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直接铺管施工技术研究与工程应用2018-09-03 14:30

    直接铺管施工技术研究与工程应用

    王  乐

    ( 中国石油管道局工程有限公司第四分公司  河北廊坊  065000)


    摘  要:随着非开挖技术的不断发展、创新,新的非开挖工法——直接铺管工法也应运而生。该工法结合了微型隧道和水平定向钻两项工法的特点,在利用隧道掘进设备施工隧洞开挖的同时利用推管设备将预制好的管道同步铺设,隧洞施工与管道铺设同步进行。该工法占地少、速度快、可回退,适用于油气管道、电力隧道、水利水电、市政等各行业在砂层、淤泥、粘土、卵砾石、岩石等地层的管道穿越施工作业,适用管道直径范围在800~1500mm之间。作为一种全新的非开挖穿越施工技术(直接铺管技术)首次被引入国内,并于2017年在国内完成了复杂条件下陕京四线无定河穿越项目中成功应用。该工法在定向钻施工场地受限、管道出入土两点落差较大、管道埋深较浅、盾构顶管施工费用较高时,有一定优势,将成为非开挖领域盾构、顶管、定向钻施工工法外的有力补充,为国内非开挖施工提供一种新思路。

    关键词:直接铺管;非开挖;复杂条件

    1  引言

    直接铺管施工技术及其装备作为近年来国际非开挖领域的新技术、新设备、新工法,在定向钻施工场地受限、管道出入土两点落差较大、管道埋深较浅、盾构顶管施工费用较高时,有一定优势。该工法在孔洞施工的同时,管道同步敷设,因其施工程序简便、占地面积少等特点,在国外得到越来越广泛的应用。该工法适用于砂层、淤泥、粘土、卵砾石、30MPa以下岩石地层。在德国、荷兰、意大利、英国、法国、美国、加拿大、泰国等国家已经率先应用该技术,完成了管道穿越工程70余项,管道一次穿越距离超过了1400m[1]。现在,直接铺管法仍在不断地改进施工工艺,提升技术水平,扩大应用领域。

     2016年,该技术在我国得到了项目实践的成功试验验证,并于2017年在陕京四线管道工程无定河穿越项目上得到了推广应用。   

    2  工艺原理

    直接铺管(Direct Pipe)其工艺原理是利用泥水平衡式隧道掘进机进行孔洞开挖,通过泥水循环携带渣土运至地面;待穿越管段预先焊接并完成防腐补口后,与掘进机尾部以焊接的方式连接;推管机布置在入土侧,用夹持装置夹紧管道,利用摩擦力,在油缸的作用下,向前推进管道及设备。随着掘进机不断向前开挖,管道不断地被推管机推入地层,当孔洞开挖完成,管道安装同时完成[2]。直接铺管示意图如图1所示。

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    图1  直接铺管示意图

     3  项目概况

    陕京四线管道工程无定河穿越位于内蒙古乌审旗与陕西交界的毛乌素沙漠,采用直接铺管工法穿越施工。始发竖井和接收竖井均为矩形结构,采用钢板桩工法施工,其中始发竖井长23.7m×宽6.5m×深4.8m,接收竖井长9.5m×宽4.5m×深13m,竖井施工和管道穿越全部位于细砂层。穿越管道直径1219mm,以6°(10.5%)入土始发,出土角度为0°,管道穿越曲率半径1825.5m,穿越水平长度为423m,穿越纵断面如图2、3所示。穿越段管道外防腐层采用加强级3LPE,补口部位采用带配套环氧底漆的带底漆辐射交联聚乙烯热收缩带+环氧玻璃钢防护层。该项目有以下特点:

    (1)轴线落差大:穿越施工的管道从一侧山上直接穿越至河谷下13m位置出土,落差超过40m,施工中泥水压力0.4MPa,施工难度大;

    (2)穿越地质复杂:穿越位于毛乌素沙漠,轴线全程为细砂,细砂受施工扰动极易对管道造成抱管,施工风险大;

