(qū)動進入套管，等待千斤頂頂進套管以后，再繼續(xù)完成人工掏土施工。將這種操作方法反復(fù)進行，直到穿透公路為止。頂管完畢后進行穿越段管道安裝、試壓，試壓完畢后進行套管封堵、回填等工作。

1.3 定向鉆穿越技術(shù)

這是一種傳統(tǒng)公路打孔聯(lián)合油田定向鉆井的技術(shù)，最早應(yīng)用于20世紀(jì)70年代，現(xiàn)階段，主要作為一種非開挖施工的水平定向穿越技術(shù)，用到的施工設(shè)備包括：鉆機系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、各種鉆具、輔助機具等。該技術(shù)分為以下施工過程：一是根據(jù)設(shè)計曲線鉆導(dǎo)向孔，二是依次分級擴大導(dǎo)向孔，三是通過收鉆回拖長輸管道完成穿越。管道預(yù)制基本安排在擴孔期間進行，由于鉆頭已出土，可以避免預(yù)制場地與鉆孔位置出現(xiàn)過大偏差，減少后期工作量。

1.4 隧道穿越技術(shù)

常用的施工方法有盾構(gòu)法、明挖法、掘進法等。包括五個施工環(huán)節(jié)，分別是：高壓旋噴樁防滲墻注漿、超前勘探、掘進、初期支護、二次支護。根據(jù)隧道的長度與交通條件、現(xiàn)場環(huán)境確定單邊后者雙邊掘進開挖，以及初期的支護施工，貫通之后實施永久性支護。

2 石油天然氣管道隧道穿越施工技術(shù)的應(yīng)用

某長輸管道工程由1條干線與8條支線組成，途徑15個省、市、自治區(qū)、特區(qū)，穿越四大流域以及山區(qū)地帶。設(shè)計穿越隧道的管道壓力值為10MP，管徑值為Ф1219，隧道軸線的投影形狀為直線形，其水平投影的長度為767.1m，實際長度值為767.7m，縱坡3.96%。設(shè)計隧道斷面時，需要將其設(shè)計成為直墻圓弧拱形，凈斷面額凈高度為3.2m，凈寬度為3.2m。隧道區(qū)域的平均海拔超過2000m，以泥巖、頁巖、泥灰?guī)r為主，圍巖的級別分為IV級、V級、VI級。隧道跨越了一層逆斷層，斷層破碎帶的寬度為20-35m。

2.1 施工方法

2.1.1 超前支護施工

工程在應(yīng)用超前小導(dǎo)管的情況下結(jié)合超前管棚。在IV級與V級圍巖開挖斷面圍巖破碎與容易風(fēng)化的區(qū)域使用超前小導(dǎo)管；在VI級圍巖段與隧道進出口的明暗交界區(qū)域使用超前管棚。

（1）超前小導(dǎo)管。使用無縫鋼管，每根鋼管的長度3.0m，Ф42mm×4mm，打設(shè)是沿著開挖輪廓線以外的1.5m距離進行，外插角控制為10°，環(huán)向距離值與縱向搭接長度分別為30cm和1.0m。每個循環(huán)使用21根小導(dǎo)管。

（2）超前管棚。使用長10.0m/根、Ф89mm×4mm的無縫鋼管。選擇使用的打設(shè)方法類同于超前小導(dǎo)管打設(shè)方法，外插角控制為7°，環(huán)向間距和縱向搭接長度分別為40cm和1.5m，每個循環(huán)使用15跟管棚鋼管。

（3）施工注意事項。①小導(dǎo)管與管棚的前端全部做成長10cm的錐形頭，以便打入。②施工前，噴厚度約3-5cm的混凝土封閉掌子面，以起到止?jié){墻的效果，避免跑漿。合理控制鋼管的外插角，以提高支護效果。③實施管棚期間，首先要將奇數(shù)數(shù)量的鋼花管打入其中，之后再進行注漿，最后將偶數(shù)數(shù)量的鋼花管打入其中。對鉆機的立軸方向作出嚴(yán)格控制，在進行鉆進的時候，需要對鋼管的偏斜度展開動態(tài)測量，若是測量的鋼管偏斜度超出規(guī)定的范圍，需要即刻作出修正。使用長15cm的絲扣連接鋼管接頭，相鄰接頭最好錯開3m。④注漿之前，所有孔眼全部安裝止?jié){塞，避免漿液溢出。從雙側(cè)拱腳開始注漿，直至注入到拱頂，初始壓力0.5～1.0MPa，最終壓力2MPa。注漿過程中，相鄰的孔眼應(yīng)該間隔開來，不可連續(xù)注漿。注漿量滿足設(shè)計要求后可停止注入，徹底清除干凈管道內(nèi)部殘留的漿液，利用M20水泥砂漿將其填滿，將管棚的強度和導(dǎo)管的剛度提升[4]。

