干货丨非开挖技术在大口径长距离蒸汽管道施工中的应用

摘要：

十三五期间随着国家大力提倡节能减排，在电力投资建设以热定电的原则下各地投资建设的蒸汽联合循环机组项目越来越多，这种“热电联产”项目或者“热电冷三联供分布式能源”项目通过配套蒸汽管道建设将合格的蒸汽产品提供至用户。蒸汽管网建设的过程中沿途需要穿越道路（铁路）、跨越河流，因场地及周围环境的影响，管道在施工过程中不可能全部采用开挖及上跨衔架的形式，因此管道非开挖施工技术在体现了其优越性。本文结合项目实际，重点探讨了非开挖技术在大口径、长距离蒸汽管道建设中的应用。

1. 项目背景介绍

本项目来源于上海某区燃气三联供改造项目二期热网管道工程。管道沿线多次穿越（跨越）市政主要道路、河道，在管道穿越北松公路、俞塘河区段受周围场地的影响（管道沿线西侧为昆阳路高架桥桥桩、东侧为星阳酒家、维凯光电办公楼、地下有市政110kV高压电缆及市政燃气管道，管道敷设范围仅有2.5米）无法采用传统的开挖地埋、顶管等施工工艺，施工难度可谓“华山一条路”。为此借鉴非开挖技术并结合地埋蒸汽管道的特性，开展了相关技术研究攻克工作。本项目实施时间为2016年3月至5月。

2. 应用领域和技术原理

主要领域为：地埋蒸汽管道的过路及过河穿越方式，主要技术原理为：采用管线定向钻进的非开挖施工工艺，通过地下管线定位、打导向孔及多级扩孔、管道回拖的形式完成管道穿越。

①技术思路方面的创新：市政蒸汽管网在建设过程中由于外部场地条件的各种限制，采用传统的施工工艺很难实施，为克服场地限制影响、减少对周围环境（包括既有设施）的影响，采用“非开挖”施工工艺能起到事半功倍的效果。在本次蒸汽管网建设的过程中面临“华山一条路”的艰难险阻因素，将“非开挖”施工工艺成功的应用在大口径、长距离（芯管直径DN500、外套管直径DN1020、距离460米）蒸汽管道的施工中，成功打通了整条管线的“咽喉要道”。

②关键技术方面的创新：由于本次采用“非开挖”施工工艺，结合蒸汽管道不同于普通燃气、电力、自来水等管道，蒸汽管道为“钢套钢”中间夹保温层的复合管道，在管道施工过程中主要有以下关键技术的创新：

1）管道距离长达460多米、重量达230吨，如何确保回拖力是本项方案实施的关键技术之一。为确保管道一次拖拉成功，必须对回拖力做充分的计算、分析，考虑到本项目实际，根据需要穿越深度21米及出入土曲率半径R=1200D计算，穿越管道长度约460米，管道每米重量500公斤，穿越管道总重量约230吨，

管道拖力：T =T1+T2，T1=U1·N1T2=（F-N2）·U2

注：

T=回拖力，T1=在地面上管道的摩擦阻力，

T2=入洞内管道的摩擦阻力；

N1=在地面上的管道自重，

N2=入洞段的管道自重；

U1=在地面上的磨阻系数，U2=入洞后的磨阻系数。

分析如下：

管道在地面上的摩阻系数一般为0.6，管道的最大拖力（既启动拉力经计算约为138吨，要减少启动拉力，可采取在开挖发送沟内灌水，将管道浮起来，在没条件挖发送沟的地方采用设备将管道吊起来或加设滚轮支架，这样既减少了管道的自重，又降低了摩阻系数，大大降低了启动拖力T1。

管道入洞之后，由于孔内充满泥浆，摩擦系数大大减少约为0.3管道的浮力每米约为785公斤，孔内最大拖力T2=（F-N2）·U2=（785-500）×0.3×460=39.3吨。穿越砂质粉土容易形成抱管，大大增加阻力，根据以上计算本工程设备选用130吨美国威猛钻机。

2）本次管道直径大，外径达1020mm，且管道中间夹着保温层，如何确保在管道拖拉过程中管道外护管不挤扁确保蒸汽管道的保温质量是本次技术方案的一个关键技术之一。

为了确保管道在拖拉头的位置不因集中受力而造成外套管挤扁，本项目现场量身订做了“工装”，采用钢板拼接出锥形拖拉头并加设加劲板，确保了管道头部有足够的受力强度；与此同时，本项目在管道端头增加了一节（约12米）的外套管，进一步增加了对蒸汽管道端头的保护作用。

3）本次蒸汽管道外套管设有三布四油防腐层，如何在管道拖拉过程中确保防腐层不被破坏、确保管道正常的设计使用年限是本次技术方案的一个关键技术之一。

保温质量的好坏直接决定蒸汽管道的使用寿命，为确保防腐层不在拖拉的过程中被磨损，本项目采用管道沿线开挖水沟，沟内注水同时加膨润土（泥浆）润滑，从而达到了保护防腐层的良好效果。

