沉管下沟在喀斯特地貌沼泽段中的应用
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摘要：沉管下沟施工工艺在水网、沼泽地、湿地等地区已经得到普遍的应用，在喀斯特地貌地段中还是首次应用，应用此法改进了以往的沉管方法，通过采取对沼泽地段部分石方段预先进行开挖、爆破、回填，再采取整体沉管的施工技术措施，一举解决了施工难题，为今后类似地质条件下的大口径管道沉管下沟提供了成功经验。
关键词：喀斯特地貌；沼泽地段；沉管下沟
中图分类号：O434文献标识码： A
引言
中缅天然气管道工程（国内段）干线全长1726.8km，全线管径1016mm，设计压力10MPa，采用X80/X70级钢管。线路在贵州省都匀市凯口镇有长约8km的沼泽地段，该段上层有少量表层土，下层均为粘土或细砂夹杂卵石，地下水位较深，管沟难以成型，且开挖后管沟内积水严重，极易出现管沟塌方，安全风险大，其间部分地段表层土下面含有断断续续的石方，不能采用传统的沟上焊，对以往的沉管下沟方法进行了改进，通过革新后的沉管下沟方法有效的解决了施工难题。
1、现场地质情况
喀斯特即岩溶，是水对可溶性岩石（碳酸盐岩、石膏、岩盐等）进行以化学溶蚀作用为主，流水的冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用为辅的地质作用，以及由这些作用所产生的现象的总称。由喀斯特作用所造成地貌，称喀斯特地貌（又称岩溶地貌）。管道三公司承担了中缅天然气管道工程（国内段）贵州段，该地区属于典型的喀斯特地貌。
中缅天然气管道工程（国内段）的线路施工中，管道途径贵州省都匀市凯口镇，该段线路为长度约8km的水稻田。经现场试挖，地表以下0.6m见地下水；表层耕植土厚度约0.5m-1m，下层均为粘土或细砂夹杂卵石，管沟难以成型，且开挖后管沟内积水严重，极易出现管沟塌方，局部严重地段出现“随挖随塌”现象，安全风险大。其间部分地段土层下面含有断断续续的石方。由于该石方多为溶岩，渗水性极强，管沟一旦开挖，管沟内将四处上涌地下水，成型的管沟就变成了“水渠”。
2、施工方案选择
传统施工方法可考虑沟上焊接后两侧沉管下沟，但是由于该段部分地段含有石方，沉管难度大且无法保护管道防腐层，因此只能采用沟下焊接的方法，但是该方法不仅需要一直抽水，还要对沟底进行清淤工作，工作量繁杂。因此，针对施工地段的特殊情况，需要对常规沉管下沟施工方法进行改进，以保证施工的进度、质量、安全。改进后沉管下沟方案是确定管道线路中线后，在管道中心线每隔15m开挖探坑，若无石方，将探坑回填，若遇到地下石方段，首先进行该段管沟的开挖，对下层石方进行爆破，保证管沟开挖符合要求后对管沟进行回填，断断续续的石方段处理完毕后，沟上焊接作业依次连续在该沼泽地段展开。焊接完成的管道经过防腐补漏完毕后，进行沉管下沟和回填。
双侧沉管
3、喀斯特地貌沼泽段沉管施工工艺流程
4、喀斯特地貌沼泽段沉管施工方法
4.1 施工准备
4.1.1 组织施工人员熟悉施工图，仔细勘察现场地质、水文情况，管沟开挖之前首先对施工人员进行技术交底，确认管沟中心线。对施工人员进行风险识别教育，重点岗位落实到责任人。
4.1.2 施工中要详细了解地下构筑物情况，对图纸原有和新发现的地下构筑物等应进行调查、勘测、核对准确位置，树立醒目警示标志。
4.1.3 维护和保养用于施工的挖掘机、发电机、抽水泵及吊管机等施工设备，确保机具状况良好。