2.1.2 洞身的開挖

通過設(shè)計鉆爆以明確爆破的參數(shù)，同時與爆破效果和圍巖特點相結(jié)合，對爆破參數(shù)作出靈活性調(diào)整。采取全斷面光爆開挖技術(shù)完成全石質(zhì)隧道施工，隧道的局部位置發(fā)生滲水問題，所以可選擇使用乳化炸藥，周邊眼間距為40cm、輔助眼間距為70cm，以直徑76mm的超前水平鉆孔作為中心，半徑為15cm的圓上設(shè)置掏槽眼，用7段位毫秒的雷管引爆周邊眼、5段位毫秒的雷管引爆輔助眼、3段位毫秒的雷管引爆掏槽眼。鉆孔每次循環(huán)進尺2.2m，掘進每次循環(huán)進尺2m。

2.1.3 初期支護

（1）支護參數(shù)。支護工程實施期間，需綜合使用C25噴混凝土、Ф22鋼筋格柵、Ф6鋼筋網(wǎng)、Ф22水泥砂漿錨桿等支護措施。破碎圍巖局部時，采取超前小導(dǎo)管注漿、超前管棚等預(yù)加固措施。

（2）噴射混凝土。采用“潮噴”施工方法，初次噴射的厚度為4～6cm，在完成工程開挖以后，要在最短時間內(nèi)開展潮噴施工，達到圍巖封閉的效果。之后再完成系統(tǒng)錨桿打設(shè)，同時將鋼筋網(wǎng)懸掛完成，混凝土終凝后，再次噴射6～8cm厚度。如果終凝的時間在1h以上，則需要用風(fēng)水清洗混凝土表面。因挖開面施工需要在噴射混凝土后馬上開始，所以要嚴(yán)格控制下次爆破與噴射混凝土之間的時間間隔，通常在4h以上。噴射混凝土后的2～4h開始養(yǎng)護，在混凝土表面覆蓋土工布，養(yǎng)護時間1～2周[5]。

（3）掛鋼筋網(wǎng)。使用Ф6圓鋼作為鋼筋網(wǎng)片，去除銹跡后，將其加工為250cm×250cm的網(wǎng)片。隨著受噴面的起伏掛設(shè)網(wǎng)片，網(wǎng)片和受噴面之間留出3cm的保護層，焊牢網(wǎng)片和系統(tǒng)錨桿，保證噴射混凝土不會引起晃動。

（4）支立鋼格柵。將Ф22螺紋鋼筋按要求加工成鋼筋格柵，以增強初期支護。支立的間距為0.8～1.2m?？v向使用Ф22鋼筋拉條間距1m連接。將型鋼支架應(yīng)用于圍巖破碎、容易掉塊和滲水的區(qū)域，型鋼截面HW150×150×7×10，間距為0.5-1.0m。

2.2 監(jiān)控量測

開挖完成洞身以后，分別要在邊墻位置、拱頂位置以及拱腳位置進行測點埋設(shè)，收斂測量拱頂下沉情況與水平情況。測試元件采取Ф12圓鋼制作，元件長度30cm，錨入基巖內(nèi)的長度10cm，初期支護12cm，外露初支面的長度為8cm。用JSS30A型收斂儀觀測水平收斂量測結(jié)果，及時調(diào)整預(yù)留變形量、工序、開挖尺寸，為后續(xù)施工提供指導(dǎo)依據(jù)。

2.3 二次襯砌

隧道的襯砌方式為復(fù)合式，二次襯砌可以不考慮防水，但混凝土的抗?jié)B等級至少要達到S6級。IV級圍巖斷面直墻與半圓拱全部使用C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土，厚度250mm；底板為C25素混凝土，厚度200mm；VI級圍巖斷面直墻與半圓拱應(yīng)用C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土，厚度300mm；隧道底板使用仰拱為厚度300mm的C30鋼筋混凝土，仰拱上使用C25素混凝土進行回填，一直回填到底板的設(shè)計標(biāo)高。整個隧道工程在完成初期支護、仰拱封閉以及回填后，立刻使用自行式液壓襯砌臺車進行二次襯砌，邊墻與拱頂一次性澆筑完成，充分保障了隧道穿越施工的安全性。

2.4 隧道內(nèi)的管道安裝技術(shù)

山體隧道內(nèi)的管道一般選用直埋的方式安裝，江底隧道則采用管墩支撐+管卡穩(wěn)固的方式敷設(shè)，施工期間受到的干擾相對比較少。但是，大口徑管道隧道穿越工程，因為隧道內(nèi)部作業(yè)空間有限，一般車輛無法進入隧道，施工中會使用帶管托的隧道運布管小車，對于有管墩的隧道，會使用移動龍門架來布管，在隧道的斜巷段則會利用隧道施工轉(zhuǎn)運土石方的軌道進行布管。

3 結(jié)語

綜上所述，為了解決油氣資源供需矛盾，我國開始大力開展油氣輸送管道建設(shè)工程。但在具體施工中，各種因素都可能對工程建設(shè)產(chǎn)生影響，尤其是隧道穿越工程，石油天然氣管道隧道穿越是一個系統(tǒng)性的工程，應(yīng)該從設(shè)計、施工、安全管理三方面采取綜合措施，保證隧道內(nèi)的焊接工藝符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，焊接效果可靠。焊接工人必須擁有資格證書，熟悉隧道穿越管道工程的焊接工藝規(guī)章要求，委派專人負責(zé)管理焊接設(shè)備，在充分保障隧道工程施工安全的基礎(chǔ)上，提高施工效率，促進我國長輸管道建設(shè)的長遠發(fā)展。