燃气管道穿越河底的施工方法与流程

本发明涉及燃气管道铺设领域，特别是涉及一种燃气管道穿越河底的施工方法。

背景技术：

城市地下燃气管网是指自门站到用户的全部设施构成的系统，包括门站或厂压压缩机、储气设施、调压装置、输配管道、计量装置、管理设施、监控系统等。这些燃气管道通常埋设在地下以隔绝外界的氧气、湿气对管道的腐蚀，从而提高供气的安全性。因此，燃气管道在铺设过程中往往面临与多种其他管道或地质条件相遇的情景，例如与自来水、供电、通信网络平行或交叉，或者需要横跨河流、地铁、涵洞、隧道等等。

然而，当燃气管网需要穿越河道、特别是河面与实际地面通常落差较大(例如超过20米)且土层硬度高(例如河底、两岸河堤为现浇混凝土)时，以下常用的方案均存在局限性：

1.悬架施工。通常可以在跨越河道的桥梁下方铺设或安装支架，将燃气管道悬挂在支架上从而横跨河流。但是河道桥梁的位置分布与燃气管道往往不一致，难以针对燃气管网布局优化过河的位置。进一步，燃气管道长期悬挂在户外，虽然便于检修，但是面临极端气候(例如低温或大风)时，容易造成管道冻裂或偏移，存在额外的施工风险。

2.开槽施工。由于河面与实际地面落差超过20米，造成施工时放坡较大，施工范围增大，开挖土方量远远超过工程实际需开挖的土方量；破除小黑河河底、两岸河堤的混凝土同样难度较大，还要对河水进行引流或排流，施工投资巨大；开槽太深也会造成一定的安全隐患，容易发生安全事故，同时河道施工手续办理十分复杂，此方案难以采用。

3.顶管施工。虽然顶管施工不需要大量开挖土方，但是同样由于落差大的原因，造成出入必须在河面以下，需要开挖两个30米深的深坑，并且对深坑采取防坍塌保护措施，增加了施工难度和安全隐患，而且30米深的顶管作业必须极专业的单位才能有效实施，投资巨大，此方案也难以采用。

因此，亟需一种克服以上技术困难的燃气管道穿越河底的施工方法。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于克服以上技术问题，以便能够高效、安全地使得燃气管道从河底穿过。

本发明提供了一种燃气管道穿越河底的施工方法，包括：

步骤1、测量定位，用于确定燃气管道穿越河底的位置参数；

步骤2、埋设多个土层探测器，用于测量燃气管道穿越河底的土层状态参数；

步骤3、根据位置参数和土层状态参数，在地面上选择并开挖工作坑和接收坑；

步骤4、钻机就位；

步骤5、泥浆制备；

步骤6、试钻；

步骤7、钻导向孔；

步骤8、回扩孔；

步骤9、回拖管材，将多节燃气管道从工作坑拖至接收坑；

步骤10、现场泥浆处理；

步骤11、土方回填；

步骤12、阀门井砌筑。

其中，位置参数包括管道轴线位置，以及断面和地面、水面的标高。

其中，土层状态参数包括土层的压力、湿度、杂散电流。

其中，步骤2中的土层探测器包括，设置在外壳表面的传感器和外壳内的控制器，传感器包括与土层接触的多孔金属网、面对多孔金属网的基板、设置在基板上的光发射器和光接收器、以及基板和多孔金属网之间的空气隙。

其中，多孔金属网由反光性良好且不易氧化的金属制成，网格孔径小于1微米且大于50纳米。

其中，在步骤7至步骤9的任一个之中，采用阴极连接线将多孔金属网与燃气管道电连接。

其中，在步骤7至步骤9的任一个之中，采用阳极连接线将土层探测器与牺牲阳极池电连接。

其中，牺牲阳极池为分设在河道两侧的两个或更多的牺牲阳极池，内部插有多支牺牲阳极棒并填充绝缘材料。

其中，多个土层探测器分布在待铺设燃气管道的两侧和/或上下方。

其中，燃气管道为不锈钢钢管，外壁采用三层结构挤压聚乙烯以加强防腐。

依照本发明的技术应用后，可达到以下效果：

1).施工工艺简单，操作简单，容易组织实施；

2).安全性好，施工人员操作均在地面上进行，避免了深基坑作业等不良施工条件的影响，提高安全系数。

3).管道连接质量好，因管道连接均在地面上进行，管道焊接合格后一次拉管铺成，提高管道连接质量。

4).有效降低成本，经济效益好。

5).不污染环境，不影响交通，对地面底层破坏小，能满足城市地下管网施工高环保的要求。

6).社会效益显著，可减少开挖行政审批。

7).施工周期短，无需运输和堆放土。

综上所述，根据本发明实施例的燃气管道穿越河底的施工方法，采用非开挖水平定向钻拉管施工，在地面以上将管道从指定位置入地，从指定位置出地，不污染环境，不影响交通，施工周期短，综合成本低，既节约施工成本，缩短施工周期，又没有安全隐患。

