石油天然气管道隧道穿越施工技术探究

吴晓锋

（西南油气田川东北作业分公司，四川 达州 636164）

0 引言

石油天然气管道的输送距离较长，压力较高，施工需要穿越山体、河流、铁路等区域，具有一定的复杂性、风险性与特殊性[1]。而隧道穿越施工的作业面较小、湿度大、施工环境相对恶劣，施工人员、施工设备和工具全部集中在有限的空间内，很大程度上增加了安全事故的发生风险，且施工管理难度大，周围的地质环境很容易因隧道穿越工程而遭到破坏，出现落石、塌方、崩塌等现象，甚至还会造成意外伤亡。与公路隧道施工相比，石油天然气管道的隧道穿越工程具有施工断面小、交通不畅等特点，在有限的空间内，无法使用现代化的大型机械。而且隧道施工经常会用到钻爆技术，风险性更高。作为长输管道施工单位，研究提高隧道穿越施工效率，保障施工安全的有效措施，是一项重要课题，本文就此展开综述。

1 穿越施工技术介绍

1.1 大开挖穿越技术

大开挖穿越技术是最常见的一种穿越施工技术，主要用于车流量较少的低等级公路和小型河流穿越，具有施工方式简单、施工工期短、施工成本低的特点。施工期间一般土建和管道安装同时进行，或管道提前预制、试压完成，等待管沟成型后迅速下沟、回填，以缩短断道或断流的时间[2]。一般需在穿越点的两侧先确定管沟的中心线，并开挖好两侧管沟，在取得施工许可，确定断道或断流时间后迅速完成管沟开挖、管道下沟、防腐检测、管沟回填、地貌恢复等施工。在不具备断道的公路施工时一般会修筑临时便道或搭设钢便桥以保证车辆通行。如果不能一次完成穿越的河流，一般会采取围堰的方式进行半幅开挖、河底连头的方式完成穿越。

1.2 顶管穿越技术

顶管穿越施工技术能够避免施工机械对路基稳定性、路面结构等造成损坏，也可以避免穿越时存在的交通妨碍问题，所以被广泛使用。施工时使用挖掘机开挖顶管操作坑和接收坑，将抗力挡墙设置在千斤顶的后方位置，与此同时还需要加固处理抗力挡墙后方位置的坑壁[3]。在顶管位置施工期间，需通过使用电动油泵将千斤顶驱动进入套管，等待千斤顶顶进套管以后，再继续完成人工掏土施工。将这种操作方法反复进行，直到穿透公路为止。顶管完毕后进行穿越段管道安装、试压，试压完毕后进行套管封堵、回填等工作。

1.3 定向钻穿越技术

这是一种传统公路打孔联合油田定向钻井的技术，最早应用于20世纪70年代，现阶段，主要作为一种非开挖施工的水平定向穿越技术，用到的施工设备包括：钻机系统、泥浆系统、动力系统、导向系统、各种钻具、辅助机具等。该技术分为以下施工过程：一是根据设计曲线钻导向孔，二是依次分级扩大导向孔，三是通过收钻回拖长输管道完成穿越。管道预制基本安排在扩孔期间进行，由于钻头已出土，可以避免预制场地与钻孔位置出现过大偏差，减少后期工作量。

1.4 隧道穿越技术

常用的施工方法有盾构法、明挖法、掘进法等。包括五个施工环节，分别是：高压旋喷桩防渗墙注浆、超前勘探、掘进、初期支护、二次支护。根据隧道的长度与交通条件、现场环境确定单边后者双边掘进开挖，以及初期的支护施工，贯通之后实施永久性支护。

2 石油天然气管道隧道穿越施工技术的应用

某长输管道工程由1条干线与8条支线组成，途径15个省、市、自治区、特区，穿越四大流域以及山区地带。设计穿越隧道的管道压力值为10MP，管径值为Ф1219，隧道轴线的投影形状为直线形，其水平投影的长度为767.1m，实际长度值为767.7m，纵坡3.96%。设计隧道断面时，需要将其设计成为直墙圆弧拱形，净断面额净高度为3.2m，净宽度为3.2m。隧道区域的平均海拔超过2000m，以泥岩、页岩、泥灰岩为主，围岩的级别分为IV级、V级、VI级。隧道跨越了一层逆断层，断层破碎带的宽度为20-35m。

2.1 施工方法

2.1.1 超前支护施工

工程在应用超前小导管的情况下结合超前管棚。在IV级与V级围岩开挖断面围岩破碎与容易风化的区域使用超前小导管；在VI级围岩段与隧道进出口的明暗交界区域使用超前管棚。

（1）超前小导管。使用无缝钢管，每根钢管的长度3.0m，Ф42mm×4mm，打设是沿着开挖轮廓线以外的1.5m距离进行，外插角控制为10°，环向距离值与纵向搭接长度分别为30cm和1.0m。每个循环使用21根小导管。

（2）超前管棚。使用长10.0m/根、Ф89mm×4mm的无缝钢管。选择使用的打设方法类同于超前小导管打设方法，外插角控制为7°，环向间距和纵向搭接长度分别为40cm和1.5m，每个循环使用15跟管棚钢管。

