川气东送管道青弋江穿越方案的设计

内蒙古石油化工　　　　　　　　　　2012年第1期　

X

川气东送管道青弋江穿越方案的设计

张智勇,刘合毅,沙俊飞

(华东管道设计研究院,江苏徐州　221008)

　　摘　要:长输管道的河流大型穿越方案的确定受河流的地质条件、水文条件、地层情况、穿越环境、河流防洪等因素的影响,本文结合川气东送管道青弋江穿越方案设计的实例,论述了管道穿越位置比选、管道埋深确定、管沟开挖要求、管道配重及稳管计算,并对青弋江大开挖(漂管)穿越工艺进行了介绍,设计方案与施工方案有机地融为一体。本文对其它河流穿越具有较高的借鉴意义。

关键词:穿越工程;设计方案;选择;优化

　　中图分类号:TE973.9　　文献标识码:A　　文章编号:1006—7981(2012)01—0042—041　工程概况

川气东送管道工程管道西起川东北普光首站,东至上海末站,主干线自西向东途径四川、重庆、湖北、安徽、江苏、浙江、上海六省一市,管道全长2203km,管道设计输量120×108m3/a,设计压力10.0MPa。

主干线青弋江穿越工程位于安徽省南陵县弋江镇和宣城市宣州区文昌镇交界处,在G318国道青弋江大桥上游约1km。穿越段管道设计压力10.0MPa,规格为51016×21.0×70直缝埋弧焊钢管,采用高温型三层PE加强级防腐,双组分液体环氧内减阻涂层。原设计采用定向钻穿越方式,长度为727.5m,实际穿越过程中,因河床地质条件复杂,采取了多种措施穿越均未成功,为满足项目总体工期要求,应项目部要求,青弋江穿越改为大开挖方式。2　设计方案

2.1　穿越位置的选择

根据现场踏勘,原定向钻穿越断面上游500m为国道G318公路桥,下游1km处开挖穿越青弋江的位置选在原定向钻穿越断面附近,通过局部调整管道路由避开民房作为开挖穿越路径。根据现场踏勘,结合青弋江穿越附近的地形地貌和场地状况,提出以下三个备用方案进行方案比选,三个方案的位置详见图1。

方案一:中间断面,原设计定向钻断面;方案二:下游断面,在原定向钻穿越断面下游约500m;方案三:上游断面,在原穿越在原定向钻穿越断面上游约700m。

2.1.1　施工工艺比选

方案二为基础设计时的初勘断面,工程地质与现穿越断面条件近似,由于各穿越断面相距较近,且都位于青弋江中游,可估推方案三的工程地质与下游断面的地质也相近,故采用定向钻穿越的施工工艺及难度变化都较大,且方案三为两次定向钻穿越,定向钻穿越的实施难度更大。

2.1.2　工程量比选

由于原定向钻穿越两侧的连接管线已敷设至定向钻穿越的入出土点附近,工程量差别较大。采用方案一开挖穿越青弋江的长度为500m,两侧连接线的长度为251m不需要拆除已建管线;采用方案二开挖穿越青弋江的长度为470m,两侧连接线的长度为1062m,拆除已建管线605m,采用方案三需两次开挖穿越青弋江,一次穿越长度为260m、一次穿越长度340m,还需新建连接线2040m,拆除已建管线930m。其中方案二开挖穿越青弋江的长度稍短,但需新建的部分连接线较长;方案三虽然将青弋江的穿越分成两次开挖穿越,但开挖实施的难度相应变化不大,同时新建的管线长度最长,拆除已建管线的工程量也较大。由于开挖的实施的难度相近,方案一的工程量变化小,工程投资也最小,所以推荐采用方案一,通过局部调整管道路由避开民房作为开挖穿越路径。

2.1.3　推荐方案工程量

根据推荐方案(方案一),青弋江在原定向钻穿越断面上改为开挖穿越,开挖长度为512m,其中河道部分380m。采用爬越方式通过大堤后,与两岸已施工的管线相连,两岸连接线的开挖长度为223m。2.2　穿越处自然状况2.2.1　地形地貌

穿越处青弋江河道断面呈不对称“U”型,穿越处河床宽约340m,水面宽290m,洪水期水面宽可达400m。两岸阶地高出河床4～6m,土质人工防洪大堤高出河床约10m;两岸均为自然岸坡,坡度约50～65°。穿越段河道较顺直,主河道靠东岸,河床宽约320m,水面宽约260m,水深一般2.0～5.0m,河床地质为卵石;河道中有较多江心滩,江心滩多呈狭窄条型,为人工采砂取石堆积而成;由于近年来人工采沙取石规模较大,目前穿越段最大水深已达7m。2.2.2　工程地质

