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1、大型河流穿越隧道内大口径管道施工技术中国石油天然气管道局第一工程分公司2010年11月16日目录摘要11前言12工艺理论12.1工艺流程22.2施工准备22.3 变压器容量22.4隧道照明系统32.4隧道通信、监控系统32.7隧道内通风42.8排水系统62.3卷扬机安全校核72.4轻轨铺设82.3运管车制作102.4轻轨法运布管122.5管道的组对焊接122.6管道的补口和支墩浇筑133安全措施134 总结155 参考文献1516大型河流穿越隧道内大口径管道施工技术祁香文 杜江 范永明 许铁恒（中国石油天然气管道局第一工程分公司， 河北廊坊 065000）摘要：隧道穿越是长输管道施工过程中的关
2、键工程。自身较重的大口径管道，在穿越大型河流隧道时，会遇到隧道两端斜向角度大、距离长、作业空间狭小等重重困难。大型、重型的常用施工机械设备在隧道施工过程中无法正常使用，而且隧道内长输管道施工过程中会用到电力、机械、通风、排水等多领域交叉的技术知识，合理组织施工是安全、顺利完成隧道内的运布管、管道组焊和附属设施的安装的关键。本文以陕京三线黄河隧道管道施工为例，对大型河流穿越隧道内大口径管道施工进行总结。关键词 隧道穿越；斜向隧道施工；轻轨法运管；施工方法1前言第八堡黄河隧道位于陕晋交界，是陕京三线的咽喉工程，西起陕西省榆林市佳县通镇下云石峁村，东至山西吕梁市临县第八堡乡第八堡村。如图1所示，西岸
3、斜井长度为465m，倾角为28，东岸斜巷长度为409 m，倾角为25，平巷长度为644m，坡度为0.3，隧道总长度为1518m。隧道断面采直墙半圆拱形，净宽为3m，墙高为1.7m，拱高 1.3m。隧道内管道采用三层PE加强级防腐，管壁厚为26.2mm，设计压力10MPa。隧道内管道架设在管墩上，间距为20m，共75个支墩；在斜巷进出口处、斜巷中部分别设锚固墩，共4个1。图1 黄河隧道纵面图2工艺理论黄河隧道穿越施工的特点为，隧道呈倒梯形2,3、隧道内空间小、距离长、斜向部分坡度大。本次施工采用轻轨运管法和龙门架吊装组焊法，并对施工工序进行合理的统筹计划，结合现场施工情况，进行倒梯形河底隧道管道
4、安装施工。2.1工艺流程首先对施工现场进行区域划分和隧道内管道进行放线，确定卷扬机的位置。浇筑卷扬机基础，达到养护期后安装卷扬机，同时进行隧道内照明、通信等辅助系统安装。制作运管车和龙门架，进行隧道内运布管等施工程序。其工艺流程如图2所示。图2 施工工艺流程图施工前准备卷扬机基础卷扬机安装隧道内辅助设施安装轻轨安装龙门架、运管车制作轻轨法运布管平向龙门架法组焊斜向龙门架法组焊焊口检测防腐补口支墩安装锚固墩安装测试桩安装通球试压轻轨等拆除竣工验收水封。2.2施工准备施工前要对施工环境和施工条件进行全面了解。在施工前应做到以下几点：1）施工图纸齐全，掌握全面的施工技术资料。2）隧道验收时应注意隧道
5、底板是否平整，墩坑是否在一条直线上，水泥的强度是否达到施工要求。3）隧道内往往会渗漏大量的地下水，隧道内排水设施要是否齐全，漏水是否会影响到正常施工。4）修筑施工便道和现场堆管厂，保证管材供应。2.3 变压器容量在管道安装施工前，在变压器容量满足要求的情况下，可以使用隧道施工方的变压器，减少了变压器采购、运输和安装时间。黄河隧道管道安装施工采用隧道施工方使用的变压器，进出口各一台315kVA的变压器，为施工设备提供用电。一般根据用电设备和各设备的电动机功率计算电力负荷。公式4计算如下: (1) (2)式中: Kx为单台设备的需要系数；为单台设备功率因数角的正切值；Ps为单台设备的额定功率，kW
