新型机具在U型斜巷水下隧道管道施工中的应用

刘坤 兰国霖 赵国辉 陈化昀 周荣

中国石油天然气管道局第三工程分公司

在金丽温输气管道工程施工中，由于隧道断面尺寸不一，进出口施工环境不同，且出口斜坡段有安全楼梯，常规龙门吊设备无法满足施工需求。为此，研制了特殊隧道施工用可伸缩式电动龙门架，此机具适用隧道范围广泛，具备可拆卸功能，可循环使用，在上皮山隧道、车龙隧道、江心田隧道工程应用中取得良好效果。

1 工程背景

金丽温输气管道工程在浙江省天然气主干管网的南端，线路干线全长220.6 km，管径为813 mm[1]。管线起于西气东输二线金华接收端的金华首站，终于甬台温输气管道温州末站。工程上皮山隧道起始桩点为J051-J052，为水下隧道，全长1 546 m。隧道净空断面为3.0 m×3.0 m（宽×高），穿越段管道设计压力为6.3 MPa，直管段壁厚14.3 mm，热煨弯管段壁厚17.5 mm。隧道进口端斜巷长度445 m，角度6°；出口端斜巷长度462 m，角度21°；中间平巷段长度为639 m。隧道穿越施工的特点为：隧道内空间小，距离长，斜巷长度长且坡度大，水平转角大。

隧道施工一般包含隧道内照明、通风等辅助系统安装，排水系统安装，制作运管车和龙门架及进行隧道内运布管等施工程序。

施工流程：施工前准备→测量放线→隧道内照明、通风等辅助设施安装→排水系统安装→隧道内运布管→支墩制作→管道组对焊接检测→防腐补口→锚固墩安装→测试桩安装→通球试压→临时设施拆除→隧道口封堵→标志桩安装→地貌恢复。

2 管线施工影响因素分析

由于隧道内焊接一般需要龙门架配合运管、布管和组对，龙门架能否在隧道内畅通无阻，将决定工序能否顺利衔接。通常由于Ⅱ、Ⅲ级围岩爆破效果差，易造成隧道开挖轮廓凹凸不平有棱角，往往会使隧道洞身内部的净空断面尺寸大小不一[2-3]，因此施工前一定要对隧道整体的断面尺寸进行测量，避免出现龙门架通行受阻的问题。

由于隧道内的管材规格高于一般线路的管材规格，例如本工程中线路管材为10.0 mm壁厚，上皮山隧道所用管材为14.3 mm壁厚，因此水下隧道的管材一定要按需领取，否则管材短缺或超出实际所需，都将增加施工成本。

水下隧道施工时，施工探水与治水是其重要环节，也是关系到工程建设成败的主要因素之一[4]。排水及防水措施是隧道验收的重要内容，湿度超出允许范围将对焊接质量产生极大影响，而如果水位得不到有效控制，一旦平巷段焊接完成，易发生漂管。此外，隧道内湿度过大，不仅影响施工人员的身体健康，还易产生用电等安全隐患。

由于相关规范以及项目的设计要求，管道焊口与管道支墩要错开布置，且不应小于1 m。因此，隧道内所有基坑的间距以及尺寸必须要根据图纸现场复合，以防管道安装过程中出现焊口与基坑间距小于1 m的情况。

消除影响因素的有效措施如下：

（1）在施工中，根据隧道洞身的净空断面尺寸制作龙门架，保证龙门架在最小横断面尺寸也可自由通行。针对进出口两端的不同施工环境，将龙门架进行了改进，使其具有伸缩性，以适应不同区域，同时为了防止龙门架在隧道内跑偏，在龙门架可伸缩端设置了支撑导向轮，如图1所示。

（2）申请管材调拨前，不迷信图纸，要与隧道施工方及时沟通，并去现场实际测量，根据实际测量结果上报所需管材。

（3）隧道验收过程中明确责任划分，并在验收前进行长时间观察：隧道排水设施是否可靠，内衬是否有大面积漏水等现象。施工过程中要安排专人监护排水设施，出现问题及时上报解决。

图1 改进后的龙门架Fig.1 Improved gantry crane

（4）隧道施工前根据现场测量数据绘制实际基坑布置图，尽量利用管材的原长调节焊口与基坑的距离，特殊情况可使用短节。

（5）检查诸如底板厚度、混凝土质量等是否符合规范设计要求。

3 施工过程管理

3.1 焊接

U型斜巷隧道焊接顺序一般为平巷段→缓坡段→陡坡段。

（1）首先在平巷段焊接，可使管线“生根”。相较于斜向段，平巷段管道更容易固定，不易发生滚管、滑管等现象，且平巷段的作业难度相对较小，可以给作业人员由简入难的适应过程。

（2）平巷段焊接完成后，可立即进行锚杆施工，底板、管卡安装，支墩混凝土浇筑等后续作业，使工序更加紧凑合理，还可起到稳管作用。当隧道内水位得不到控制时，还可防止发生漂管。

（3）平巷段位于隧道中间，平巷段的管段焊接完成后，如需赶工，可增加焊接班组，从两边斜巷段相向施工，缩短工期。

3.2 临时支墩设置

由于涉及到底板、管卡等安装，隧道内永久性支墩一般是在管线安装完成后才开始制作，因此焊接过程中需要设置临时支墩。上皮山隧道使用枕木作为临时支墩，利用钢钉在枕木上固定两块三角掩木，可起到很好的防滑、防滚效果。同时，利用沙袋每隔50 m 设置一个通墩，即利用沙袋作为临时支墩，延长至隧道内壁，形成一个横贯隧道纵面的临时支墩。