根据《川气东送管道工程青弋江穿越岩土工程

X

收稿日期:2011-11-15

　2012年第1期　　　　张智勇等　川气东送管道青弋江穿越方案的设计

勘察报告》,场地地貌单元为河流侵蚀堆积地貌。河床底部地层结构主要为松散的卵石,粒径为2～11cm,最大约15cm,次圆状-扁平状,磨圆度较好,分选性差,卵石含量约70～80%,其母岩成分主要为石英砂岩;充填物为中细砂。厚度为4.3～7.9m,河床地貌极为破碎。

卵石层下部依次为强风化粉砂质泥岩层和中风化泥质粉砂岩层,中风化基岩自然单轴极限抗压强度标准值为3.37MPa,饱和单轴极限抗压强度标准值为1.55MPa。2.2.3　交通情况

43

根据图1所示的管沟断面尺寸,水下开挖部分管沟的石方量计算公式如下:

V沟=(D+4+

H/n沟)×H沟×L沟=(1.016+4

+6.5×3)×6.5×380=60555m3

式中:V沟为管沟石方量,m3;D为管外径,m;H为管沟深度,取6.5m;n为边坡比,取1∶3;L沟为管沟长度,取380m。2.4.3　两岸管沟开挖

两岸穿越出河床至大堤段挖深均超过10m,河滩断面高差分别为5m和7m,南岸河堤内脚到河滩边缘、北岸河滩边缘到爬上滩地弯头间管沟可采用穿越段两端有乡村公路、防洪堤公路与国道G318相接,距国道约0.5km～2km,交通运输较为便利。

2.3　管道埋深的确定

根据穿越断面处的河流情况,确定此次青弋江穿越工程等级为大型穿越,设计防洪等级按百年一遇洪水标准设防,开挖敷设穿越管道的埋深应在百年一遇设计洪水冲刷线下≥1.0m。穿越工程河段的设防标准约为20年一遇,两岸防洪堤的防洪等级较低,管道过堤考虑采用爬越方式通过,管道与堤防间的间隙用粘土回填,不得含有植物根茎、砖瓦垃圾等杂质,压实度不小于0.9。

根据定向钻地勘报告中的冲刷线2.34m、考虑1.0m余量,管顶上有安全覆土层,管沟开挖深度定为5.5m(从河床基准向下),保证管顶埋深不小于3.5m。

管沟需小部分开挖基岩层。2.4　管沟开挖2.4.1　水下管沟开挖

河道内380m管沟采用挖泥船水下开挖,边坡系数1∶3,沟底宽度5m,平均开挖深度为6.5m,管沟上口宽度为44m。

管沟尺寸见图1。

图1　管沟断面尺寸示意图(mm)

由于沟槽在水下,有其特殊性。管沟水下开挖也可以根据水流速度、开挖深度和施工方法等因素通过试挖来确定。河底管沟应平直,中心线偏移量不应超过500mm,管沟深度须符合设计要求。2.4.2　水下管沟开挖石方量

挖掘机分层开挖,分两阶坡比按1∶3,沟底宽度3m。两岸大堤外侧至与主管线连头部分按照正常埋深(管顶覆土为1.2m)进行管沟开挖。2.5　管道配重2.5.1　管道配重方式

为防止管道上浮及遭受其他外力的破坏,需对位于水面下的管道采用压重设计,压重采用装配式混凝土配重块,结构如图2所示。

图2　配重块结构图示

2.5.2　配重块数量计算2.5.2.1　主要设计参数

钢管外径为1.016m;钢管壁厚为0.021m;河道内需要配重的管道长度取380m;3PE防腐层厚度为0.0037m;配重块密度为2500kg/m3;每套配重块体积为0.303m3;每套配重块的宽度为0.5m。2.5.2.2　防腐管道每米自重G

G=G1+G2=(D-D1/2)PD1×1×r铁+(D+D2/2)PD2×1×r腐=(1.016-0.021/2)×3.14×0.021×1×7800+(1.016+0.0037/2)×3.14×0.0037×

