西二线果子沟隧道群管道施工方法对比与选择

王 凯 张宝林 程胜霞 生 望 张 李

河北华北石油工程建设有限公司 河北任丘 062552

西二线果子沟隧道群管道施工方法对比与选择

王 凯 张宝林 程胜霞 生 望 张 李

河北华北石油工程建设有限公司 河北任丘 062552

西气东输二线在新疆果子沟山区连续穿越7条隧道，隧道宽度为4.2m，隧道内需同时敷设两根Ф1219管道，是西气东输二线西段的控制性工程。以西二线果子沟隧道群7条隧道内管道安装采取的不同的施工方法为例，重点阐述了根据每条隧道的结构特点所采取的不同的施工方法所取得的实际效果，横向比较了每一种施工方法的优劣，总结了施工经验和需要吸取的教训，对以后类似的隧道管道安装工程的施工具有一定的参考意义。

西气东输二线 隧道穿越 管道施工

随着我国长输天然气管道建设高峰的到来，油气长输管道工程施工环境也越来越复杂。特别是管道在山区地段敷设时，对于地形起伏较大、山高坡陡的地段，通常采用山体钻爆隧道的穿越方式。由于山区地形较为复杂，导致隧道进出口处的地形地貌也变化多样。因施工成本等原因，隧道净空尺寸也只能满足管道的基本敷设条件，大型施工设备无法进洞施工，且随着隧道开挖技术的发展，隧道长度也越来越长。所有这些因素，都给隧道内管道的运管和组对焊接带来较大困难，隧道内管道施工已经成为长输管道工程的控制工程。下面以西气东输二线西段果子沟隧道群7条隧道的施工为例，着重介绍山体隧道内管道安装的一些成功经验和需要吸取的教训，为以后长输管道的施工提供一些参考。

1 国内外概况及发展趋势

1.1 国外概况

据考证，截止到西气东输工程二线主体完工之前，国外工程至今没有类似双管同隧道施工的先例，也无直径大于Ф1219管道穿越长度超过3.1km的纪录。

1.2 国内概况

据相关资料介绍，在国内长输管道施工过程中，兰成渝管道施工中的兰成段隧道中，最长的一条为天灯寺隧道工程，全长2617m，管径为D323.9mm,材质为X 52，是西二线之前全国最长的一条长输管道隧道穿越工程。因此，西气东输二线果子沟隧道群工程，开创国内长输管道隧道穿越施工中长度最长、管径最大、钢号最高、双管同隧道施工的先河。

2 隧道内管道安装工程的基本做法

2.1 工艺流程

隧道土建工程检查验收→运管轨道铺设及运管小车准备→隧道内管子运输→管子的卸车及组对→轨道撤离及管子固定

2.2 施工方法

2.2.1 隧道工程检查验收

隧道开挖工程施工完成后，根据设计图纸和验收规范，由业主单位、第三方质量监督、EPC项目部、监理单位、隧道施工单位和管道安装单位共同组成隧道验收检查团，对隧道进行交接前的质量检查验收，检查合格后由隧道开挖单位和管道安装单位办理签字移交手续，参加验收的各方代表签字认可。

2.2.2 运管轨道铺设及运管小车的准备

（1）道轨铺设

西二线果子沟隧道安装使用的管道规格为Ф1219×26.4mm，重量较大（每根管道重约10t），为保证运管小车的运行安全，轨道采用24#轻轨。

由于隧道内宽度有限，不允许两条管道先施工完一根，再施工另外一根，必须两条管道同步完成运管、布管、焊接等工作。因此轨道敷设采用双轨敷设方式，由于隧道内安装的两根管道中心净距为2018mm，也就决定了轨道安装时的中心间距亦为2018mm。

（2）运管小车的准备

每个运管小车由4个轨道车轮和槽钢组焊而成，小车轮组之间采用 [16连接。每个小车上焊接两套和管子外径相同的弧板，作为管子固定的托架。运输时，每根管子采用两套运管小车。管子放置到小车上后，采用封车带进行封车。为防止两套小车在行走过程中受外力分离出现安全事故，在两辆小车之间采用钢丝绳连接。

