長距離大坡度隧道內管道施工工法

《長距離大坡度隧道內管道施工工法》是遼河石油勘探局油田建設工程二公司、勝利油田勝利石油化工建設有限責任公司完成的建築類施工工法，完成人是牟宗元、張彥軍、劉洋、雷禮斌、王清元、徐軍華。適用於長距離、大坡度（坡度不大於18°）、高載重（ф811x14至ф1016x26.2）的隧道內管道施工。

《長距離大坡度隧道內管道施工工法》主要的工法特點是使用“隧道布管機”，科學設計專用龍門吊架，合理設計管道三角支架。

2011年9月，《長距離大坡度隧道內管道施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2009-2010年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：長距離大坡度隧道內管道施工工法
• 工法編號：GJEJGF356-2010
• 完成單位：遼河石油勘探局油田建設工程二公司、勝利油田勝利石油化工建設有限責任公司
• 主要完成人：牟宗元、張彥軍、劉洋、雷禮斌、王清元、徐軍華
• 套用實例：高家壩隧道
• 主要榮譽：國家二級工法（2009-2010年度）

形成原因

在大口徑長輸管道隧道穿越施工中，受空間限制，吊管機、挖掘機等大型設備無法使用。管道運輸和布管工序傳統上有輥道法、輕軌法和炮車法，傳統施工方法有投入大、工期長、施工繁瑣、受卷揚機容繩量和工作方向單一的限制、需要較大施工空間、機動性能差，危險係數高等諸多缺點，難以適應長距離、大坡度、小空間隧道的運布管施工。為此，遼河石油勘探局油田建設工程二公司、勝利油田勝利石油化工建設有限責任公司針對川氣東送管道工程第九標段長距離、大坡度隧道內管線施工項目，專門成立了"隧道運布管工藝"研發項目小組，研製出了新型隧道布管設備並將其命名為"液壓側翻式隧道布管機"（其結構見圖1），該布管機已獲中國國家發明專利（專利號∶201010599256.0）。由此，該公司依託該專利確定了"自下而上、單管運輸、洞內組焊"的長距離、大坡度隧道內管線施工方案，並在川氣東送管道工程中廣泛套用，獲得良好的經濟和社會效益。

圖1 隧道布管機結構示意圖

工法特點

《長距離大坡度隧道內管道施工工法》的工法特點是：

1.通過使用"隧道布管機"，實現了安全、高效地運管，準確、快捷地布管。

2.專用龍門吊架的科學設計，實現了坡面吊裝的安全性和管道組對時的高效性。

3.管道三角支架的合理設計，實現了坡面管線焊後的管道穩定。

操作原理

適用範圍

《長距離大坡度隧道內管道施工工法》適用於長距離、大坡度（坡度不大於18°）、高載重（ф811×14至ф1016×26.2）的隧道內管道施工。

工藝原理

《長距離大坡度隧道內管道施工工法》的工藝原理敘述如下：

在空間受限的隧道內進行管道施工，關鍵工序是管材的運布和吊裝，該工序通過使用隧道布管機，實現了安全、高效地運管，準確、快捷地布管，該設備的基本工作原理是以發動機為源動力，依託"L"形設計的承載系統，將管材運至隧道內指定位置，由液壓側翻卸載系統將管材布設到隧道內管墩上，管材通過專用龍門吊架進行組對焊接。運輸機動車通過雙向控制系統，不必調頭就可開出隧道返回管場，進行下根管的運輸布管，依次循環從而完成整個布管工作。

"隧道布管機"的使用為該工法的核心技術，利用它實現了大坡度隧道內快速布管的目的；通過液壓裝置的引入，實現了該設備的自裝、自卸功能；通過駕駛位置的雙向設定，實現了該設備不用調頭就能原路返回的目的。

施工工藝

• 工藝流程

《長距離大坡度隧道內管道施工工法》的施工工藝流程見圖2。

圖2 施工工藝流程圖

操作要點

《長距離大坡度隧道內管道施工工法》的操作要點如下：

一、施工準備

1.按照設計圖紙和業主要求的工作界面，和業主、設計、監理等一起驗收隧道，按標準隧道內應做完二次襯砌、地面為200毫米混凝土，且表面平整為合格。待驗收合格後方可進入隧道組織施工。