1×950=528kg/m

2.5.2.3　防腐管道每米浮力F

F=[(D+D2/2)2]2

P×1×r水

=[(1.016+0.0037)/2]2×3.14×1×1000

=816kg/m

2.5.2.4　防腐管道水中净重F净

44

F净=F-G=816-528=288kg/m2.5.2.5　配重块每套自重G块

G块=r砼gV块=2500g×0.303=758kg2.5.2.6　配重块每套水中浮力F块浮

F块浮=r水gV块=1000g×0.303=303kg2.5.2.7　配重块每套水中净重

G块净=G块-F块浮=758-303=455kg2.5.2.8　配重块需要数量N

内蒙古石油化工　　　　　　　　　　2012年第1期　

根据《输油管道工程设计规范》要求,小型穿越工程抗浮系数应不小于1.2,大、中型穿越工程抗浮系数应不小于1.3,本工程抗浮系数取1.5。

N=F净×380×1.5/G块净=(816-528)×380×1.5/455=380套

式中:G为防腐管每米自重,kg/m;G1为钢管每米自重,kg/m;G2为防腐层每米自重,kg/m;G块

为配重块每套自重kg/套;D为钢管外径,m;D1为钢管壁厚,m;D2为防腐层厚度,m;r铁为钢管密度,kg/m3;r腐为防腐层密度,kg/m3;r水为水密度,kg/m3;r块为配重块密度,kg/m3;F为防腐管道每米浮力,kg/m;F净为防腐管道每米水中净重,kg/m;V块为每套配重块体积,m3;G块净为配重块每米水中净重,kg/m;N为配重块需要数量,套。2.5.3　配重块安装

配重块安装前,用橡胶板对穿越管段连续包覆,然后用编织带对橡胶板进行固定。用铁驳船将配重块拉运至管段边缘,用简易浮吊组装配重块。2.6　光缆套管安装

本工程需要同步穿越光缆一条,光缆采用硅管套管采用

140×4.5mm的钢管,焊接时保证焊缝底部无瘤。为使硅管安装牢固,套管采用抱箍固定方式,将套管紧紧固定在穿越管道压重块上,抱箍用40mm宽4mm厚扁铁按配重块外形制做,中间用M8螺栓连接,箍环用

6mm钢筋折弯成

150mm

圆环与扁钢焊接,安装时每5m一个。待穿越管段就位后、配重块安装过程中进行绑缚。

硅管套管安装形式分别见图3和图4:

图3　硅管套管安装示意图

图4　钢制抱箍示意图

2.7　管沟回填与稳管2.7.1　管道悬空处理

沉管就位后,由潜水员对管道全线进行巡视,用水下电筒照明,通过肉眼观察并用手触摸检查管道是否与管沟底吻合。对于局部悬空处,由潜水员定位进行补填(即用垫层料进行补填,让垫层充满管底或用砂袋塞填使垫层完全与管底吻合)。2.7.2　管沟回填

穿越管段下沟回填时,先回填的河砂粒径不得大于20mm,也可采取抛沙袋回填管沟,回填至管顶以上1m,水下管沟长度380m,沟底宽度5m,需填袋装沙土8476m3。

然后采用卵石进行回填,卵石粒径不大于250mm,也可采用压石笼、浇注水下不发散砼进行稳管。要求回填至原状河底高程,且保证管顶覆盖层不小于3.5m。

管沟回填如图5所示。

图5　管沟回填图示(mm)

2.7.3　稳管

沿穿越管段上下游各抛3排石笼,顶部用石笼压盖。每5m一组,共72组,每组石笼12个,共需石笼864个,石笼用8#钢丝制作,网孔尺寸为8cm×10cm,每个石笼穿6根516的圆钢做筋,石笼长3.5m,断面尺寸0.6m×0.6m。装填卵石粒径≥20cm,

从选石场购运到岸上预制场。往铅丝笼中放石料要认真,放置的石块应稳定并相互挤紧,不能有空洞和悬石现象。搬运和抛填时,保证铅丝石笼完整无破

　2012年第1期　　　　张智勇等　川气东送管道青弋江穿越方案的设计

坏,出现破坏的重新编制抛填。编织好后用吊车装船运送抛掷。

石笼抛掷完成后,用水下不发散混凝土将石笼组之间的间距填满(间距1.5m、高度1.2m),并浇注到石笼顶面上300mm厚,沟宽5m,砼标号为C20,共需浇注水下不分散砼1139m3。待水下混凝土浇筑完成后,先把管沟上部用原卵石回填到沟宽15m,再将管沟开挖清理出来、单独存放的大粒径的卵石,采用装载机和驳船运到江中管沟位置,抛掷入管沟到河床标高(管顶3.5m以上的3m部分)。2.8　水工保护

