1、中石油集团公司级施工工法（上报稿）工 法 名 称：大口径输气管道黄土塬地段斜井穿越施工工法完成单位名称：中国石油天然气管道局第三工程分公司主要完成人： 尹辉庆 罗顺友 傅爱军 刘小峰 杜增智中国石油天然气管道局科技中心2010年11月目 录第1章 前言1第2章工法特点1第3章 适用范围2第4章 工艺原理2第6章 材料与设备12第7章 质量控制13第8章 安全措施14第9章 环保措施14第10章 效益分析15第11章 应用实例16第1章 前言随着西气东输、陕京二线、兰郑长成品油管道、西气东输二线等一系列管道工程的建设，长输油气管道建设进入了新的建设高潮，而这些管道的建设不可避免地要穿越黄土塬地区
2、，给黄土塬地区的环境保护带来一定困难。而黄土塬这种特殊的地形也增加了管道施工与管道运营管理及维护的难度，这就为长输油气管道工程的设计理论和施工技术提出了新的课题。目前斜井穿越法是管道穿越大中型冲沟、台地、黄土塬地区的有效施工方法，与传统的大开挖方法相比，避免了对环境与植被破坏大、施工土方量多、施工进度缓慢、施工安全隐患大、地貌恢复困难、水土流失对管道运行造成威胁等诸多问题，既方便了施工，也满足了环保的要求。在义马-郑州煤气管道工程和兰-郑-长成品油管道工程中，斜井穿越施工方法得到了有效的运用，也取得了良好的效果，但这些都是应用在小管径管道施工中的。在西气东输二线18标段的施工过程中，中国石油天
3、然气管道局第三工程分公司将斜井穿越方法运用到了大口径输气管道施工建设中，并采用新的“溜管”和回填施工工艺与之结合，使原有的斜井施工方法得到了改进，并经总结形成了大口径输气管道黄土塬斜井穿越施工工法。第2章 工法特点2.1 功能特点2.1.1 大口径输气管道黄土塬斜井穿越工法工艺简单，易于掌握和推广；2.1.2 大口径输气管道黄土塬斜井穿越工法减少了黄土塬陡坡地段的管道运输和布管，减少了管道施工的安全风险。2.2 施工特点2.2.1 施工占地少、利于环保：与大开挖施工相比，斜井穿越施工减少了开挖降坡过程中产生的大量土石方量，施工占地少，而且不破坏环境，保护了黄土塬脆弱的植被，利于环保。2.2.2
4、 施工工期短、施工成本低：斜井穿越施工周期仅用大开挖施工的3/5周期，降低了施工费用，经济性相对较好。2.2.4 管道运行稳定性高：与大开挖施工相比，斜井穿越施工在地下进行，减少了水土流失，增加了管道运行的稳定性。第3章 适用范围3.0.1 适用管径1016mm1219mm管径，其它管径可参照此工艺法；3.0.2 适用于高差8m的黄土陡坡和沟壑地段；3.0.3 斜井角度大于等于20小于等于30。第4章 工艺原理斜井穿越工艺原理是在黄土梁上最大限度不破坏原始地貌的情况下，按照设计坡度和方向，利用黄土的易挖掘性和易成型性，采用人工进行挖掘斜井，完成后，采用“一接一”溜管法进行管道安装就位。斜井穿越
5、采用的关键技术如下：4.0.1 人工开挖斜井技术：利用黄土梁地区土质的易挖掘性和易成型性，按照管线设计坡度和方向，进行人工开挖掘进，开挖过程中须准确控制开挖走向和坡度。4.0.2 管道“一接一”安装就位技术：利用摩擦力和管道自身重力作用，采用卷扬机和滑轮组进行调节控制，直至将安装管道全部牵引进斜井内。4.0.3 斜井回填技术：在主管穿越之前在井内开挖沟槽，用镀锌铁皮制作泥浆溜槽，管道穿越完成后，用搅拌机将泥浆搅拌均匀后，沿泥浆溜槽下滑填满斜井井壁与管道之间的空隙。第5章 施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程测量放线作业带清理施工便道修筑人工开挖斜井硅管管沟和回填沟开挖施工平台修筑硅管套管