2.2.3 管子在隧道内的运输

为保证管道运送过程的直线行进，以及运管过程中操作人员的安全，在管道行进路线上铺设钢轨，管子通过轨道小车在动力驱动下运送到指定位置。7条隧道采用了4种不同的管子运输方法：

（1）利用卷扬机整体牵引焊接完成管组；

（2）利用卷扬机牵引单根管子送管；

（3）利用拖拉机牵引送管；

（4）综合利用卷扬机和铲车分段送管。具体操作详见2.2.4。

2.2.4 隧道内卸管及管道组对

由于隧道内空间有限（隧道内安装两根管道，两根管道净间距862mm，管道距离隧道内壁450mm），开阔地带管道组对使用的吊管机等常规吊管及组对设备已经无法使用。要按照以往狭小空间使用手动倒链或手动千斤顶，对于管子重量达到10t的管子，要完成7条隧道的管子卸车和组对基本不可能。

在这种条件下，如何节约空间，减小卸管和组对工人的劳动强度，成为选用卸管设备的主要依据。液压千斤顶有效地解决了这一问题：管子运送到位后，液压千斤顶的力量通过管子卸管、组对的支吊架上的钢丝绳和吊钩提升管子，当管子离开运管小车后，撤离轨道小车。将管子放置到管子支墩上，通过专用支吊架配合液压千斤顶进行管子高度和前后位置完成焊口组对。

2.2.5 轨道的撤离

为了节约隧道施工中道轨及枕木等材料的使用量，在管道完成卸管和管墩支垫后，立即撤出相应段落的道轨，利用运管小车回程空车拉运出隧道，利用到其他隧道施工。不仅节约了外运道轨的人力资源，同时也提高了道轨等材料的利用率。

2.2.6 管道的焊接

由于两条管道几乎占据了隧道内的所有平面空间，两根管道净间距862mm，移动电站等大型焊接设备及气瓶、把线运送机具无法在隧道内使用。另外，由于管道安装后，管道距离隧道内壁最多只有450mm空间，施工人员在作业期间活动受限，因此必须保证操作人员使用的各种工器具集中存放，便于取用。经过研究，充分利用隧道内两条平行敷设的管道，制作管顶行走小车，将活动焊机及各种工器具全部放置在小车上。小车车轮设计为与管顶相吻合的弧形。轮体包覆软橡胶，以保护管顶防腐层不受损坏，采取在两根管上行进。

每条隧道配备五套运管小车，每台小车上运载两台活动焊机，配备送丝机和焊把。依据工程焊接工艺评定进行施焊。

3 管子在隧道内布管运输的几种方法

管道的卸管、组对焊接及道轨撤离的工作，对于果子沟隧道群的所有七条隧道来说大同小异，而决定隧道施工速度和施工安全的关键在于隧道内管道的运输。

3.1 利用卷扬机整体牵引焊接完成管组

施工初期，考虑到3#隧道内管道设计长度仅为384.5m，存在8.4°坡度，按照隧道内管道全部施工完成后所有管道的总重量，结合卷扬机牵引力，选用如下方法。

首先将30t卷扬机安装在隧道坡顶，在隧道内铺设道轨。卷扬机通过钢丝绳的牵引完成的对接的管道逐步上行，牵引管子从一根逐步增加到隧道内所有384.5m管线。在这种施工方法下，卷扬机始终承受所有管子重量的下滑力。

随着管道的焊接，当逐根焊接到10根管子，管线长度接近120m时，卷扬机无法继续牵引管道上行，卷扬机牵引力已经接近满负荷。分析原因，主要是由于隧道施工过程中，隧道底部存在一定的起弧，管道上行过程中，卷扬机所受牵引力超过了方案设计时考虑的计算拉力，该方法宣告失败（见图1）。

