王 凱 張寶林 程勝霞 生 望 張 李

河北華北石油工程建設(shè)有限公司 河北任丘 062552

西二線果子溝隧道群管道施工方法對比與選擇

王 凱 張寶林 程勝霞 生 望 張 李

河北華北石油工程建設(shè)有限公司 河北任丘 062552

西氣東輸二線在新疆果子溝山區(qū)連續(xù)穿越7條隧道，隧道寬度為4.2m，隧道內(nèi)需同時敷設(shè)兩根Ф1219管道，是西氣東輸二線西段的控制性工程。以西二線果子溝隧道群7條隧道內(nèi)管道安裝采取的不同的施工方法為例，重點闡述了根據(jù)每條隧道的結(jié)構(gòu)特點所采取的不同的施工方法所取得的實際效果，橫向比較了每一種施工方法的優(yōu)劣，總結(jié)了施工經(jīng)驗和需要吸取的教訓(xùn)，對以后類似的隧道管道安裝工程的施工具有一定的參考意義。

西氣東輸二線 隧道穿越 管道施工

隨著我國長輸天然氣管道建設(shè)高峰的到來，油氣長輸管道工程施工環(huán)境也越來越復(fù)雜。特別是管道在山區(qū)地段敷設(shè)時，對于地形起伏較大、山高坡陡的地段，通常采用山體鉆爆隧道的穿越方式。由于山區(qū)地形較為復(fù)雜，導(dǎo)致隧道進(jìn)出口處的地形地貌也變化多樣。因施工成本等原因，隧道凈空尺寸也只能滿足管道的基本敷設(shè)條件，大型施工設(shè)備無法進(jìn)洞施工，且隨著隧道開挖技術(shù)的發(fā)展，隧道長度也越來越長。所有這些因素，都給隧道內(nèi)管道的運管和組對焊接帶來較大困難，隧道內(nèi)管道施工已經(jīng)成為長輸管道工程的控制工程。下面以西氣東輸二線西段果子溝隧道群7條隧道的施工為例，著重介紹山體隧道內(nèi)管道安裝的一些成功經(jīng)驗和需要吸取的教訓(xùn)，為以后長輸管道的施工提供一些參考。

1 國內(nèi)外概況及發(fā)展趨勢

1.1 國外概況

據(jù)考證，截止到西氣東輸工程二線主體完工之前，國外工程至今沒有類似雙管同隧道施工的先例，也無直徑大于Ф1219管道穿越長度超過3.1km的紀(jì)錄。

1.2 國內(nèi)概況

據(jù)相關(guān)資料介紹，在國內(nèi)長輸管道施工過程中，蘭成渝管道施工中的蘭成段隧道中，最長的一條為天燈寺隧道工程，全長2617m，管徑為D323.9mm,材質(zhì)為X 52，是西二線之前全國最長的一條長輸管道隧道穿越工程。因此，西氣東輸二線果子溝隧道群工程，開創(chuàng)國內(nèi)長輸管道隧道穿越施工中長度最長、管徑最大、鋼號最高、雙管同隧道施工的先河。

2 隧道內(nèi)管道安裝工程的基本做法

2.1 工藝流程

隧道土建工程檢查驗收→運管軌道鋪設(shè)及運管小車準(zhǔn)備→隧道內(nèi)管子運輸→管子的卸車及組對→軌道撤離及管子固定

2.2 施工方法

2.2.1 隧道工程檢查驗收

隧道開挖工程施工完成后，根據(jù)設(shè)計圖紙和驗收規(guī)范，由業(yè)主單位、第三方質(zhì)量監(jiān)督、EPC項目部、監(jiān)理單位、隧道施工單位和管道安裝單位共同組成隧道驗收檢查團(tuán)，對隧道進(jìn)行交接前的質(zhì)量檢查驗收，檢查合格后由隧道開挖單位和管道安裝單位辦理簽字移交手續(xù)，參加驗收的各方代表簽字認(rèn)可。

2.2.2 運管軌道鋪設(shè)及運管小車的準(zhǔn)備

（1）道軌鋪設(shè)

