大口徑天然氣管道工程水網(wǎng)地區(qū)機(jī)械化施工難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)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(wǎng)集團(tuán)有限公司建設(shè)項(xiàng)目管理分公司,河北廊坊 065000

1 水網(wǎng)地區(qū)特點(diǎn)及機(jī)械化施工難點(diǎn)

水網(wǎng)地區(qū)土層富含水、土質(zhì)松軟、承載力低，而在我國經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的江南水網(wǎng)地區(qū)，還具有養(yǎng)殖塘分布密集、環(huán)境敏感點(diǎn)多的特點(diǎn)，給機(jī)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(zhàn)［1-6］。

一是水網(wǎng)地區(qū)水資源比較豐富，生態(tài)紅線、生態(tài)空間管控區(qū)域密集分布，沿線環(huán)境敏感點(diǎn)多。

二是經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的水網(wǎng)地區(qū)村莊、房屋、工廠較為密集，鄉(xiāng)村道路發(fā)達(dá)，管道穿越埋地電（光）纜、燃?xì)夤艿馈嬘盟艿赖鹊叵抡系K物多，地方政府規(guī)劃政策性強(qiáng)，協(xié)調(diào)難度大，影響整體施工進(jìn)度。

三是水網(wǎng)地區(qū)水道縱橫交錯(cuò)，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(qū)養(yǎng)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(shù)量多，熱煨彎管使用量大，施工斷點(diǎn)多，全自動(dòng)焊接機(jī)組連續(xù)施工作業(yè)受阻，降效嚴(yán)重。

四是水網(wǎng)地區(qū)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(shè)備自身行走、吊裝作業(yè)困難，常規(guī)的布管、組對(duì)焊接、下溝等工序很難正常開展，特別是對(duì)自動(dòng)焊工藝焊接過程的穩(wěn)定性造成影響，導(dǎo)致焊接質(zhì)量不易控制。

因此，需要在管道設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮并優(yōu)化作業(yè)帶布置、管道敷設(shè)方式、管道保護(hù)措施等，在施工過程中需對(duì)施工便道修筑、施工作業(yè)帶修筑、運(yùn)布管、焊接施工、沉管下溝等方案進(jìn)一步完善，合理選擇焊接工藝并優(yōu)化機(jī)組配置，才能切實(shí)提高水網(wǎng)地區(qū)大口徑天然氣管道的施工效率并保證施工質(zhì)量。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 管道敷設(shè)方式

針對(duì)水網(wǎng)地區(qū)地形地貌分布特點(diǎn)，大口徑天然氣管道的敷設(shè)主要以開挖、頂管和定向鉆三種方式為主。

（1）針對(duì)地勢(shì)平坦的連片水田地段，管道敷設(shè)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(duì)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(qū)域也可采用開挖直埋的敷設(shè)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(qū)域采用開挖直埋方式敷設(shè)

（2）針對(duì)兩岸村莊房屋分布密集的干渠及小型河流、國省干道、鄉(xiāng)村道路等區(qū)域，為縮減作業(yè)面寬度、減少施工期間的房屋拆遷量以及避免長時(shí)間中斷道路通行，管道穿越上述區(qū)域時(shí)一般采用頂管穿越的方式，頂管深度應(yīng)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(qū)域采用頂管穿越方式

（3）對(duì)于大中型河流、分布密集的溝渠和連片的養(yǎng)殖塘以及不適合采用頂管穿越的區(qū)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(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況確定。

圖3 管道在溝渠密集區(qū)域采用定向鉆穿越方式

2.2 管道保護(hù)措施

針對(duì)養(yǎng)殖塘、道路、小型河流溝渠等不同穿越地段，應(yīng)制定相應(yīng)的管道保護(hù)措施。

（1）養(yǎng)殖塘地段。為了防止養(yǎng)殖塘定期清淤對(duì)管道造成影響，采用管道上方鋪設(shè)“U型”混凝土預(yù)制塊進(jìn)行保護(hù)，此種保護(hù)方式同時(shí)具有配重穩(wěn)管的作用。

（2）穿越道路區(qū)域。采用混凝土蓋板涵對(duì)管道進(jìn)行保護(hù)，此種保護(hù)方式既可以保護(hù)管道不受道路荷載的影響，同時(shí)也可降低第三方施工時(shí)對(duì)管道造成的破壞。