6、；Sjs为单台设备的视在功率，kVA；Ki为环境温度系数，一般为0.951.05，温度越低系数越大；Seb为初选变压器容量，黄河隧道施工初选变压器容量为315kVA；根据黄河隧道施工的用电设备配置表，和用电设备的需要系数和功率因数表可计算的变压器的初选容量 Seb297kVA，满足要求。表1 用电设备配置表序号名称功率数量单位1风机30kW2台2卷扬机25 kW2台3混凝土搅拌机5.5kW2台4电焊机24kW6台5排污水泵20kW5台6空压机10kW1台7照明灯60W160盏表2 用电设备的需要系数和功率因数4序号名称Kxcostan1风机0.70.80.80.752卷扬机0.50.70.80
7、.753混凝土搅拌机0.70.80.80.754电焊机0.40.51.735排污水泵0.70.80.80.756空压机0.70.80.80.757照明灯0.80.9102.4隧道照明系统隧道内的施工照明采用36V低压线路，施工中确保用电安全。照明线路架设在不影响管道施工的一侧。隧道进出口50米范围内，每隔5米设置一个60W照明灯，其余部分每隔10米设置一个60W照明灯。为防止隧道内距离过长，导致照明电压不足，每200米设置一台行灯变压器。在隧道内每隔40米配备一台应急照明灯。在隧道进出口加强照明是隧道照明过度的组成部分人工光过度，其目的是防止施工人员在进出隧道时，人眼对光线明暗的突然变化不适应
8、。2.4隧道通信、监控系统隧道内每隔100米设置一台有线电话，保证隧道内外的通信联系。在卷扬机位置设置一个电铃，在隧道内的斜巷部分每隔5米设置一个开关。在向隧道内运送管材时，人员要跟送，如果遇到运管车掉轨等突发事件，要及时按下电铃开关，停止运管。待将运管车恢复到轨道上后，再继续运管。隧道内采取施工监控措施，在卷扬机工作室内可以看到200m范围的施工区域，便于卷扬机操作手的操作。隧道电路布置如图3所示，洞外各设备的布置如图4所示。黄河隧道图3 电路布置图手段工具加工区乙炔瓶轻轨氧气瓶卷扬卫生间消防区施工现场大门油罐堆管区隧道口库房图4 洞外布置图2.7隧道内通风由于隧道较长，焊接时产生的烟雾较多
9、，在隧道内采取强制通风措施。隧道采用压入式和抽出式混合式通风。进口采用压入式通风机送风，出口采用抽出式通风机抽风。可根据隧道内施工情况确定风机的功率，保证隧道内施工安全。风机的功率计算过程5如下：1）风机风量的计算。按洞内最小风速计算风量Q1=60A （3）其中，A为隧道断面积，m2；为最小风速，m/s。依次，可计算得黄河隧道的Q1=6095=2700m3/s=45 m3/min按洞内最多施工人数计算风量Q2=kqn （4）其中，k为安全系数，k=1.2；q为供给每人的新鲜空气量3m3/min；n为隧道内施工人数。依次，可计算得黄河隧道的Q2=1.2320=72 m3/min按焊接时产生的烟雾
10、量计算Q3=n1m/ （5）其中，n1为焊接人员数；m为1个焊工每分钟产生的烟尘量为300mg/min；为焊机废气的排放浓度4mg/m3。依次，可计算得黄河隧道的Q3=6300/4=450 m3/min取以上风量的最大值Qmax为工作截面所需风量，实际所需风机风量为Qj=pQmax。其中，p为风管漏风系数，取1.79。Qj=1.79450=805.5m3/min2）风机压力的计算。风机的压力等于沿程阻力与局部阻力之和。风管内沿程阻力h1=(L/D) (2/2) （6）其中，为摩擦系数，根据使用经验，取=0.01；L为通风管长，米；D为风管直径，取D=0.6m；为空气密度,取=1.2kg/m3；
11、为风筒内平均流速，取=15m/s。风筒的局部阻力按沿程阻力的5%计算，则总阻力为。可计算黄河隧道风筒的沿程阻力为H=0.01(500/0.6)1.2(152/2)1.05=1181.25Pa3）计算风机的功率。根据风机的压力和风机的风量确定风机的功率为P=HQj/1000。其中，为风机的效率，一般取0.70.85。P=1181.25805.5/60/1000/0.7=22.65kW30 kW，满足安全施工要求。在隧道的入口安装压入式风机，如图5所示，通风筒通入隧道中部；隧道出口安装抽出式风机。风机安装时保持风筒成直线，防止弯折变形。要特别注意风筒防护，避免机械摩擦损失，更要注意隧道内龙门架对风
