“斜井穿越法”黃土塬管道施工工法

《“斜井穿越法”黃土塬管道施工工法》是中國石油天然氣管道局第一工程分公司完成的建築類施工工法，完成人是王寶忠、康仲元、梁國儉、何軒林，適用於管道設計最小埋深不小於4米、坡度不大於35度的地形複雜、地勢險峻的黃土坡、沖溝、台地及崾蜆等地段。

《“斜井穿越法”黃土塬管道施工工法》主要的工法特點是：減少了土石和後期水工保護工程量；減少了施工占地；保護了黃土塬脆弱的植被；減少了水土流失，增加了管道運行的穩定性；縮短了施工工期，降低了施工成本。

2008年1月31日，《“斜井穿越法”黃土塬管道施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家一級工法。

基本介紹

• 中文名：“斜井穿越法”黃土塬管道施工工法
• 完成單位：中國石油天然氣管道局第一工程分公司
• 主要完成人：王寶忠、康仲元、梁國儉、何軒林
• 套用實例：陝京二線輸氣管道工程5B標段
• 主要榮譽：國家一級工法（2005-2006年度）
• 工法編號：YJGF109-2006
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部

形成原因

《“斜井穿越法”黃土塬管道施工工法》的形成原因是：

在長輸管道施工中，地形、地質條件是制約工程的主要因素。在坡度較大的黃土坡和沖溝等地段，按照傳統的“大開挖"施工方法會造成占地面積多、土方工程量大、施工進度緩慢、地貌恢復困難、水土流失對管道運行造成威脅等問題。在陝京二線輸氣管道施工建設中，管道一公司利用斜井開挖和溜管安裝相結合的新工藝，攻克了在地形複雜、地勢險峻的黃土坡上進行管道施工的難題。

工法特點

《“斜井穿越法”黃土塬管道施工工法》的工法特點是：

施工工藝簡單易行，是一種通過“人工打斜井法”進行管溝開挖和通過“溜管穿越法”進行管道安裝相結合的不同於2005年前管道施工的一種新型管道施工方法。

⒈減少了土石和後期水工保護工程量。

⒉減少了施工占地。

⒊保護了黃土墀脆弱的植被。

⒋減少了水土流失，增加了管道運行的穩定性。

⒌縮短了施工工期，降低了施工成本。

操作原理

適用範圍

《“斜井穿越法”黃土塬管道施工工法》適用於管道設計最小埋深不小於4米、坡度不大於35度的地形複雜、地勢險峻的黃土坡、沖溝、台地及峻蜘等地段（見圖1）。對於管道設計埋深小於4米或坡度大於35度的情況，可以通過設計變更降低坡度、增加埋深，以滿足斜井開挖的需要。

圖1 適用的地形地貌

工藝原理

《“斜井穿越法”黃土塬管道施工工法》的工藝原理是：

斜井穿越法是在黃土塬上最大限度地不破壞原始地貌的情況下，按照設計坡度和方向，在地面下進行人工打斜井（圖2、圖3）；與此同時，在預製場地內進行“二接一”管段預製，並在斜井完成後，利用管道自身的重力和機械的牽引力將管道安裝就位的施工方法。

圖2 人工打斜井

圖3 人工打斜井

施工工藝

工藝流程

《“斜井穿越法”黃土塬管道施工工法》的工藝流程敘述如下：

測量放線→作業帶清理→施工便道修築→作業坑開挖→斜井→開挖→溜管及預製平台修築→二接一管段預製→管道包裹→預製管段的連頭焊接→管道安裝就位→回填→水工保護→地貌恢復。

操作要點

《“斜井穿越法”黃土塬管道施工工法》的操作要點敘述如下：

⒈測量放線

管道中心線：結合圖紙，通過對轉角點的複測，確定出管道中心線。

斜井坡度和作業坑位置：根據對斜井穿越段內各個特殊點原始地面高程的測量和現場實際地形地貌情況而確定，同時還要確保斜井穿越段管道與兩端自然段管道能夠正常、順利連線。

在確定沖溝段斜井坡度時，一般只需對斜井上下兩個端點高程進行測量。在確定黃土坡段斜井坡度時，除對斜井兩端高程進行測量外，還需對台階之間的接點（埋深最小點）進行測量。在所有特殊點的埋深同時滿足設計要求的情況下，確定斜井坡度。