45

开挖出的土方堆放在作业带外不影响作业区安全的区域。管沟发送。管道发送采用小平车轨道发送。牵引采用卷扬机,吊管机或挖掘机配合,入水前绑置浮筒,采用浮拖法过江。在河岸一侧开挖发送道,铺设带有一定坡度的管道专用发送轨道;管道入水前在轨道前方固定一组滚轮。在铁轨车上进行穿越管段的组焊、检测、补口,直至试压完成。在河对岸修牵引道,牵引穿越管段,管段拖头采用专用拖头,管段牵引采用两组钢丝绳:一组为主牵引钢丝绳,另一组为拔销钢丝绳,钢丝绳发送采用小绳牵大绳的方法进行。管沟稳管。穿越管段牵引时,为防止管段由根据宣城市及南陵县水利部门及河道部门要求,管道施工完毕,应对青弋江两岸河堤及岸坡做水工保护。本工程河堤加固施工由水利部门出设计图纸,单独编制施工方案。2.9　水下管道标识设置

为了防止来往船只或采砂船在附近抛锚,在河的两岸应设置警示牌,以确保管道安全。本工程在穿越断面上下游醒目位置设置两套水下管道警示标识,两岸河堤内外各埋设1个穿越标志桩。3　施工工艺简述3.1　施工难点

穿越段河流不通航,大型作业船不能进场,只

能采用组装式挖泥船,进出场周期长费用大,作业效率也低。穿越断面河床破碎,管沟作业难度大。两岸河堤内侧滩地均较窄,不具备作为预制场地的条件。

施工期正是河道主汛期,防洪要求严格,河

堤不能破坏,穿越管段只能选择在河道内预制,受洪水影响大。

为保护管道免遭破坏,连续覆盖加重

块,重量大,发送困难;预制场地漂管需清理大片河床,河道清理工程量大。3.2　施工工艺

3.2.1　穿河段管段施工

青弋江穿越工程穿河段管段施工,采用岸上预制管道,河道内挖泥船水下开挖成沟、岸边挖掘机配合开挖,轨道发送、牵引过河、浮筒漂管、水上安装配重块及硅管套管和注水沉管下沟的施工工艺。

具体步骤如下:

管道预制场地的选择。管道预

制场地的选择考虑作业面和发送需要,优先设在河岸与河床高差较低的一侧,以方便发送。因宣城水务局不同意开挖河堤,最终预制场地选择在南岸河床内。

河道内管沟开挖。河道内管沟开挖采用多艘

液压抓斗挖沙船分层联合作业,开口和底部宽度要足以满足埋深要求,消减施工过程中河流涨水回淤影响,挖出的砂石进行砂、卵石分离,用船只转运到指定堆放位置分别存放,防止堵塞河道、污染河水,管沟回填时再取用,按设计要求分别进行中粗砂回填和卵石回填。河岸段管沟开挖用挖掘机和推土机配合,开挖河床水面以上部分,水下部分用挖沙船开挖。南岸发送通道用挖掘机和推土机开挖。挖掘机

于坡度和惯性滑入水中,在管道的尾部进行反向牵引;管道均匀牵引漂浮过河,采用全站仪定位;管道到位后水上安装配重块,采用拖拉机牵引钢丝绳拉插销的方式逐步解开浮筒,使浮筒上浮;然后往管道内注水,使管道一次沉管入沟。检测深度符合要求后回填,先回填细砂,再回填原河床质料,最后回填卵石至原河床高程。为防止当地采砂破坏管道,沉管后抛石笼进一步稳管,再用水下不发散混凝土浇筑,管沟内散抛大卵石。3.2.2　陆上管段施工

两岸陆上管道,按照设计图纸,河堤采用沿堤面敷设,管上砌筑管涵并覆土的方法,其余管段施工按照一般地段方法进行。4　体会

河流穿越方案的选择除了受地质条件、穿越位置、穿越长度的限制,还受地方水利部门、防洪、施工季节不同以及工期要求等因素影响,所以在选择河流穿越方案时,首先要满足工期的要求,同时还要加强与地方水利部门沟通,根据施工季节的不同,在满足水利部门的要求下选择最优的穿越方案和适当的施工工艺确保穿越成功。正由于我们对上述因素考虑比较全面,2009年9月青弋江穿越施工取得圆满成功。

[参考文献]

[1]　(GB50251-2003)输气管道工程设计规范

[S].

[2]　(GB50423-2007)油气输送管道穿越工程设

计规范[S].

[3]　川气东送管道工程青弋江穿越测量资料.[4]　川气东送管道工程青弋江穿越岩土工程勘察

报告.

[5]　宣城市水务局.关于川气东送管道工程青弋江

穿越施工方案的批复.

[6]　南陵县水务局.关于川气东送管道工程青弋江

沿河圩堤防穿越施工方案的批复.

[7]　川气东送管道工程青弋江大开挖穿越工程施

工组织设计.