西二線果子溝隧道安裝使用的管道規(guī)格為Ф1219×26.4mm，重量較大（每根管道重約10t），為保證運管小車的運行安全，軌道采用24#輕軌。

由于隧道內(nèi)寬度有限，不允許兩條管道先施工完一根，再施工另外一根，必須兩條管道同步完成運管、布管、焊接等工作。因此軌道敷設(shè)采用雙軌敷設(shè)方式，由于隧道內(nèi)安裝的兩根管道中心凈距為2018mm，也就決定了軌道安裝時的中心間距亦為2018mm。

（2）運管小車的準(zhǔn)備

每個運管小車由4個軌道車輪和槽鋼組焊而成，小車輪組之間采用 [16連接。每個小車上焊接兩套和管子外徑相同的弧板，作為管子固定的托架。運輸時，每根管子采用兩套運管小車。管子放置到小車上后，采用封車帶進(jìn)行封車。為防止兩套小車在行走過程中受外力分離出現(xiàn)安全事故，在兩輛小車之間采用鋼絲繩連接。

2.2.3 管子在隧道內(nèi)的運輸

為保證管道運送過程的直線行進(jìn)，以及運管過程中操作人員的安全，在管道行進(jìn)路線上鋪設(shè)鋼軌，管子通過軌道小車在動力驅(qū)動下運送到指定位置。7條隧道采用了4種不同的管子運輸方法：

（1）利用卷揚機(jī)整體牽引焊接完成管組；

（2）利用卷揚機(jī)牽引單根管子送管；

（3）利用拖拉機(jī)牽引送管；

（4）綜合利用卷揚機(jī)和鏟車分段送管。具體操作詳見2.2.4。

2.2.4 隧道內(nèi)卸管及管道組對

由于隧道內(nèi)空間有限（隧道內(nèi)安裝兩根管道，兩根管道凈間距862mm，管道距離隧道內(nèi)壁450mm），開闊地帶管道組對使用的吊管機(jī)等常規(guī)吊管及組對設(shè)備已經(jīng)無法使用。要按照以往狹小空間使用手動倒鏈或手動千斤頂，對于管子重量達(dá)到10t的管子，要完成7條隧道的管子卸車和組對基本不可能。

在這種條件下，如何節(jié)約空間，減小卸管和組對工人的勞動強(qiáng)度，成為選用卸管設(shè)備的主要依據(jù)。液壓千斤頂有效地解決了這一問題：管子運送到位后，液壓千斤頂?shù)牧α客ㄟ^管子卸管、組對的支吊架上的鋼絲繩和吊鉤提升管子，當(dāng)管子離開運管小車后，撤離軌道小車。將管子放置到管子支墩上，通過專用支吊架配合液壓千斤頂進(jìn)行管子高度和前后位置完成焊口組對。

2.2.5 軌道的撤離

為了節(jié)約隧道施工中道軌及枕木等材料的使用量，在管道完成卸管和管墩支墊后，立即撤出相應(yīng)段落的道軌，利用運管小車回程空車?yán)\出隧道，利用到其他隧道施工。不僅節(jié)約了外運道軌的人力資源，同時也提高了道軌等材料的利用率。

2.2.6 管道的焊接

由于兩條管道幾乎占據(jù)了隧道內(nèi)的所有平面空間，兩根管道凈間距862mm，移動電站等大型焊接設(shè)備及氣瓶、把線運送機(jī)具無法在隧道內(nèi)使用。另外，由于管道安裝后，管道距離隧道內(nèi)壁最多只有450mm空間，施工人員在作業(yè)期間活動受限，因此必須保證操作人員使用的各種工器具集中存放，便于取用。經(jīng)過研究，充分利用隧道內(nèi)兩條平行敷設(shè)的管道，制作管頂行走小車，將活動焊機(jī)及各種工器具全部放置在小車上。小車車輪設(shè)計為與管頂相吻合的弧形。輪體包覆軟橡膠，以保護(hù)管頂防腐層不受損壞，采取在兩根管上行進(jìn)。

每條隧道配備五套運管小車，每臺小車上運載兩臺活動焊機(jī)，配備送絲機(jī)和焊把。依據(jù)工程焊接工藝評定進(jìn)行施焊。

3 管子在隧道內(nèi)布管運輸?shù)膸追N方法

管道的卸管、組對焊接及道軌撤離的工作，對于果子溝隧道群的所有七條隧道來說大同小異，而決定隧道施工速度和施工安全的關(guān)鍵在于隧道內(nèi)管道的運輸。

3.1 利用卷揚機(jī)整體牽引焊接完成管組

施工初期，考慮到3#隧道內(nèi)管道設(shè)計長度僅為384.5m，存在8.4°坡度，按照隧道內(nèi)管道全部施工完成后所有管道的總重量，結(jié)合卷揚機(jī)牽引力，選用如下方法。