作業坑由井口和斜坡道組成，井口是預製管段溜管安裝前連頭焊接的地方，斜坡道是斜井、井口和地面之間的連線線，是人員、物料、土方對外輸送的通道。位置的選擇在保證能進行溜管作業的同時，還應保證周圍有足夠的場地便於堆放物料和棄土。另外，為提高施工作業的安全係數，對於過長的斜井應實行分段開挖，此時，應根據斜井長度確定作業坑數量，一般兩個井口間距以不超過80米為宜。

溜管及預製場地、施工便道占地邊界線：在確定出管道中心線、斜井坡度和作業坑位置後，再對其進行確定。溜管及預製場地一般都在作業帶上，且占地尺寸為管道中心線兩側各10米（該尺寸小於自然段作業帶占地）；施工便道寬度一般為5~8米。

⒉作業帶清理

根據測量成果，對預製平台以及井口占地範圍內附屬物進行清理。

⒊施工便道修築

對於施工設備不能直接進入施工現場的地段，應修築施工便道。

（1）黃土坡地段

在黃土坡地段施工設備不能直接進入施工現場，需修築“Z”字形盤山道（圖4）。“Z”字形盤山道寬度在5~8米間，與管道中心線距離不小於6米，坡度不大於21度。且在管道中心線的一側修築，防止設備通過中心線後壓塌斜井。

圖4 “Z”字形

（2）沖溝地段

在沖溝頂部施工設備一般不能直接進入，可利用附近小型沖溝或山間小道修築施工便道。

⒋作業坑開挖

在斜井作業施工前，首先要進行作業坑的開挖，井口的大小為坑底中心線兩側各2.5米，長度上為5米，深度上保證該點的設計埋深；斜坡道寬度上保證手推車和預製管段順利輸送，坡度為20~25度。為了加快施工進度，該作業坑可通過機械挖掘完成。

⒌斜井開挖

黃土坡土質為黃土，除表層風化形成砂土比較鬆軟外，底層比較堅硬，在採取一定的安全措施後，可進行斜井開挖。施工作業時，可從斜井（或每段）的兩端同時向里進行。斜井底端可通過手推車將挖出的土方直接送至洞口外的堆土區，斜井頂端將卷揚機（或推土機牽引頭）通過鋼絲繩與手推車相連，帶動手推車從洞裡向洞外行走，從而將挖出的土方送至洞外的堆土區，為了確保手推車順利將土送到洞外，在送土過程中，需有一人始終扶著小車，以控制小車的行走方向，具體如圖5所示。

圖5 斜井開挖示意圖

在施工過程中，斜井開挖可從一端或兩端同時相向進行，並通過儀器等手段進行嚴格的質量控制，同時採取嚴密的安全措施，具體實施情況做如下介紹。

斜井開挖施工要點：

（1）質量控制

① 走向控制：

開挖前，在斜井開挖段不需動土的地表面上打木樁定出斜井方向。洞口形成後，在洞外斜井方向的延長線上打一排木樁，間距以1米為宜。並用細線將木樁相連控制斜井方向。開挖到一定長度後，將洞外控制的方向引到洞壁上方，並同樣打上一排木樁，用細線相連以控制斜井的開挖方向。

②坡度控制

對最初掏挖的斜井洞口段用儀器控制坡度。在逐漸掘進過程中，在洞壁側面釘一排木樁用細線相連控制坡度。該線坡度即為斜井坡度，開挖過程中隨時測量此線與地面的垂直距離，即可準確控制坡度。

（2）安全措施

①洞內照明：在洞外設定發電機，通過電纜向洞內供電照明。

②安裝支護架：支護架形狀與洞口形狀相同（洞高1-8米），隨著斜井的開挖，安全支架隨時跟進，支架放置間距為5米。

安全支撐架，形狀與洞斷面相同，尺寸上小一圈，每個安全支撐架長1.2米，由2寸鋼管煨製成4個架子，上部為半徑0.7米的半圓，下部為1.0米的矩形，架子間距0.4米，通過焊接相連成一體，並在表層覆蓋一張鋼板，鋼板厚度為2毫米，長4米，寬1.2米。隨著洞子的開挖，安全支撐架也隨之增加、跟進，安全支撐架的放置間距為5米。安全支撐架具體結構如下圖6所示。