本发明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申请独立权利要求的范围内得以满足。本发明的实施例限定在独立权利要求中，具体特征限定在其从属权利要求中。

附图说明

以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：

图1为依照本发明实施例的燃气管道穿越河底的示意性剖视图；

图2为依照本发明实施例的燃气管道穿越河底的示意性顶视图；

图3为依照本发明实施例的图1和图2中所示土层探测器的方框图；以及

图4为依照本发明实施例的燃气管道穿越河底的施工方法的流程图。

具体实施方式

以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了能够高效、安全地使得燃气管道从河底穿过的施工方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种结构。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰结构的空间、次序或层级关系。

本发明的优选实施例以内蒙古呼和浩特市金盛路燃气管道过小黑河施工方案为例来说明具体施工方案。该工程位于金桥金凤凰大酒店南，中压aφ325和次高压φ457两条管道南北穿越银河北路、小黑河与银河南路，直线距离约500米。由于小黑河为扩建景观河，河面与实际地面落差较大，超过20米，开槽施工放坡较大，造成施工范围过大，且小黑河河底、两岸河堤为现浇混凝土。虽然本发明的优选实施例均以该工程为示例，但是应该注意的是，本发明的实施方式也可以适用于燃气管道穿越其他河流的施工项目，仅需要结合当地河道地质条件而适应性修改各个工序参数即可。

如图4所示，施工方法包括以下步骤：

步骤1)、测量定位，用于确定燃气管道穿越河底的位置参数。

根据设计资料，对所有导线点和水准点进行复测，根据结果进行管道的放样、原地面的测量。用白灰标出管道轴线位置，对将要敷设管线所位置的断面和地面、水面标高进行测量,并绘制出标高断面图，以便导向施工时精确控制标高。

其中，设计资料的来源可以依照已有的管网分布图，例如记录了管道埋深、gps位置的布局图。此外，当因为年底久远而原有的管网分布图难以找到或者难以分辨时，也可以通过现场测量来补充或修改原有的设计资料。具体地，对于金属材质特别是导磁金属例如钢铁等的旧管道而言，可以简单地利用地磁变化来探测旧管道的分布。但是对于绝缘材质(例如聚乙烯pe)的旧管道而言，由于其不导电且不导磁，埋入地下后，目前还没有比较好的方法直接在地面探测其在地下的空间位置，因此现有的地磁变化探测方法无法适用。为了对埋设的绝缘管道进行追踪，在先的施工过程中已在旧管道的周围铺设(沿管道延伸方向)平行分布的一条或多条示踪线，例如在左右两侧或上下两侧对称地铺设，此外也可以数目为3、4、6、8等等而等角/等距地分布在管道的周缘上。示踪线在管道的阀门等处具有露出点，可以经由信号发生器向示踪线发送参数(例如振幅和/或相位)预设的交流信号，使得示踪线产生电磁场，由此可以通过在地面上采用磁场探测仪检测地面下示踪线产生的磁场从而确定管道的埋设位置，便于施工。而对于新铺设的管道，则可以直接按照设计单位提交的管网分布图来确定穿越河道的位置参数。

值得注意的是，施工工程应当按《城镇燃气设计规范》gb50028-2006及《城镇燃气技术规范》gb50494-2009进行设计。阀门安装应按阀门产品要求施工，阀门底座应置于稳定层上。燃气管线工程必须在沿线2.0m范围内所有建筑物拆除后，方可施工。由于无地下相应管网设施资料，管道穿越及避让其他管线时，应严格遵照相应国家规范标准。在施工前,必须先挖探坑复核管位,符合要求后方可施工。当燃气管道与其他管线相交时，需按相关规范间距要求避开、做相关保护措施或砌独立砖墙结构管沟安放管道。