首先將30t卷揚機(jī)安裝在隧道坡頂，在隧道內(nèi)鋪設(shè)道軌。卷揚機(jī)通過鋼絲繩的牽引完成的對接的管道逐步上行，牽引管子從一根逐步增加到隧道內(nèi)所有384.5m管線。在這種施工方法下，卷揚機(jī)始終承受所有管子重量的下滑力。

隨著管道的焊接，當(dāng)逐根焊接到10根管子，管線長度接近120m時，卷揚機(jī)無法繼續(xù)牽引管道上行，卷揚機(jī)牽引力已經(jīng)接近滿負(fù)荷。分析原因，主要是由于隧道施工過程中，隧道底部存在一定的起弧，管道上行過程中，卷揚機(jī)所受牽引力超過了方案設(shè)計時考慮的計算拉力，該方法宣告失?。ㄒ妶D1）。

3.2 利用卷揚機(jī)牽引單根管子送管

在隧道群中，2#、4b#、5#、6#其等5條隧道長度較短（長度分別為507.5m、346.6m、610m、846.2 m不等），隧道前期土建施工時間充裕，混凝土隧道底板施工質(zhì)量較好，平整度高，便于道軌的鋪設(shè)和管道的平穩(wěn)運送。隧道內(nèi)管道安裝時，均從隧道高點通過軌道運管小車在牽引機(jī)車的牽引下將管子運送到焊接位置，管子自下而上逐根焊接。牽引設(shè)備采用卷揚機(jī)（見圖2）。在這種施工方法下，卷揚機(jī)始終只承受單根管子重量的下滑力。為了對比各種不同施工方法的優(yōu)劣，雖然在2#、4b#、5#、6#等4個隧道均采用了卷揚機(jī)作為牽引設(shè)備，但在4a#采用了雙軌施工，在2#、4b#、5#、6#隧道采用單軌施工。

在4a#隧道采用雙軌運管時，兩條軌道中心均和管道安裝位置中心重合，管子運送到位后直接利用支吊架將管子吊離運管小車進(jìn)行組對即可。

在2#、4b#、5#、6#等4個隧道采用單軌運管時，軌道鋪設(shè)位置與管道1的安裝位置中心重合，在第一根管子運至安裝位置1后，先利用龍門吊架將管子從小車上提升后撤離小車，利用龍門支吊架橫向移動功能，將管子移動到位置2，固定到管子安裝位置。然后運送第二根管子，固定在位置1。當(dāng)?shù)谌茏舆\送到位后，同樣利用支吊架橫向移動機(jī)構(gòu)，將管子移至位置2，和第一根管子完成組對焊接。第4根管道和第二根管子組對焊接，如此往復(fù)交替，完成隧道內(nèi)管線運管和焊接工作（見圖3）。

3.3 利用拖拉機(jī)牽引送管

果子溝6#隧道，管道設(shè)計實長1018.8m,隧道坡度為3.86°,坡度較緩。該隧道施工方法為：在隧道內(nèi)鋪設(shè)一條道軌，將道軌直接鋪出隧道口，利用60馬力東方紅拖拉機(jī)作為牽引設(shè)備對運管小車進(jìn)行溜尾。拖拉機(jī)和運管小車之間用鋼絲繩連接。運管小車靠自重下滑力沿道軌下滑，拖拉機(jī)同步跟進(jìn)。當(dāng)管子運送到安裝位置后，拖拉機(jī)剎車制動完成管子運輸。該種施工方法在隧道內(nèi)鋪設(shè)一條道軌，且軌道鋪設(shè)中心與設(shè)計的兩條管道中一條管道安裝中心重合。