3.2 利用卷扬机牵引单根管子送管

在隧道群中，2#、4b#、5#、6#其等5条隧道长度较短（长度分别为507.5m、346.6m、610m、846.2 m不等），隧道前期土建施工时间充裕，混凝土隧道底板施工质量较好，平整度高，便于道轨的铺设和管道的平稳运送。隧道内管道安装时，均从隧道高点通过轨道运管小车在牵引机车的牵引下将管子运送到焊接位置，管子自下而上逐根焊接。牵引设备采用卷扬机（见图2）。在这种施工方法下，卷扬机始终只承受单根管子重量的下滑力。为了对比各种不同施工方法的优劣，虽然在2#、4b#、5#、6#等4个隧道均采用了卷扬机作为牵引设备，但在4a#采用了双轨施工，在2#、4b#、5#、6#隧道采用单轨施工。

在4a#隧道采用双轨运管时，两条轨道中心均和管道安装位置中心重合，管子运送到位后直接利用支吊架将管子吊离运管小车进行组对即可。

在2#、4b#、5#、6#等4个隧道采用单轨运管时，轨道铺设位置与管道1的安装位置中心重合，在第一根管子运至安装位置1后，先利用龙门吊架将管子从小车上提升后撤离小车，利用龙门支吊架横向移动功能，将管子移动到位置2，固定到管子安装位置。然后运送第二根管子，固定在位置1。当第三根管子运送到位后，同样利用支吊架横向移动机构，将管子移至位置2，和第一根管子完成组对焊接。第4根管道和第二根管子组对焊接，如此往复交替，完成隧道内管线运管和焊接工作（见图3）。

3.3 利用拖拉机牵引送管

果子沟6#隧道，管道设计实长1018.8m,隧道坡度为3.86°,坡度较缓。该隧道施工方法为：在隧道内铺设一条道轨，将道轨直接铺出隧道口，利用60马力东方红拖拉机作为牵引设备对运管小车进行溜尾。拖拉机和运管小车之间用钢丝绳连接。运管小车靠自重下滑力沿道轨下滑，拖拉机同步跟进。当管子运送到安装位置后，拖拉机刹车制动完成管子运输。该种施工方法在隧道内铺设一条道轨，且轨道铺设中心与设计的两条管道中一条管道安装中心重合。

3.4 综合利用卷扬机和铲车分段送管

果子沟1#隧道长度3116m，由于隧道钻进施工期间产生特大雪崩影响，工期滞后，导致隧道土建交付时间严重滞后，管道安装工期相当紧张。为了保证管道完工节点计划，1#隧道打破隧道施工常规思维，首先要求隧道施工单位完成隧道进口1.2km隧道土建施工交付给管道安装单位进行管道安装施工，然后继续进行剩余部分隧道土建施工。隧道进口1.12km管道安装施工与隧道出口端2km土建后期施工同步进行。隧道出口端土建施工方向从进口端1.12km处朝出口方向继续施工。

等土建队伍完成隧道出口端2km土建施工，管道安装队伍同步完成隧道进口段1.2km管道安装任务。转移过来从1.12km处朝出口方向施工，充分利用了中间土建施工这段时间差，为整体工期节点的实现提供了有力的保证。具体运管方法如下：

（1）进口端1.12km隧道地面为5.5°下坡，一坡到底。将卷扬机安装在距隧道进口1.2km处，同时牵引两条轨道上的运管小车同时完成两根管子的上行运输。管子运送到位后，及时拆除完成管道安装段的轨道及枕木等设施，从1.2km处往隧道出口方向进行铺设，为出口端管道运管做准备。

（2）出口端2km隧道底部虽然也是5.5°下坡，但存在着两个弧形变坡，变坡位置坡度局部上行（见图4）。运管时，如果靠卷扬机在出口通过钢丝绳拉力控制运管小车下滑速度，小车在下行过程中几乎为匀速，运管小车靠下滑分力行驶到变坡点后，没有瞬间冲力，小车靠自重下滑力无法逾越。所以，在出口端2km不能采用卷扬机运管。

经过反复研究和受力计算，选用ZL-40铲车作为牵引车运送管子。铲车和运管小车之间同时采用软连接和过渡刚性连接。既可以在下坡时，控制小车下坡段速度，作为溜尾设备；到变坡点，铲车为运管小车提供适当大小的推力，推动运管小车越过变坡点。有效地克服了卷扬机放管，运管小车无法越过隧道变坡点的缺陷。并且利用铲车一次运送两根管子，同时满足两条管道焊接的管材供应，大大提高了组对焊接速度。