进一步，工程施工、验收按《城镇燃气输配工程施工及验收规范》(cjj33-2005)标准执行。若道路工程暂未施工，仅以现状路面作为参照，但必须保证道路成型后燃气管道埋深(管顶至路面)不得低于1.6m(冻土层以下，以避免冻土软化或硬结影响燃气管道安全)。

步骤2)、埋设土层探测器，用于测量燃气管道穿越河底的土层状态参数。

根据步骤1)所确定的燃气管道穿越河底的位置参数，在旧管道或者待铺设新管道所在区域的周围钻孔并埋入土层探测器。对于较浅的河道，可以通过人力深挖钻孔，而对于较深的河道，则需要采用打桩机钻孔的机械施工方式形成多个钻孔。如图1、图2所示，多个钻孔例如至少分布在待铺设燃气管道区域的两侧，并优选地在河道两侧各具有多个中间分布位置，且最佳地在河道下方也同样具有直达河底的至少两个钻孔。优选地，钻孔从管道中线向两侧延伸形成多行或多列，以便测量管道两侧不同距离处的土层地质条件。如图1所示，土层探测器的深度依照待铺设管道的分布而确定，例如可以分布在管道的上方和/或下方，与管道之间的间距优选地在0.5至0.1米范围内，提供了管道施工的位置冗余以防止钻孔穿通探测器管线，同时也减小探测器与管道之间信号连接线的布线电阻、减小了rc延迟。随后，将多个土层探测器放置在钻孔底部，并优选地回填土壤以完全覆盖土层探测器。虽然图1、图2中并未示出细节，但是钻孔的侧壁优选地采用中密度聚乙烯(mdpe)或高密度聚乙烯(hdpe)管材进行加固且防潮绝缘，以确保稍后铺设各种信号线的可靠性。

图3示出了根据本发明实施例的土层探测器的示意图，其一侧面也即工作面或有源面(activesurface)面向管道，与管道之间夹设了土层。具体地，土层探测器包括外壳(图3中最外侧方框所示)，设置在外壳表面上并露出表面的传感器(图3中右侧方框所示)，外壳内的控制器，以及将控制器与传感器相连的总线。传感器包括，设置在表面与土层直接接触的多孔金属网，面对多孔金属网设置的基板，基板上至少包括光发射器和光接收器，以及在基板和多孔金属网之间的空气隙。

多孔金属网的材质为pd、pt、w、ti、ta等反光性良好且不易氧化的金属，网格的孔径小于土层中土壤的最小粒径(例如小于1微米，优选小于等于0.5微米，最佳小于等于0.1微米)以便阻挡土壤颗粒进入空气隙中，且孔径大于50纳米以便容许足够的水滴或水汽进入空气隙中。多孔金属网面对基板的表面抛光直至表面粗糙度小于等于20纳米以便获得足够大的表面反射率，例如大于等于99.5％。

光发射器可以是led或激光器，用于向多孔金属网发射波长在400纳米至1200纳米的辐射波。优选地，光发射器是多个led或激光器排列形成的阵列，可以发出不同波长的辐射，或者从不同位置发出相同波长的辐射，以便提高测量的范围和精度。光接收器例如是多个光电二极管的阵列，用于接收经过多孔金属网反射的辐射波或光波。

在测量过程中，多孔金属网与土层接触的一侧，受到土层侧向压力，因此朝向空气隙一侧弯曲变形，由此使得光反射器发出的一个或多个辐射波的光程发生改变，据此可以通过测量光接收器接收的辐射例如光的振幅和相位从而换算出光程变化量并进而确定土层的侧向压力。同时，由于用作反射层的多孔金属网上存在多个孔隙，水滴或水汽能够穿过这些网格孔隙进入空气隙中，改变了空气隙中介质的折射率，也即水汽的存在使得光程变化，因此不仅可以利用该探测器检测土层压力，而且也可以与干燥空气条件下测得的基准值作比较从而确定土层的相对湿度。优选地，多孔金属网的网格孔隙的分布位置并未与光反射器、光接收器重合，也即金属网包括中心的平板部分以及周围的网格部分，以便提高辐射或光的反射率，提高测量精度。由此，采用图3所示的土层探测器，同时测量了土层的压力和湿度，提高了检测地质条件的效率和精度。

