王鹏宇,胡成洲,王春林,李 超,王本明,苗 绘
国家石油天然气管网集团有限公司建设项目管理分公司,河北廊坊 065000
水网地区土层富含水、土质松软、承载力低，而在我国经济较为发达的江南水网地区，还具有养殖塘分布密集、环境敏感点多的特点，给机械化程度较高的大口径天然气管道工程施工带来了诸多挑战［1-6］。
一是水网地区水资源比较丰富，生态红线、生态空间管控区域密集分布，沿线环境敏感点多。
二是经济较为发达的水网地区村庄、房屋、工厂较为密集，乡村道路发达，管道穿越埋地电（光）缆、燃气管道、饮用水管道等地下障碍物多，地方政府规划政策性强，协调难度大，影响整体施工进度。
三是水网地区水道纵横交错，湖泊、水塘、河流星罗棋布，地表以连片水稻田为主，沟渠纵横，局部地区养殖塘分布密集，以在建的中俄东线天然气管道工程（连云港—泰兴）为例，河流、沟渠小型穿越共1 911处，平均4.2处/km，造成顶管、定向钻穿越数量多，热煨弯管使用量大，施工断点多，全自动焊接机组连续施工作业受阻，降效严重。
四是水网地区全年降水量大且多种植水稻，常年遭水浸泡，土壤承载力低，大型施工设备自身行走、吊装作业困难，常规的布管、组对焊接、下沟等工序很难正常开展，特别是对自动焊工艺焊接过程的稳定性造成影响，导致焊接质量不易控制。
因此，需要在管道设计时充分考虑并优化作业带布置、管道敷设方式、管道保护措施等，在施工过程中需对施工便道修筑、施工作业带修筑、运布管、焊接施工、沉管下沟等方案进一步完善，合理选择焊接工艺并优化机组配置，才能切实提高水网地区大口径天然气管道的施工效率并保证施工质量。
2.1 管道敷设方式
针对水网地区地形地貌分布特点，大口径天然气管道的敷设主要以开挖、顶管和定向钻三种方式为主。
（1）针对地势平坦的连片水田地段，管道敷设选择开挖直埋的方式，见图1。管顶埋深一般控制在1.2～1.5 m之间。对于水田之间的灌溉渠，由于分布较为密集，且深度往往较浅，管道在此区域也可采用开挖直埋的敷设方式，管顶埋深一般控制在1.5～2.0 m之间。
图1 管道在水田区域采用开挖直埋方式敷设
（2）针对两岸村庄房屋分布密集的干渠及小型河流、国省干道、乡村道路等区域，为缩减作业面宽度、减少施工期间的房屋拆迁量以及避免长时间中断道路通行，管道穿越上述区域时一般采用顶管穿越的方式，顶管深度应满足河流、沟渠等防洪要求，见图2。
图2 管道在国省干道及房屋密集区域采用顶管穿越方式
（3）对于大中型河流、分布密集的沟渠和连片的养殖塘以及不适合采用顶管穿越的区域，采用水平定向钻的穿越方式，见图3。定向钻穿越长度、深度等需结合现场实际情况确定。
图3 管道在沟渠密集区域采用定向钻穿越方式
2.2 管道保护措施
针对养殖塘、道路、小型河流沟渠等不同穿越地段，应制定相应的管道保护措施。
（1）养殖塘地段。为了防止养殖塘定期清淤对管道造成影响，采用管道上方铺设“U型”混凝土预制块进行保护，此种保护方式同时具有配重稳管的作用。
（2）穿越道路区域。采用混凝土盖板涵对管道进行保护，此种保护方式既可以保护管道不受道路荷载的影响，同时也可降低第三方施工时对管道造成的破坏。
（3）穿越小型河流沟渠区域。采用混凝土配重块进行稳管保护，同时在河流沟渠的底部设置混凝土盖板过水面，防止河道清淤时对管道造成破坏。
