浅谈沉管法在雅丹地貌地段大口径长输管道工程中的应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：杨成伟（1984），男，汉族，山东东阿人，兰州理工大学工商管理硕士，中国石油天然气第一建设有限公司，经济师，研究方向为工程管理。-84-浅谈沉管法在雅丹地貌地段大口径长输管道工程中的应用 杨成伟 窦 巍 陈永雷 张俊峰 中国石油天然气第一建设有限公司，河南 洛阳 471023 摘要：摘要：西气东输四线天然气管道工程项目（吐鲁番-中卫）段，起自吐鲁番联络站，止于中卫联络站，途经新疆、甘肃、宁夏 3 省，其中，第二标段位于新疆哈密市伊州区境内，全长 372.5km，为我单位施工段。管线沿途经过雅丹地貌、剥蚀缓丘及中低山、山间洼地等复杂地貌，其中，起始的 30km 为雅丹地貌段，施工难度极大。本文着重阐述在管道经过雅丹地貌段时，受地形限制，采用沉管施工方式进行下沟的应用，积累长输管道途径各类地质复杂地区施工经验。关键词：关键词：沉管法；雅丹地貌；长输管道；应用 中图分类号：中图分类号：TU9 1 概述 西气东输四线天然气管道工程（吐鲁番-中卫）项目，主线路全线采用内涂层 L555M/X80M 钢管，工程设计压力 12MPa，管径 1219mm。我公司承建的第二标段位于新疆哈密市伊州区境内，全长 372.5km。管线沿途经过雅丹地貌、剥蚀缓丘及中低山、山间洼地等复杂地貌，其中，起始的 30km 为雅丹地貌段，施工难度极大。受地形条件影响，个别区域位于两座山丘中间，吊管机无法进入，且山丘间受天山融雪影响，均为角砾层形成的冲沟，地面承载力差，管沟开挖后，沟边机械震动极易造成塌方风险。根据以上情况，对此类地段，我公司采用沉管的方式施工。该施工方法在西气东输三线管道的施工中已得到有效的应用，同时，在本工程中也得到了有效的证实，积累了丰富的雅丹地貌地段沉管下沟施工经验。2 施工方法 2.1 定义 沉管法是利用挖掘机在管道底部直接挖沟，使得钢管徐徐沉入沟底达到设计埋深的施工方法。2.2 施工工序 施工准备测量放线防腐层检漏沉管下沟管沟回填水工保护地面检漏三桩埋设地貌恢复清理现场。2.3 钢管应力计算 沉管法与一般正常方法下沟最大区别在于，通过在管道两侧开挖管沟，依靠管道自身的挠度贴附于管沟底部，完成整个管段的下沟，这样就会使得管道在完全贴附于管底之前，管沟底接触部分与自然地面搭接部分之间管段处于悬空状态。2.3.1 强度计算 通过对管线的管道的每米长的重量、管线的弹性模量、截面惯性矩、管线的刚度及连续管线的支撑下允许产生的最大弯矩计算，可以得出管线支墩的间距的允许最大值。只要管沟开挖时管线悬空段不超过管线支墩的间距的最大允许值，就能满足强度要求。通过计算，沉管段沉管下沟支撑管线的土墩间距只要小于 224 米都能保证管线的强度。2.3.2 管线变形计算 根据公式 EJ(d4y/dx4)=q(x)(1)EJ.Q(x)=x.q(x)+C1 (2)EJM(x)=1/2.x2.q(x)+C1。X+C2 (3)EJ(X)=1/6.x3.q(x)+1/2.C1.X2+C2.X+C3 (4)EJY(X)=1/24.x4q(x)+1/6.C1.。X3+1/2.C2 X2+.