山区斜坡段天然气管道施工工法.docx
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山区斜坡段天然气管道施工工法
山区斜坡段天然气管道施工工法
山西省工业设备安装公司
主要完成人：
王瑛、姚宁、谭俊杰
二0一0年十二月十五日
山区斜坡段天然气管道施工工法
山西省工业设备安装公司
王瑛、姚宁、谭俊杰
1、前言：
西气东输管道工程是国家实施西部大开发战略的标志性重点工程，也是我国前所未有的大口径、大壁厚、高压力的长距离输气管道工程。
我们公司所承建的临汾-候马天然气管道工程第三标段，此工程位于晋南盆地的冲积平原上，地势相对平缓,土壤呈季节性冻土，受水流切割，部分地段形成了黄土塬、梁、峁地貌，局部冲沟深度较大，造成地形起伏较大，管道轴线地面最大高程为602.880m，最低高程为395.690m。
在大地构造上该区属纵贯山西隆起带中部的“汾河地堑”。
同时，生态环境脆弱，管道施工过程中的环境保护意义重大。
结合现有山区管道施工的方法，采用水平段组对机械，在斜坡段难以保证管线顺直度。
通常水平段施工时，设备能进入的地段，对口采用气动式内对口器与吊管机配合；设备无法进入的地段，采用机械式内对口器或外对口器与三脚架配合管口组对。
下坡段坡面长而陡，吊管机不能直接行走，山坡上多危石，施工困难。
使用吊管机配合组装，由于爆破施工和机械振动，不能排除坡体崩塌的危险；同时由于管径大，钢管自重大的原因，对吊管机性能有很高的要求。
因此，在山区斜坡段天然气管道施工中，需要寻找另外途径来解决管道组对的顺直度。
2、工法特点：
（1）采用气囊顶举法；
（2）采用钢制契形支撑稳固爬行设备；
（3）单斗辅助爬行设备在斜坡上行走、轻便型沙罐的应用；
（4）选管编号、对号入座；
3、使用范围：
适用于山区斜坡段管道的埋地沟下组焊或半埋地沟下组焊，主要用于坡度在30°以内的斜坡管道施工。
4、工艺原理：
山区施工，管线大多沿山顶的山梁敷设，纵向波状起伏，横向蜿蜒曲折。
山顶覆土层较薄，多为典型石质山地，岩石裸露，坡面长而陡。
由于地势连绵起伏，空间狭窄，难以展开大机组流水作业。
在施工技术上，以沟下作业台班为主，采取化整为零的方式，实行分解式流水作业，进行连续的沟下组焊，减少后期的连头施工量；采用气囊顶举法、钢制契形支撑稳固爬行设备、单斗辅助爬行设备在斜坡上行走、轻便型沙罐的应用、选管编号、对号入座，从而提高了施工进度和施工质量。
5、施工工艺流程及操作要点：
5.1施工工艺流程
采用机械化流水作业，沟下组焊、连头，施工主要程序如下：
5.2测量放线
对山区斜坡段管道测量放线采取以下措施：
5.2.1坚硬的岩石地段，线路起伏大、纵向转角多、通视性差，设桩困难，正常的测量放线工作无法进行，此时采取加密测量点的方法进行测量，用红油漆在岩石表面作标记，设立参照物并用红油漆标示。
5.2.2针对山区斜坡段管道纵向转角多，采用冷弯管处理时，在起始点设桩，并在曲线上设加密桩，间隔不大于10m；曲线的起始点和中点注明曲线半径、角度、切线长和外矢距，由于设桩困难，测量放线过程中要做好详细的施工记录，为后续施工提供更好的依据。
5.2.3测量放线同时放出作业带边界线和管沟中心线，用断续的红油漆沿线在岩石上或树木上作明确标记；特别是作业带内需爆破削方的斜坡段和上下坡坡脚处进行详细测量记录。
5.3施工作业带清理
