劉坤 蘭國霖 趙國輝 陳化昀 周榮
中國石油天然氣管道局第三工程分公司
在金麗溫輸氣管道工程施工中,由于隧道斷面尺寸不一,進(jìn)出口施工環(huán)境不同,且出口斜坡段有安全樓梯,常規(guī)龍門吊設(shè)備無法滿足施工需求。為此,研制了特殊隧道施工用可伸縮式電動龍門架,此機具適用隧道范圍廣泛,具備可拆卸功能,可循環(huán)使用,在上皮山隧道、車龍隧道、江心田隧道工程應(yīng)用中取得良好效果。
金麗溫輸氣管道工程在浙江省天然氣主干管網(wǎng)的南端,線路干線全長220.6 km,管徑為813 mm[1]。管線起于西氣東輸二線金華接收端的金華首站,終于甬臺溫輸氣管道溫州末站。工程上皮山隧道起始樁點為J051-J052,為水下隧道,全長1 546 m。隧道凈空斷面為3.0 m×3.0 m(寬×高),穿越段管道設(shè)計壓力為6.3 MPa,直管段壁厚14.3 mm,熱煨彎管段壁厚17.5 mm。隧道進(jìn)口端斜巷長度445 m,角度6°;出口端斜巷長度462 m,角度21°;中間平巷段長度為639 m。隧道穿越施工的特點為:隧道內(nèi)空間小,距離長,斜巷長度長且坡度大,水平轉(zhuǎn)角大。
隧道施工一般包含隧道內(nèi)照明、通風(fēng)等輔助系統(tǒng)安裝,排水系統(tǒng)安裝,制作運管車和龍門架及進(jìn)行隧道內(nèi)運布管等施工程序。
施工流程:施工前準(zhǔn)備→測量放線→隧道內(nèi)照明、通風(fēng)等輔助設(shè)施安裝→排水系統(tǒng)安裝→隧道內(nèi)運布管→支墩制作→管道組對焊接檢測→防腐補口→錨固墩安裝→測試樁安裝→通球試壓→臨時設(shè)施拆除→隧道口封堵→標(biāo)志樁安裝→地貌恢復(fù)。
由于隧道內(nèi)焊接一般需要龍門架配合運管、布管和組對,龍門架能否在隧道內(nèi)暢通無阻,將決定工序能否順利銜接。通常由于Ⅱ、Ⅲ級圍巖爆破效果差,易造成隧道開挖輪廓凹凸不平有棱角,往往會使隧道洞身內(nèi)部的凈空斷面尺寸大小不一[2-3],因此施工前一定要對隧道整體的斷面尺寸進(jìn)行測量,避免出現(xiàn)龍門架通行受阻的問題。
由于隧道內(nèi)的管材規(guī)格高于一般線路的管材規(guī)格,例如本工程中線路管材為10.0 mm壁厚,上皮山隧道所用管材為14.3 mm壁厚,因此水下隧道的管材一定要按需領(lǐng)取,否則管材短缺或超出實際所需,都將增加施工成本。
水下隧道施工時,施工探水與治水是其重要環(huán)節(jié),也是關(guān)系到工程建設(shè)成敗的主要因素之一[4]。排水及防水措施是隧道驗收的重要內(nèi)容,濕度超出允許范圍將對焊接質(zhì)量產(chǎn)生極大影響,而如果水位得不到有效控制,一旦平巷段焊接完成,易發(fā)生漂管。此外,隧道內(nèi)濕度過大,不僅影響施工人員的身體健康,還易產(chǎn)生用電等安全隱患。
由于相關(guān)規(guī)范以及項目的設(shè)計要求,管道焊口與管道支墩要錯開布置,且不應(yīng)小于1 m。因此,隧道內(nèi)所有基坑的間距以及尺寸必須要根據(jù)圖紙現(xiàn)場復(fù)合,以防管道安裝過程中出現(xiàn)焊口與基坑間距小于1 m的情況。
消除影響因素的有效措施如下:
(1)在施工中,根據(jù)隧道洞身的凈空斷面尺寸制作龍門架,保證龍門架在最小橫斷面尺寸也可自由通行。針對進(jìn)出口兩端的不同施工環(huán)境,將龍門架進(jìn)行了改進(jìn),使其具有伸縮性,以適應(yīng)不同區(qū)域,同時為了防止龍門架在隧道內(nèi)跑偏,在龍門架可伸縮端設(shè)置了支撐導(dǎo)向輪,如圖1所示。
(2)申請管材調(diào)撥前,不迷信圖紙,要與隧道施工方及時溝通,并去現(xiàn)場實際測量,根據(jù)實際測量結(jié)果上報所需管材。