（3）穿越小型河流溝渠區(qū)域。采用混凝土配重塊進(jìn)行穩(wěn)管保護(hù)，同時(shí)在河流溝渠的底部設(shè)置混凝土蓋板過水面，防止河道清淤時(shí)對(duì)管道造成破壞。

以國內(nèi)水網(wǎng)地區(qū)在建的某管道工程為例，管道保護(hù)方式見圖4。

圖4 管道保護(hù)方式

（4）河流、溝道段。當(dāng)管道與河流、溝道交叉敷設(shè)時(shí)，不可避免地會(huì)受到水流沖刷侵蝕的影響。防護(hù)措施主要包括坡式護(hù)岸、擋墻式護(hù)岸、過水面、石籠護(hù)底、混凝土澆筑穩(wěn)管、防沖墻等。采用圍堰開挖方式穿越河流時(shí)，施工結(jié)束后應(yīng)及時(shí)拆除圍堰，棄土運(yùn)至附近的管道作業(yè)帶回填。

當(dāng)管道順河（溝）岸邊敷設(shè)時(shí)，由于河（溝）岸的崩塌后退會(huì)導(dǎo)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(cè)蝕而后退，通常采用護(hù)岸的方式抵抗水流的沖刷和淘蝕作用，防護(hù)措施主要包括漿砌石擋墻式護(hù)岸、漿砌石坡式護(hù)岸等。

當(dāng)管道順河（溝）底敷設(shè)時(shí)，需根據(jù)實(shí)際情況開展必要的防洪評(píng)價(jià)，確定沖刷深度及河勢(shì)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(yīng)采取其他必要的水工保護(hù)措施，如設(shè)置溝內(nèi)漿砌石截水墻、混凝土連續(xù)覆蓋、過水面、石籠護(hù)底等。

3 施工組織與措施方案

3.1 施工組織

通過分析水網(wǎng)地區(qū)施工特點(diǎn)和難點(diǎn)，結(jié)合長輸管道施工要求，水網(wǎng)地區(qū)施工組織應(yīng)重點(diǎn)考慮均衡化施工和單元化施工。

均衡化施工主要包括三個(gè)方面：一是結(jié)合工期計(jì)劃安排，對(duì)施工期進(jìn)行階段劃分，針對(duì)不同階段組織資源；二是充分利用旱季施工，結(jié)合沿線農(nóng)業(yè)輪作和養(yǎng)殖業(yè)周期，全力完成水網(wǎng)區(qū)域內(nèi)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(jìn)行頂管、連頭、試壓等施工，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際可開展鋼管“二接一”焊接預(yù)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(dòng)焊接機(jī)組能夠連續(xù)通行作業(yè)的施工段落劃分為一個(gè)獨(dú)立的“施工單元”。優(yōu)先采取施工措施盡可能增長每個(gè)“施工單元”的長度，減少機(jī)組搬家，保證連續(xù)施工。每個(gè)“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(xù)施工，跟進(jìn)作業(yè)，確保機(jī)組在雨季之前及時(shí)上“岸”（“岸”指雨季能滿足機(jī)組通行、施工的地段），將連頭處留在雨季也能進(jìn)場施工的路邊等位置。

3.2 施工便道修筑

管材和設(shè)備進(jìn)場是水網(wǎng)地區(qū)管道施工的主要難點(diǎn)，為保證管材運(yùn)輸和施工設(shè)備進(jìn)場需要，應(yīng)根據(jù)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(duì)于道路通行狀態(tài)良好的地段，可依托作業(yè)帶周邊的省道、縣道、村級(jí)道路等各等級(jí)道路作為進(jìn)場便道。對(duì)于路面承載能力良好的村級(jí)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(shè)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(shè)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(duì)于道路通行狀態(tài)差，作業(yè)帶周邊無道路依托的地段，可利用田間機(jī)耕道，用推土機(jī)堆土拓寬、機(jī)械平整，碾壓后修筑施工便道。采取地基強(qiáng)化措施修筑復(fù)合便道，先鋪軟石層，再鋪厚碎石層進(jìn)行壓實(shí)，便道兩側(cè)開挖邊溝和集水坑，保證排水。

（2）對(duì)于個(gè)別分布在軟地基地段上的鄉(xiāng)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(duì)其進(jìn)行加固，以滿足機(jī)具設(shè)備通行的需要。

3.2.3 經(jīng)過河流、溝渠的便道修筑

由于河流、溝渠截?cái)喽鵁o進(jìn)場道路時(shí)，可采取以下幾種方式。

（1）直接填土。當(dāng)通過對(duì)水流截?cái)酂o特殊要求的一般溝渠時(shí)，可采取直接填土方式進(jìn)行截?cái)啵拗鳂I(yè)帶。

