下穿液化厂管线输气管道顶管穿越施工分析

赵新辉

(中铁十八局集团建筑安装工程有限公司，天津 300308)

0 引言

输气管道的里程比较长，在具体施工中经常遇到下穿既有建筑和既有管线的问题，因此需要施工单位结合现场实际情况，选择合适的施工技术。常用的方法有两种，一种是在既有管线下方或者上方进行明挖，让新建管线和既有管线在不同的高程上穿过，以免交叉碰撞。另一种是采取顶管穿越施工技术，利用掘进机在设计的工作坑中顶进施工。二者相比，前者需要大挖大填，工程量比较大，而且会影响液化厂的正常运行[1]；而后者则无需考虑这些问题，在地下穿越现有管线，对地面和既有管线不会造成任何干扰，施工效率高，质量比较好，是目前常用的施工技术。

1 案例分析

1.1 工程概述

临长线输气管道工程运城支线项目是《山西省“十三五”综合能源发展规划》“三纵十一横”天然气输气管网的重要组成部分，管径D508，设计压力6.3 MPa,材质L415M,本次建设进、出站2条管线，平行布设，管道间净距0.5 m。运城支线管线经过运城市盐湖区国新能源液化厂北侧围墙外绿化带，距离围墙5 m,与国新能源液化厂进站管道并行约320 m,顶管穿越液化厂北侧2条进出厂道路，在液化厂管道进站处下穿该管道。在国新能源液化厂围墙西北角处施工，会对国新能源35 kV电缆井及电缆造成影响。本标段起点山西省运城市万荣县，桩号YC140，终点山西省运城市盐湖区，桩号YC305，管线全长41 km。工程内容包括：D508高压管道安装41 km,顶管穿越垣孙高速110 m，阴极保护1项，水工保护构筑物573处，三桩埋设820个，地貌恢复41 km，开挖穿越县、乡级道路14次，其他道路38次，线路通讯光缆敷设，阴极保护施工，新建一座2#阀室。

1.2 施工重难点分析

液化厂进站管线设计压力4.0 MPa,管顶埋深1.7 m(地面标示数据，实际施工时以雷达探测数据为准)，交叉处为南北走向；运城支线管道管顶埋深2.4 m,东西走向，两条管道交叉角度90°，净距500 mm。如何在顶管施工中避免液化厂进站管线和运城支线管道相互干扰是本工程施工的重难点之一。

运城支线在国新能源液化厂围墙西北角施工时，会影响到国新能源35 kV电缆及电缆井，存在安全风险。国新35 kV电缆埋深1 m,运城支线管道管顶埋深2.4 m。如何在顶管施工中不破坏既有的深埋电缆是本工程施工的重难点之一。

运城支线在国新能源液化厂北侧围墙外绿化带内敷设，距围墙5 m, 需顶管穿越国新能源液化厂北侧进出厂道路及装车站进出厂道路，顶管采用DPRⅢ 1 000 mm×2 000 mm钢承口套管，套管顶距路面1.8 m。国新能源液化厂北侧进出厂道路宽42 m,顶管长度44 m,装车站进出厂道路宽32 m,顶管长度38 m(见图1)。如何在顶管施工中避免顶管和既有管线的交叉碰撞也是施工的重难点之一。

图1 平面示意图

2 输气管道工程顶管穿越施工技术的应用要点

2.1 测量放线

在应用输气管道工程顶管穿越施工技术前，需要结合现场实际情况，利用高精度经纬仪和全站仪对施工现场放线测量。根据施工图纸的要求确定输气管道的中心线位置，并进行精确测量。确定输气管道工程顶管穿越施工的具体位置、桩号、标高等，为后期施工提供必要参考和指导[2]。

2.2 开挖工作坑

测量放线完成后着手进行顶管工作坑开挖，案例工程施工中，顶管工作坑到既有液化厂管线的距离比较近，需要提前确定好既有管线的具体位置。靠近液化厂既有管线的一侧，要采取人工开挖的方法，开挖深度控制在2 m左右。顶管工作坑的规格尺寸为4 m×3 m×3 m，人工辅助挖掘设备开挖到设计标高。在整个开挖过程中邀请液化厂管理人员进行现场监督，以免破坏液化厂的管线和其他既有构筑物。

在顶管工作坑的前后两侧搭设两排钢板桩，要以密排为主，同时在钢板桩上下各横排上焊接两道钢梁，将钢板桩连接成一个整体[3]。靠近液化厂管线的一侧，要布设双排钢板桩，每个顶管工作坑共布设56根钢轨，每根长度控制在6 m左右。并在双排钢板桩后侧宽约1.5 m、深度和坑底同标高的范围内需要夯填上2∶8的灰土，进一步提升顶管的反作用力。