以国内水网地区在建的某管道工程为例，管道保护方式见图4。
图4 管道保护方式
（4）河流、沟道段。当管道与河流、沟道交叉敷设时，不可避免地会受到水流冲刷侵蚀的影响。防护措施主要包括坡式护岸、挡墙式护岸、过水面、石笼护底、混凝土浇筑稳管、防冲墙等。采用围堰开挖方式穿越河流时，施工结束后应及时拆除围堰，弃土运至附近的管道作业带回填。
当管道顺河（沟）岸边敷设时，由于河（沟）岸的崩塌后退会导致管道长距离的暴露或悬空。为了保证岸坡免受水流的冲刷侧蚀而后退，通常采用护岸的方式抵抗水流的冲刷和淘蚀作用，防护措施主要包括浆砌石挡墙式护岸、浆砌石坡式护岸等。
当管道顺河（沟）底敷设时，需根据实际情况开展必要的防洪评价，确定冲刷深度及河势变化情况，保证管道埋深符合要求。为确保管道安全，防止其他意外破坏，还应采取其他必要的水工保护措施，如设置沟内浆砌石截水墙、混凝土连续覆盖、过水面、石笼护底等。
3.1 施工组织
通过分析水网地区施工特点和难点，结合长输管道施工要求，水网地区施工组织应重点考虑均衡化施工和单元化施工。
均衡化施工主要包括三个方面：一是结合工期计划安排，对施工期进行阶段划分，针对不同阶段组织资源；
二是充分利用旱季施工，结合沿线农业轮作和养殖业周期，全力完成水网区域内施工，力争完成试压前的所有连头施工；
三是合理安排雨季施工，雨季主要进行顶管、连头、试压等施工，结合现场实际可开展钢管“二接一”焊接预制，为旱季施工提高效率提供保障。
单元化施工是指将全自动焊接机组能够连续通行作业的施工段落划分为一个独立的“施工单元”。优先采取施工措施尽可能增长每个“施工单元”的长度，减少机组搬家，保证连续施工。每个“施工单元”按照“干一段、完一段”的原则，焊接、防腐、下沟回填等工序连续施工，跟进作业，确保机组在雨季之前及时上“岸”（“岸”指雨季能满足机组通行、施工的地段），将连头处留在雨季也能进场施工的路边等位置。
3.2 施工便道修筑
管材和设备进场是水网地区管道施工的主要难点，为保证管材运输和施工设备进场需要，应根据不同地貌条件修筑施工便道。
3.2.1 道路通行条件好的便道修筑
（1）对于道路通行状态良好的地段，可依托作业带周边的省道、县道、村级道路等各等级道路作为进场便道。对于路面承载能力良好的村级道路，仅需做简单的修筑即可使用；
若道路承载能力差，可在道路上铺设干土、砖渣、碎石和厚钢板加固。
（2）若依托的道路路面宽度较窄，不能满足施工需求，可采用铺设干土、砖渣、碎石子、木桩、竹排等措施加固道路宽度。
3.2.2 道路通行条件差的便道修筑
（1）对于道路通行状态差，作业带周边无道路依托的地段，可利用田间机耕道，用推土机堆土拓宽、机械平整，碾压后修筑施工便道。采取地基强化措施修筑复合便道，先铺软石层，再铺厚碎石层进行压实，便道两侧开挖边沟和集水坑，保证排水。
（2）对于个别分布在软地基地段上的乡间路，可采取底层铺一至两层竹排，再铺土工布，上面垫砂石的方法对其进行加固，以满足机具设备通行的需要。
3.2.3 经过河流、沟渠的便道修筑
由于河流、沟渠截断而无进场道路时，可采取以下几种方式。
（1）直接填土。当通过对水流截断无特殊要求的一般沟渠时，可采取直接填土方式进行截断，修筑作业带。
（2）原桥加固。对于需要通过水流的河流、沟渠地段，一般选用河流上方的桥梁通行，通行之前应校核桥梁的承载力，若桥梁的承载能力不能满足施工需要，可加固加宽原有桥梁予以解决。