山地多以岩石为主，表层覆土较薄，地表植被稀少，且多为稀落的低矮灌木，施工作业带开拓时，在满足施工需要的前提下要尽量减少对原始地貌的改变，少损坏植被，作业带内植物能移植的尽量移植，减小管道敷设后固土植物的再植量，最大限度地保护环境。
局部凹凸不平的小坡脊和孤石，由于推土机无法通行，采用爆破方式或岩石开凿机粉碎突出的坡背和块石，再用单斗清扫，机械平整、压实，形成较为平坦的路面，满足设备行走的需要；拓宽作业带处用块石或袋装土堆砌，以保证作业带稳固，挖方处清除易松动滑落的孤石或土石方，以保障人员、设备的安全。
5.4管沟开挖
根据现场地形条件，山区斜坡地质多为裸露基岩或有较薄风化覆盖层；多数地段施工作业面狭窄，开挖出的土石方无处堆放，因而，管沟开挖应与施工作业带的开拓紧密结合，特别是在纵坡和狭窄的山脊段管沟，管沟开挖与作业带开拓同步进行，开挖的土石方直接用于作业带的填筑，以增加施工作业带宽度，从而减小爆破工作量，减轻对原有地貌的破坏程度。
现就该段管沟开挖的方法进行叙述。
5.4.1管沟开挖
1对于坚硬的基岩，主要采取爆破粉碎后，配以岩石挖掘机或人工清理的方式进行；
2表层有覆土层或粉碎性风化岩地段，先剥削表层覆盖物，再进行爆破；
3对破碎性块状岩石，根据实际情况可采用凿岩机粉碎、人工配合机械清除。
4根据具体地形条件，在平整后的施工作业带上，按照放线标识逐段、分层爆破，循序渐进。
5坡度陡峭，坡体不稳定的斜坡地段，特别是下坡段，在管沟开挖时严格控制用药量，采取小药量松动爆破的方式，分多层揭离，爆破后的碎石用人工进行清理，防止引发滑坡和岩堆崩塌。
6由于作业带开拓的空间有限，无论采取哪种开挖方式，开挖出的土石方均不宜直接在管沟两侧堆放，同时考虑回填取土及地貌恢复等后继工序，采取以下措施：
机械设备可以顺作业带行走配合施工，开挖出的土石方平摊在施工作业带上，作为作业带降坡填方；作业带两侧横向坡度较大时，在堆坡底部要先用块石或袋装土堆砌成稳定基础；
5.4.2管沟复测
1石方段管沟开挖深度要比设计深度超挖200mm，沟底宽度1.9m，最陡边坡比不小于1：
0.1；沟下对口处管沟每侧加宽0.5m，底部加深0.5m，以便组装焊接；
2开挖成型的管沟要顺直，无突出的尖石棱角，按照设计和规范要求进行复测，主要控制沟深和弯管（弯头）处管沟角度和深度：
1）距离和转角测量：
测量相邻两个转角（包括水平转角、竖向转角和叠加转角）的实际角度和之间距离，便于布管及后继工序下料；
2）沟底测量：
首先测出两桩位的准确管沟高程是否符合图纸要求，然后从一个桩开始，用粉线测量沟底的平直度和倾角；纵向变坡点处管沟挖深测量要特别注意消除外矢距产生的埋深影响，保证每个折点的埋深均符合设计图纸要求。
5.4.3细土垫层
由于采取沟下组装的施工方案，管沟已提前开挖报验完成，在布管前，先在管沟垫200mm细土层，细土粒径不超过10mm；管沟纵向坡度较大时，散土无法固定，细土垫层采取编织袋或草袋装袋后，由下而上分层交叉堆码回填，有空隙的地方再用散土填充。
根据现场情况，底部垫层细土采取外运细土或就地粉碎开挖石方的方式获得。
5.5管道布管及组焊措施
在山区沿纵坡地段的管道施工十分困难，主要受自然环境条件的制约，施工设备机具难以到达现场，给运管、吊管、组焊和防腐补口等各工序施工带来困难。
因此在施工中不能急于求成，要按施工程序文件指导生产，逐段逐工序的去完成。
5.5.1布管