2.在管道擺放側隧道內壁安裝電纜架和照明燈架，每12～24米安裝一盞防水防爆燈，防水防爆燈型號BFC6100，為保證突然停電等突發事件時人員能安全撤離，配備CBST6301型手提式防爆探照燈。

3.根據隧道內的施工情況，在隧道出口位置設1台110千瓦發電機和2台200千瓦發電機（備用1台），作為焊接、照明、通風動力電源。通過三相線（0.38/0.66千伏 35平方毫米/4芯）和兩相線接人入隧道內，然後分配至各防爆配電盤，8146系列配電盤每100米設定一個，再設定分級漏電保護器，便於小型用電機具使用。

4.在隧道外安裝FBD-5.5型低噪聲對懸軸流式局部通風機，每天進入隧道前30分鐘通過鼓風機和排氣管強制換氣，解決隧道內空氣流通不暢問題，並使用IQ350型瓦斯氣體檢測儀檢測空氣品質。

5.檢測儀器配備∶瓦斯氣體檢測儀1台、氧氣濃度監測儀1台、風速儀2台、溫濕度儀2台，所有儀器經專業鑑定部門校驗合格。

6.為了保證隧道內外信息暢通，根據隧道長度不同安裝不同數量的固定電話，電話線型號為MHY32。為煤礦用聚乙烯絕緣鋼絲鎧裝聚氯乙烯護套通信電纜。如果隧道較短可選用對講機。

二、基礎開槽、預埋

1.測量放線∶按照圖紙設計，放出管道中心線，測量計算出隧道進出口高差及隧道坡度，測量放出管墩位置。

2.開槽∶採用人工方式對管墩進行開槽施工，開槽寬度及深度嚴格按圖紙要求施工。

3.預埋∶管道支墩一般分為滑動支墩和固定支墩兩種。

1）對於滑動支墩基槽開挖後馬上進行預埋澆築，澆築高度至隧道地板以下150毫米，當混凝土強度達到60%墊細砂回填至地板一般高，便於布管機行走（預留鋼筋不妨礙布管機行走），等到焊接完後再將上半部澆築完成（由於滑動支墩只起到支撐，這樣做並不影響其作用）。

2）對於固定支墩基槽開挖後，鋪墊δ18毫米厚的鋼板覆蓋（由於固定支墩數量很少，其投入並不多），等到管線焊接完成後再澆築。

三、運布管

管墩基礎處理完後，將進行管材的運輸和布管。隧道施工運管選擇自下而上的運輸方向，即由低端向高端運管。運布管過程是由管材裝載、管材拉運和管材卸載三部分組成。

1.裝載過程；"隧道布管機"駛至臨時堆管場，通過液壓上管轉臂將鋼管從平台托起，並擺放在"隧道布管機"的"L"形承載台上，轉臂繼續將鋼管夾緊固定，從而完成鋼管裝載過程（圖3）。

圖3 鋼管裝載示意圖

2.由操作手駕駛"隧道布管機"駛入隧道內部，燈光打開，將鋼管平穩地拉運到指定位置，完成鋼管拉運過程（圖4）。

圖4 管材拉運示意圖

3.卸載過程為液壓側翻自動卸載（圖5）

圖5 管材卸載示意圖

依託"L"形液壓承載系統實現鋼管的自動翻轉就位於提前準備好的臨時管墩（臨時固定墩由裝沙的編織袋組成，高度略低於布管機承載台高度）上，從而完成自動卸載工作。這種方法速度很快，從管材解綁到就位大約需要90秒左右。

四、組對、焊接

組對焊接方向正好與運布管方向相反，選擇由上向下的方向施工。

1.組對∶受隧道內空間限制，空壓機不便使用，因此選擇使用外對口器進行焊口組對（圖6），利用兩個專用龍門吊架和附帶的相應噸位倒鏈對管道位置進行調節從而完成管口組對工作。