(3)隧道驗收過程中明確責(zé)任劃分,并在驗收前進(jìn)行長時間觀察:隧道排水設(shè)施是否可靠,內(nèi)襯是否有大面積漏水等現(xiàn)象。施工過程中要安排專人監(jiān)護(hù)排水設(shè)施,出現(xiàn)問題及時上報解決。
圖1 改進(jìn)后的龍門架Fig.1 Improved gantry crane
(4)隧道施工前根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)繪制實際基坑布置圖,盡量利用管材的原長調(diào)節(jié)焊口與基坑的距離,特殊情況可使用短節(jié)。
(5)檢查諸如底板厚度、混凝土質(zhì)量等是否符合規(guī)范設(shè)計要求。
U型斜巷隧道焊接順序一般為平巷段→緩坡段→陡坡段。
(1)首先在平巷段焊接,可使管線“生根”。相較于斜向段,平巷段管道更容易固定,不易發(fā)生滾管、滑管等現(xiàn)象,且平巷段的作業(yè)難度相對較小,可以給作業(yè)人員由簡入難的適應(yīng)過程。
(2)平巷段焊接完成后,可立即進(jìn)行錨桿施工,底板、管卡安裝,支墩混凝土澆筑等后續(xù)作業(yè),使工序更加緊湊合理,還可起到穩(wěn)管作用。當(dāng)隧道內(nèi)水位得不到控制時,還可防止發(fā)生漂管。
(3)平巷段位于隧道中間,平巷段的管段焊接完成后,如需趕工,可增加焊接班組,從兩邊斜巷段相向施工,縮短工期。
由于涉及到底板、管卡等安裝,隧道內(nèi)永久性支墩一般是在管線安裝完成后才開始制作,因此焊接過程中需要設(shè)置臨時支墩。上皮山隧道使用枕木作為臨時支墩,利用鋼釘在枕木上固定兩塊三角掩木,可起到很好的防滑、防滾效果。同時,利用沙袋每隔50 m 設(shè)置一個通墩,即利用沙袋作為臨時支墩,延長至隧道內(nèi)壁,形成一個橫貫隧道縱面的臨時支墩。
隧道內(nèi)的運布管一般有兩種方式:一種是利用特制的運管炮車將管運至隧道內(nèi),利用龍門架卸管、組對;另一種是在隧道口安置卷揚機,利用鋼絲繩牽引,使用龍門架運管。前者速度較快,適合平巷段和緩坡段;后者速度慢,適用于炮車無法通行的陡坡段。
卷揚機的選型主要從最大牽引力、運行速度、安全等幾方面進(jìn)行考慮[5]。卷揚機的功率根據(jù)牽引外力的最小值確定,牽引外力主要由運管小車、鋼管質(zhì)量,以及軌道與小車間的摩擦力決定。
根據(jù)制作材料估算,小車(龍門吊、引導(dǎo)輪)的總質(zhì)量約3 t。鋼管規(guī)格為Φ813 mm×14.3 mm,按照單根管子最大長度12.5 m 計算,鋼管密度7.8 g/cm3,鋼管質(zhì)量約為3.6 t,小車與鋼管合計6.56 t。
圖2 鋼絲繩受力分析Fig.2 Stress analysis of wire rope
如圖2所示,鋼絲繩所受拉力為
式中:f為小車載重時的摩擦力,根據(jù)摩擦系數(shù)表可查鑄鐵與軋鋼之間摩擦因數(shù)最小為0.05,可以計算出F=2.4 t。
根據(jù)《鋼絲繩》GB/T8918—1996、《一般用途鋼絲繩》GB/T20118—2006[6]及鋼絲繩在礦井、斜井和豎井使用的拉張安全因數(shù)不小于5的規(guī)定,取安全因數(shù)為5,鋼絲繩破斷拉力不小于5 F,即12 t。因此,根據(jù)《鋼絲繩分類及直徑測量辦法》確定,直徑為17.5 mm的6×37(6股鋼絲繩每股鋼絲繩有37 根鋼絲)鋼絲繩即可滿足要求。根據(jù)《卷揚機安全》選取卷揚機的功率為22 kW,根據(jù)國標(biāo)確定鋼絲繩直徑為17.5 mm就能滿足要求,上皮山隧道施工現(xiàn)場選用的鋼絲繩尺寸為19.5 mm,可承受拉力16 t,滿足拉力要求。