（2）原橋加固。對(duì)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(yīng)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(shí)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(yè)帶修筑

選取合適的修筑方式來打通水網(wǎng)地區(qū)施工作業(yè)帶是保證機(jī)械化施工連續(xù)作業(yè)能力、提高施工效率的關(guān)鍵。

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

（2）對(duì)于養(yǎng)殖塘段施工作業(yè)帶，用水泵將塘內(nèi)的水抽排干凈并徹底清除塘底淤泥。塘底經(jīng)適當(dāng)晾曬，使其承載力滿足施工條件。連續(xù)池塘的穿越施工，首先針對(duì)單個(gè)池塘進(jìn)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(yè)帶。

此外，需結(jié)合地基承載力情況采用鋪設(shè)“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(jī)械化施工的需要。

3.4 運(yùn)布管施工

在水網(wǎng)地區(qū)的管道施工中，鋼管及設(shè)備的運(yùn)輸是施工的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。根據(jù)水網(wǎng)地區(qū)河網(wǎng)密布、水路發(fā)達(dá)的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，當(dāng)河流將施工作業(yè)帶隔斷或無運(yùn)管道路且無法通過施工作業(yè)帶進(jìn)行管材倒運(yùn)的時(shí)候，可采用以下幾種方式進(jìn)行管材和施工設(shè)備、機(jī)具的運(yùn)輸。

（1）承載力較好的作業(yè)帶。對(duì)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(yùn)，并配合寬履帶濕地吊管機(jī)或吊管機(jī)進(jìn)行布管。

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

3.5 管口組對(duì)

水網(wǎng)地區(qū)地基承載力較差，可能導(dǎo)致管口組對(duì)間隙等參數(shù)發(fā)生變化，推薦采取以下措施確保管口組對(duì)參數(shù)滿足焊接工藝規(guī)程的要求。

（1）當(dāng)作業(yè)帶承載力滿足吊管機(jī)進(jìn)場且現(xiàn)場土質(zhì)滿足土墩成形要求時(shí)，管口組對(duì)采用土墩支撐方式。

（2）當(dāng)土墩不成形時(shí)，支墩可采用多組、多層方木壘筑，上面鋪設(shè)土袋或膠皮對(duì)管道防腐層進(jìn)行保護(hù)，管道焊接完成后取出方木支墩，以便重復(fù)利用。

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

（4）為保證組對(duì)時(shí)吊管設(shè)備不產(chǎn)生沉降，確保組對(duì)與根焊質(zhì)量，組對(duì)時(shí)在吊管機(jī)靠近管道一側(cè)履帶下方鋪設(shè)鋼浮板。

3.6 焊接施工

3.6.1 焊接優(yōu)化與工藝提升

傳統(tǒng)的自動(dòng)焊焊接方式主要有兩種，一種是內(nèi)焊機(jī)根焊+外焊機(jī)自動(dòng)焊填充蓋面的全自動(dòng)焊工藝（GMAW），一種是STT/RMD/GTAW根焊+氣保護(hù)藥芯焊絲填充蓋面（FCAW-G）的組合自動(dòng)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(yīng)用。

在水網(wǎng)地區(qū)，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(nèi)焊機(jī)根焊的全自動(dòng)焊接工藝進(jìn)行流水焊接和多接一預(yù)制。通過研究，對(duì)內(nèi)焊機(jī)根焊的全自動(dòng)焊工藝按照流水作業(yè)和預(yù)制兩種情況分別確定了最優(yōu)的焊接單元組合方式。以D1 422 mm×32.1 mm鋼管為例，流水作業(yè)時(shí)焊接單元推薦采用1個(gè)內(nèi)焊機(jī)工作站+5個(gè)外焊機(jī)工作站的組合方式，平臺(tái)預(yù)制推薦采用1個(gè)內(nèi)焊機(jī)工作站+3個(gè)外焊機(jī)工作站的組合方式。在局部線路斷點(diǎn)區(qū)域，采用組合自動(dòng)焊進(jìn)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(yè)焊接單元推薦采用1個(gè)氬弧根焊工作站+3個(gè)外焊機(jī)工作站的組合方式，包口焊接單元推薦采用1個(gè)氬弧根焊工作站+1個(gè)外焊機(jī)工作站的組合方式。