（3）施工注意事项。①小导管与管棚的前端全部做成长10cm的锥形头，以便打入。②施工前，喷厚度约3-5cm的混凝土封闭掌子面，以起到止浆墙的效果，避免跑浆。合理控制钢管的外插角，以提高支护效果。③实施管棚期间，首先要将奇数数量的钢花管打入其中，之后再进行注浆，最后将偶数数量的钢花管打入其中。对钻机的立轴方向作出严格控制，在进行钻进的时候，需要对钢管的偏斜度展开动态测量，若是测量的钢管偏斜度超出规定的范围，需要即刻作出修正。使用长15cm的丝扣连接钢管接头，相邻接头最好错开3m。④注浆之前，所有孔眼全部安装止浆塞，避免浆液溢出。从双侧拱脚开始注浆，直至注入到拱顶，初始压力0.5～1.0MPa，最终压力2MPa。注浆过程中，相邻的孔眼应该间隔开来，不可连续注浆。注浆量满足设计要求后可停止注入，彻底清除干净管道内部残留的浆液，利用M20水泥砂浆将其填满，将管棚的强度和导管的刚度提升[4]。

2.1.2 洞身的开挖

通过设计钻爆以明确爆破的参数，同时与爆破效果和围岩特点相结合，对爆破参数作出灵活性调整。采取全断面光爆开挖技术完成全石质隧道施工，隧道的局部位置发生渗水问题，所以可选择使用乳化炸药，周边眼间距为40cm、辅助眼间距为70cm，以直径76mm的超前水平钻孔作为中心，半径为15cm的圆上设置掏槽眼，用7段位毫秒的雷管引爆周边眼、5段位毫秒的雷管引爆辅助眼、3段位毫秒的雷管引爆掏槽眼。钻孔每次循环进尺2.2m，掘进每次循环进尺2m。

2.1.3 初期支护

（1）支护参数。支护工程实施期间，需综合使用C25喷混凝土、Ф22钢筋格栅、Ф6钢筋网、Ф22水泥砂浆锚杆等支护措施。破碎围岩局部时，采取超前小导管注浆、超前管棚等预加固措施。

（2）喷射混凝土。采用“潮喷”施工方法，初次喷射的厚度为4～6cm，在完成工程开挖以后，要在最短时间内开展潮喷施工，达到围岩封闭的效果。之后再完成系统锚杆打设，同时将钢筋网悬挂完成，混凝土终凝后，再次喷射6～8cm厚度。如果终凝的时间在1h以上，则需要用风水清洗混凝土表面。因挖开面施工需要在喷射混凝土后马上开始，所以要严格控制下次爆破与喷射混凝土之间的时间间隔，通常在4h以上。喷射混凝土后的2～4h开始养护，在混凝土表面覆盖土工布，养护时间1～2周[5]。

（3）挂钢筋网。使用Ф6圆钢作为钢筋网片，去除锈迹后，将其加工为250cm×250cm的网片。随着受喷面的起伏挂设网片，网片和受喷面之间留出3cm的保护层，焊牢网片和系统锚杆，保证喷射混凝土不会引起晃动。

（4）支立钢格栅。将Ф22螺纹钢筋按要求加工成钢筋格栅，以增强初期支护。支立的间距为0.8～1.2m。纵向使用Ф22钢筋拉条间距1m连接。将型钢支架应用于围岩破碎、容易掉块和渗水的区域，型钢截面HW150×150×7×10，间距为0.5-1.0m。

2.2 监控量测

开挖完成洞身以后，分别要在边墙位置、拱顶位置以及拱脚位置进行测点埋设，收敛测量拱顶下沉情况与水平情况。测试元件采取Ф12圆钢制作，元件长度30cm，锚入基岩内的长度10cm，初期支护12cm，外露初支面的长度为8cm。用JSS30A型收敛仪观测水平收敛量测结果，及时调整预留变形量、工序、开挖尺寸，为后续施工提供指导依据。

2.3 二次衬砌

隧道的衬砌方式为复合式，二次衬砌可以不考虑防水，但混凝土的抗渗等级至少要达到S6级。IV级围岩断面直墙与半圆拱全部使用C30现浇钢筋混凝土，厚度250mm；底板为C25素混凝土，厚度200mm；VI级围岩断面直墙与半圆拱应用C30现浇钢筋混凝土，厚度300mm；隧道底板使用仰拱为厚度300mm的C30钢筋混凝土，仰拱上使用C25素混凝土进行回填，一直回填到底板的设计标高。整个隧道工程在完成初期支护、仰拱封闭以及回填后，立刻使用自行式液压衬砌台车进行二次衬砌，边墙与拱顶一次性浇筑完成，充分保障了隧道穿越施工的安全性。

2.4 隧道内的管道安装技术

山体隧道内的管道一般选用直埋的方式安装，江底隧道则采用管墩支撑+管卡稳固的方式敷设，施工期间受到的干扰相对比较少。但是，大口径管道隧道穿越工程，因为隧道内部作业空间有限，一般车辆无法进入隧道，施工中会使用带管托的隧道运布管小车，对于有管墩的隧道，会使用移动龙门架来布管，在隧道的斜巷段则会利用隧道施工转运土石方的轨道进行布管。

3 结语

综上所述，为了解决油气资源供需矛盾，我国开始大力开展油气输送管道建设工程。但在具体施工中，各种因素都可能对工程建设产生影响，尤其是隧道穿越工程，石油天然气管道隧道穿越是一个系统性的工程，应该从设计、施工、安全管理三方面采取综合措施，保证隧道内的焊接工艺符合质量标准，焊接效果可靠。焊接工人必须拥有资格证书，熟悉隧道穿越管道工程的焊接工艺规章要求，委派专人负责管理焊接设备，在充分保障隧道工程施工安全的基础上，提高施工效率，促进我国长输管道建设的长远发展。