4）本次蒸汽管道芯管与外套管之间设有3个支架，如何在管道拖拉过程中确保支架不因管道转动而造成受力方向改变是本次技术方案的一个关键技术之一。

根据设计，蒸汽管道芯管与外套管之间每隔一定间距设置了3个支撑（120度对称设置），管道在拖拉过程中不可避免的会发生转动现象，这样就会造成支撑受力方向改变。经和设计单位沟通将原来设计的3个支撑更改为6个支撑，有效确保了支撑受力，同时也对外套管的刚性进行了加固。

5）本次管道距离长，如何克服管道补偿问题也是本次方案中的一个关键技术之一。

如果因补偿无法满足热网运行的要求，则在运行过程中可能会造成水击质量事故，严重时会造成管道焊缝拉裂、管道支架拉裂进而造成系统无法正常运行而带来其他负面损失。为此本项目召集设计单位、监理单位、补偿器专业厂家召开了专题会议，充分论证了在管道两端加设旋转补偿器的可行性，确保了管道后续的正常运行。

6）提高焊接工艺标准，确保外套管在拖拉过程中不会出现断裂现象也是本项目执行过程中的一项重要质量保证措施。

本项目所有的外套管焊接均采用氩弧焊打底、电焊罩面的施工工艺，对本段拖拉管道实行100%射线拍片；与此同时在焊口外侧对称增加6块加强板来对焊口采取补强措施。

7）人工制造磁场，确保地下管线精确定位是本次非开挖技术的关键因素。

本次“非开挖”技术实施过程中由于需要避开桥桩、高压电缆、市政燃气管道、通讯光缆等干扰因素，管道拖拉最低点深度达21米，如何规避上述障碍物产生的磁场对地下管线定位的干扰是本次技术方案实施的关键因素。本项目最初采用地磁导向定位系统，经过数次的尝试发现由于受周围环境（设施）的干扰，信号无法准确定位，最大偏差在出土点将达到10米。为了准确定位，本项目组织上海市非开挖协会相关专家召开专题会议，会议决定采用地面布设人工磁场定位的方式进行地下管线定位，通过布置地面人工磁场，有效的屏蔽了建筑物（构筑物）、高压电缆等产生的干扰磁场，实现了地下管线深度定位。

4. 主要施工工序

①组织专家论证会。

为确保项目顺利实施，项目立项伊始项目组织单位要组织设计单位、施工单位、专业分包单位、监理单位、社会知名专家对项目做论证，落实专家提出的各种问题后方可开展后续工作。

②确定施工工序流程。

施工人员及设备调遣→设计交底交桩→测量放线一→钻机安装调试→钻导向孔→分级扩孔→第一次清孔→第二次清孔→管道回拖→地貌恢复→收工

③场地清理，确保施工场地有足够的空间。

由于本次管道一次性拖拉长达460米，这对管道预制场地提出了很高的要求，为了尽量规避在拖拉管道过程中再组对管道可能出现拖拉孔洞坍塌的现象，务必提前完成管道组对、焊接。本项目恰巧管道组装场地为空旷绿地，这给管道预制提供了便利条件。

④管道本体准备就绪：

在管道拖拉之前需完成所有管道的焊接、防腐工作，同时为确保管道本体施工质量，需提前对焊口进行加焊加劲板、100%全射线拍片、拖拉之前完成水压试验，确保焊接质量。

⑤管道“二接一”提前就绪：

为减少管道在拖拉过程中因管道对接停留时间过长而造成孔洞塌陷现象，在拖拉之前先将管道两段合并为一段，管道在拖拉过程中不再停顿，一次拖拉成功。

⑥开挖样沟、注水及膨润土润滑：

在管道端头封堵完成后，将管道整体推入开挖的样沟中，同时注满谁并投入膨润土增加管道拖拉过程中的润滑性。

⑦导向、扩孔完成：

提前按照既定的方案完成地下管线的定位、打导向及多级扩孔，确保管线定位的准确性，满足管道拖拉要求。

③管道拖拉：

各项准备工作完成后即可开展管道拖拉工作，在拖拉之前先拖拉一节管道，完成试拖。在确保孔洞顺畅的条件下管道一次性拖拉成功。

5. 性能指标及与国内外同类技术比较

性能指标：本次方案顺利已实施完毕，管道压力、温降指标符合设计要求。与国内外同类技术比较：目前“非开挖”技术应用在大口径、长距离蒸汽管道施工中为数不多，在华电系统业内尚属首例。

6. 对促进行业科技进步的作用和意义

本次项目的成功实施对后续其他项目蒸汽管道的建设提供了借鉴与参考价值，对推进“非开挖”技术在蒸汽管道施工上的研究有着重要意义。

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