4.1.4 准备充足的补伤材料及用具，以便随时对损坏的防腐层进行修补。
4.1.5 对所有参建施工人员进行HSE培训，学习掌握操作规程。熟悉施工图纸。
4.1.6 充分准备用于袋装砂压载的编织袋和中砂，预先装填砂袋置于作业带边缘不影响施工的位置，以备用。
4.1.7 准备充足的钢管排架，用于局部长度较短的软地质段施工。
4.1.8 在施工前通知硅管通讯施工单位，向其提供沉管地段的施工进度计划，并提前告知具体沉管位置和时间。
4.2测量放线
4.2.1 用全站仪对线路转角桩进行复测，放出管道中心线、作业带及进场道路用地边界线。
4.2.2 在地下障碍物处设置醒目的警示标志，以保证施工中地下障碍物的安全。
4.3作业带清理
4.3.1 作业带清理及修筑施工便道。
4.3.2 沼泽地段土壤长期被水浸泡，地表承载能力差不能满足施工需要，首先在作业带两侧开挖边沟、围堰，将作业带内积水通过边沟排出，对作业带进行晾晒，使其表面硬化程度增强。
4.4开挖探坑
4.4.1 沿着已放出管道中心线每隔15m开挖一处探坑，探至设计挖深，若地下无石方，则将该探坑回填并恢复。
4.4.2 对于在设计深度探出石方的地段，则沿着管道中心线前后继续延长开挖，将该段落的石方全部找出，并做出明确标记，为下一步石方段管沟的开挖爆破做出准备。
4.5石方段管沟开挖、爆破
4.5.1 对已探明的石方段，根据标记位置，开挖表层土，直至挖出石层，对石层地质情况进行详细的勘察和分析，根据岩石的类比、风化程度和节理发育程度等确定开挖方式，对于软岩、强风化岩石，能用机械直接开挖的均用机械开挖，也可人工开挖，凡不能使用机械或人工开挖的，应采用爆破法开挖。为节省石方开挖量和受作业带宽度的限制，管沟开挖宽度满足单侧沉管即可。
4.5.2 爆破法开挖
1）先进行试爆破，通过试爆破确定最佳孔深、孔距、排距、装药量，进行炮位、炮孔深度的药量设计。
2）测量放线，放出管道轴线和施工作业带的边界线，测出管道纵向边坡点、管沟深度的控制点、临时基准点、为管沟开挖过程中的控制和校核做参考。
3）钻孔及清理，根据管沟岩石的不同分别采用单排或者双排布孔的方式进行管沟炮眼的布置，由爆破工程师核对炮孔的位置无误后，根据计算的炮位和孔深打眼，采用潜孔钻机钻孔，并对钻好的炮孔进行清渣。
4）装药及连线，在清渣和水处理完成后进行装药，药包安装好后立即进行填塞，整个工作面的全部炮孔堵塞完毕进行爆破网络连接。
5）起爆前认真检查起炮线的连接是否合格，对于不合格的连接应该重新连接。起爆前，需发起三次气爆信号，确保现场安全，再进行起爆。
6）爆破后的检查与盲炮处理，在爆破之后，爆破员必须在规定的等待时间进入爆破地点，认真检查施工现场，如产生盲炮立即采取相应的措施进行处理。
7）清沟，采用挖掘机和人工配合的方式进行清沟，清理完之后如果还存在深度不够或管沟未达到设计宽度，可以采用挖掘机和液压凿岩机对管沟进行清理和修整，确保沟深和宽度达到设计和单侧沉管要求，沟底平整到达施工要求。
4.6石方段管沟回填
4.6.1 石方段管沟成型并满足施工要求后，进行回填，回填时将碎石回填至管沟下半部，将土方回填至管沟上半部。较大石块在回填时挑出，堆砌在设备行走作业带上，硬化作业带，便于焊接、沉管等工序顺利开展。
4.6.2 若回填土不够，管沟不必填满，管沟回填面略低于自然地面，只需回填面平整，即可满足后续的布管，焊接等作业。
4.7运、布管