圖6 安全支撐架示意圖

③洞內通風

為保證洞內工作人員呼吸暢通，在洞口放置一台鼓風機，通過尼龍管向洞內供氣，隨洞開挖一起向內延伸。

④洞內通信：在洞內外各配置1部對講機，保證通信暢通。

⑤風乾：斜井完成後，使洞自然風乾3~4天，撤出安全支架。改用坑木支撐，支撐形狀尺寸與安裝支護架相同。

⑥其他措施

a.在洞口作業坑外搭設遮雨棚，防止雨水進入洞內。

b.在遮雨棚外設定擋水牆，並沿牆挖排水溝。

c.每天施工後及斜井風乾、等待溜管作業期間，將洞口封堵，防止無關人員進入。

⒍溜管及管段預製平台修築

在斜井施工期間，在距離井口一定距離的作業帶上平整出一塊管段預製場地，並在斜井開挖結束後，在井口周圍清理修整出溜管作業場地，為確保溜管作業施工安全，溜管作業場地要確保一定的平整度和大小。

⒎管段預製

為提高以後在斜井內進行管道焊接、安裝的效率，在預製場內依次把每兩根鋼管進行“二接一"管段的焊接預製，並嚴格按照管道施工工藝進行管道的焊接、無損檢測和防腐，以確保管道焊接和防腐質量。

⒏管道包裹

溜管作業過程中，管道防腐層和收縮套最容易受到損傷，因此，在溜管前，套用柔性物（草袋、毛氈）將管道包裹，外表用竹片保護，鐵絲綑紮牢固，以確保防腐層和收縮套（帶）不受到損傷。

⒐預製管段連頭焊接

在進行管段連頭焊接前，首先將預製好的第一個二接一管段的一端（斜井底端方向）焊制封頭、吊耳，然後用吊管機（加長桿）直接將該預製管段吊放到斜井內，當第一個預製管段尾端接近洞口時停止溜管，再用設備吊裝第二個“二接一”管段，在作業坑內進行連頭焊接作業。如果管線較長，在接完第二個二接一管段後還需焊接，可重複以上方法直至達到要求長度。

⒑管道安裝就位

在進行預製管段連頭作業的同時，作業坑外用帶卷揚的推土機通過鋼絲繩與管段吊耳相連，一方面，起到固定管段的作用，以確保管段連頭焊接的正常進行；另一方面，起到就位管段的作用。管段連頭並經檢測、防腐合格後，在吊管機的配合下，利用推土機進行溜管作業，隨著推土機卷揚的運轉，鋼絲繩慢慢打開，管段緩緩滑入（或被牽引）斜井內，直到到達預定位置，具體做法如圖7所示。

圖7 管道安裝就位示意

鋼絲繩牽引力計算：

F=G（sina－f·cosa）。式中a-斜井坡度，f-管道與土的摩擦係數，G-管道自重。

當斜井坡度≤25度時，管段自身的重力不能完全克服管道的摩擦阻力而自行下滑，此時，需要在斜井低端放置一台帶卷揚的推土機，通過牽引，使管道安裝就位。該種情況下，斜井兩端各需要一台帶卷揚的推土機，兩台推土機對管道的作用力方向相反，因此，中國石油天然氣管道局第一工程分公司把該種溜管穿越法稱之為“雙向牽控法穿越”。

當斜井坡度＞25度時，管段自身的重力能夠完全克服管道的摩擦阻力而自行下滑，此時，不需要在斜井低端放置一台帶卷揚的推土機使管道安裝就位。該種情況下，管道只是單向受力，因此，中國石油天然氣管道局第一工程分公司把該種溜管穿越法稱之為“單向牽控法穿越”。

⒒回填

管道安裝就位後（光纜敷設完成），在斜井頂端井口把細土填入洞內，使土由上向下再洞內填充，並充滿洞。如果回填土不實，向洞內注水加快沉降。斜井洞口向里5米範圍內，自里向外人工砌築灰土擋土牆（灰土比為2:8），洞口處砌築毛石牆。