3.4 綜合利用卷揚機(jī)和鏟車分段送管

果子溝1#隧道長度3116m，由于隧道鉆進(jìn)施工期間產(chǎn)生特大雪崩影響，工期滯后，導(dǎo)致隧道土建交付時間嚴(yán)重滯后，管道安裝工期相當(dāng)緊張。為了保證管道完工節(jié)點計劃，1#隧道打破隧道施工常規(guī)思維，首先要求隧道施工單位完成隧道進(jìn)口1.2km隧道土建施工交付給管道安裝單位進(jìn)行管道安裝施工，然后繼續(xù)進(jìn)行剩余部分隧道土建施工。隧道進(jìn)口1.12km管道安裝施工與隧道出口端2km土建后期施工同步進(jìn)行。隧道出口端土建施工方向從進(jìn)口端1.12km處朝出口方向繼續(xù)施工。

等土建隊伍完成隧道出口端2km土建施工，管道安裝隊伍同步完成隧道進(jìn)口段1.2km管道安裝任務(wù)。轉(zhuǎn)移過來從1.12km處朝出口方向施工，充分利用了中間土建施工這段時間差，為整體工期節(jié)點的實現(xiàn)提供了有力的保證。具體運管方法如下：

（1）進(jìn)口端1.12km隧道地面為5.5°下坡，一坡到底。將卷揚機(jī)安裝在距隧道進(jìn)口1.2km處，同時牽引兩條軌道上的運管小車同時完成兩根管子的上行運輸。管子運送到位后，及時拆除完成管道安裝段的軌道及枕木等設(shè)施，從1.2km處往隧道出口方向進(jìn)行鋪設(shè)，為出口端管道運管做準(zhǔn)備。

（2）出口端2km隧道底部雖然也是5.5°下坡，但存在著兩個弧形變坡，變坡位置坡度局部上行（見圖4）。運管時，如果靠卷揚機(jī)在出口通過鋼絲繩拉力控制運管小車下滑速度，小車在下行過程中幾乎為勻速，運管小車靠下滑分力行駛到變坡點后，沒有瞬間沖力，小車靠自重下滑力無法逾越。所以，在出口端2km不能采用卷揚機(jī)運管。

經(jīng)過反復(fù)研究和受力計算，選用ZL-40鏟車作為牽引車運送管子。鏟車和運管小車之間同時采用軟連接和過渡剛性連接。既可以在下坡時，控制小車下坡段速度，作為溜尾設(shè)備；到變坡點，鏟車為運管小車提供適當(dāng)大小的推力，推動運管小車越過變坡點。有效地克服了卷揚機(jī)放管，運管小車無法越過隧道變坡點的缺陷。并且利用鏟車一次運送兩根管子，同時滿足兩條管道焊接的管材供應(yīng)，大大提高了組對焊接速度。

4 各種不同施工方法的對比

在果子溝隧道群7條隧道的施工過程中，管道的組對和焊接方法都大同小異，但運管方法至關(guān)重要，它不僅決定了運管速度和整體工期進(jìn)展和效益，更是隧道內(nèi)管道施工安全保證的基礎(chǔ)。本工程施工一共采用了4種不同的施工方法，下邊就以上四種不同的施工方法進(jìn)行對比分析。

4.1 利用卷揚機(jī)整體牽引焊接完成管組

果子溝3#隧道進(jìn)口低，出口高。管道的安裝過程，是在隧道出口安裝卷揚機(jī)，通過30t卷揚機(jī)鋼絲繩從隧道進(jìn)口處將焊接完成的管道逐步往出口方向上行牽引，焊接工作始終在隧道進(jìn)口處進(jìn)行。但卷揚機(jī)承擔(dān)的牽引力卻隨著管道焊接數(shù)量的增加而增加，卷揚機(jī)始終處于高負(fù)荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)。最后，由于隧道底板施工質(zhì)量問題，有局部上凸變坡，導(dǎo)致焊接完成的10根管子下滑分力加大，卷揚機(jī)無法繼續(xù)牽引管道上行，施工中途失敗。失敗原因包括兩點：

（1）在8.4°下坡狀態(tài)下，30t卷揚機(jī)本身極限牽引力不具備完成384.5m管道自身下滑力；

（2）隧道底板中間坡度變大，導(dǎo)致在100m管道長度下就無法繼續(xù)完成上行工作。

這種施工方法的優(yōu)點：施工人員、設(shè)備固定在隧道洞口外，不用隨著管道的移動而移動，減小了勞動強(qiáng)度，施工環(huán)境較好。

缺點：牽引設(shè)備和鋼絲繩始終處于較大負(fù)荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)，到后期處于滿負(fù)荷狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)備長時間疲勞作業(yè)，容易損壞設(shè)備或鋼絲繩失效，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生事故。

