關于大直徑鋼管穿越套管方法改進的研究

◎甄曉桐 中交四航局第二工程有限公司

劉 源 海南省建設項目規劃設計研究院有限公司

智永勝 中國船舶重工集團新能源有限責任公司

1.工程概況及研究背景

2018年以來，唐山市先后出臺《唐山市建設生態唐山實現綠色發展工作方案》、《唐山市全域治水清水潤城工程工作方案》，致力于全面實施全域治水、清水潤城工程，其中引邱入城管線工程是唐山市環城水系提升改造綜合治理PPP工程重點項目之一。本項目自唐山市豐潤區邱莊水庫取水，途經多個鄉鎮，區域廣，難度大，管線全長36km，管道選用DN1400（鋼管+PCCP管）供水管道，涉及6處穿越鐵路頂管施工和9處穿越公路頂管施工，穿越部分均采用鋼筋混凝土套管做支護，套管內為壁厚16mm長6m鋼制管道，但套管內空間狹小無法完成管道焊接施工，需將每節鋼制管道在混凝土套管外焊接完成再送入套管內完成穿越套管。本工程穿越鋼管每根大約3.3噸，在狹小空間內，長距離鋼管無法使用汽車吊、履帶吊等吊裝設備推動鋼管，為避免鋼管與套管間滑動摩擦對鋼管外防腐和管口造成損壞，本項目提出一種在管道外壁焊接滑輪的方法完成管道穿越。

目前國內針對大口徑管道穿越套管的方法已相對成熟，多項實用新型專利得以運用，例如中國石油天然氣股份有限公司的孟憲山等在《一種管道穿越套管的移動式管道支架》中提出一種可調節的小車設備，該新型小車可調節底座、輪桿和上蓋已達到匹配所運輸管道的口徑，該方法可安全和高效地利用拖拽法完成管道套管穿越工序。再如蘇寶中在《履帶式可調管道支架》一文中提出一種可調節的履帶式管道支架，完成套管內管道運輸。但設備使用并不廣泛，且設備制作工藝較復雜，針對本工程施工范圍較大，施工工期分散，施工空間狹小，工期緊的特點，上述施工設備不能很好的滿足施工要求，且造價較高，針對本工程特點亟需一種簡單易行且造價低的方法完成管道穿越工作。

2.工藝對比與分析

本工程全長36km，其中穿越部分共計15處，本工程設計院唐山市水利規劃設計研究院針對穿越部分設計內容如圖1所示，為在套管內鋪設1000×214mm，混凝土墊層，在混凝土墊層兩邊間距944mm預埋L50×50×6角鋼，角鋼與管道中心軸對稱，待混凝土墊層與角鋼凝固壓實后，上覆小角度U形鋼肋板作為鋼管管床，鋼托架與鋼管焊接間距2m。該設計將混凝土套管與管道間的滑動摩擦轉換為角鋼與鋼肋板間的滑動摩擦，雖然減小了摩擦系數，但始終為滑動摩擦，未改變摩擦方式且該設計較復雜，耗時耗材。

圖1 套管內管線剖面圖

結合本項目類型為PPP項目，可根據現場情況與設計溝通改變圖紙施工內容，考慮到本工程施工范圍較大，施工工期分散，施工空間狹小，工期緊的特點，本項目前期嘗試了多種方法完成套管內鋼管穿越，如在冬季施工中，利用冰塊摩擦力較小的特點，在鋼管與套管間鋪墊冰塊完成管道穿越；再如鋪墊細砂的方法，減少鋼管與套管間的摩擦系數，雖然都完成了鋼管穿越，但對鋼管外防腐破壞較大，在后期的運營中易引發鋼管生銹破裂的風險。結合現場實際及前人經驗本文提出一種焊接滑輪的方法完成管道穿越施工，如圖2所示。在穿越馬陡路頂管施工中采用在鋼管底部與設計院角鋼相同位置焊接滑輪，使管道承重呈三角形分部，避免管道在滑動過程中出現偏移或由于受力不均發生傾斜，將鋼管與套管間形成滑輪直徑大小的間距，在卷揚機的帶動下，使鋼管在套管內由滑動摩擦轉化為滾動摩擦，每節管道焊接一組滑輪，在吊裝設備的推動下完成管道穿越。

圖2 滑輪焊接及及套管內穿越示意圖

該方法將焊接滑輪處外防腐去除焊接滑輪支架，在焊接支架外側涂抹外防腐，滑輪為半徑65mm×35mm實心鋼制滑輪如圖3所示，每組滑輪與管道軸中心對稱。該方法優勢主要體現在以下幾個方面：1）滑輪均為廠家預支滑輪，現場完成每組滑輪焊接需2小時，而設計設計混凝土墊層養護時間較長，最少7天以上，焊接滑輪的方法使工期縮短了30倍，焊接示意圖如圖3所示；2）每組滑輪造價4000元，每節鋼管安裝兩組滑輪，相較于設計混凝土墊層加角鋼支撐造價相當，但焊接滑輪簡單易行；3）焊接滑輪在套管外側進行，而混凝土墊層及角鋼的安裝均在套管內進行，焊接滑輪較安全。該方法可完成長距離套管無法完成管道穿越的難題，且對管道端頭無磨損，可直接進行后續焊接工作，節省了后續切割焊接的施工工序，加快了引邱入城管線工程完工時間。

圖3 滑輪示意圖

3.關鍵技術及展望

該輔助設備的關鍵技術在于將管道間的滑動摩擦轉化為滾動摩擦，使鋼管在套管內在很小的拖拽作用下完成管道穿越，且該滑輪為實心鋼制滑輪，可承受管道自重帶來的壓力，以免造成滑輪在管道內發生脫落，使管道穿越工作更加困難。該滑動設備的設計理念基于滑輪，在套管內空間狹小，且每根管道自重3.3噸，小型拖拽設備無法拖拽管道，而大型滑動或拖拽設備無法安裝，因此將管道自身設計為“滑動小車”的形式，在套管外側運用小型拖拽設備或吊機進行推動完成管道穿越。

本設計滑輪設備可運用于引邱入城管線工程其他未完成管道穿越的頂管施工段，同時推廣運用于其他管道穿越施工中，在唐山二期項目曹妃甸區灤河下游輸水干渠西延工程、青龍湖管線生態補水工程中涉鐵、涉路段均可采用本文的施工工藝。針對不同管道的直徑選擇相同角度焊接滑輪，使管道在套管內順利滑動，完成管道穿越。該滑輪焊接設備主要經濟指標在于其造價低，使用便捷，每處管道穿越可根據管道長度自行調整焊接滑輪數量，其社會效益可運用于其他管道穿越施工中或應用于其他大型吊裝設備無法吊裝的施工區域。

4.結語

唐山市是我國重要的鋼鐵生產基地，工業的發展造成當地水污染嚴重，各項指標嚴重超標，水環境的治理迫在眉睫，引邱入城管線工程的實施將為市區每日供應13萬方清潔的淡水資源。綜上所述，本工程使用焊接滑輪的方法、低成本的完成所有涉路、涉鐵段大直徑鋼管穿越混凝土套管的施工工作，最終使本工程按期完成順利通水，得到了業主的一直好評，同時為本工程其他重點項目樹立了良好的榜樣，爭取了足夠的工期，為唐山市水環境的改善增加了籌碼。