12、筒的影响，破损的风筒要及时修复。图5 进口风机的安装2.8排水系统隧道穿越经常会遇到地下水脉，隧道内常常会有严重的渗水、漏水现象。隧道内排水是隧道施工的一个难题。 考虑到隧道的纵向高度H和漏水流量VL，选用多台排污泵多级连续排水法，将隧道里的漏水排出。根据排污泵的流量VP和扬程h，选用的排水泵要满足：VpVL （7）nhH （8）其中，为排水泵的效率。由于隧道出口距隧道底部的高差较小，只有173m，可在隧道出口按图6所示布置。黄河隧道的渗水量为17m3/h，因此可由5台20kW的排污泵，多级连续排水进行。排污泵的流量为23.4 m3/h，扬程为110m，效率为80%，可代入公式(7)、(8)进
13、行验算：23.40.8=18.72 m3/h17 m3/h50.8110=440 m173 m，满足排水要求。水泵隧道图6 排水方式示意图2.3卷扬机安全校核黄河隧道在隧道出入口各安装一台额定牵引拉力F为10T，容绳量L为600m的卷扬机。卷扬机使用钢丝绳选用619钢芯钢丝绳，钢丝绳直径为20mm。卷扬机的选用由卷扬机的额定牵引拉力F和容绳量L确定。额定牵引拉力F符合如下关系：Fk1k2Gsin (9)式中：G为单根管材和运管车重量，T；k1为动载荷系数，通常取1.1；k2为安全载荷系数，通常取1.41.6；为斜向隧道的坡度角。黄河隧道使用管材规格为101626.2mm，经计算每根管材自重7.
14、8T，与自制运管车共重不大于10T。据此计算卷扬机的额定牵引力F应满足：F1.11.610sin281.11.6100.47=8.272(T) 因此，取卷扬机的额定牵引力为10T。卷扬机的滚筒直径D与钢丝绳直径d比不小于30，即D/d306 (10)并且卷扬机的容绳量L满足：LL1+ L2+ L3 (11)式中：L1为隧道斜向长度；L2为卷扬机到隧道口的距离；L3为卷扬机上钢丝绳的余存量。黄河隧道所选用卷扬机的容绳量为600m，滚筒直径为600mm，使用钢丝绳的直径为20mm，经核算满足公式(10)的要求。黄河隧道斜向最长为465m，隧道口到卷扬机的距离为50m，一般卷扬机上钢丝绳要余留3圈6
15、，约长度为6m。经公式(11)核算，满足使用要求。卷扬机牵引用钢丝绳一般选用钢芯619钢丝绳。根据强度要求，钢丝绳应满足如下条件：FQ/9.8(N/kg) (12)Q=P7 (13)式中：F为卷扬机的额定牵引拉力，T；Q为钢丝绳的破断拉力，kN；为钢丝捻制不均折减系数， 对619绳，=0.85；P为钢丝绳规格表中提供的钢丝破断拉力的总和, kN；查GB/T8918-1996钢丝绳得619钢丝破断拉力的总和P为302kN。经校核计算，得钢丝绳的破断拉力为256.7kN，即26.2T10T，符合使用要求。2.4轻轨铺设轻轨铺设前，对隧道内底板进行检查，往往会出现底板不平的现象。在隧道内底板高差小于
16、100mm的情况下，可以尽情轻轨铺设。隧道内底板不平整的情况下，可以采取如下措施进行处理：1）地板凹进去的地方。在固定地脚螺栓处，深挖基坑，用木块垫平，然后在上面铺上铁板，用膨胀螺栓将铁板固定，之后在铁板上进行固定铁轨的施工。底板局部强度达不到要求，膨胀螺栓固定不牢时，也可以采用此方法固定。2）底板凸出的地方。对于面积较小的凸出部分直接用钢钎将该部分凿平。对于底板大面积出现高差的部分，采用氧气乙炔焰烤热，将铁轨热煨成相应的弧形角度的方法，保证铁轨两侧基本持平。隧道内的枕木采用宽100mm的槽钢，槽钢枕木间距为1.5m，固定方式采用膨胀螺栓固定。两轨之间用50mm角钢焊接固定，使得两轨的间距固定