4 各种不同施工方法的对比

在果子沟隧道群7条隧道的施工过程中，管道的组对和焊接方法都大同小异，但运管方法至关重要，它不仅决定了运管速度和整体工期进展和效益，更是隧道内管道施工安全保证的基础。本工程施工一共采用了4种不同的施工方法，下边就以上四种不同的施工方法进行对比分析。

4.1 利用卷扬机整体牵引焊接完成管组

果子沟3#隧道进口低，出口高。管道的安装过程，是在隧道出口安装卷扬机，通过30t卷扬机钢丝绳从隧道进口处将焊接完成的管道逐步往出口方向上行牵引，焊接工作始终在隧道进口处进行。但卷扬机承担的牵引力却随着管道焊接数量的增加而增加，卷扬机始终处于高负荷运转状态。最后，由于隧道底板施工质量问题，有局部上凸变坡，导致焊接完成的10根管子下滑分力加大，卷扬机无法继续牵引管道上行，施工中途失败。失败原因包括两点：

（1）在8.4°下坡状态下，30t卷扬机本身极限牵引力不具备完成384.5m管道自身下滑力；

（2）隧道底板中间坡度变大，导致在100m管道长度下就无法继续完成上行工作。

这种施工方法的优点：施工人员、设备固定在隧道洞口外，不用随着管道的移动而移动，减小了劳动强度，施工环境较好。

缺点：牵引设备和钢丝绳始终处于较大负荷运转状态，到后期处于满负荷状态，导致设备长时间疲劳作业，容易损坏设备或钢丝绳失效，导致安全事故的发生事故。

该方法适用于长度较短、坡度较小的隧道施工，且对隧道底板的施工平整度要求较高。一般情况不建议使用。如果采用这种方法，必须对隧道的坡度进行精确测量，并对卷扬机钢丝绳在该状态下最大受力进行分析，确认安全后方可实施。

4.2 利用卷扬机牵引单根管子送管

4.2.1 铺设双轨

在4a#隧道的施工过程中，采用了此种运管方法，这是一种较为常规的施工方法，施工运行过程较为平稳。管子运送到位后，利用支吊架将管子卸车后直接进行组对焊接。

这种施工方法的优点：管子可以直接通过卷扬机运送到焊接位置，不用对管子中心进行较大的调整，卸管工作量较小，施工安全。组对焊接施工效率较高。对于隧道长短没有较严格的要求。

缺点：隧道铺设准备时间较长，使用的道轨及辅助材料较多。

对于隧道群施工来说，由于各个隧道施工节点穿插进行，一个隧道施工完成后，可以将该隧道使用的道轨等材料转移到别的隧道使用，材料综合使用效率较高。所以这是一种工期及效率综合性较高施工效率的隧道施工方法，值得在隧道群中施工中推广使用。

4.2.2 铺设单轨

在2#、4b#、5#、6#等4个隧道采用了单轨运管的方式，由于只铺设了一条轨道，隧道内两天管道运送到隧道安装断面后，其中一条管道的所有管子都要采用卸管支吊架对管子进行移位，平移距离较大，达2081mm。

这种施工方法的优点：使用道轨、枕木等技措材料较少，运管作业空间较宽裕，施工人员在隧道内行走活动空间较大。

缺点：和双轨运管对比，管子运到安装位置后，要将管子从轨道上方平移到需要安装的位置，花费时间为双轨道卸管和组对时间的2.5倍，施工效率大大降低。同时施工工期同样增加到双轨运管施工工期的2.5倍。且在管子平移过程中，由于隧道作业空间小，管子重量较大，管子来回摆动，给现场作业人员的安全带来很大隐患。

就节约的道轨等技措用料费用和浪费的人力设备资源费用比较：

（1）从道轨及枕木等技措材料费用比较，单轨铺设比双轨铺设节约材料及人工费合计：300元/m；

（2）从施工进度和人员、设备耗费计算，单轨施工比双轨施工费用增加合计：296元/m。

可见，从施工费用上比较，完成同样长度的管道安装，单轨施工方法和双轨施工方法相比基本持平，但单轨施工工期是双轨施工工期的2.5倍。

综合分析：单轨运管方法适用于施工工期较长，操作人员较为充裕的施工工程。如果是隧道群施工，各种施工资源可以在不同隧道之间共享使用，建议采用双轨运管，既可提高施工效率，又能保证施工安全。