4.7.1 对于具备较好地表承载力的地段，采用山地专用的炮车倒管，采用吊管机进行布管。
4.7.2 对于地表承载力较差地段，采用挖掘机拉运爬犁进行运管。
4.7.3 已回填的石方段，采用单侧沉管方法，在管壁距离管道中心线一侧管沟边沿布管；其他地段采用双侧沉管法，将管材直接布置于管道中心线上。
4.8组对、焊接、防腐补口
管线整体在沟上进行组对、焊接，焊口经无损检测合格后，立即进行防腐补口作业，施工方法和质量要求同一般地段。
4.9沉管下沟
4.9.1 管沟中线确定
1）为了满足管道数字化坐标的要求，对管道沉管下沟后中心坐标严格控制。为此，对计划沉管的地段，提前确定好管沟中心线和布管焊接中心线。
2）依据图纸纵断面深度、里程与管道对应的具置做好深度标记，特别是陡坡、低洼地段、沟渠地段开挖曲率半径符合设计要求。
3） 变坡点起止点里程、深度等都在管道醒目位置做好标记，为操作手和检查人员提供现场技术数据。
4.9.2 管道位置调正
双侧沉管施工时管道必须位于中心线。沉管前委派专人进行检查，管道偏移中心线时，施工前重新进行调正。
4.9.3 防腐层检漏
管沟开挖前要进行防腐层电火花检漏，检测电压为15KV。对于防腐层漏点立即进行补伤，对修补后的部位重新进行检漏。
4.9.4 降水措施施工
对于地下水位较高的地段，进行沉管的同时，在管沟积水处采用水泵明排。排水设备数量及功率根据现场管沟开挖时的沟内涌水量确定。
4.9.5 沉管管沟开挖
1）进行双侧沉管施工，机械设备链轨板距管壁距离为1m，确保挖掘机作业时旋转空间，返土方向可根据地形和施工作业带宽度确定，开挖起头要超过管端至少2m。
2）管沟开挖前，按图纸要求对管道进行阴极保护测试桩的连接点进行焊接及防腐施工，预留足够长度的电缆，待管道下沟后将电缆一端引至地表，并做好标识，方便后续阴极保护测试桩的施工。
3）进入正式沉管作业施工时，配备技术熟练开挖操作手。为了防止开挖过程中防腐层的损坏，除了对操作手有严格的技术要求之外，还要派专业防腐工进行随机补伤作业。
4）开挖过程中，安排专人对管沟进行及时测量，确保管沟的深度。
5）开挖作业时，挖斗要平稳轻放，不得贴近钢管防腐层。严禁酒后作业以及挖掘机斗壁横摆不稳的野蛮操作行为。
4.9.6 双侧沉管下沟
1）管道下沟采用沉管法进行施工，采取“随挖随下”的原则，防止开挖成型的管沟塌方对管道造成损伤。下沟后根据现场实际情况确定是否对管顶进行砂袋压载稳管措施。
2）沉管下沟前，管端必须采取有效封堵，以防止水和泥沙进入管道。
3）沉管下沟前须认真进行防腐层检漏工作，确保管道无漏点。
4.9.7 双侧沉管作业带占地以及现场步骤如下图所示：
1） 贵州省地区山多地少，地表耕植土极为珍贵。作业带内的耕植土必须全部剥离和堆放，便于后期地貌恢复和地主复耕。
2）不同地段，地表耕植土的深度不同。一般情况下，深度为0.3m~1m。根据现场的探坑断面推算，此沉管地段耕植土的厚度平均为0.7m。22m作业带宽度的地表耕植土全部堆放在作业带两侧边线外3m。
4.9.8 石方段沉管下沟
对于原已开挖并回填处理后的石方段，采用单侧沉管，即使用一台挖掘机在管道中心线侧进行管沟开挖沉管下沟的方法。因提前开挖的管沟宽度有限无法满足双侧沉管的要求，单侧开挖时机械设备履带距离管壁保持一定的安全距离，避免损伤管壁防腐层。单侧沉管仅在此特殊地段使用，不宜大范围使用。
4.9.9 管道回填
1）管沟开挖下沟同时进行，提前通知通信施工单位，在管沟回填前及时进行硅管敷设工作。