管道沿山梁纵坡地段施工采用沟下组装，布管要布到管沟内；石方管沟布管时，用编织袋装土作管墩，管墩高度根据实际地形需要设置；两侧沟壁放置装有稻糠的草袋等垫层，防止沟壁碰伤防腐层；
在布管时，直接用吊管机沿施工作业带布管，为防止管子产生滑移，采取把管子下坡端用袋装土垫高的措施，减小管子因自重而产生的下滑力；
测量人员在管沟开挖完成后，将管沟实测成果递交给施工队一份；施工队按实测成果选配钢管、弯管等，以减少现场工作量。
钢管选配完、弯管预制完成后，现场作业台班应根据测量技术交底，复核测量成果及预制成果，准确无误后方可布管施工。
布管前，测量工或起重工，要根据预制成果表，将每根钢管、弯管或弯头，按编号和测量标识依次放入管沟，对号入座。
5.5.2组装焊接
管道组装可用吊管机、钢制契形支撑稳固爬行设备、气囊顶举法配合组装，焊接采用设计文件要求工艺进行焊接。
下坡段坡面长而陡，吊管机不能直接行走，山坡上多危石，施工困难。
因此，若采取爆破方式开拓“之”字形便道的方式，使用吊管机配合组装，由于爆破施工和机械振动，不能排除坡体崩塌的危险；同时由于管径大，钢管自重大的原因，对吊管机性能有很高的要求。
采用气囊顶举法配合吊管机施工，从而降低吊管机性能要求和施工的危险性。
依据现场踏勘，采取切实可行的方式在作业带内施工，吊管机及自行电站在作业带内行走，同时采用单斗进行辅助作为行走时的牵引，以防止爬行设备在坡面上滑动及倾翻，当其停在组对位置时，采用钢制契形支撑分别置于吊管机两侧履带的下面，并用袋装土堆积在履带下面起到作业平台的功效，采用气囊顶举法配合管段组对，以减小吊管机的受力，并起到保护防腐层与沟壁的碰撞。
具体做法如下：
1采用气囊顶举法
山区大型管道施工，由于作业面狭小，大型设备无法自如发挥作用，调整管线高低是管线组对难点；气囊顶举法能有效解决山区组对困难，大大提高工作效率，其工作原理：
管道下垫设气囊，通过进气控制阀控制气囊的进气量，以及通过气囊排气阀控制气囊气体排出量，举升或降低管道高度，从而达到管线组对所需要的理想高度；示意图如下：
气囊顶举法原理图
2钢制契形支撑稳固爬行设备
吊管机及自行电站在作业带内行走，以防止爬行设备在坡面上滑动及倾翻，当其停在组对位置时，采用钢制契形支撑分别置于吊管机两侧履带的下面，并用袋装土堆积在履带下面起到作业平台的功效；
3单斗辅助爬行设备在斜坡上行走
布管是山区施工的难点，对于坡度较陡地段一般炮车无法完成布管施工，施工过程中采用单斗辅助爬行设备进行布管作业，布管过程中采取防腐层保护措施，确保防腐层不受损伤；其次，自行电站通过采用单斗进行辅助作为行走时的牵引，以防止爬行设备在坡面上滑动及倾翻；
4选管编号、对号入座
测量人员在管沟开挖完成后，及时对管沟进行实测，根据测成果选配钢管、弯管等。
布管前，测量工或起重工，要根据预制成果表，将每根钢管、弯管或弯头，按编号和测量标识依次放入管沟，对号入座。
5.6补口、补伤
管道防腐补口是一项重要施工工序，山区所需解决的是当坡度太陡时，空气压缩机和喷砂罐无法运至作业现场的问题，而采用轻便型砂罐有效解决该问题，具体做法如下：
5.6.1制作轻型喷砂罐：
将喷砂罐制作成便携式，重约25kg，这样就能保证人能轻松地将其背至工作地点。
5.6.2将空气压缩机置于山顶或山底，采用加长送风管，直接将空压机产生的压缩空气引至管口处进行喷砂作业。
如下图示：
5.7斜坡段管沟的防冲刷保护