+C3 X+C4 (5)边界条件：X=0 时 C1=R（R 为 O 点处的地面对管线的支反力）R=1/2.q.l 当 X=0 EJ(d3y/dx3)=0（O 点处的管线的剪力）当 X=0 EJ(d2y/dx2)=0 （O 点处的管线的中国科技期刊数据库 工业 A-85-受到的弯矩）当 X=0 EJ(dy/dx)=C3 C3=0（O 点处的管线的受到的与水平方向夹角的正切值）当 X=0 EJY(X)=C4 Y(X)=h（O 点处的管线的开沟的深度）EJY-EJh=1/24 qx4+1/12Lqx3 当 X=L 时候 Y=0 48EJhLq 结合西气东输四线天然气管道的相关技术参数，经计算，h=3m 时，管线的弹空段为 58.08m；h=3.5m时，管线的弹空段为 60.40m；h=4m 时，管线的弹空段为 62.43m；h=5m 时，管线的弹空段为 66.00m。图 1 力学计算模型 由此得知，不同的管沟开挖深度所引起的管道的自然弹空段长度不同，在这种弹空状态下开沟是没问题的，但要注意管线的稳管，防止管线的移位而发生意外情况。2.3.3 计算说明 管道的计算是按照弹性力学理论计算的，沉管时，管线是存在轴力的，为了简化计算，本计算没有考虑管线的轴力作用的影响。2.4 施工准备（1）施工前应先熟悉设计图纸，勘查现场，掌握所要经过沙丘的地形、地貌、地层地质情况。（2）管线焊接前，应由技术人员依据图纸、现场踏勘或通过探测仪来查明管线所经过的区域里是否有管道、电缆、光缆等地下障碍物，如果存在以上障碍物，根据施工需要进行留头。（3）对施工机械进行检修和保养，保证其状态良好。（4）对施工工人进行技术交底，使其掌握施工技术要领、质量、及安全环保要求。（5）施工前期，为防止设计文件与现场实际不符，根据地质情况需进行探坑开挖，每 100m150m开挖一处，以确认地质情况是否符合沉管条件。2.5 测量放线（1）我公司雅丹地貌段施工区域位于新疆著名的“百里风区”内，风沙较大，定位桩使用红色信号旗，雅丹地貌起伏较大的地段增加定位桩密度并使用RTK 进行定位。（2）首先测量出线路中线，再测量出作业带边线，作业带宽度：焊接作业控制在 26 米以内，全自动焊接控制在 28m 以内。为了防止风沙淹没标志桩，可使用钢管插红旗做标志桩，中线每隔 100 米插一个，边线适当加大距离。（3）采用 CAD 进行测量成果图绘制，并记录原始地貌，为地貌恢复提供依据，对起伏变化较大的山丘使用挖掘机进行整平。2.6 防腐层检漏 沉管下沟前，需对施工段防腐层补口、补伤情况重新检查，若防腐层检测出有漏点，应立即进行修补。2.7 沉管下沟（1）沉管下沟之前，应提前 48 小时通知现场监理到场全程旁站监督。（2）沉管下沟之前，采用白色自喷漆在管子上注明设计开挖深度，以保证管道按照图纸设计要求进行沉管下沟。（3）管道沉管下沟应由挖掘机机操作手、安全员、质检员、测量员、沟下清理人员、防腐工配合完成，并应由专人统一进行指挥。（4）随着管沟的开挖，管道依靠自身重量，自然沉降至管沟底部，完成沉管下沟施工。不应采用推、橇、压等方式下沟。管道下沟后，管道应与沟底表面贴实，不得出现悬空；当天停工时，支撑位置不应有焊口，以防对焊口造成损伤。（5）开挖过程中防腐层的保护。沉管下沟施工过程中，控掘机挖斗及挖臂容易碰伤管道防腐层，为做好管道防腐层的保护，可制作滑行式保护器，在挖掘机挖斗活动范围内进行防护,使挖斗与管道之间避免接触,并在保护器下部设置滚轮及勾环，使保护器在工人的拖动下随着挖掘机的开挖能够及时对开挖部分的管道进行防护。