国外特殊地形地貌管道施工装备与技术
摘要：系统介绍了国外在特殊地形地貌的管道施工装备与技术现状，其中德国、美国和意大利拥有成熟的山区施工装备，德国、美国、日本、瑞典的石方工程机械比较先进，美国、德国、比利时和利比亚在沙漠地区管道施工装备方面发展较快，美国和日本在水网沼泽地区管道施工装备方面技术优势明显，俄罗斯和加拿大在高寒冻土地区管道施工装备方面占据了国际大部分市场。在水网沼泽地区的管道施工技术主要有：铺管船法、拉管法、推管法、浮运法、井点降水法等。多年冻土区域的管道主要采用沿路基地上敷设方案和地下敷设方案；应用热棒（管）技术，可以解决基础冻胀和融沉等热力问题；俄罗斯近年发展了人工地层冻结开挖施工的新技术。针对我国在特殊地段管道施工装备和技术方面与国外的差距，提出了工程研发的方向和思路。
关键词：管道施工；山区；沙漠；水网沼泽；高寒冻土
我国油气管道建设节奏加快，对管道施工装备和技术水平提出了更高要求。长距离管道建设途经区域跨度大，需要在不同地形地貌条件下进行施工作业，山
区、沙漠、水网沼泽和高寒冻土等地区恶劣的自然条件，使普通的施工装备和技术难以得到有效应用，因此成为制约施工进展的关键因素。针对特殊地形地貌区域的管道施工，系统评述国外相关的特种施工装备与技术，可为国内同类型管道施工提供借鉴与参考。
1 山区地段的施工装备
近年来，国外在山区管道施工中的专用装备呈现出大型化、多机种、自动化、多功能的基本特点，土石方工程机械化施工过程更加关注环境保护和地貌恢复，山区管道施工技术逐步向综合机械化方向发展。
德国生产制造的岩石挖沟机，可用于平坦的风化岩等岩石地段的管道施工。整套机械安装在一台双液压马达驱动的重型履带车上，其移动速度4.7 m/min，机械质量100 t；通过遥控操作台控制装备的切削运动和机械行走，开沟深度3.6 m、宽度6 m。美国制造的安装在挖掘机或装载机上的筛分破碎铲斗，装配滚轴和粉碎锤，在挖沟的同时具备部分筛分功能，工作效率达2.7 m3/ 铲。意大利制造的自行式管沟细土回填机，具备岩石粉碎功能，其专用的沟下岩石粉碎机，借助破碎锤粉碎岩石，工作效率高达25～40 m3/h。
国外在20 世纪80 年代后期开始使用回填机在山区地段进行回填作业，细土回填机在石方段管沟的施工设备中占据相当的市场份额，主要设备包括：带粉碎功能的自行式细土回填机、牵引式细土回填振动筛、沟下自动粉碎机等。这些专用设备的问世，极大地提高了山区地段的管道施工效率。与德国、美国、日本、瑞典等国相比，国内石方工程机械的机种少，已有机种的自动化程度、综合机械化水平不高，在可靠性和安全性方面尚需提高。
2 沙漠地区的施工装备
沙漠地区因沙子具有松散性，故管沟开挖后易坍塌。因此，国外多采用装设压实装置的导链式挖沟机械，先压实后挖沟，使沟壁形状整齐，挖沟深度为2 m、宽度为3 m。其主要技术特点是在挖沟机械后面安装箱式管沟成型装置，该装置分上、中、下3 部分：底部箱内装设激光控制液压系统，可产生震动，用于压实沟底；中间层的作用是压实沟壁，使沟壁表面平整，保证不坍塌；顶部箱内装设各种硬件装置，用于连接发动机和控制器。
沙漠管道施工机具的运输均采用低接地比压的宽轮胎车型运输车辆。美国、德国和比利时3 国联合研制的一种新型沙漠运输车，在行驶途中可以根据路况及时改变轮胎的接地比压，使之可以适应更多的路面条件。利比亚沙漠管道使用的沙漠运管拖车，车身尺寸为26 m×12 m，l6 个轮胎，自带管材装卸设备，自身质量125 t，载重450 t，爬坡和越野能力较强，被称为“沙漠运管能手”。沙漠铺管的专用运输机械还有加拿大的沙漠越野车、俄罗斯的秋明越野车以及大陆供应公司的沙漠征服者运管车。
3 水网沼泽地区的施工装备与技术
美国制造的单斗挖沟机专用于水网沼泽地区的管道施工，其机座带有浮盘且底盘全部密封，因此可浮在沼泽上挖沟，最大挖深达8.5 m。日本制造的沼泽地专用拉铲挖掘机，是一种可作为浮船使用的空腹式超大型履带结构机械式铲土机，适用于水陆两栖挖掘，具有极低的接地比压，在任何软地基上施工均不需垫板。水网沼泽地区的管道施工专用装备还有两栖运输车和吊车，这些装备载重较大，均为履带结构，陆地行进速度可达10 km/h，在沼泽地区的速度降至5 km/h 左右。国外在水网沼泽地区多采用铺管船法、拉管法、推管法、浮运法、井点降水法等铺管技术进行管道施工。