2）管沟回填前将阴极保护测试线焊好并引出，待管沟回填后安装测试桩。
3）回填前，如管沟内有积水，应使用潜水泵进行排水，并立即回填。
4）严禁机械设备在管沟回填时在管顶覆土上扭转设备。
4.9.10 地貌恢复
管沟回填完后应按要求进行地貌恢复，沟坎、水渠和土路应能保证地方村民正常通行和灌溉要求。
5、防腐层保护措施
5.1为防止挖沟过程中挖掘机碰到防腐管损坏防腐层，管沟开挖全过程派专人指挥，挖掘机侧向管沟倒退开挖，保持挖掘机履带边缘与管道的安全距离，保证挖掘机旋转倒土时不碰到管子。管沟开挖挖掘机斗齿离钢管较近时，机械操作手应缓慢操作单斗靠近钢管，慢挖轻取土，避免划伤防腐层。
5.2为保证在下沟过程中对防腐层不进行损伤，沉管下沟时在防腐管上搭设长度为20m的胶皮（厚8mm），并在胶皮头处扎眼绑绳，以此来保护防腐层不受损伤。
5.3在沉管下沟施工前，要仔细检查管沟内是否有对防腐层造成损坏的杂物，如果存在要及时清除。
5.4管道沉管下沟过程中，设置专人统一指挥、持证上岗，确保在沉管下沟的过程中不损坏管道及防腐层，如发现损坏立即进行修补。
5.5在沉管下沟过程中，对弹性悬空段要随下沟作业同步进行电火花检漏，特别是对防腐管底部粘有泥土进行清除后检漏，做到防腐层检漏无死角。在下沟过程中，对防腐层有破损处要立即进行补伤处理，并经电火花检漏。
6、埋深保证措施
6.1为保证在下沟过程中达到设计深度的要求，沉管下沟时测量工要随时进行对管沟测量，要求与挖沟机的挖沟进度同步，为避免因塌方和淤砂引起管沟深度减小，在管沟开挖时要超挖，确保管道埋深达到设计要求，对测量深度不够的点处立即整改，防止防腐管就位后处理困难。
6.2管沟开挖后为了防止管道因泥水漂浮，除及时进行排水外，必要时管道顶部进行压重处理，回填时确保符合设计埋深。
6.3管道下沟后，管道应与沟底表面贴实且放到管沟中心位置，严禁出现管底悬空，回填后管顶覆土厚度应符合设计要求。
6.4沉管下沟完成后，立刻进行管道竣工测量，完成测量后要及时进行一次回填，然后按照设计要求进行硅管敷设及警示带敷设，最终进行原土回填，工序衔接必须紧凑。
7、现场控制措施
7.1施工机具必须给定在作业带内和施工便道内行走。
7.2加强对全体施工人员的教育，提高他们的环保意识和责任心，使他们在施工中能够自觉地作好环保工作，最大限度地减少对环境的损害和超占地现象的发生。
7.3施工现场设专职人员经常进行巡视，及时发现存在的问题，并妥善解决。
7.4严禁野蛮施工和不听从指挥，造成恶劣影响。
7.5加强与地方气象部门、自然灾害防治部门的联系沟通，及时了解现场天气资料，并采取相应的处理措施。施工中应对可能发生的冻雨、滑坡、崩塌、洪水、泥石流等自然灾害重点预防，备足应急抢险物资，确保及时有效地利用各种救援力量，保障机组员工生命安全。通过应急演练，提升员工预防、避险、自救、互救和减灾等应急意识和自我防范能力；
7.6管道沿线经过众多少数民族聚居地。现场施工和日常生活中必须尊重少数民族地区风俗习惯，创造和谐的施工环境；
8、 HSE保证措施
8.1沉管下沟前要对所有施工人员进行施工方案技术交底、安全交底，确保施工人员按照方案制定的程序进行施工。
8.2挖掘机在工作旋转半径内不得有人，无关人员严禁进入现场。施工过程中，现场要设置警示牌。人群密集区域，施工现场设置警戒线。
8.3主体焊接机组布管之前，将管沟上方耕植土提前进行剥离、收集与维护。管沟回填时，应先回填生土，最后回填表层耕植土，以保证不影响当地村民耕作。