該方法適用于長度較短、坡度較小的隧道施工，且對隧道底板的施工平整度要求較高。一般情況不建議使用。如果采用這種方法，必須對隧道的坡度進(jìn)行精確測量，并對卷揚機(jī)鋼絲繩在該狀態(tài)下最大受力進(jìn)行分析，確認(rèn)安全后方可實施。

4.2 利用卷揚機(jī)牽引單根管子送管

4.2.1 鋪設(shè)雙軌

在4a#隧道的施工過程中，采用了此種運管方法，這是一種較為常規(guī)的施工方法，施工運行過程較為平穩(wěn)。管子運送到位后，利用支吊架將管子卸車后直接進(jìn)行組對焊接。

這種施工方法的優(yōu)點：管子可以直接通過卷揚機(jī)運送到焊接位置，不用對管子中心進(jìn)行較大的調(diào)整，卸管工作量較小，施工安全。組對焊接施工效率較高。對于隧道長短沒有較嚴(yán)格的要求。

缺點：隧道鋪設(shè)準(zhǔn)備時間較長，使用的道軌及輔助材料較多。

對于隧道群施工來說，由于各個隧道施工節(jié)點穿插進(jìn)行，一個隧道施工完成后，可以將該隧道使用的道軌等材料轉(zhuǎn)移到別的隧道使用，材料綜合使用效率較高。所以這是一種工期及效率綜合性較高施工效率的隧道施工方法，值得在隧道群中施工中推廣使用。

4.2.2 鋪設(shè)單軌

在2#、4b#、5#、6#等4個隧道采用了單軌運管的方式，由于只鋪設(shè)了一條軌道，隧道內(nèi)兩天管道運送到隧道安裝斷面后，其中一條管道的所有管子都要采用卸管支吊架對管子進(jìn)行移位，平移距離較大，達(dá)2081mm。

這種施工方法的優(yōu)點：使用道軌、枕木等技措材料較少，運管作業(yè)空間較寬裕，施工人員在隧道內(nèi)行走活動空間較大。

缺點：和雙軌運管對比，管子運到安裝位置后，要將管子從軌道上方平移到需要安裝的位置，花費時間為雙軌道卸管和組對時間的2.5倍，施工效率大大降低。同時施工工期同樣增加到雙軌運管施工工期的2.5倍。且在管子平移過程中，由于隧道作業(yè)空間小，管子重量較大，管子來回擺動，給現(xiàn)場作業(yè)人員的安全帶來很大隱患。

就節(jié)約的道軌等技措用料費用和浪費的人力設(shè)備資源費用比較：

（1）從道軌及枕木等技措材料費用比較，單軌鋪設(shè)比雙軌鋪設(shè)節(jié)約材料及人工費合計：300元/m；

（2）從施工進(jìn)度和人員、設(shè)備耗費計算，單軌施工比雙軌施工費用增加合計：296元/m。

可見，從施工費用上比較，完成同樣長度的管道安裝，單軌施工方法和雙軌施工方法相比基本持平，但單軌施工工期是雙軌施工工期的2.5倍。

綜合分析：單軌運管方法適用于施工工期較長，操作人員較為充裕的施工工程。如果是隧道群施工，各種施工資源可以在不同隧道之間共享使用，建議采用雙軌運管，既可提高施工效率，又能保證施工安全。

4.3 鋪設(shè)單軌，利用拖拉機(jī)牽引單根管子送管

果子溝6#隧道，軌道鋪設(shè)方法及卸管方法和4.2.2相同，唯一區(qū)別就是使用拖拉機(jī)替代卷揚機(jī)作為牽引動力。

這種施工方法的優(yōu)點：拖拉機(jī)靈活機(jī)動，管道在隧道內(nèi)的行進(jìn)過程和運管設(shè)備操作手之間距離較近，便于監(jiān)控和應(yīng)急處理。另外，在隧道群施工中，拖拉機(jī)可以隨時租用，可以減少卷揚機(jī)等重型固定設(shè)備的購置數(shù)量，節(jié)約開支和成本。