6、和回填铁皮敷设管道包裹管道安装就位管道“一接一”焊接安装就位回填水工保护地貌恢复第一段“二接一”管段预制5.2 操作要点5.2.1 测量放线1 复测转角点，测放管道中心线、溜管预制场地及施工便道占地边界线。溜管及预制场地一般都选择在作业带上，且占地尺寸为管道中心线两侧各20m。2 原始地面和斜井两端高程测量，管道中心线确定后，对斜井穿越段进行地面高程测量，以确定斜井坡度和井口位置。3 黄土梁地段斜井测量：对斜井两端高程进行测量，同时还要对台阶之间的接点(埋深最小的台阶底部)进行测量，这些关键点埋深必须满足设计要求。4 作业坑位置确定：作业坑由井口和坡道组成，井口是预制管段连头焊接的地方，斜坡道
7、是斜井、井口和地面之间的连接线，是人员、物料、土方对外输送的通道。位置的选择在保证能进行溜管作业的同时，还应保证周围有足够的场地用于堆放物料和弃土。5.2.2 作业带清理根据测量结果，对预制平台以及井口占地范围内附属物进行清理。5.2.3 施工便道修筑对于施工设备不能直接进入施工现场的地段，应修筑施工便道。1 黄土梁地段：在黄土梁地段施工设备不能直接进入施工现场，需修筑“Z”字型盘山道，“Z”字型盘山道宽度在58m间。2 冲沟地段：在冲沟顶部施工设备一般不能直接进入，可利用附近小型冲沟或山间小道修筑施工便道。5.2.4 作业坑开挖在斜井作业施工前，首先要进行作业坑的开挖。井口的大小为坑底中心线
8、两侧各2.5m，长度也为5m，深度应保证该点的设计埋深；斜坡道宽度应保证手推车的顺利输送，陡度以方便施工为宜。为了加快施工进度，该作业坑可通过机械挖掘完成。5.2.5 人工开挖斜井黄土塬土质为黄土，除表层风化形成沙土比较松软外，底层比较坚硬，在采取一定的安全措施后，可进行斜井开掘。施工作业时，根据斜井坡度选择斜井开挖方向，一般是从顶部向下开挖。在斜井顶端将卷扬机通过钢丝绳与手推车相连，带动手推车从井里向井外行走，从而将挖出的土方送至井外的堆土区。为了确保手推车顺利将土送到井外，在送土过程中，需有一人始终扶着小车，以控制小车的行走方向，斜井坡度为2030。斜井掘进施工要点：1 走向控制开挖前，应
9、在地面上定出斜井方向，并在斜井顶上地面打木桩。井口形成后，在井外斜井方向的延长线上打一排木桩，间距以lm为宜，并用细线将木桩相连以控制斜井方向。斜井开挖到一定长度后，将井外控制引导到井内壁上，同样打上一排木桩，用细线相连以控制井的掘进方向。2 坡度控制对最初掏挖的斜井井口用仪器控制坡度。在逐渐掘进过程中，在井壁上打一排木桩用细线相连，该线坡度即为斜井坡度。掘进过程中随时测量此线与地面的垂直距离，即可准确控制坡度。3 安全措施1）井内照明：在井外设置发电机，通过电缆向井内供电照明。2）井内安全工作箱为了防止斜井在掘进过程中发生土块坍落，对施工人员构成威胁，采用钢制结构制作一个井内安全工作箱，如图
10、5.2.5-1所示，2名操作人员在工作箱内进行掏土等作业，掏一段将工作箱下移一段。顶部用60mm的钢管弯制成弧形做支撑骨架，顶部选用5mm钢板框架采用60mm的钢管焊接而成1m1.4m框架采用60mm的焊管焊接而成1.4m1.4m图5.2.5-1 井内安全工作箱3）井内通风为保证井内工作人员呼吸畅通，在井口放置一台鼓风机，通过一根尼龙管向井内供气，随井掘进一起向内延伸。4）井内通讯随着井的掘进，井内、井外人员之间的直接通话越来越困难。为进一步确保安全施工，使井内、井外人员及时沟通联系，井内、井外人员各配置一部有线话机，以确保通讯畅通，另外还要配备哨子，一旦电话发生故障，立即使用备用的哨子，提醒