8.4管线下沟前，现场技术员和HSE现场管理员要对下沟段的管沟进行检查，确认管沟符合要求，在沟下检查时沟上必须有专人监护，并且配备逃生梯。管沟内无人和其它障碍物、无塌方危险，方可组织下沟。
8.5下沟前设置安全标志牌，工地设置专职HSE监督员进行巡视，管线下沟段内下沟作业不得与其它工序作业交叉进行。
8.6沉管施工时，现场有专人巡视。在人口密集区域，设专人进行现场监护，并设置安全警戒线和警示牌。
8.7沉管下沟过程中，未下沟管沟内不得有任何施工人员。
8.8沟下进行竣工测量、埋设硅管和警示带时，必须在沟上设专人进行监护。
9、成果效益分析
成果应用前机组使用传统的沟下焊接法的管沟宽度为3-4m，作业带为标准22m作业带，沟下焊接面临地下水位高，需4台6寸水泵24小时不间断抽水，且管沟经水长期侵泡，极易产生塌方，产生极大安全隐患并影响管道的下沟质量（管道埋深以及管道防腐漏点），而应用后现场管沟宽度加宽为6-8m，作业带宽度为28m。管道焊接按照正常的沟上焊接进行，因管沟已提前爆破开挖完毕，沉管下沟按照正常沉管程序进行即可。成果的应用也产生了巨大的经济效益，该段管线约为8km，按照每公里90道焊口进行计算，总计720道焊口。
9.1成本对比
成果应用前，按照传统施工方法需要24小时不间断进行抽水，8km管线按照沟下焊接每日6道口的进度，需要120天才能完成，其中潜水泵φ150的台班价格为每台水泵121.49元/天，因需24小时不间断抽水，实际每个自然天耗费3个台班，柴油发电机台班为每台140元/天，人工费为每人100元/天等因素，
那么应用前实际增加的成本消耗总额为：
120天×（140元/天×1台×3个台班+121.49元/天×3个台班×4台+100人元/天×1人）=237345.6元
成果应用后，由于采用新的施工方法，需多进行一次管沟的爆破开挖以及回填工序，施工需同时使用CAT320挖掘机2台，经现场调查，每台挖掘机1km管沟开挖以及回填耗费台班为1.7+1.2=2.9个台班，CAT320挖掘机的台班单价为1400元/台班，那么应用后增加的成本消耗总额为：
2台×1400元/台班×2.9个台班×8公里=64960元
结论：应用后成本减少了237345.6-64960=172385.6元
9.2 工期对比
成果应用前沟下焊接施工，不考虑塌方清淤以及气候影响，每日能完成焊口6道，需120天才能完成任务；
成果应用后沟上焊接施工，无塌方隐患，受气候影响小，日焊接进度可达到10道口，需72天即可完成任务。
结论：成果应用后工期整整缩短了48天。
10、结束语
采用该施工方法进行施工作业，与传统方法相比该施工方法安全可靠，节省施工费用，缩短作业时间，提高工效，取得了良好的经济效益，新的施工方法对于在喀斯特地貌水稻田施工有重大的指导意义，为今后管道在含有石方段的水网、沼泽、湿地及类似地区施工起到了示范作用，为后期类似地段的管道施工提供了宝贵的经验。
参考文献：
[1],《油气长输管道工程施工及验收规范》GB50369-2006.
[2],《中缅原油、天然气和云南成品油管道工程线路施工技术要求》GP-01-GI00-PL-RP-001.
[3],《中缅天然气管道工程（国内段）爆破开挖作业指导书》ZM-G＆O-M-ZL-WG-0014.
[4],《都匀市QBM105+10~QBM026号桩线路施工图》GP-01-PL03-PL-DW-013/L1.