山区斜坡段（上、下坡段）由于管沟爆破后回填为筛选后的细沙土及部分碎石，整个管沟易形成冲刷地域，当雨水过大时，洪水顺坡而下，会将管沟内的填方全部冲走，危害管道的安全，所以斜坡段管道在防腐补口完成后要及时回填，不能立即回填的管段，在管沟内用袋装土堆砌在管道上，压住管子形成截水墙，防止施工过程中雨水的汇流冲刷。
5.8管沟回填
石方管沟，根据规范要求，石方管沟在回填时细土应回填至管顶上方300mm，细土最大粒径不超过10mm；然后再回填原土石方，石头的最大粒径不超过250mm。
回填细土采取就近拉运筛选和就地粉碎石方两种方式获得；外运细土要与当地政府部门进行协商确定取土地点，并根据其要求进行挖方，利用人工或机械运至管沟内，采用袋装细土包裹管段至管顶300mm再原土回填，并在管道回填后立即按设计要求进行水工保护施工。
5.9水工保护及地貌恢复
施工完成后，进行施工段现场清理，采用设计规定的管沟内、外的水工保护方式恢复，达到当地环保要求。
草袋素土挡土墙
堡坎砌筑
6、主要施工机具设备：
序号
设备名称
规格型号
数量
用途
1
全站仪
1台
现场测量
2
便携式激光测距仪
PTS-Ⅲ
1台
现场测量
3
挖掘机
1.2m3
1台
修筑施工便道、管沟开挖
4
吊管机
25t
1台
布管、导管
5
外对口器
1台
对口
6
吊管机
40t
1台
对口
7
环行火焰加热器
1台
管口焊道预热
8
烤把
10套
焊前焊道预热
9
液化气罐
15kg
40只
气源（组对、焊接、防腐）
10
移动式焊接电源
100KW
1台
焊接电源
11
移动式焊接电源
64KW
3台
焊接电源
12
打底焊机
STT-Ⅱ
2台
打底
13
半自动焊机
DC-400
6台
焊接
14
移动焊材库
自制
1台
现场焊材存放
15
挡风棚
3m×3m
8台
挡风
16
碳弧气刨
1台
返修用
17
温度计
TES1360
2台
测温度
18
湿度计
TES1360
2台
测湿度
19
风速仪
AVM-05
2台
测风速
20
红外线测温仪
AZ8886
2台
预热测温
21
雷达地障探测仪
RD400PXL-2/PDL-2
1台
地下障碍探测
22
活动临时盲板
自制
2台
封堵管口
23
压风机
1.6MPa/1.5m3
1台
喷沙除锈气源
24
潜水泵
2″/4″
1/1台
排水
25
凿岩机
配液压头
6台
石方开凿
26
压风机
0.6Mpa/3m3
6台
石方开凿
27
潜孔钻
KQD-80
4台
打炮眼
28
风岩挖掘机
T-180-C
1台
管沟成型
29
车载喷砂设备
3套
除锈
30
火花检漏仪
1台
检漏
31
液化气罐
15kg
20只
气源
32
测厚仪
2只
测厚
33
气囊
4个
组对、防腐检漏
34
挡土板
10个
保护沟下作业人员
35
双排货车
1台
载砂、防腐料
36
高频对讲机
KENWOOD
6台
现场联络
37
客车
37座
1台
接送职工
38
指挥车
1台
施工联络
7、质量控制：
《西气东输管道工程线路施工及验收规范》Q/SYXQ1-2002
《西气东输管道工程焊接施工及验收规范》Q/SYXQ4-2002
《西气东输管道工程现场管道防腐补口补伤施工及验收规范》Q/SYXQ5-2002
8、安全技术措施：
1、建立安全管理机制，加强现场文明施工。
2、施工时由起重工、机械手、测量工、质量员、安全监督员、警戒人员、清理人员共同配合完成，且由专人指挥；