隧道出洞口端設(shè)置1 臺10 t 卷揚機,用于牽引管道和焊接設(shè)備。根據(jù)運管所需牽引力,10 t卷揚機配裝直徑19.5 mm 的6×37 鋼絲繩即可,容繩量可達(dá)到1 200 m,滿足本隧道長度的需要。
卷揚機地錨采用臥式地錨形式,錨樁按照300 kN載荷(P)受力選取,地錨抗拔穩(wěn)定性安全因數(shù)K取3,受力分析見圖3。
圖3 地錨受力分析Fig.3 Stress analysis of ground anchor
根據(jù)卷揚機受力及地錨拉線引出角度,地錨拉線與地面夾角α為30°,錨樁為Φ273 mm×10 mm無縫鋼管包敷混凝土,長6 m。
地錨安全應(yīng)滿足如下關(guān)系式
式中:G為作用在鋼管上的土重;T為摩擦阻力;F2為地錨荷載的垂直分力,F(xiàn)2=Fsinα;K為地錨抗拔穩(wěn)定性安全系數(shù),此處選擇3;B為鋼管直徑,此處為273 mm;B′為壓力區(qū)有效寬度,B′=B+Htgφ;H為鋼管埋入深度,此處為3 m;φ為土的內(nèi)摩擦角,松土取15°~20°,一般土取20°~30°,堅硬土取30°~40°,此處取30°;L為鋼管長度,此處為6 m;ρ為土的容重,此處為17.2 kN/m3;μ為摩擦因數(shù),無木壁取0.5,有木壁取0.4,此處取0.5;F1為地錨荷載F的水平分力,F(xiàn)1=Fcosα。
經(jīng)計算,(G+T)/F2≈3.22 ≥3,地錨制作符合安全要求。
卷揚機安裝場地要壓實、平整,做好塌方、滑坡的防護(hù)工作,經(jīng)HSE 監(jiān)督員組織檢查確認(rèn)后方可施工[8]。檢查制動器是否正常,調(diào)整好制動瓦與制動輪間隙,使制動器處于良好工作狀態(tài)[9]。
焊接環(huán)境直接影響焊接質(zhì)量【10】,而水下隧道焊接,濕度控制是關(guān)鍵,因此要按照焊接工藝要求實時監(jiān)測隧道內(nèi)的潮濕度,焊接前對管段進(jìn)行預(yù)熱,達(dá)到工藝要求的預(yù)熱溫度。由于空間受限,如何方便地移動焊接設(shè)備就成了提高施工效率的因素之一。為此,研制了管上行走小車,如圖4 所示,將熊谷焊機安置在這種設(shè)備上,通過兩邊的滾輪可以輕松地在管段上滑行,提高了施工效率。
(1)設(shè)備在隧道管道施工中無需鋪設(shè)鋼軌,作業(yè)效率高、成本低,實現(xiàn)了運布管作業(yè)與對口作業(yè)同步機械化流水作業(yè)。
圖4 管上行走小車展示Fig.4 Display of walkable trolleys on pipeline
(2)可通過1 個遙控器來實現(xiàn)2 套自行龍門架的聯(lián)動控制或單獨控制,實現(xiàn)了運布管行走和管口組對作業(yè)的精準(zhǔn)控制,操作方便、安全可靠。
(3)設(shè)備具備可伸縮性,施工時不受隧道洞身橫截面積的影響,保證了作業(yè)的連續(xù)性。
(4)適用于多種管徑的隧道施工,使用不同型號的槽鋼制作,在滿足承載力的條件下,在610~1 219 mm范圍管徑都可應(yīng)用。
(5)龍門架可搭載焊機、施工用具,提高了隧道內(nèi)管道施工自動化水平,實現(xiàn)了運布管與對口同步化,節(jié)省了工序銜接時間,降低了人工勞動強度。
(6)設(shè)備通過外接動力電行走,無需拖拽,在無線遙控下行走靈活,在隧道內(nèi)運行噪聲小,避免了施工人員在狹小空間承受噪聲危害。
U型斜巷水下隧道的施工是一項綜合復(fù)雜的多任務(wù)處理過程,在保證安全、質(zhì)量的前提下,盡可能周密布置施工任務(wù),同時要針對其特殊的施工環(huán)境開展技術(shù)創(chuàng)新,以提高工效??缮炜s式電動龍門架解決了普通龍門架在U型隧道中無法正常施工的難題,提高了工效,并且適用于各種類型的隧道,且具有可拆卸性,一般的雙排車即可倒運,因此可在隧道焊接工程中推廣應(yīng)用。