缺點:和5.3施工方法具有共同的缺陷。另外，拖拉機(jī)的制動性能比卷揚機(jī)差，使用隧道的坡度不能太大，要求拖拉機(jī)與隧道底板間的咬合力較大。拖拉機(jī)操作手長時間重復(fù)一個往返動作，容易疲勞引起溜車。

4.4 綜合利用卷揚機(jī)和鏟車分段送管

1 #隧道是果子溝隧道群7各隧道中長度最長，難度最大的一條隧道，也是最晚開工的一條隧道。該隧道的施工沒有現(xiàn)成施工方法可以借鑒，綜合應(yīng)用了卷揚機(jī)運管和鏟車運管方法。先將卷揚機(jī)安裝在隧道內(nèi)，完成進(jìn)口段管道上行運管下行組對焊接，逐步完成進(jìn)口段管道施工，再利用鏟車從隧道出口下行運管和已經(jīng)完成的進(jìn)口段管道預(yù)留頭進(jìn)行碰頭后，逐步從隧道內(nèi)部上行組對焊接完成出口段管道組對焊接。

在進(jìn)行隧道進(jìn)口1.12km管道組對焊接過程中，每組對焊接完成一根管子后，拆除該管段下面的行車道軌和枕木。一方面將隧道中間部分就近搬移到1.12km點往出口方向段落進(jìn)行鋪設(shè)，為出口段管道運管做準(zhǔn)備。既節(jié)省了搬運工作量，又節(jié)約了施工成本。另一方面，將距離1.12km點較遠(yuǎn)，距離隧道進(jìn)口較近的道軌和枕木通過運管小車空車返回的機(jī)會運出隧道，轉(zhuǎn)移到別的隧道使用，充分利用該資源，節(jié)約成本。

該方法的優(yōu)點：方法簡單易行，便于操作和控制；利用分段施工，和隧道土建施工單位形成穿插施工，有效地?fù)屵M(jìn)了施工開工節(jié)點，為工程的整體工期提供了保證；采用雙軌運管，而且每次運管兩根，和其他6條隧道相比，大大節(jié)約了運管時間和施工機(jī)組的等待管材時間，提高了施工效率近1倍；采用鏟車運管避開了卷揚機(jī)不能自動逾越變坡點的制約，且運行平穩(wěn)，便于應(yīng)急控制；鏟車租用費用低，不需要設(shè)備購置費用，租賃更換方便維修，操作人員少。1#隧道施工整體工期比業(yè)主要求工期整整提前了30d。

缺點：1#隧道施工工期相當(dāng)緊張，且受土建施工制約較大，加上此種方法的選用和實施需要一定的專業(yè)理論知識與豐富的實踐經(jīng)驗相結(jié)合，對現(xiàn)場施工管理人員的技術(shù)素質(zhì)和決斷力要求較高。如果在類似條件下盲目使用一種全新方法，存在一定的冒險性。

5 結(jié)束語

總體來看，通過西氣東輸二線果子溝隧道群7條隧道施工過程中不同施工方法的嘗試和實踐，總結(jié)出了一整套較為完整的山體隧道施工方法，可以作為今后類似工程施工的借鑒和參考。在3#隧道施工中，采用卷揚機(jī)牽引不斷接續(xù)加長的管道沿隧道上行，最后因隧道施工不規(guī)范，底板坡度大于設(shè)計坡度，最后導(dǎo)致方案失敗。雖然屬于意外，但這說明制定施工方案前，環(huán)境因素考慮不夠周全。這是值得我們深思和牢記的教訓(xùn)?？梢哉f果子溝隧道群的順利完工，不僅為管道局在西氣東輸二線市場贏得了榮譽，更鍛煉了一批長輸管道施工的中堅力量，積累了山體隧道穿越管道安裝的方法和寶貴經(jīng)驗，開闊了長輸管道隧道施工，特別是難點隧道工程施工的創(chuàng)新思維。

1 《西氣東輸二線管道工程穿越工程施工技術(shù)規(guī)范》Q/SY GJX0114-2007

2 《材料力學(xué)》作者：劉鴻文、高等教育出版社、第三版

TE682

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1672-9323（2012）05-0054-04

2012-07-11）