（3）便桥修筑。若河流、沟渠上方无桥梁，可在河流、沟渠上方修筑便桥。便桥的修筑可采用涵管便桥、临时沉箱便桥、木桩+吨袋+涵管便桥以及钢制便桥等方式。
3.3 施工作业带修筑
选取合适的修筑方式来打通水网地区施工作业带是保证机械化施工连续作业能力、提高施工效率的关键。
（1）对于水田段施工作业带，可在作业带边缘修筑拦水坝、开挖排水沟，将作业带内的积水通过排水沟排到作业带以外，再进行晾晒。同时在施工作业带内加设涵管保证作业带两边耕地灌溉及原有水道的畅通。
（2）对于养殖塘段施工作业带，用水泵将塘内的水抽排干净并彻底清除塘底淤泥。塘底经适当晾晒，使其承载力满足施工条件。连续池塘的穿越施工，首先针对单个池塘进行围堰、排水、晾晒，然后逐一拆除塘堤将其整体贯通，修筑施工作业带。
此外，需结合地基承载力情况采用铺设“草帘+钢板”或“管排+钢板”或“土工布+草袋素土+钢板”的方式，以满足机械化施工的需要。
3.4 运布管施工
在水网地区的管道施工中，钢管及设备的运输是施工的一个重要环节。根据水网地区河网密布、水路发达的特点，结合现场实际情况，当河流将施工作业带隔断或无运管道路且无法通过施工作业带进行管材倒运的时候，可采用以下几种方式进行管材和施工设备、机具的运输。
（1）承载力较好的作业带。对于排水并晾晒后具有较好的地面承载力的一般稻田地，可采用炮车倒运，并配合宽履带湿地吊管机或吊管机进行布管。
（2）承载力较差的作业带。采用宽履带推土机牵引拖管爬犁或在推土机上安装托管架进行二次倒管，用宽履带湿地吊管机进行布管作业。
3.5 管口组对
水网地区地基承载力较差，可能导致管口组对间隙等参数发生变化，推荐采取以下措施确保管口组对参数满足焊接工艺规程的要求。
（1）当作业带承载力满足吊管机进场且现场土质满足土墩成形要求时，管口组对采用土墩支撑方式。
（2）当土墩不成形时，支墩可采用多组、多层方木垒筑，上面铺设土袋或胶皮对管道防腐层进行保护，管道焊接完成后取出方木支墩，以便重复利用。
（3）对地基承载力极差的地段，可采用专用气囊辅助管道组对，以提高组对施工效率。
（4）为保证组对时吊管设备不产生沉降，确保组对与根焊质量，组对时在吊管机靠近管道一侧履带下方铺设钢浮板。
3.6 焊接施工
3.6.1 焊接优化与工艺提升
传统的自动焊焊接方式主要有两种，一种是内焊机根焊+外焊机自动焊填充盖面的全自动焊工艺（GMAW），一种是STT/RMD/GTAW根焊+气保护药芯焊丝填充盖面（FCAW-G）的组合自动焊工艺。上述两种焊接工艺在中俄东线天然气管道工程（黑河—长岭段，长岭—永清段）中得到了大面积应用。
在水网地区，通过采用晾晒等措施的水稻田地段、连片水域段或穿越段，可采用内焊机根焊的全自动焊接工艺进行流水焊接和多接一预制。通过研究，对内焊机根焊的全自动焊工艺按照流水作业和预制两种情况分别确定了最优的焊接单元组合方式。以D1 422 mm×32.1 mm钢管为例，流水作业时焊接单元推荐采用1个内焊机工作站+5个外焊机工作站的组合方式，平台预制推荐采用1个内焊机工作站+3个外焊机工作站的组合方式。在局部线路断点区域，采用组合自动焊进行连头处焊口的焊接，采用小流水或包口焊（从根焊到盖面焊均由一组人员完成）的方式。仍然以D1 422 mm×32.1 mm钢管为例，小流水作业焊接单元推荐采用1个氩弧根焊工作站+3个外焊机工作站的组合方式，包口焊接单元推荐采用1个氩弧根焊工作站+1个外焊机工作站的组合方式。