挖掘时,从管沟边开始往里挖土,沟边土挖完后,用挖斗的背部和挖斗的斗齿将管底土推到沟里.再用另一侧挖斗将土挖出,避免挖斗贴近管道施工。在沉管过程中为确保防腐层不受损坏，防腐中国科技期刊数据库 工业 A-86-工全程现场配合，对管道底部粘有的土块进行清扫,随时对悬空段和下沟段采用 15kV 电火花进行检漏和补伤,，做到防腐检漏无死角,经检漏合格后方可继续开挖管沟。（6）按照设计文件要求，管底需回填 300mm 厚细土。因此，在沉管下沟过程中，管沟开挖至沟底标高后，便立即采用筛分斗进行细土回填，同时安排 2名人员将细土铺垫入管子下部。（7）当管道一端下到沟底后，继续向后开挖管沟，随着管沟长度不断增加，管道在自身重力作用下贴于管沟底部的细土上，从而成功实现管道下沟。2.8 坐标采集 管道下沟后回填前，应对管顶标高进行测量，并对管道焊口及时用 RTK 进行三维坐标数据采集。2.9 管沟回填 数据采集完后及时进行管沟回填，回填要分层回填。需要进行细土回填的管沟回填时需对细土回填质量进行自检，自检合格上报监理复验，复验合格并铺设警示带后进行大回填施工。管沟回填前应完成沟内水工保护，管沟回填时，应采取措施保护硅管，回填后管顶覆土厚度应符合设计要求，不得出现浅埋。2.10 水工保护 管沟大回填完成的地段，一周内须开展沟上水工保护、水土保持工程措施施工，并按照综合计划及时完成沟上相应水保工程。2.11 地面检漏 土方回填完成后应采用雷迪对所有回填段的管道埋深、防腐层破损进行复验，如发现漏点，应及时采用人工开挖进行补伤。2.12 三桩一牌埋设 严格按照设计图纸要求及时进行里程桩、阴保测试桩、标志桩和警示牌的埋设。2.13 地貌恢复 管沟回填完成后，必须尽快开展地貌恢复和土地复垦工作，地貌恢复及土地复垦工作不得滞后管沟回填 1 个月。2.14 清理现场（1）施工完毕后，废弃物、油污及其他杂物要装车运走。（2）将施工用的设备、余料运出施工现场，所有施工工序完成后要进行施工场地的清理。按照设计图纸要求，施工破坏的作业带要按照要求恢复至原貌。2.15 占地控制措施 沉管法施工，主要一个缺点开挖土方量大，从而导致超占地情况出现。在进行沉管开挖时，将作业带内的熟土堆放在作业带的边缘，有效的阻挡后续开挖的生土流到作业带以外。同时，堆放土方时分层堆放，即从作业带边沿到作业带内侧堆放，实现有限空间堆放更多土方量。控制占地另一项措施是，根据现场实际情况，将土方量大的段落向土方量小的段落倒运，倒运距离不要太远，一般控制在 30-50m 区间。3 质量保证措施 1）管沟开挖前、后及时进行测量，使其达到设计要求的管沟深度和坡度。2）随时接受现场监理的监督检查和验收，发现问题及时进行解决。3）特殊工种必须持证上岗，严禁无证操作。4）吊具使用尼龙吊带，严禁直接使用钢丝绳。5）防腐补口的每一道工序都要严格执行防腐工艺规程，并做好防腐检漏工作。6）认真贯彻落实班组自检、互检与专检相结合的三检制制度，并做好各项检查记录。7）管道下沟后应对管顶标高进行复测，尤其注意本施工管段内弯头、弯管及变坡点，完全按照设计管底深度开挖。8）管道下沟后，管沟应及时进行回填。9）管沟、下沟的质量检验项目、检验数量、检验方法及合格标准应符合表 1 规定。4 HSE 措施 4.1 一般要求 1）施工现场设置警示标识。人群密集区域，施工现场拉设警戒线。