3.6.2 減少連頭口

針對(duì)大口徑管道全自動(dòng)焊接施工特點(diǎn)，為充分發(fā)揮全自動(dòng)焊接工效，應(yīng)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(duì)于采用大開挖方式通過道路、溝渠的焊接施工，先對(duì)穿越管道進(jìn)行“二接一或多接一”預(yù)制，通過對(duì)內(nèi)焊機(jī)的氣電纜、控制線等進(jìn)行加長改造，可實(shí)現(xiàn)預(yù)制管道與主管道的全自動(dòng)焊接，減少連頭口。

（2）穿越地下障礙物。對(duì)于穿越地下管道、光（電）纜等障礙物的焊接施工，通過與權(quán)屬單位的協(xié)調(diào)，盡量采取斷地下障礙物不斷主管道的方式，保證自動(dòng)焊連續(xù)施工，不留頭。

（3）連頭施工。其一，連頭處應(yīng)盡量選擇施工設(shè)備在雨季能夠通行的路邊等位置。其二，針對(duì)現(xiàn)場地基承載力較差，連頭焊接設(shè)備進(jìn)出場或現(xiàn)場設(shè)備擺放排布較為困難時(shí)，為保障焊接設(shè)備使用效率，可考慮將焊接設(shè)備直接固定在爬犁上，利用挖掘機(jī)作為牽引進(jìn)出現(xiàn)場。其三，預(yù)留連頭位置的管口封堵應(yīng)使用鋼板進(jìn)行滿焊，避免管道埋地后出現(xiàn)“灌腸”的現(xiàn)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(jī)進(jìn)行常規(guī)吊裝下溝，此方法主要應(yīng)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(jī)進(jìn)行沉管下溝，主要應(yīng)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(wǎng)地區(qū)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(nèi)的施工方法。

3.7.1 沉管下溝準(zhǔn)備工作

施工前應(yīng)在現(xiàn)場區(qū)域內(nèi)進(jìn)行開挖驗(yàn)證，通過開挖驗(yàn)證，復(fù)核設(shè)計(jì)勘查成果的準(zhǔn)確性，查明地下水位和涌水量情況，預(yù)判地基承載能力及管溝邊坡的穩(wěn)定性，有針對(duì)性地編制水網(wǎng)段施工方案，對(duì)于特殊地質(zhì)或區(qū)域編制專項(xiàng)施工方案，必要時(shí)邀請(qǐng)專家共同研討，優(yōu)化水網(wǎng)段沉管下溝工藝。

針對(duì)邊溝不成形或塌方嚴(yán)重而導(dǎo)致作業(yè)帶超寬的區(qū)域，根據(jù)外協(xié)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(fèi)用。

3.7.2 沉管下溝過程管理

沉管下溝過程中，當(dāng)?shù)叵滤惠^高需要對(duì)管道進(jìn)行壓載時(shí)，應(yīng)按設(shè)計(jì)圖紙要求測量定位并在管道安裝位置作標(biāo)記?？紤]淤泥段、粉質(zhì)黏土段開挖完成后，管溝邊坡穩(wěn)定性較差，可能存在溝底塌方導(dǎo)致管道上浮的現(xiàn)象，現(xiàn)場需在沉管下溝過程中根據(jù)土質(zhì)特點(diǎn)適當(dāng)超挖，避免回淤造成管道淺埋的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)高地下水位段施工，當(dāng)管溝開挖完成后溝內(nèi)積水較多時(shí)，現(xiàn)場可采用分段截壩的方式進(jìn)行，同時(shí)采用抽水泵將溝內(nèi)積水抽出，避免管道出現(xiàn)漂管現(xiàn)象。此外，管溝開挖過程中也可采用明溝降水，即在管溝內(nèi)每間隔10～30 m設(shè)一處積水坑，用泵將積水排出溝外。

4 結(jié)束語

機(jī)械化施工已成為提升管道工程施工質(zhì)量、保證管道本質(zhì)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(wǎng)地區(qū)機(jī)械化施工的重要課題。通過總結(jié)國內(nèi)在建的水網(wǎng)地區(qū)天然氣長輸管道機(jī)械化施工經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)水網(wǎng)地區(qū)機(jī)械化施工提供參考。今后應(yīng)從設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工組織策劃、施工方案提升、施工裝備及工法升級(jí)等方面，系統(tǒng)地圍繞水網(wǎng)地區(qū)機(jī)械化施工開展研究，持續(xù)提升天然氣長輸管道工程機(jī)械化施工水平。