17、。铺设示意图如图7所示。图7轻轨铺设示意图轨道在隧道转角位置要圆弧过渡，轨道圆弧的曲率半径R50m，轨道的起弧弯制点选在与转角距离为12m的位置。轨道的圆弧弯制采用氧气乙炔焰局部加热，然后用50t千斤顶进行煨制。轨道支护用槽钢制作的支架进行支护，并对转角区段采取稳固措施，确保转角处运管车在轨道上运行稳定可靠。如图8所示为轻轨在转角处铺设图。图8轻轨转角处铺设运管小车运行时，管材底部与钢轨之间的距离为H=400mm，现对运管车在转角处运行情况，进行计算分析如下：a）b）单根管材单根管材图9转角处运管车运行示意图a）洞口处转角 b）底部处转角1）运管车经过洞口转角时，进行计算校核。由图9 a），对
18、隧道洞口弧度轨迹建立方程，得x2+(y-50)2=502 (14)将坐标（1.5，h）代入式（14），求得 h=0.013m=13mm管材底部与钢轨之间的距离Hh，满足运管车运行要求。2）运管车经过隧道底部转角时，进行计算校核。由图9 b），对隧道洞口弧度轨迹建立方程，仍得x2+(y-50)2=502 (14)根据勾股定理，求得a=0.36m将坐标（1.5，a-h）代入式（14），求得 h=0.347m=347mm管材底部与钢轨之间的距离Hh，满足运管车运行要求。2.3运管车制作在运布管之前要自制运管小车。施工过程中，为保障施工安全、流畅，采用将运管小车与组对用龙门架做成一体形式。平向的龙门架
19、小车示意图如图10所示，斜向部分龙门架小车与平向部分类似，只须调整龙门架的角度，使得龙门架在斜向部分仍然垂直向下即可。图10 平巷龙门架设计示意图对龙门架的安全性进行校核计算8。对龙门架的天梁进行受力分析如图6（a）所示。根据每根管材自重7.8T，可知龙门架每根立柱承受1.95T的压力。AD梁受到压缩和弯曲的组合作用，其轴力图与弯矩图如图11（b）、（c）所示，危险截面为B、C和E截面。梁的横截面为环形结构，其抗弯截面系数为WZ=(D3-d3)/32=(1083-1003)/32=25.5103mm3梁的截面积为A=(D2-d2)/4=(1082-1002)/4=1.306103mm2查表得4
20、5#钢材的抗拉强度为600MPa，可认为许用强度=600MPa。对于B、C最大弯曲正应力为bmax=F/A+Mb/WZ=22.06103/1.30610-3+11.63103/25.510-6=477MPa满足要求。对于E最大弯曲正应力为emax=F/A+Mb/WZ=11.03103/1.30610-3+14.49103/25.510-6=578.8MPa满足要求。TT图11梁的内力和应力分析图2.4轻轨法运布管利用卷扬机将运管车运送到平向，然后将运管车与钢丝绳连接的卡环拆开，推运管车到位后，采用龙门架将管材从运管车上卸下布管。管材要有垫木或土袋保护，防止防腐层损坏9。斜向运管要与组对、焊接一
21、起进行。首先，利用卷扬机将管材运送到位，用自制龙门架进行管口组对。焊接完毕后，运管车即可撤出，运送下一根管材。图12为龙门架小车运管。图12 斜巷轻轨法运管2.5管道的组对焊接采用前后两个自制龙门架将布好的管材组对。每道焊口使用两台焊机，放在自制的小推车上，方便电焊机的运送，防止电焊机因地面潮湿连电。图13 黄河隧道斜巷组焊在斜向，管材运送到组对位置后，直接利用龙门架将管材吊起组对10。管材的上下调整利用龙门架进行，前后调整由利用卷扬机的收放完成，左右焊缝使用一个10T千斤顶调整。待管材焊接至达到起落强度后，用50T千斤顶在管口后方小幅度支起，撤出运管车，垫上枕木。然后再进行下一根管材组焊。弯
22、头组焊是隧道内管道安装的难点，也是隧道施工的关键环节。可根据弯头一般长度短、位置固定的特点，将龙门架焊在转角处轨道外侧使用，焊接牢固。运管小车将弯头运送到转角位置后，用之前焊好的龙门架进行吊装组对，焊好后再将龙门架拆除。隧道内锚固法兰的安装，可以先将锚固法兰预制，再用运管车将预制管送下，在隧道斜向内进行组对、焊接。2.6管道的补口和支墩浇筑在隧道内管道焊接完成后，及时进行焊口的检测工作，在确认管道焊口合格后，进行管道补口作业。隧道内管道补口完成后，进行隧道管道支墩的浇筑工作，并及时进行养护，待管道支墩的强度达到要求后，拆除临时支墩，将管道按照设计图纸的要求用不锈钢管卡固定在管道支墩上，最后浇筑