在具体施工中，为避免在顶管施工中发生设备和管体下沉问题，当顶管工作坑进行加固和平整处理后，在基坑内部铺垫上厚度不小于100 mm的碎石，再浇筑上厚度不小于200 mm的C10混凝土作为垫层。套管顶进位置下方按照套管大小和钢轨的高度，浇筑成凹槽，以保证套管能够稳定落在导轨上，并在垫层内部提前埋设钢钉，为后期设备安装提供良好的条件。

2.3 顶管顶进

在测量放线时，根据施工图纸标注的地域，施工技术人员与国新能源液化厂相关技术、管理人员联系，请有关人员到现场指明准确的地点，并与国新能源液化厂达成共识，确定最终输气管道的穿越方案。技术及测量人员共同到穿越地点进行现场核对确认，并明确标记。具体的顶进施工断面示意图如图2所示。

图2 顶进施工断面示意图

第一节顶管由16 t吊车吊运到提前布设好的导轨上，并用高精度水准仪对顶管的水平位置进行检验，保证各项标准都能达到设计要求。然后施工人员进入顶管工作坑中进行挖土，及时运走挖出的渣土。本工程采取人力小滑轮推车进行运土。顶管前端挖进30～50 cm后，立即启动顶镐进行持续顶进。每顶进40～50 cm检测一次中心和高程[4]。在顶管施工中开挖孔径的大小不应超过顶管外径1 cm，将提前准备好的过渡木衬垫对准就位，同时添加橡胶密封圈后再入另一节顶管。在整个顶管顶进过程中，要及时检查和纠正管道的轴线方向，同时严格按照土压调整顶进速度。完成一节顶管顶进施工后重复上述步骤，循环顶进，直到达到设计位置后开挖对面管沟，完成顶进施工任务，拆除顶进设备。本工程输气管道工程顶管穿越施工现场如图3所示。

图3 输气管道工程顶管穿越施工现场

顶进施工是输气管道工程顶管穿越施工的关键工序，为保证施工质量，案例工程在正式顶进前，先进行了试顶操作，严格控制试顶力。试顶力通常为顶管自重的0.8～1.2倍，启动顶进设备时，要控制好顶进力，不宜超过此数值[5]。要采用顶镐逐步加压，每升压一次要稳定3～5 min后再进行升压。在整个试顶进操作中，应有专人对设备和层向轨道、后背墙、管体等进行全面检查。如果一切正常，则继续顶进。如果存在参数异常、后背墙位移破坏等，要及时停止顶进，待所有问题都处理好后再继续顶进，以保证顶进施工的安全性。在开始空顶时必须严格控制好顶进的方向，以免偏离中心过大，增大纠偏的难度，保证刃脚吃土后完成空顶操作。

在进行穿越施工前，邀请国新能源液化厂相应技术及管理人员用雷达等仪器共同确认管线交叉穿越的详细位置，并由专人督管，开挖探坑，确定国新能源液化厂进站管线位置、走向及埋深等数据，以便后续施工。下穿燃气管道时，要保证在此处整管穿越，焊口距离交叉点至少5 m以上。对于施工区内的已建管线，禁止施工设备及车辆在其上方碾压。必须在管线上方通过时，需在已建管线两侧修筑土墙或铺垫枕木，并在上方搭设枕木排或钢管排，并铺盖0.5 m土层后才可通过。具体的施工工序如图4所示。

图4 施工工序

在整个顶进过程中要做到不间断顶进，在保证行车安全的基础上，最大限度缩短施工工期，保证机械设备都能正常运转。在顶管吊运中应有专人指挥，重车通过时要及时停止作业。并且在顶进时，顶铁上方严禁站人，以免顶铁崩起伤人，边顶进，边对中心线和水平角度进行观测，以免发生较大的偏移[6]。同时用鼓风机对管道内部进行通风，以保证管道内部空气能够形成对流。采用吊车将预制好的管道穿入套管内，用沥青麻丝防水砂浆密封水泥套管，回填顶管工作坑，并将地貌恢复原状。

为解决止水圈漏水和挖掘面平衡性难以开展的问题，在案例工程施工中采取了如下控制方法和措施：一是当掘进机停止工作时务必做好防止泥水流失措施，用洞口止水圈防止漏水，防止泥水从洞口、土层等地方流失，造成挖掘面失稳；二是在掘进中随时关注地下水压力、泥水仓水压力的变化，并及时采取措施对策，保持挖掘面稳定平衡。