圖6 管道組對示意圖

2.焊接∶焊接採用手工打底、半自動填充蓋面工藝，焊接設備使用逆變式外接電源焊機，可人工搬運，電源380伏，要有接地線接地（圖7）。

圖7 焊接示意圖

五、穩管

1.臨時支撐：管線在焊完一根後，採用臨時三腳支架進行支撐，三腳長度不等，一根較長另兩根等長，較長的一根作為斜向支撐在下坡方向擺放。支架頂板採用弧板設計，以鋼板加膠皮的形式製作而成，既保護了防腐層又增大了摩擦力（據統計在9.2°的斜坡上，焊接ф1016的管材300米，管線軸向下滑20毫米）。

2.管卡穩管：在大於10°坡度的隧道中，需在第一根管材管口焊接自製牽引頭，通過鋼絲繩牽引連線到洞外的地錨上，通常地錨設定為兩點（圖8）。

圖8 管卡平面圖

六、焊縫檢測

無損檢測可每20~30道口進行一次，分別進行UT和RT檢測。

七、補口補傷（圖9）

圖9 管道防腐示意圖

1.噴砂除銹：管材在隧道外進行噴砂除銹，按規範要求等級達到Sa2.5級即可，然後用透明膠和包裝紙進行密封，做好運管準備。

2.管道補口：用自製平板車將熱收縮帶和液化氣瓶運至施工處，把管口密封紙撕掉（注意回收），採用角磨機打磨除去管口表面附銹，然後按規範要求進行補口施工。

3.電火花檢漏：補口結束後，用電火花檢測儀對管道進行全位置檢測，對發現的漏點，立即修補。

八、管墩澆築

1.基槽清理∶防腐結束後，土建隊伍立即進入現場，首先清理所有基槽內的細砂，集中堆放。

2.混凝土運輸；攪拌站設在洞外，將攪拌合格的混凝土通過輸送管道（適用長度在1千米以上的隧道）和輸送泵打到施工處，或用自製車輛（適用長度在1千米以下的隧道）運到施工處。用車運送時可將基槽堆積的細砂拉出洞外使用。

3.支模澆築∶由於管道高度所限，支模澆筑前先使用簡易龍門架將管道適當抬高，以便於澆築為宜。然後按照規範要求組織施工，澆築完落下捆鏈，管道仍然落在臨時三腳支架上。

九、管道就位

待澆築完的管墩達到一定強度後，在支墩位置上放入已預製完成的鋼製支座，在鋼支座弧形板及滑動墊塊弧形板上鋪放好δ=8毫米橡膠板，利用4台50噸千斤頂將管道頂起20~30毫米，撤除三腳支撐後將管道坐落在橡膠板上，安裝好上半部分管卡，擰緊連線兩部分管卡的緊固螺栓。

十、洞外進出口管溝砌築、錨固墩施工

1.隧道進出口施工；隧道進出口設計形式較多，常見有箱涵形式，施工隊伍要嚴格按照圖紙設計和土建工程相關規範施工，完成後在管道底部回填200毫米厚細砂墊層，以保護管材防腐層。進出口管溝要與隧道洞門結合良好，混凝土澆築時必須支模，按照比例要求進行送檢。

2.固定管墩施工∶待管道就位以後，先撤掉基槽上鋪蓋的鋼板，然後清理乾淨，再支模、綁筋、澆築，按圖紙設計施工。等固定墩強度達到設計要求後，再取掉管道牽引頭。

3.完工清理∶整個土建完工後，拆除洞內所有動力、照明、通訊電纜，專人清除洞內所有工程垃圾。

十一、管道試壓、連頭

1.隧道穿越段單獨進行清管和強度及嚴密性試驗，強度試驗壓力為14兆帕，穩壓4小時，嚴密性試壓壓力為10.0兆帕，穩壓24小時。

2.因隧道進出口端堆積大量的隧道施工時留下的棄渣，在進行連頭時需要挖開大量的棄渣，鋪設連頭施工場地。

材料設備

材料

《長距離大坡度隧道內管道施工工法》所用的施工材料以方斗山隧道為例，見表1。

表1 施工材料表

序號	名稱	規格型號	數量	備註
1	鋼絲繩	6'	50米	╱
2	鋼板	δ=10、18、22毫米	100、30、24平方米	三腳支架、蓋板、管托
3	橡膠皮	δ=8毫米	50平方米	保護防腐層
4	電纜線	0.38/066千伏 35平方毫米-4	3200米	焊接、動力電源線
5	電源線	2相	3200米	照明線
6	無縫鋼管	ф40x4	280米	三角支架
7	枕木	╱	6立方米	╱