3、在作业带两侧设置警戒线；
4、进入施工现场的施工人员及其他人员劳保配戴齐全。
5、堆放管子的场地要平整，要用楔子挤住外侧管子，防止滚动伤人，管垛堆放不得超过3m，主管最多2层；
6、开挖管沟时先进行管沟开挖试验，以免发生塌方事故；
7、布管之前，将作业带用单斗整平、压实，严格检查吊带安全情况；
8、布管地点起伏不平或有斜坡时，必须采取措施，防止管材滚动、滑动。
9、布管选用的设备机具适用于现场作业，且能保证使用安全、可靠。
10、清管及对口时，使用的手持电动工具要绝缘良好，且应接漏电保护器。
11、组对焊接时，在沟下施工处设置挡土板，以防止山体落石砸伤沟下施工人员；
12、工作结束后，检查施工设备和操作地点，确认无起火危险后方可离去。
9、节能环保措施：
9.1现场材料、半成品、各种机械设备摆放整齐合理，规范化。
露天堆放的材料应遮盖。
9.2施工现场场地平整无杂物，每天施工结束后清理施工现场，做到“工完料净场地清”。
9.3生活设施完备，施工现场排水畅通，清洁卫生，食堂消毒设备和冷冻设备齐全，炊管人员身体健康，衣着整洁。
9.4施工作业带清理时、平整应遵循保护农田、果林、植被及配套设施，减少或防止产生水土流失的原则。
9.5尽量减少农田、果树、林木地段的占地，应对农田、果园、林木地段注意保护。
10、效益分析：
本工法采用气囊顶举法配合施工，钢制契形支撑稳固爬行设备，单斗辅助设备在斜坡上行走，应用轻便型沙罐，选管编号并对号入座，节省了现场劳动力，减轻了设备的负荷，充分利用了施工机具，避免了在斜坡段坡顶修建塔架及在作业带内修建作业平台，从而节约了投资，保证了工程质量。
10.1经济效益
在临汾-候马天然气管道工程三标段中，管道自北向南经襄汾、曲沃止于候马。
三标段桩号LH111至LH158，长度约29.42km，钢管直径为610.0mm，设计输送压力4.0MPa，管线穿越G108国道、同蒲铁路线、晋侯高速，施工难度较大。
其中LH112—LH113间、LH125—LH126间、LH130—LH131间、LH133—LH134间、LH147—LH148间、LH150—LH151间、LH154—LH155间斜坡段，均采用本工法进行管道施工。
LH147—LH148间最长，长度为220.5m，坡度为27度，仅用了5天时间就敷设完成，经检验一次达到设计的质量要求。
按照传统施工方法，桩号LH147—LH148间施工工期为11天，需大型机械四台。
两种施工方法相比，缩短工期六天，按照每个工日8000元计算，8000×6=48000元；节约大型机械台班36个，按照2500元/台班计算，节约机械费用2500×36=90000元，合计节省费用138000元。
此标段共计7个斜坡段，总共节约费用325000元，提高工效约37%，提高综合经济效益25%左右。
10.2社会效益
在施工过程中，采用此施工方法，工艺简单，费用低，缩短了施工工期，保证了工程的一次合格率，为山区斜坡天然气管道施工提供了范例，提高了我公司在天然气管道施工上的知名度，得到了业主的一致好评，取得了良好的社会效益。
11、工程实例：
2009年临汾-侯马天然气管道工程
2010年侯马-翼城天然气管道工程
2010年临猗-永济天然气管道工程
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