铺管船法：将抓斗式挖泥机或拉铲挖土机安装于船上，沿着预先挖出的沟向前推进；后续铺管船进行焊接、检验、防腐、补口，并将管道置入沟中；回填船进行回填。该方法的缺点是需要为铺管船开挖一条足够大的水沟，施工缓慢、费用高。
拉管法：穿过沼泽挖出一条通行航道，将用混凝土作保护层的长管段置于岸上，拉管时配上浮筒，在船上进行焊接，然后用船拉入沟中，再拆掉浮筒，使管道沉入沟底。该方法同样具有施工缓慢、费用高的缺点。
推管法：建造一个组合式管道下水甲板，或修筑一个设备和作业站都安装好的土平台，在平台上完成管道的焊接、探伤、补口、补伤等作业，然后将管道绑上浮筒通过锚固在地上的绞车，从平台上推出。该方法的优点是不需要主要的交通河道，工作环境不受天气影响，焊接效率高、质量好。
浮运法：沿充水管沟浮运已防腐管道，与专用通道施工法相比，在敷设速度上具有显著优势。在管沟内有水、环境温度在0 ℃以上且无曲线段的情况下，可以采用浮运法。根据管道的敷设长度，适用于3 km 以下管道的浮运法称为行进浮运法，适用于3 km 以上管道的浮运法称为安装工地浮运法。
井点降水法：在管沟一侧或两侧埋设若干深于管底标高的井管（包括滤水管），上端通过汇管与抽水设备相连，开动抽水设备后，井管中的水被抽出，滤管周围的地下水位向滤管内补给，如果抽水速度大于补给速度，井管周围地下水位即可降低至沟底标高以下，使管沟两侧处于无水状态，从而便于管道施工。国外有一种犁沟机械，边开沟边下埋一条微渗管后再由抽水泵将水抽走，同样可以达到降水的目的。
4 高寒冻土地区的施工装备与技术
国外多年冻土区的管道建设已有几十年的历史，在管道设计与施工等方面积累了丰富经验[1]，施工技术与装备相对成熟。多年冻土区域的管道敷设有两种方案，一般根据具体地段工程地质低温条件对两种方案进行经济技术对比，确定选用沿路基地上敷设方案或地下敷设方案。在少冰和覆冰土壤内，可以进行地下敷设；在多冰土壤内或存在埋冰时，则沿路基进行地上敷设且按照规定每隔约20 m 设置一个管道座。地上敷设的主要缺点是地上系统的补偿能力复杂，容易导致管道座垂直位移不均匀，管道座的分布越稠密，不均匀位移的影响越大。为消除该位移，通常使用高度可调的管道座横木，或在管道座中使用可以限制金属桩向上移动的带防冻胀元件。
国际上的冻土区管道施工装备，俄罗斯和加拿大的产品占据了大部分市场。俄罗斯制造的冻土松土器，在冬季管沟开挖时耗能小、施工速度快。加拿大制造的轮斗式冻土挖沟机配有3 台发动机，整个轮斗直径为7 600 mm，质量950 t，挖沟深度3 048 mm，在冻土层的挖掘速度152 mm/min。俄罗斯制造的转筒式挖沟机，专供直径为1 220～1 420 mm 的管道敷设挖沟，可在－ 40 ℃温度环境下工作，在冻透土层挖掘时其施工速度可达220 m3/h，同时能在1～4 级土质和冻深为1.5 m 的地带挖沟。
在高寒冻土区基础工程中应用热棒（管）技术，可以解决基础冻胀和融沉等热力问题，保障多年冻土地基的稳定，阿拉斯加输油管道是利用热管技术解决冻土稳定问题的成功典范[2]。国外正在研究将热棒技术应用于铁路工程，开发热棒通用分析方法，研究编制通用简便的电子计算机程序，改进铁路的制造和安装工艺。俄罗斯近年在冻土地区采用人工地层冻结技术进行开挖施工，利用制冷技术在地层中形成封水且有较高承压能力的冻土结构物，达到加固地层的目的，然后在冻土结构物的保护下进行土体开挖和施工。
5 结论与建议
国内针对特殊地质地形条件下的管道施工亦开展了多项研究，研制出适用于山区大口径管道施工的滑管式和轨道式机具、水网地带湿地焊接车和管道组对专用气囊、山区油气管道应急抢险专用履带式山地抢险综合车等，在应对特殊地形地貌管道施工时发挥了一定作用，但在技术水平和施工效率方面与国外先进水平尚存差距。
我国在特殊地形地貌条件下的管道施工技术和方法需要基于现场实际，借鉴吸收国外的先进技术和经验，将施工方法和施工装备进行有机结合，因地制宜地制定施工方案。在特殊地质地形专用管道施工装备方面，建议开展沼泽地区管道施工车辆底盘、折叠式液压防溜车设备、管沟细土回填机、冻土融化区管道施工车辆底盘等的研制；在施工安全和设备维护技术方面，建议开展设备维修保养综合工程车、折叠式液压防溜车设备以及水箱、发动机、阀门和管路加热装置的研制。
本文作者：田艳玲 尹铁（中国石油天然气管道科学研究院，河北廊坊 065000）
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