11、井内人员采取相应的应急措施。5）风干：斜井掏完后，使井自然风干34天，撒出安全支架。6）在井口作业坑外搭设遮雨棚，防止雨水进入井内。7）在遮雨棚外放置挡水墙，并沿墙挖排水沟。8）每天施工完成后，把井口遮挡，防止其他人员进入。5.2.6 电缆沟和回填沟开挖斜井开挖完成后，要根据设计图纸要求和回填施工要求，在斜井底部两侧各开挖一条300mm300mm的沟槽，以敷设硅管套管和回填用的铁皮，如图5.2.6-1所示：0.3m1.6m电缆沟管道1.6m0.3m回填沟图5.2.6-1 斜井断面示意图5.2.7 硅管套管和回填用铁皮安装在斜井管道安装前，首先将硅管套管和回填用的铁皮安装完成，铁皮安装时要注意铁
12、皮不能露出地面，以免溜管时损坏管道防腐层。5.2.8 溜管操作坑开挖及管段预制平台修筑在斜井施工期间，在距离井口一定距离的作业带上平整出一块管段预制场地，并在斜井开挖结束后，在井口处开挖出溜管作业场地（安装卷扬机和滑轮组的操作场地）。5.2.9 卷扬机、滑轮组的安装和第一段“二接一”管段预制1 卷杨机和动滑轮组的选择1)通过以下公式计算管道下滑时产生的最大拉力F2FgFnFsF1Fn=F1Fs，Fs= F2* （5.2.9-1）式中：Fn为管道最大拉力，Fs为摩擦力, Fg为管道最大重力, 为斜井角度，为摩擦系数。2）通过以下公式计算卷杨机最大受力F=Fn/（2*N） （5.2.9-2）式中：
13、F为卷杨机的最大拉力，N为动滑轮的组数。3）根据以上公式可以选择动滑轮的组数和相应吨位的卷杨机。2 将卷扬机和滑轮组安装在操作坑内。如图5.2.9-1所示。3 在平台上进行两根钢管 “二接一”管段的焊接预制，并严格按照管道施工工艺进行管道的焊接、无损检测和防腐，以确保管道焊接和防腐质量。图5.2.9-1 卷扬机安装5.2.10 管道包裹溜管作业过程中，管道防腐层和收缩套最容易受到损伤，因此，在溜管前，应用柔性物(草袋、毛毡)将管道包裹，外表用竹片保护，铁丝捆扎牢固，以确保防腐层和收缩套(带)不受到损伤。5.2.11 预制管段安装就位将预制好的第一个“二接一”管段的一端(斜井底端方向)焊接封头，
14、然后用吊管机(加长杆)直接将该预制管段吊放到斜井内，当第一个预制管段尾端接近井口时停止溜管，然后与第一台卷扬机联接固定。5.2.12 管道“一接一”安装就位当第一个“二接一”管道就位后，采用吊管机吊装下一根管道进行对口、焊接、无损检测、防腐和管道包裹。然后将管道与第二台卷扬机联接，在吊管机的配合下固定管道后解除第一台卷扬机的联接，之后启动第二台卷扬机慢慢放松钢丝绳，管道在自身的重力下下滑，当管道下滑到一定位置时，再联接第1台卷扬机，解除第二台卷扬机的联接，如此交替进行，直到管道到达预定位置，如图5.2.12-1所示。当管道到达预定位置后，再重复以上工作，直到斜井全部管道安装完毕。图5.2.12
15、-1 溜管示意图5.2.13 回填管道安装就位后斜井井壁与管道之间存在空隙，采用普通的回填方式难以填实。针对这种情况，西气东输二线东段EPC项目部组织运行单位、业主和设计在内的各参建单位，聘请专家做了进一步论证。根据论证结果，斜井内回填采用黄土泥浆填充的施工方法。为了防止管道在泥浆回填过程中漂浮，必须在单独试压完成后，管道有水的情况下进行泥浆填充。主管穿越前在井内开挖沟槽，用镀锌铁皮制作泥浆溜槽，管道穿越完成后，用搅拌机将泥浆搅拌均匀，沿泥浆溜槽下滑填满斜井内的空间。1 填充材料黄土泥浆采用斜井开挖的黄土，加水和适量的添加剂拌和而成。添加剂可选用腐植酸钠和水玻璃等。腐植酸钠（HANa）为乌黑晶
16、亮、有光泽的无定性颗粒，无毒无臭无腐蚀，极易溶于水，在浆体中用作降粘、降滤失剂，可增加浆体的流动性；水玻璃为硅酸钠溶液状态，硅酸钠在以水为分散剂的体系中为无色、略带色的透明或半透明粘稠状液体，硬化后具有较高的强度，作为添加剂时可提高材料的强度，提高浆体硬化速度。2 施工所需设备、材料需泥浆搅拌机2台，称量设备1台，镀锌铁皮（厚2mm，用量根据斜井长度确定）。3 泥浆配合比 表5.2.13-1 泥浆配合比方案 （单位：重量百分比）水玻璃腐植酸钠黄土水1%3%77%19%4 泥浆溜槽制作斜井开挖完成后，在斜井底板上，紧贴顺气流方向左侧开挖宽30cm、深30cm小沟槽，将用镀锌铁皮加工成的溜槽（30