    (3)施工温度低:项目所在地冬季最低温度低于-20℃,对于施工中的泥水系统、液压系统等都需要特殊处理方能满足施工要求。

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    图2   无定河直接铺管穿越纵断面图

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    图3  直接铺管线路图

    4  设备选型

        直接铺管施工的关键设备为掘进机和推管机,施工时设备选型具体如下。

    4.1 掘进机选型

    直接铺管施工时,超挖直径宜比管道直径大80~150mm。根据陕京四线输气管道管径1219mm的要求,选择设备开挖直径为1325m 的掘进机头。根据地层勘测成果,穿越地层主要为细砂层,掘进机头配置适宜砂层的软土刀盘,机头扭矩不小于120kN·m。同时设备应具备以下功能(图4):

    1)动力强劲,能够适应复合地质条件施工,以防地层突变;

    2)具备自动纠偏及自动测量装置; 

    3)掘进机宜配备自动注浆控制系统;

    4) 配置推进段,以防砂层设备抱死。

    4.2 推管机选型

    推管机推力主要为克服直接铺管机掘进迎面阻力、管壁与岩土之间的摩阻力、管道与泥浆之间的粘滞力以及管道屈曲产生的摩阻力。根据计算以及以往项目经验[3],计算推力为200t左右,考虑到大坡度施工设备出现故障回拔时需要较大的推力,且推管机应具备一定推力的安全储备,采用不小于500t推力的推管机(图5)。



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                  图4  直接铺管掘进机                            图5  直接铺管推管机


    5  关键技术

    5.1 隧道掘进技术

    直接铺管掘进机类似于泥水平衡式顶管机原理,施工中所有的泥水管道、注浆管路、施工电缆、输送小车及轨道等供应管线均采用支架形式布置于所穿越的管道内部。采用直接铺管法穿越江河施工时的隧道轴线一般为类似于定向钻的纵向曲线设计,直接铺管也可以进行三维曲线管道施工。施工可以设置接收井也可以直接顶出地面。

    5.2 管道推进技术

        管道推进施工是通过推管机的管道夹持装置(夹紧器)对穿越管道夹紧后,在液压油缸(推进油缸)的作用下,向前推进管道和设备。推管机一般固定于始发工作井内,需要在水平与竖直方向进行锚固,为了提高施工效率,推管机的油缸尽量选择较大行程。可实现管道穿越入土角度在0°~15°之间变化,使得管道穿越工程设计和施工具有更大的操作范围。

    管道在掘进机的引导带动和推管机的推动下,可以顺利按照既定的穿越轴线完成管道铺设。

    5.3 测量控向技术 

    直接铺管采用陀螺仪导向(UNS测量系统),包括ELS电子镭射系统、HWL软管水位高度测量系统和GNS陀螺仪系统。ELS激光靶目标精度为±1 mm,HWL液位测量仪测量误差小于20mm,GNS陀螺仪对磁北极的准确度为± 3mrad(毫弧度)。当接收点位要求精确如有接收井时,施工中需要人员进入管道内进行联系测量以确保隧道贯通精度,人工辅助测量后的UNS系统千米误差可控制在±20mm。

    5.4 润滑减阻技术 

    直接铺管施工与顶管施工有着相似的润滑减阻。施工时,需要通过设备盾壳布置的多道注浆和洞门密封上的注浆孔同步注浆,在管道与地层的空隙形成一个良好的润滑浆套,保护管道防腐层,降低管道施工摩阻系数[4]。

    5.5 管道回拔 

    当掘进前方遇到障碍物不能通过、管道防腐层损伤超过标准、设备出现故障人员不能进入或不能检修、管道轴线超过设计规定不能调整控制等故障时需要将管道和设备进行整体回拔,回拔施工时需要向刀盘前的孔洞注入泥浆,填充孔洞,避免塌孔。回拔过程中应该重点关注洞门密封、管道防腐套或保护套。 

    6   工程应用效果

    无定河直接铺管项目管道穿越施工7天,管道推进平均速度约为每天60m,最高施工速度89m/天。施工中由于管道落差大、泥水压力高超出了设备承压设计能力造成了泥浆进入设备而故障停机,对设备和管道进行了整体回拔在地面进行处理后再行施工[5]。管道推进施工时最大推力为200T,在管道回拔时最大回拔力达到了400T。管道穿越完成后对防腐层完整性采用馈电法进行了电导率测试,质量合格,防腐层完好。该项目的成功实施为国内细砂层直接铺管施工积累了经验。