此外，钢质燃气管道需设置牺牲阳极/阴极保护，牺牲阳极的材料选择应符合《埋地钢质管道阴极保护技术规范》gb/t21448-2008及《钢质管道外腐蚀控制规范》gb/t21447-2008中的有关规定。具体的，可以在土层探测器向管道的一侧额外的添加阴极连接线或检测连接线，从土层探测器伸向管道一侧(例如与多孔金属网和/或燃气管道电连接)，从而可以在控制器的操纵下施加检测信号以检测土层中电流分布从而得出燃气管道周围杂散电流的分布，便于稍后用于消除附近其他管线或土层原生的杂散电流对燃气管的影响。当检测到杂散电流超过阈值时，可以在控制器的控制下将与燃气管道耦合的阴极连接线与图2所示的牺牲阳极池电连接，从而将杂散电流传导至牺牲阳极池。牺牲阳极池至少具有两个，分设在河流两侧土层中，通过阳极电缆线与各个土层探测器连接。牺牲阳极池内部插有多支牺牲阳极棒并填充绝缘材料，绝缘材料的密度和防湿性能均优于土层探测器所在土层。牺牲阳极棒例如是袋装镁合金棒，每袋四只，单根重量11kg。阴极连接线、阳极电缆线例如是铜芯电缆vv22-1kv/1x10mm，长度以实际用量为准。

步骤3)、开挖工作坑和接收坑

根据步骤1确定的管道位置参数和步骤2确定的土层状态参数，选择管道钻孔的入口也即工作坑、和管道钻孔的出口也即接收坑。工作坑、接收坑采用机器开挖，以保证地下管线安全，坡度符合管材曲率半径1200d-1500d，以保证拉管顺畅。如图1所示，工作坑与接收坑在远离河堤的土层表面，多节燃气管道从工作坑进入而从接收坑连出。通过控制水平距离和坡度即可控制管道深度，因此可以有效地避免垂直深孔作业，灵活地依照地面建筑物分布而确定施工位置，且可以通过减缓坡度从而避免管道连接处应力集中而破裂。水平距离初步按照管道位置参数确定，测量了土层状态参数之后再进行适应性修改，例如土层湿度(也即含水量)或压力超过一定阈值则考虑横向偏移或者在后续步骤7-9之中增加额外的防水套管或防压套管，或者例如土层中杂散电流超过一定阈值则增设额外的牺牲阳极保护措施。工作坑和接收坑的周围可以安装临时性或半永久性的围挡，保障施工安全的同时，也避免管道受到外来杂质例如砂砾的影响，确保管道铺设质量。

步骤4)、钻机就位

检查钻机是否工作正常，钻机定位应准确、水平、稳固。优选地，钻头上具有位置传感器(例如陀螺仪、gps定位器等等)，以便后续当钻头到达先期埋设的土层探测器附近时，减小步进量以避免损坏土层探测器，且可以更换特制钻头用于铺设将燃气管道与多孔金属网电连接的阴极连接线。

步骤5)、泥浆制备

根据施工现场地质勘察，本非开挖牵引管工程所涉土质以卵石及流沙层为主,选择膨润土泥浆加稀释剂等添加剂,按每2立方水加入100kg膨润土，进行配置，通过zt-25、zt－33、xz-680型非开挖铺管钻机泥浆混配系统调制均匀后备用。

步骤6)、试钻

启动钻机，钻入1-2根钻杆，检查设备仪器是否运转良好，发现问题及时处理，试钻时还应检查泥浆混配系统是否渗漏。

步骤7)、钻导向孔

根据测量的轴线，操作定向钻机水平钻进，路面上部采用drilltrack定向钻进导向系统控制钻头的方向，严格按设计曲线形成导向孔。若发现钻头偏离设计轨迹或有偏离轨迹的趋势，通过调整钻头的倾角、旋转角等参数改变钻头方向。导向孔完成后，对工作坑入土口、接收坑出土口标高和方位进行复核，确保按设计曲线成孔。施工过程中，密切注意钻进过程中有无扭矩、钻压突变、泥浆漏失等异常情况，发现问题立即停止施工，待查明原因后采取相应措施后施工。

定向钻穿越部分，需要独立进行强度和严密性试验，试验压力等同于干线试验压力，合格后再与相邻段连接，如果未提供穿越段相应的地勘资料，施工前需做地勘，在实际施工过程中，可根据实际情况，对定向穿越长度做适当调整，具体做法参见“cdbz-r07-2014/31”。