參考資料：

設備

《長距離大坡度隧道內管道施工工法》所用的施工主要設備見表2。

表2 施工設備表

序號	名稱	規格型號	數量	備註
1	發電機組	200千瓦、110千瓦	3台	2台200千瓦、1台110千瓦
2	隧道布管機	╱	1台	運管
3	熊谷電焊機	ZD7-500（IGBT）	12台	隧道內焊接
4	汽油焊機	╱	2台	鋼製支座焊接
5	吊管帶	15噸	20條	╱
6	吊車	16噸	1台	╱
7	噴砂罐	╱	1台	╱
8	清管試壓設備	╱	1套	╱
9	軸流通風機	FBD-5.5型	2台	備用1台
10	防爆探，照燈	CBST6301	10盞	╱
11	氧氣濃度監測儀	Z-1100	1台	╱
12	瓦斯濃度檢測儀	╱	1台	╱
13	風適度儀	╱	1台	╱
14	乾粉滅火器	MFZ4	50隻	手提貯壓式
15	GPS定位儀	CPS12XLC	1台	╱
16	電話	╱	4部	╱

參考資料：

質量控制

《長距離大坡度隧道內管道施工工法》的質量控制要求如下：

一、質量控制措施

1.管材裝卸過程中的防腐層的保護∶布管機"L"形承載台利用8毫米厚的膠皮包裹，卸載時臨時管墩採用細砂袋碼到跟布管機等高，管材自動翻轉到管墩上。

2.隧道內一般較為潮濕，所以在組對焊接前要做好充分的預熱，保證焊接質量。

3.由於龍門吊架重量大，人力很難移動，所以在龍門吊架的底部安裝4個鋼輪，在自身重力和外力作用下前後移動。龍門吊架移動到位通過調整安裝於鋼輪附近的4個M65絲槓，調平龍門支架，使其自重及鋼管的重力作用於絲槓支撐底板上，達到龍門吊架平穩的目的。兩個倒鏈安裝在兩個龍門吊架的斜對角位置上，便於管道上下和左右位置的調整。

4.在補口補傷工序中，因隧道內氣溫較低、濕度較大，會對補口形成極為不利的影響，因此補口時一定掌握好烘烤火候和操作手法。為保證補口質量和提高工作效率，剛開始施工的幾道補口進行100%剝離強度試驗，合格後逐步加快補口速度，為了確保補口質量，應適當加大防腐補口剝離強度的抽查比例。

5.管道焊接完成後，不論是打管墩還是管道就位，都要動用千斤頂進行局部的頂升，切記在千斤頂頂端必須加墊一塊弧形鋼板內襯膠皮，一方面保證管道母材局部受力不變形，另一方面確保防腐層不受損。

二、質量標準

1.《油氣長輸管道工程施工及驗收規範》GB 50369-2006；

2.《石油和天然氣管道穿越工程施工及驗收規範》SY/T 4079-95；

3.《管道下向焊接工藝規程》SY/T 4071-93；

4.《鋼質管道焊接及驗收》SYT 4103-2006；

5.《石油天然氣鋼製管道無損檢測》SY/T 4109-2005；

6.《油氣輸送用鋼製彎管》SY/T 5257-2004；

7.《塗裝前鋼材表面鏽蝕等級和除銹等級》GB 8923-88；

8.《埋地鋼質管道聚乙烯防腐層技術標準》SYT 0413-2002；

9.《輻射交聯聚乙烯熱收縮帶（套）》SY/T 4054-2003；

10.《管道防腐層補口絕緣密封性試驗方法標準》SY/T0074-93；

11.《石油建設工程質量檢驗評定標準輸油輸氣管道線路工程》SY/T0429-2000；

12.《石油建設工程質量檢驗評定標準管道穿越工程》SY/T4104-95。

安全措施

採用《長距離大坡度隧道內管道施工工法》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.工程開工前，項目部邀請隧道專家對所有參與隧道施工的人員進行培訓和安全教育。