2.4 阴极保护

下穿液化厂管线的输气管道工程顶管穿越施工技术，对阴极保护质量有严格要求，也是保证既有液化厂管线安全的主要举措。在案例工程施工中，阴极保护过程如图5所示。

图5 阴极保护过程

在正式施工前由专业人员对照图纸审核，掌控埋设的具体位置及安装方法，并做好设备机具和原材料的验收及准备工作[7]。

在阴极保护测试桩正式安装前采用GPS和全站仪相互配合，确认每根阴极保护测试桩的安装位置，并进行标记。本工程阴极保护测试桩埋设位置到管道中心之间的距离控制在1.5 m左右，挖出埋设基坑，但不能破坏管道防腐层。测试桩电缆和管道之间通过铝热焊连接成一个整体。本工程铝热焊模具如图6所示。

1-输油管道；2-带锁扣和把手的外罩；3、4-半压印铁板；5-盖子；6-磁性底座；7-盖上的引燃孔；8-燃烧室；9-铝热剂；10-膜片；11-铸口；12-形成腔；13-阴极防护出线。图6 铝热焊模具(单位：mm)

为监测电化学保护参数，需在测试桩位置安装硫酸铜参比电极，在管道底部水平面上安装电极，与管道侧表面的距离10 cm左右。将硫酸铜参比电极和测试电缆引入测试桩内，保留足够的电力余量，并将接线板柱和电缆连接为一体，测试桩放在水泥基墩上，确保测试桩竖直，并用虚土分层压实到设计标高[8]。本工程测试桩安装示意图如图7所示。

图7 测试桩安装示意图

临时阴极保护附着在绞盘上，确保阳极绞盘的外保护套完好，并运输到施工现场。在敷设长阳极前需先完成设计长度的阳极安装，并检查阳极表面状况，保证外皮光滑平整、无气泡裂缝。电缆敷设机沿地沟平行移动，与地沟边缘距离不小于地沟深度，阳极地线从绞盘上自动下滑，需平直铺敷[9]。阳极地线的铺设要确保其不能触碰到石油管道或其他建筑物，且不得损伤导线和阳极。阳极和石油管道之间的距离最小不低于30 cm，并用10 cm左右细土覆盖。

输气管道与其他管道交叉时，其垂直净距至少0.3 m，在交叉点两侧各延伸10 m以上的管段，采用最高绝缘等级。

输气管道与通讯、电力电缆交叉时，其垂直净距至少0.5 m。交叉点两侧各延伸10 m以上的管段，采用最高绝缘等级。

3 施工效果分析

在临长线输气管道工程下穿液化厂管线施工中采取了顶管穿越技术，取得了良好效果，主要体现在以下几个方面：

1)采用顶管穿越施工技术，合理设置中间隔离保护措施,管道下沟后采用人工回填20 cm并夯实，接着人工回填至国新液化厂管道上方50 cm并分层夯实，有效降低了对既有液化厂管线造成的扰动和影响，施工安全系数相比开挖等传统方式提高了0.2，有力保证了施工的安全性。

2)对顶管穿越施工全过程进行有效控制，不仅顺利完成了施工任务，而且大幅度提升了施工效果，相比传统开挖铺设施工，在施工成本和时间上分别节约了8.3%和45 h，经济效果显著。

3)自中标日起，立即调动人员、车辆、机械、设备进场，主要施工队伍、施工机械设备做到“三快”，即进场快、施工准备快、开工快，管理人员2 d内就位，施工人员3 d内到现场，自行设备及急需设备4 d内到工地，生活及生产设施原则上5 d内全部完成，积极创造条件，为全面开工做好各项准备，按期完成了施工任务，取得了良好效果。

经综合分析，表明此项技术在临长线输气管道工程下穿液化厂管线施工中应用效果比较好，值得在类似工程中大力推广应用，不仅能有效缩短工期，保证安全，还可以合理利用施工机具，大大提高施工效率，节约成本。

4 结语

综上所述，下穿液化厂管线的输气管道工程顶管穿越施工技术在施工效率和速度方面具有明显优势，和传统明挖铺设施工技术相比，顶管穿越施工技术，既能有效保证输气管道工程顺利完成，又无需改变既有设计线路，对液化厂管线造成的影响比较小，非常契合现代化输气管道工程施工的要求。同时对周围环境、地面交通等造成的影响比较小，可在输气管道工程中推广应用。