4.3 铺设单轨，利用拖拉机牵引单根管子送管

果子沟6#隧道，轨道铺设方法及卸管方法和4.2.2相同，唯一区别就是使用拖拉机替代卷扬机作为牵引动力。

这种施工方法的优点：拖拉机灵活机动，管道在隧道内的行进过程和运管设备操作手之间距离较近，便于监控和应急处理。另外，在隧道群施工中，拖拉机可以随时租用，可以减少卷扬机等重型固定设备的购置数量，节约开支和成本。

缺点:和5.3施工方法具有共同的缺陷。另外，拖拉机的制动性能比卷扬机差，使用隧道的坡度不能太大，要求拖拉机与隧道底板间的咬合力较大。拖拉机操作手长时间重复一个往返动作，容易疲劳引起溜车。

4.4 综合利用卷扬机和铲车分段送管

1 #隧道是果子沟隧道群7各隧道中长度最长，难度最大的一条隧道，也是最晚开工的一条隧道。该隧道的施工没有现成施工方法可以借鉴，综合应用了卷扬机运管和铲车运管方法。先将卷扬机安装在隧道内，完成进口段管道上行运管下行组对焊接，逐步完成进口段管道施工，再利用铲车从隧道出口下行运管和已经完成的进口段管道预留头进行碰头后，逐步从隧道内部上行组对焊接完成出口段管道组对焊接。

在进行隧道进口1.12km管道组对焊接过程中，每组对焊接完成一根管子后，拆除该管段下面的行车道轨和枕木。一方面将隧道中间部分就近搬移到1.12km点往出口方向段落进行铺设，为出口段管道运管做准备。既节省了搬运工作量，又节约了施工成本。另一方面，将距离1.12km点较远，距离隧道进口较近的道轨和枕木通过运管小车空车返回的机会运出隧道，转移到别的隧道使用，充分利用该资源，节约成本。

该方法的优点：方法简单易行，便于操作和控制；利用分段施工，和隧道土建施工单位形成穿插施工，有效地抢进了施工开工节点，为工程的整体工期提供了保证；采用双轨运管，而且每次运管两根，和其他6条隧道相比，大大节约了运管时间和施工机组的等待管材时间，提高了施工效率近1倍；采用铲车运管避开了卷扬机不能自动逾越变坡点的制约，且运行平稳，便于应急控制；铲车租用费用低，不需要设备购置费用，租赁更换方便维修，操作人员少。1#隧道施工整体工期比业主要求工期整整提前了30d。

缺点：1#隧道施工工期相当紧张，且受土建施工制约较大，加上此种方法的选用和实施需要一定的专业理论知识与丰富的实践经验相结合，对现场施工管理人员的技术素质和决断力要求较高。如果在类似条件下盲目使用一种全新方法，存在一定的冒险性。

5 结束语

总体来看，通过西气东输二线果子沟隧道群7条隧道施工过程中不同施工方法的尝试和实践，总结出了一整套较为完整的山体隧道施工方法，可以作为今后类似工程施工的借鉴和参考。在3#隧道施工中，采用卷扬机牵引不断接续加长的管道沿隧道上行，最后因隧道施工不规范，底板坡度大于设计坡度，最后导致方案失败。虽然属于意外，但这说明制定施工方案前，环境因素考虑不够周全。这是值得我们深思和牢记的教训。可以说果子沟隧道群的顺利完工，不仅为管道局在西气东输二线市场赢得了荣誉，更锻炼了一批长输管道施工的中坚力量，积累了山体隧道穿越管道安装的方法和宝贵经验，开阔了长输管道隧道施工，特别是难点隧道工程施工的创新思维。

1 《西气东输二线管道工程穿越工程施工技术规范》Q/SY GJX0114-2007

2 《材料力学》作者：刘鸿文、高等教育出版社、第三版

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1672-9323（2012）05-0054-04

2012-07-11）