17、 cm深，30 cm宽）一节一节嵌入小沟槽，形成泥浆溜槽。镀锌铁皮高度不能超过斜井底板，防止穿越施工时损伤防腐层。5 斜井填充主管试压完成后，在管道内有水的情况下，在斜井顶部井口用泥浆搅拌机将泥浆按标准配比搅拌均匀，然后顺溜槽将泥浆灌入斜井底部。为防止斜井底部泥浆的压力过大发生泄漏，可先在斜井底部沿斜井先灌注1015m长度，待泥浆凝固后再向上填充。5.2.14 水工保护和地貌恢复由于采用斜井施工，水工保护及地貌恢复工程量较小，只需对管道焊接预制场、施工便道处和斜井进出口处进行地貌恢复和水工保护即可。第6章 材料与设备6.1 主要施工机具和设备表6.1-1 主要施工机具和设备表序号设备名称型号规
18、格单位数量状态备注1吊管机90T台12焊接工程车台13卷扬机台2管道安装4挖掘机PC220LC台15喷砂车台16发电机台1根据卷杨机功率配置7外对口器1219mm台18环形加热器台19小型汽油发电机台2井内照明10鼓风机台2井内通风11检漏仪台112焊条烘干箱台113卷扬机台1倒运土14指挥车台115皮卡台116客车台117东风车台118对讲机台219手推车台2装卸土21有线电话台222安全支撑架副若干井内支护23全站仪台16.2 手段用料(斜井施工用)表6.2-1 主要手段用料表序号材料名称规格单位数量备注1钢板6220mm张22U形环50t个103U形环25t个104工字钢根25槽钢200
19、mm26枕木根107铁皮1m宽2mm厚m180第7章 质量控制7.1 质量标准7.1.1 西气东输二线管道工程线路工程施工技术规范Q/SY GJX0109-2008；7.1.2 西气东输二线管道工程管道防腐补口补伤技术规范Q/SY GJX0113-2007；7.1.3 西气东输二线管道工程水工保护技术规范Q/ SY GJX0118-2007；7.1.4 西气东输二线管道工程线路焊接技术规范Q/ SY GJX0110-2007。7.2 质量保证措施7.2.1 开挖斜井之前，要准确测量地形地貌标高和管道敷设标高、入土角度和出土角度，开挖过程中要控制好斜井的坡度和方向。7.2.2 斜井管道穿越段焊口
20、必须采用100射线探伤和100超声波探伤，以保证焊接质量。7.2.3 施工时避免对防腐层的损坏，严格进行电火花检漏。第8章 安全措施8.1 安全标准8.1.1 建设项目（工程）劳动安全卫生监察规定（原劳动部1996年第3号令）8.1.2 西气东输二线管道工程安全与环境监理技术规范Q/ SY GJX011920088.2 安全保证措施8.2.1 开工前必须对施工人员进行安全教育培训和安全技术交底，编制应急演练预案，并进行应急演练。8.2.2 施工现场拉警示带、插警示旗子，防止闲散人员进入现场。8.2.3 进行卷扬机起重作业前，必须对施工机械进行详细检查。8.2.4 吊装作业由专人进行统一指挥。8
21、.2.5 斜井在等待溜管焊接期间，用编织袋装土将井口封住，一方面防止雨水进入，另一方面避免小孩进入嬉戏、玩耍而带来的危险。第9章 环保措施9.1 环保标准9.1.1 中华人民共和国环境保护法1989年12月26日颁布施行9.1.2 环境管理体系规范及使用指南GB/T24001-19969.1.3 石油天然气工业健康、安全和环境管理体系（SY/T6276-1997）。9.2 环境保证措施9.2.1 施工中遵守国家、当地政府及业主等关于环保、水土保持、文物保护等方面的政策和规定，遵守国家有关规章制度。9.2.2 凡受到施工车辆、机械破坏的地方都要及时修整，恢复原貌。9.2.3 在施工中，保持现场整