3.6.2 减少连头口
针对大口径管道全自动焊接施工特点，为充分发挥全自动焊接工效，应最大程度地减少连头处和连头焊口的形成。
（1）穿越道路与沟渠。对于采用大开挖方式通过道路、沟渠的焊接施工，先对穿越管道进行“二接一或多接一”预制，通过对内焊机的气电缆、控制线等进行加长改造，可实现预制管道与主管道的全自动焊接，减少连头口。
（2）穿越地下障碍物。对于穿越地下管道、光（电）缆等障碍物的焊接施工，通过与权属单位的协调，尽量采取断地下障碍物不断主管道的方式，保证自动焊连续施工，不留头。
（3）连头施工。其一，连头处应尽量选择施工设备在雨季能够通行的路边等位置。其二，针对现场地基承载力较差，连头焊接设备进出场或现场设备摆放排布较为困难时，为保障焊接设备使用效率，可考虑将焊接设备直接固定在爬犁上，利用挖掘机作为牵引进出现场。其三，预留连头位置的管口封堵应使用钢板进行满焊，避免管道埋地后出现“灌肠”的现象。
3.7 沉管下沟
长输管道下沟方式主要有两种，一是利用吊管机进行常规吊装下沟，此方法主要应用于地基承载力与管沟成形较好，且下沟管道自重较小的长输管道；
二是利用挖掘机进行沉管下沟，主要应用于地基承载力与管沟成形较差，且下沟管道自重较大的长输管道。水网地区一般推荐沉管下沟的方式，即利用管道自身重力作用缓慢将管道自然降落到管沟内的施工方法。
3.7.1 沉管下沟准备工作
施工前应在现场区域内进行开挖验证，通过开挖验证，复核设计勘查成果的准确性，查明地下水位和涌水量情况，预判地基承载能力及管沟边坡的稳定性，有针对性地编制水网段施工方案，对于特殊地质或区域编制专项施工方案，必要时邀请专家共同研讨，优化水网段沉管下沟工艺。
针对边沟不成形或塌方严重而导致作业带超宽的区域，根据外协征地情况可考虑使用钢板桩，确保管沟成形，减少超占地或二次征地的费用。
3.7.2 沉管下沟过程管理
沉管下沟过程中，当地下水位较高需要对管道进行压载时，应按设计图纸要求测量定位并在管道安装位置作标记。考虑淤泥段、粉质黏土段开挖完成后，管沟边坡稳定性较差，可能存在沟底塌方导致管道上浮的现象，现场需在沉管下沟过程中根据土质特点适当超挖，避免回淤造成管道浅埋的风险。
针对高地下水位段施工，当管沟开挖完成后沟内积水较多时，现场可采用分段截坝的方式进行，同时采用抽水泵将沟内积水抽出，避免管道出现漂管现象。此外，管沟开挖过程中也可采用明沟降水，即在管沟内每间隔10～30 m设一处积水坑，用泵将积水排出沟外。
机械化施工已成为提升管道工程施工质量、保证管道本质安全的重要手段。如何提高施工效率、降低施工成本、缩短施工工期已成为水网地区机械化施工的重要课题。通过总结国内在建的水网地区天然气长输管道机械化施工经验，为后续水网地区机械化施工提供参考。今后应从设计优化、施工组织策划、施工方案提升、施工装备及工法升级等方面，系统地围绕水网地区机械化施工开展研究，持续提升天然气长输管道工程机械化施工水平。
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