⒓水工保護

由於採用斜井施工，水工保護及地貌恢復工程量減少許多。只進行管道焊接預製場和施工便道處的地貌恢復保護即可。

材料設備

《“斜井穿越法”黃土塬管道施工工法》所需材料設備如下：

機具設備

主要機具設備見表1。

主要材料

主要材料（斜井施工用）見表2。

質量控制

質量控制要根據國家相應標準和業主要求進行，《“斜井穿越法”黃土塬管道施工工法》工程實例中執行的標準如下：

1.《陝京二線管道工程線路施工及驗收規範》Q/SYJS0021-2003。

2.《陝京二線管道工程線路焊接施工及驗收標準》Q/SYJS0019-2003。

3.《陝京二線管道工程埋地鋼質管道三層結構聚乙烯防腐施工及驗收規範》Q/SYJS-2003。

4.《陝京二線管道工程水工保護工程施工及驗收規範》Q/SYJS0024-2003。

安全措施

施工單位採用《“斜井穿越法”黃土塬管道施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

1.沖溝穿越前，應根據斜井段的地質、地形情況，結合圖紙編制詳細的施工方案和安全措施，並對工人進行技術交底。

2.開工前清理施工現場不穩定的土方。

3.施工現場拉上警戒帶、插上警示旗子，防止閒散人員進入施工現場。

4.管道預製場選擇地勢開闊、穩定的區域，臨近沖溝一側加設防護欄，以防物體滾下沖溝。

5.進行卷揚機、推土機起重作業前，必須對施工機械進行詳細檢查。

6.吊裝作業由專人進行統一指揮。

7.及時回填管溝、封堵洞口。

8.嚴格執行《中國石油天然氣工業健康、安全與環境管理體系》。

環保措施

為了防止和減少施工對環境的不利影響，保護生態環境，施工單位採用《“斜井穿越法”黃土塬管道施工工法》施工時，嚴格執行中石油下發的《中國石油天然氣集團公司環境保護管理規定》和《中國石油天然氣工業健康、安全與環境管理體系》，施工前進行環境風險評價，施工時最大限度地不破壞原始地貌的情況，施工後做好地貌恢復。通過嚴格的過程控制，保護環境。

效益分析

《“斜井穿越法”黃土塬管道施工工法》工藝簡單，在保證工程質量和縮短施工工期的同時，減少了施工占地、減少了土方開挖量和後期水工保護工程量，降低了施工成本。另外，還減少了水土流失，保護了黃土塩脆弱的植被，並增加了管道運行的穩定性。

下面以陝京二線5B標段某沖溝段的斜井穿越施工為例進行具體的效益分析：

該沖溝管道設計高差為32米，坡度為35度，沖溝立面坡度為75度，管道端點挖深均為3米，平均挖深為16米。

如採用大開挖穿越：作業坡度為21度，坡長為89.3米，平均挖深為17.4米，作業帶底寬（預留1.4米直接開溝）16米，開挖坡比為1:1，作業帶平均開口為64米，大開挖穿越施工縱斷面圖如圖8所示。由於作業帶開口太大，使得作業帶兩邊無法設定堆土區，需另外單獨征占一塊地以放置開挖的土方，以平均堆土高度為3.5米計算，該堆土區占地面積為14113平方米；開挖土方量為49396立方米，開挖回填總費用為790336元；水工保護面積（沖溝立面）為1925平方米，水工保護總費用為385000元。

採用“斜井法穿越”，穿越縱斷面圖如圖9所示，斜井坡度為35度，斜井長52.3米，平均挖深為17.2米。施工總占地面積896平方米；斜井開挖土方量為408立方米，斜井開挖回填人工直接費用為52.3米×250元/延長米=13075元，安全支撐架及各種輔助設施費用為26000元；水工保護面積（沖溝立面）為20平方米，水工保護總費用為4000元。

表3 兩種施工方法的具體項目對比統計表（取近似值）

方法/項目	開挖土方量（立方米）	總占地面積（平方米）	水工保護面積（平方米）	開挖回填費用（萬元）	水工保護費用（萬元）
大開挖穿越	50000	19000	1900	79	38.5
斜井法穿越	400	900	20	4	0.4
該處節省費用為：79+38.5-4-0.4=113.1萬（元）

圖8 大開挖穿越縱斷面圖

圖9 斜井穿越縱斷面圖

註：施工費用以2005~2006年施工材料價格計算

套用實例

《“斜井穿越法”黃土塬管道施工工法》的套用實例如下：

2004年，在陝京二線輸氣管道工程5B標段施工中，管道一公司承擔了位於山西嵐縣的黃土堀地段，全長11.5千米。黃土嫄呈台階狀，地勢起伏大。沖溝險峻深度一般為15~56米。總計開挖斜井11處，斜井總長度800米。

通過人工挖掘斜井與預製管道相接合，解決了傳統的“大開挖”法存在的施工和社會問題。該種工藝安全、節省、環保，是一種能在大中型沖溝、台地、黃土坡等黃土堀地區進行管道施工的方法。

榮譽表彰

2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部以“建質[2008]22號”檔案發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》，《“斜井穿越法”黃土塬管道施工工法》被評定為2005-2006年度國家一級工法。