步骤8)、预(回)扩孔

导向孔完成后，卸下起始杆和导向钻头，换回扩钻头进行回扩。回扩过程中始终保持工作坑内泥浆坑内液面高度高于地下水位标高。回扩过程中使用好泥浆，扩孔时控制好泥浆各性能参数，不定期进行检测，按照施工要求及时调整泥浆性能指标。

由于河道附近的施工土层通常为卵石及流沙，选择锥式扩孔器较适宜，扩孔器通过旋转，将淤泥挤压到孔壁四周，起到很好的固孔作用。根据地层特点，合理控制回扩钻进速度，以利排渣。分四次回扩、最后一次回扩合理采用相应挤扩式钻头，如回拖力和回扩扭矩较大，则需多回扩一次，以利孔壁成型和稳定。

钻进过程中，应及时作好施工原始记录，记录内容应包括钻进时间，轴线角度，扭矩，顶力，土质情况等。回扩过程中，密切注意钻进过程中有无扭矩、钻压突变等异常情况，发现问题立即停止施工，待查明原因后采取相应措施后施工。

步骤9)、回拖管材

管材连接要严格按焊接施工要求施焊及防腐。本工程埋地管道均为不锈钢钢管，并采用三层结构挤压聚乙烯特加强级防腐，符合《埋地钢质管道聚乙烯防腐层》gb/t23257-2017中的有关规定。环焊缝补口采用配套环氧底漆三层结构的辐射交联聚乙烯热收缩套(带)。弯头外防腐采用配套环氧底漆的辐射交联聚乙烯热收缩套虾米状搭接包覆的防腐方案。对防腐层管段的损伤处理：损伤处直径≤30mm时，可采用辐射交联聚乙烯补伤片。直径＞30mm的损伤，先用热熔胶填平凹处，然后采用热收缩带包覆，包覆宽度超过孔洞边缘100mm.。管道下沟前必须对防腐层进行100％的外观检查，和电火花检漏；回填前应进行100％电火花检漏，回填后必须对防腐层完整性进行全线检查，不合格必须返工处理直至合格。

回拖前应检查焊接质量，待焊接检查合格后方能进行拉管。钢管焊缝进行100％外观质量检查，外观质量检查合格后，按100％焊缝内部质量检验。其外观质量不得低于国家标准《现场设备、工业管道焊接工程施工质量验收规范》gb50683-2011中的ⅱ级。其内部质量射线照相检验不得低于现行国家标准《无损检测金属管道熔化焊环向对接接头射线照相检测方法》gb/t12605-2008中的ⅱ级质量要求。

将连接好的管材沿接收坑坡道安放好，管材下设置滑轮拖板，依次连接接头、分动器、钻杆。管材预先按井段长度连接好。在拉管前，3～4个小时开始接管，接管完成后马上开始拉管。

在回拖管道过程中，密切注意孔内情况、钻机操作手应密切注意钻机回拖力、扭矩的变化。回拖应平稳、顺利，严禁蛮拖。管材要一次性拖入已成形的孔洞中，中途尽量避免停顿，减少回拖的阻力。

施工时注意先敷设新建燃气管道，并留准接口件,待接点完成后，再将原有管道分别进行断点,同时对作废燃气管道进行氮气吹扫二遍。

步骤10)、现场泥浆处理

施工过程中，出入土点泥浆用泥浆泵抽到泥浆罐内，及时用泥浆车排放至合理位置，将废浆清理干净，并尽可能的恢复施工前原貌。

步骤11)、土方回填

施工完路面结构层按原状恢复。开挖工作坑遇到垃圾土将槽底垃圾土清理，回填好土后夯实；开挖工作坑遇到回填土，将回填土夯实；沟槽边堆土一定要按规范堆土。

步骤12)、阀门井砌筑

河道两岸的水平定向钻拉管施工完毕后，在河两岸设置阀门井，加装牺牲阳极保护，以控制和保护穿越河道的燃气管道。阀门井的设置可以利用步骤3中的围挡以节省物料成本并缩短施工周期。牺牲阳极保护例如是图2所示的牺牲阳极池，其与各个土层探测器的电连接可以在步骤7-9之中同步完成，也可以在铺设管道完成例如步骤11之后额外加装。

根据本发明实施例的燃气管道穿越河底的施工方法，采用非开挖水平定向钻拉管施工，在地面以上将管道从指定位置入地，从指定位置出地，不污染环境，不影响交通，施工周期短，综合成本低，既节约施工成本，缩短施工周期，又没有安全隐患。

尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对装置或方法做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的装置和方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。