沉管施工期间，安排专职 HSE 监督人员监督整个施工过程，无关人员严禁进入现场。2）管道下沟不得与其它施工工序交叉进行。3）进行沟下竣工测量时，必须在沟上设专职 HSE监督人员进行监护，以保证发生险情能及时通知沟下 中国科技期刊数据库 工业 A-87-表 1 管沟检验项目、检验数量、检验方法及合格标准表 检验项目 检验数量 检验方法 合格标准 外观 全部 观察检查?施工记录 直线段管沟顺直，曲线段圆滑过渡，无凹凸和折线；沟壁和沟底平整，无沟坎阶梯，无锐器物；沟内无塌方、无杂物；转角符合设计要求。管沟中心线偏移 每千米不 少于 10 处 用 RTK 检查 允许偏差应小于 100mm 沟底宽度 全部 用尺检查 允许偏差为100mm，且不小于 3.44m 沟底标高 每千米不少于5 处 用 RTK 检查 允许偏差为50 mm 变坡点位移 全部 用尺检查 允许偏差应小于 500mm（小型穿越小于 300mm）人员。4）管沟两侧堆土距沟边不小于 1m，堆土高度不高于 1.5m。堆土生熟土分开堆放在管沟两侧，堆土使用密目网进行苫盖。5）沟内要设置多处逃生梯做为施工人员出入管沟的防护工具，逃生梯距离作业人员小于 4 米，沟下作业时沟上专人监护。6）施工期产生的垃圾具有较大的分散性，且持续时间短。施工期间垃圾集中收集，收集后依托当地环卫部门处置。7）所有的施工作业都必须在作业带内、临时征地区域进行，不得破坏作业带以外的地形地貌。8）戈壁滩施工应充分保障职工的饮食、饮水，做好人员防暑降温工作。9）施工时应采取适当措施防止风沙，避免恶劣天气对施工人员、设备的伤害。10）对项目所有人员进行培训教育，使其了解有关野生动物保护的知识和意义，不破坏动物窝穴，不骚扰、喂养和猎杀（捕）野生动物。所有施工人员只允许在施工作业带内进行活动。11）施工结束或局部结束后，及时组织清场，临设拆除，剩余物资退场，恢复现场原貌达到规范要求。4.2 施工设备安全措施 1）施工设备应按国家规定使用、保养、维护、维修，不得使用报废设备和带病设备进行作业。2）作业前应对施工设备、手动工具进行安全检查，对挖掘机、筛分斗等进行能力校核，确认设备完好后，方可工作。3）特种施工设备应进行年检并保证处于完好状态；特种作业人员应持证上岗，证件在有效期内；特种设备作业及迁移应由专人指挥。4）挖掘机在纵坡和横坡上作业或行走时，应严格按照设备安全使用要求进行操作。行走过程中，应与上方线缆保持一定的安全距离。5 结束语 效益分析实践证明,在雅丹地貌山丘间，吊管机无法进入的区域，采用沉管下沟的方法进行管沟开挖和下沟作业,与其他施工方法相比具有以下优越性:（1）施工工艺简便，成本较低，可以有效保护管道防腐层不受损伤。（2）管沟开挖和下沟能够同时进行,无需吊管机,避免大型运输设备在沟边施工作业,消除了沟下施工作业人员、和沟上施工设备的安全隐患。（3）由于无法采用吊管机，避免了机械设备的倒运和转场,节省了设备搬迁费及使用费。（4）能够有效地与主体焊接尤其是山区段的组合自动焊施工相呼应,形成流水作业，避免了吊管下沟前，各单位验沟的繁琐步骤及等待时间，为组合自动焊连头口施工创造了有利条件。（5）避免了重型机械设备对地表的破坏,对地表迅速恢复具有积极作用,有效地保护了自然环境。参考文献 1赵智元.双侧沉管方法在沙漠地段管道工程中的应用J,石油工程建设,2007(33).