    7  拓展应用

    直接铺管技术还在定向钻工程抢险、定向钻套管铺设、陆海管道或深海排污施工等领域得到更广泛的应用。

    7.1 定向钻工程抢险

    在定向钻施工发生塌孔或者钻杆断裂时,用于定向钻工程抢险。

            欧洲某油气管道采用定向钻穿越一条长507m?42"的管道,当定向钻扩孔至?62"完成后,河床底部卵石层孔洞发生坍塌,采用AVN800型直接铺管机连接管道推入定向钻已完成的扩孔内,将管道中间部位135m坍塌孔洞扩至?54",顺利完成了施工任务(图6)。

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    图6  直接铺管抢险项目示意图

    7.2 定向钻套管铺设

    为定向钻施工提供可回收的直接铺管机机头,为不稳定地层定向钻施工铺设钢套管。

    2012年美国新泽西至纽约延长线管道施工采用定向钻工法穿越某条河流,由于入土点有部分卵石层,难以有效形成孔洞,采用了AVN800型带折叠式刀盘机头的掘进机焊接?48"的管道完成了85m的套管铺设。当套管就位后,掘进机刀盘折叠回收,掘进机整体被拉出(图7)。

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    图7  可回退式刀盘

    7.3 陆海管道或深海排污施工

        采用直接铺管法可以进行陆海管道施工,也可以完成城市污水深海排泄或江中取水等施工,施工完成时需要在水中对设备进行接收。

    2009年在德国BRINE,?48"283m长的管道需要从陆地穿越至海中,穿越轴线曲线半径1400m,管道防腐层为PE-HD,穿越地质为砂、粉土、粘土、卵石和枯木,采用直接铺管法完成了管道穿越任务。由于采用了可回缩式刀盘,施工结束后掘进设备整体被拉回。

    7.4 推管机用于定向钻工程提供助力

    采用直接铺管推管机可以为定向钻提供辅助的回拖力,更安全的铺设较大直径、较长距离的管道。通常情况下将推管机布置于管道回拖场地一侧进行助推,配合入土场地定向钻设备回拉。

    2009年俄罗斯Energoperetok公司施工中亚管道时采用定向钻法穿越土库曼斯坦AMU河,管道穿越长度1800m,管径1422mm。为了增加保险系数,施工时采用1台HK400M定向钻机回拖管道,另外一侧安装HK750PT型推管机助力管道推进,整个项目工期6个月于2010年2月完成整个施工任务。

    7.5 推管机用于管道损坏或卡死退回取出

    和定向钻管道助力原理一样,采用推管机可以用于损坏管道的退回取出。

    在欧洲某定向钻管道穿越施工中,长860m直径1219mm的管道回拖一半时管道卡死,由于停留时间较长,未回拖段孔洞可能坍塌,最终决定采用HK750PT型推管机在管道后部进行管道回退,成功将卡死在地层的管道取出。

    7.6 推管机用于建成隧道内管道安装

    采用推管机可以用于建成隧道内的管道安装,在地面提前预制好需要铺设的管道,在管道外侧固定滚轮或在隧道内布置滚轮用于管道的导向和支撑。

    2007年,印度东气西输管道工程GODAVAR河采用两台顶管机对穿的方法完成2400m隧道建设。为了在雨季来临前快速完成管道安装,隧道内固定了支撑管道的滚轮,在地面采用推管机夹将全部管道推入隧道内部,整个推管过程只用了5天,完成管道安装后对隧道内进行了低强度控制性混凝土的浇筑。

    8  小  结

    作为一种全新的非开挖施工方法—直接铺管法,可以满足管道穿越江河、湖泊、山体、道路等障碍物。由于其具有工序少、速度快、占地少、适应地质广等优越性,同时在定向钻工程抢险、陆海管道和深海排污等方面的拓展应用,该技术将会越来越受到非开挖行业的青睐。


    参考文献

    [1] 贾春磊, 潘月宇,袁勇等.  水平定向钻顶管结合工法的可行性分析[J]. 地质科技情报,2016(3):15-19.

    [2] 张健,万谦译. 管线直接铺设技术[J]. 非开挖技术, 2013(2):141-146.

    [3] 刘广仁,常喜平,王乐. 复合地层纵向曲线顶管施工技术[J]. 地质科技情报,2016(2):67-70.

    [4] 李万才. 大口径长距离顶管工程注浆减摩技术[J]. 管道技术与设备,2000(6):11-13.

    [5] 丁传松. 直线及曲线顶管施工中的顶推力研究[D]. 南京:南京工业大学,2004年.


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