23、管道锚固墩11。图14为黄河隧道斜巷断面图。图14 黄河隧道斜巷断面图3安全措施1)工程开工前，由项目部HSE监督员和机组HSE监督员对所有参与隧道施工的人员进行培训和安全教育。2)开工前，由项目部HSE监督员组织现场紧急情况的应急演练，主要是人员窒息复苏演练、紧急情况逃生演练等，通过演练促进应急措施的落实，同时完善应急方案。3)建立并严格执行隧道进出登记制度12，所有进入隧道施工及参观、检查人员必须经授权许可，并进行登记。参与隧道施工的人员按照规定穿戴好劳动保护用品，包括工作服、工作手套、劳保鞋，并佩带安全帽，所有人员参加班前安全会议，否则不允许进入隧道内施工。4)隧道口预制场地、卷扬机安装
24、场地要压实、平整，做好防止塌方、滑坡的防护工作，并经施工项目部专职HSE监督员组织检查确认后，方可施工。5)隧道施工前，由项目部专职HSE监督员组织施工机组长、机组HSE监督员、技术员等人员对隧道施工用设备包括电焊机、卷扬机、导链、龙门架、吊具、钢丝绳等进行仔细检查，发现缺陷及时进行检修维护，缺陷严重的坚决不能用于工程施工，以确保施工设备正常运行。6)进入隧道施工前，由施工项目部HSE监督员组织有关人员对隧道洞壁、洞顶进行认真检查，对发现的问题采取支护措施后，方可施工。7)在隧道内安装照明、强制通风设施时，要作好临时照明、通风。隧道内施工的同时加强通风措施，并随时检测隧道内氧气及有害烟尘的浓度
25、，发现超出规定要求时，应及时通知施工人员撤离，以确保隧道内施工人员的安全；隧道内的动力及照明线要保证其绝缘良好，动力线安装在洞壁远离施工操作面的地方，以避免触电事故的发生。8) 只要有人进入隧道作业，就必须打开照明设施和强制通风系统。9)洞内作业场地必须平整、规格化，严禁乱堆、乱放物品，施工通道内严禁堆放任何物品，以保证施工人员的进出方便。10)在办公室、卷扬机室和洞内施工作业面上配置步话机，保证隧道两端和隧道内部施工作业面的通讯畅通。11)管线就位前由项目部HSE监督员会同施工机组长、机组HSE监督员、技术员检查龙门吊架、吊具的安装情况，并重点检查吊架焊缝连接处是否有裂纹及开焊，吊架支撑点选
26、择是否合理，无误后方可作业。起吊时，必须统一指挥，步调一致。12)建立完备的人员、设备和安全施工撤离措施，并宣贯到每个施工人员。13)在洞口和洞内施工作业面设立各种标志牌和警示牌，包括进入的危险标志、注意标志和警示标志、有限空间的指示标志、禁止吸烟和及时关掉电源的标志，标志设在视线良好，明显的地方。4 总结1.对于河流隧道穿越，其隧道的结构形式决定了管道的组对焊接只能在隧道内进行，因此必须切实解决好隧道内安全运、布管的问题，这是顺利完成河底隧道施工的关键。2.对隧道穿越施工，应尽量考虑从隧道两边向隧道内布管，这样在铺设轨道时隧道平向的轨道就可以考虑只铺设一半，随着布管工作的进行，运管轨道随时拆
27、除，可以利用拆除的轨道铺设另一半轨道。3.对于在隧道内进行管道组对焊接的施工方法，应采用从中间到两边的施工方式，焊接、检测、补口、支墩安装等各施工工序交叉进行，防止出现施工工序互相妨碍现象。5 参考文献1 黄河隧道穿越施工组织设计.2010：32 韩黎清，张宝林.长输管线大型河流穿越隧道内管道施工技术.管道技术与设备.2005.2：26283 唐兴华，王颖. 油气管道的河流穿越技术进展.煤化工.2009.6：53564 胡春宝，程鲲.厂用变压器的选择和保护定值的计算.电气传动.2004.2：63645 铁路隧道运营通风设计规范.2001.46 龙门架及井架物料提升机安全技术规范.1992.47 钢丝绳的技术参数表.38 许本安.材料力学.1988.9 朱绍平,韩清国等.大口径管道在山体隧道内的运布管技术.2010.858710 张砺. 斜向段隧道内管道安装施工技术.油气田地面工程.2007.6：424311 吴宏 ，李波. 西气东输工程隧道内管道施工新方法.油气储运. 2003,6：47512 黄河隧道施工HSE管理方案.2010：21