22、齐、有序，处置好施工机械和多余的材料，及时把现场的废料、垃圾运走。9.2.4 现场应设置足够数量的环保警示标志牌，做好环保教育。9.2.5 工程竣工后，恢复原有地貌。第10章 效益分析该工法的应用，在保证工程质量和缩短施工工期的同时，大大减少了施工占地、减少了土方开挖量和后期水工保护工程量，降低了施工成本。另外，还减少了水土流失，保护了黄土塬脆弱的植被，并增加了管道运行的稳定性。10.1 经济效益下面以西气东输二线（东段）干线18标段EB008桩的斜井穿越施工为例，与传统大开挖穿越法相比，进行具体的效益分析：1 采用大开挖穿越法施工（如图10.1所示）该陡坡实际角度为80，高差为83m，吊管机
23、的安全工作角度为18，因此降坡按照18考虑，降坡宽度平均为15m，降坡土方量为：（83 m tg1883 m tg80）83 m 15 m2=149910m38083m18降坡后坡面降坡前坡面降坡土方量图10.1-1 大开挖方式施工的土方量示意图另外由于开挖宽度和高度较大，需要多次倒土才能倒运出作业带，按照平均倒土4次计算，倒运土方量为：149910m34=599640m3所以，开挖费用:1499109=1349190元；倒运费用: 5996403=1798920元；回填费用: 1499103.5=524685元；水工保护费用为：200095=190000元（水工保护采取2：8水泥土挡墙，方量
24、约2000 m3）。总费用为：1349190元+1798920元+524685元+190000元 = 3862795元386万元备注:费用单价按照西二线东段18标段投标单价计算，土方开挖9元/方，土方倒运3元/方，回填3.5元/方，水工保护95元/方。2 采用斜井法穿越法施工斜井坡度为25，斜井长180m，斜井的断面尺寸为1.6 m1.6m，斜井开挖按照1500元/m，斜井回填500元/m：斜井开挖回填费用：180 m（1500+500）元/m =360000元水工保护费为10000元，占地面积700m2，冲沟立面地表破坏面积(冲沟底作业坑)为10m2。总费用为：360000元+10000元=
25、370000元=37万元下表是两种施工方法的具体项目对比统计表：施工方法开挖土方量总费用占地面积冲沟立面破坏地表植被面积大开挖穿越149910m3386万元34512m26502m2斜井法穿越460m337万元1800m210m23 该处节省费用为：386万元37万元=349万元。斜井的管道安装和大开挖的管道安装费用按照基本持平考虑。第11章 应用实例1998年，在义马-郑州煤气管道工程施工中，中国石油天然气管道局第三工程分公司承担了129km的施工任务，其中斜井10条，总长度1.43km。2007年，在兰州郑州长沙成品油管道全线共设计斜井穿越127条，总长度为8.681km，其中国石油天然气
26、管道局第三工程分公司承担的11、12标段斜井穿越73条，总长度为4.549km。2009年，在西气东输二线（东段）干线输气管道工程施工中，中国石油天然气管道局第三工程分公司承担了位于三门峡地区的第18标段的施工，全长126.06km。该标段沿线地形地貌主要为低山、黄土丘陵和黄土台塬。其中低山、黄土丘陵地段地形起伏较大，管线需要翻越受雨水冲刷严重的冲沟和沟谷，局部地形起伏剧烈，坡度较大，在施工中采用该工法施工2处，斜井总长度350m。通过人工挖掘斜井与“一接一”溜管技术相接合，解决了传统的“大开挖”法存在的诸多施工和社会问题。这种工艺具有明显的“安全、节省、环保”优势，是攻克大中型冲沟、台地、黄土坡等黄土塬地区进行管道施工难题的有效方法。17
