关于大直径钢管穿越套管方法改进的研究

◎甄晓桐 中交四航局第二工程有限公司

刘 源 海南省建设项目规划设计研究院有限公司

智永胜 中国船舶重工集团新能源有限责任公司

1.工程概况及研究背景

2018年以来，唐山市先后出台《唐山市建设生态唐山实现绿色发展工作方案》、《唐山市全域治水清水润城工程工作方案》，致力于全面实施全域治水、清水润城工程，其中引邱入城管线工程是唐山市环城水系提升改造综合治理PPP工程重点项目之一。本项目自唐山市丰润区邱庄水库取水，途经多个乡镇，区域广，难度大，管线全长36km，管道选用DN1400（钢管+PCCP管）供水管道，涉及6处穿越铁路顶管施工和9处穿越公路顶管施工，穿越部分均采用钢筋混凝土套管做支护，套管内为壁厚16mm长6m钢制管道，但套管内空间狭小无法完成管道焊接施工，需将每节钢制管道在混凝土套管外焊接完成再送入套管内完成穿越套管。本工程穿越钢管每根大约3.3吨，在狭小空间内，长距离钢管无法使用汽车吊、履带吊等吊装设备推动钢管，为避免钢管与套管间滑动摩擦对钢管外防腐和管口造成损坏，本项目提出一种在管道外壁焊接滑轮的方法完成管道穿越。

目前国内针对大口径管道穿越套管的方法已相对成熟，多项实用新型专利得以运用，例如中国石油天然气股份有限公司的孟宪山等在《一种管道穿越套管的移动式管道支架》中提出一种可调节的小车设备，该新型小车可调节底座、轮杆和上盖已达到匹配所运输管道的口径，该方法可安全和高效地利用拖拽法完成管道套管穿越工序。再如苏宝中在《履带式可调管道支架》一文中提出一种可调节的履带式管道支架，完成套管内管道运输。但设备使用并不广泛，且设备制作工艺较复杂，针对本工程施工范围较大，施工工期分散，施工空间狭小，工期紧的特点，上述施工设备不能很好的满足施工要求，且造价较高，针对本工程特点亟需一种简单易行且造价低的方法完成管道穿越工作。

2.工艺对比与分析

本工程全长36km，其中穿越部分共计15处，本工程设计院唐山市水利规划设计研究院针对穿越部分设计内容如图1所示，为在套管内铺设1000×214mm，混凝土垫层，在混凝土垫层两边间距944mm预埋L50×50×6角钢，角钢与管道中心轴对称，待混凝土垫层与角钢凝固压实后，上覆小角度U形钢肋板作为钢管管床，钢托架与钢管焊接间距2m。该设计将混凝土套管与管道间的滑动摩擦转换为角钢与钢肋板间的滑动摩擦，虽然减小了摩擦系数，但始终为滑动摩擦，未改变摩擦方式且该设计较复杂，耗时耗材。

图1 套管内管线剖面图

结合本项目类型为PPP项目，可根据现场情况与设计沟通改变图纸施工内容，考虑到本工程施工范围较大，施工工期分散，施工空间狭小，工期紧的特点，本项目前期尝试了多种方法完成套管内钢管穿越，如在冬季施工中，利用冰块摩擦力较小的特点，在钢管与套管间铺垫冰块完成管道穿越；再如铺垫细砂的方法，减少钢管与套管间的摩擦系数，虽然都完成了钢管穿越，但对钢管外防腐破坏较大，在后期的运营中易引发钢管生锈破裂的风险。结合现场实际及前人经验本文提出一种焊接滑轮的方法完成管道穿越施工，如图2所示。在穿越马陡路顶管施工中采用在钢管底部与设计院角钢相同位置焊接滑轮，使管道承重呈三角形分部，避免管道在滑动过程中出现偏移或由于受力不均发生倾斜，将钢管与套管间形成滑轮直径大小的间距，在卷扬机的带动下，使钢管在套管内由滑动摩擦转化为滚动摩擦，每节管道焊接一组滑轮，在吊装设备的推动下完成管道穿越。

图2 滑轮焊接及及套管内穿越示意图

该方法将焊接滑轮处外防腐去除焊接滑轮支架，在焊接支架外侧涂抹外防腐，滑轮为半径65mm×35mm实心钢制滑轮如图3所示，每组滑轮与管道轴中心对称。该方法优势主要体现在以下几个方面：1）滑轮均为厂家预支滑轮，现场完成每组滑轮焊接需2小时，而设计设计混凝土垫层养护时间较长，最少7天以上，焊接滑轮的方法使工期缩短了30倍，焊接示意图如图3所示；2）每组滑轮造价4000元，每节钢管安装两组滑轮，相较于设计混凝土垫层加角钢支撑造价相当，但焊接滑轮简单易行；3）焊接滑轮在套管外侧进行，而混凝土垫层及角钢的安装均在套管内进行，焊接滑轮较安全。该方法可完成长距离套管无法完成管道穿越的难题，且对管道端头无磨损，可直接进行后续焊接工作，节省了后续切割焊接的施工工序，加快了引邱入城管线工程完工时间。

图3 滑轮示意图

3.关键技术及展望

该辅助设备的关键技术在于将管道间的滑动摩擦转化为滚动摩擦，使钢管在套管内在很小的拖拽作用下完成管道穿越，且该滑轮为实心钢制滑轮，可承受管道自重带来的压力，以免造成滑轮在管道内发生脱落，使管道穿越工作更加困难。该滑动设备的设计理念基于滑轮，在套管内空间狭小，且每根管道自重3.3吨，小型拖拽设备无法拖拽管道，而大型滑动或拖拽设备无法安装，因此将管道自身设计为“滑动小车”的形式，在套管外侧运用小型拖拽设备或吊机进行推动完成管道穿越。

本设计滑轮设备可运用于引邱入城管线工程其他未完成管道穿越的顶管施工段，同时推广运用于其他管道穿越施工中，在唐山二期项目曹妃甸区滦河下游输水干渠西延工程、青龙湖管线生态补水工程中涉铁、涉路段均可采用本文的施工工艺。针对不同管道的直径选择相同角度焊接滑轮，使管道在套管内顺利滑动，完成管道穿越。该滑轮焊接设备主要经济指标在于其造价低，使用便捷，每处管道穿越可根据管道长度自行调整焊接滑轮数量，其社会效益可运用于其他管道穿越施工中或应用于其他大型吊装设备无法吊装的施工区域。

4.结语

唐山市是我国重要的钢铁生产基地，工业的发展造成当地水污染严重，各项指标严重超标，水环境的治理迫在眉睫，引邱入城管线工程的实施将为市区每日供应13万方清洁的淡水资源。综上所述，本工程使用焊接滑轮的方法、低成本的完成所有涉路、涉铁段大直径钢管穿越混凝土套管的施工工作，最终使本工程按期完成顺利通水，得到了业主的一直好评，同时为本工程其他重点项目树立了良好的榜样，争取了足够的工期，为唐山市水环境的改善增加了筹码。