2.由項目部HSE監督員組織現場緊急情況的應急演練，主要是人員窒息復甦演練、緊急情況逃生演練等，通過演練促進應急措施的落實，同時完善應急方案。

3.嚴格按照《有限作業空間施工操作規程》進行，建立並嚴格執行隧道進出登記制度，所有進人隧道施工及參觀、檢查人員必須經授權許可，並進行登記。

4.隧道內施工用電安全尤為重要，定期專人進行線路檢查，對存在問題及時整改；洞內設備機具擺放做統一安排，確保全全的施工環境和暢通的進出道路。

5.隧道內的動力及照明線架空安裝，每20米一處設臨時照明，動力線安裝在洞壁遠離施工操作面的地方，並保證其絕緣良好，電氣設備必須安裝漏電保護器，並確保有可靠的接地零線裝置。

6.在洞口的HSE監督員隨時監督和掌握洞內人員的施工情況以及設備的動態信息，並堅決禁止非施工作業人員進入正在施工的隧道內。

7.在隧道內應安裝應急照明燈具，防塵、防毒過濾式呼吸面具根據現場實際情況足額配備。

環保措施

《長距離大坡度隧道內管道施工工法》的環保措施如下：

1.進場施工必須辦理施工申請。認真貫徹執行《中華人民共和國環境保護法》，做好保護和改善生態環境的工作，防止污染和其他危害。

2.施工前對施工人員進行環境保護有關法規檔案的學習，加強施工過程的管理，對施工所用的具有污染性的物品要有專人管理。

3.現場的施工用料，要做到工完料淨場地清，以免污染水體和農田，做好剩餘廢料回收工作。對施工中產生的廢氣、廢水、廢渣有害物質要妥善處理。

效益分析

《長距離大坡度隧道內管道施工工法》的效益分析是：

一、經濟效益

在川氣東送第九標段管道施工中，隧道布管機共完成了5條隧道施工，下面將布管機運布管法同傳統常用的輕軌布管法進行經濟效益分析和比較（以1千米距離長度隧道施工為例）。

1.輕軌法

施工工期21天∶人工費和機械設備使用費28萬，額外投入（輕軌費用、卷揚機、鋼絲繩）∶24萬，相關施工費用∶30萬，合計費用∶28+24+30=82萬。

2.隧道布管機法

施工工期7天∶人工費和機械設備使用費8萬，額外投入（布管機研製費用）∶20萬，相關施工費用∶10萬，合計費用∶8+20+10=38萬。

單公里使用隧道布管機運布管較輕軌運管減少費用∶82-38=44萬。川氣東送管道工程第9標段運用布管機完成布管7.5千米，因此減少費用44×7.5=330萬元。另外初步計算，利用"隧道布管機"的方法，可縮短2/3的工期，節省人工、設備費用60%~70%。

註：施工費用以2009-2010年施工材料價格計算

二、社會效益

在長距離大坡度隧道內管道施工過程中採用隧道布管機法進行隧道布管，解決了隧道內管材的運送、布設這一難題，提高了隧道管道施工的整體進度，降低了施工成本。

套用實例

《長距離大坡度隧道內管道施工工法》2008年12月至2009年6月成功套用到川氣東送第九標段方斗山隧道、高家壩隧道、官站口2號遂道的施工中，提高了整體施工速度，節約了施工成本，出色完成長距離大坡度隧道施工。工程套用實例（圖10）。

圖10 套用實例圖

參考資料：

榮譽表彰

2011年9月，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《關於公布2009-2010年度國家級工法的通知》建質[2011]154號，《長距離大坡度隧道內管道施工工法》被評定為2009-2010年度國家二級工法。