3.3 运布管

隧道内的运布管一般有两种方式：一种是利用特制的运管炮车将管运至隧道内，利用龙门架卸管、组对；另一种是在隧道口安置卷扬机，利用钢丝绳牵引，使用龙门架运管。前者速度较快，适合平巷段和缓坡段；后者速度慢，适用于炮车无法通行的陡坡段。

3.4 卷扬机与钢丝绳的选取

卷扬机的选型主要从最大牵引力、运行速度、安全等几方面进行考虑[5]。卷扬机的功率根据牵引外力的最小值确定，牵引外力主要由运管小车、钢管质量，以及轨道与小车间的摩擦力决定。

根据制作材料估算，小车（龙门吊、引导轮）的总质量约3 t。钢管规格为Φ813 mm×14.3 mm，按照单根管子最大长度12.5 m 计算，钢管密度7.8 g/cm3，钢管质量约为3.6 t，小车与钢管合计6.56 t。

图2 钢丝绳受力分析Fig.2 Stress analysis of wire rope

如图2所示，钢丝绳所受拉力为

式中：f为小车载重时的摩擦力，根据摩擦系数表可查铸铁与轧钢之间摩擦因数最小为0.05，可以计算出F=2.4 t。

根据《钢丝绳》GB/T8918—1996、《一般用途钢丝绳》GB/T20118—2006[6]及钢丝绳在矿井、斜井和竖井使用的拉张安全因数不小于5的规定，取安全因数为5，钢丝绳破断拉力不小于5 F，即12 t。因此，根据《钢丝绳分类及直径测量办法》确定，直径为17.5 mm的6×37（6股钢丝绳每股钢丝绳有37 根钢丝）钢丝绳即可满足要求。根据《卷扬机安全》选取卷扬机的功率为22 kW，根据国标确定钢丝绳直径为17.5 mm就能满足要求，上皮山隧道施工现场选用的钢丝绳尺寸为19.5 mm，可承受拉力16 t，满足拉力要求。

3.5 卷扬机地锚安装

隧道出洞口端设置1 台10 t 卷扬机，用于牵引管道和焊接设备。根据运管所需牵引力，10 t卷扬机配装直径19.5 mm 的6×37 钢丝绳即可，容绳量可达到1 200 m，满足本隧道长度的需要。

卷扬机地锚采用卧式地锚形式，锚桩按照300 kN载荷(P)受力选取，地锚抗拔稳定性安全因数K取3，受力分析见图3。

图3 地锚受力分析Fig.3 Stress analysis of ground anchor

根据卷扬机受力及地锚拉线引出角度，地锚拉线与地面夹角α为30°，锚桩为Φ273 mm×10 mm无缝钢管包敷混凝土，长6 m。

地锚安全应满足如下关系式

式中：G为作用在钢管上的土重；T为摩擦阻力；F2为地锚荷载的垂直分力，F2=Fsinα；K为地锚抗拔稳定性安全系数，此处选择3；B为钢管直径，此处为273 mm；B′为压力区有效宽度，B′=B+Htgφ；H为钢管埋入深度，此处为3 m；φ为土的内摩擦角，松土取15°～20°，一般土取20°～30°，坚硬土取30°～40°，此处取30°；L为钢管长度，此处为6 m；ρ为土的容重，此处为17.2 kN/m3；μ为摩擦因数，无木壁取0.5，有木壁取0.4，此处取0.5；F1为地锚荷载F的水平分力，F1=Fcosα。

经计算，(G+T)/F2≈3.22 ≥3，地锚制作符合安全要求。

卷扬机安装场地要压实、平整，做好塌方、滑坡的防护工作，经HSE 监督员组织检查确认后方可施工[8]。检查制动器是否正常，调整好制动瓦与制动轮间隙，使制动器处于良好工作状态[9]。

4 新型机具

4.1 管上行走小车

焊接环境直接影响焊接质量【10】，而水下隧道焊接，湿度控制是关键，因此要按照焊接工艺要求实时监测隧道内的潮湿度，焊接前对管段进行预热，达到工艺要求的预热温度。由于空间受限，如何方便地移动焊接设备就成了提高施工效率的因素之一。为此，研制了管上行走小车，如图4 所示，将熊谷焊机安置在这种设备上，通过两边的滚轮可以轻松地在管段上滑行，提高了施工效率。

4.2 电动龙门架

（1）设备在隧道管道施工中无需铺设钢轨，作业效率高、成本低，实现了运布管作业与对口作业同步机械化流水作业。

图4 管上行走小车展示Fig.4 Display of walkable trolleys on pipeline

（2）可通过1 个遥控器来实现2 套自行龙门架的联动控制或单独控制，实现了运布管行走和管口组对作业的精准控制，操作方便、安全可靠。

（3）设备具备可伸缩性，施工时不受隧道洞身横截面积的影响，保证了作业的连续性。

（4）适用于多种管径的隧道施工，使用不同型号的槽钢制作，在满足承载力的条件下，在610～1 219 mm范围管径都可应用。

（5）龙门架可搭载焊机、施工用具，提高了隧道内管道施工自动化水平，实现了运布管与对口同步化，节省了工序衔接时间，降低了人工劳动强度。

（6）设备通过外接动力电行走，无需拖拽，在无线遥控下行走灵活，在隧道内运行噪声小，避免了施工人员在狭小空间承受噪声危害。

5 结束语

U型斜巷水下隧道的施工是一项综合复杂的多任务处理过程，在保证安全、质量的前提下，尽可能周密布置施工任务，同时要针对其特殊的施工环境开展技术创新，以提高工效。可伸缩式电动龙门架解决了普通龙门架在U型隧道中无法正常施工的难题，提高了工效，并且适用于各种类型的隧道，且具有可拆卸性，一般的双排车即可倒运，因此可在隧道焊接工程中推广应用。