王東源 楊建 張振永 熊健

中國石油天然氣管道工程有限公司

摘要：防范施工挖掘損壞管道一般常用鋼筋混凝土蓋板，存在成本高、施工難度大、施工耗時長等不足。針對這些問題，本文開展了高強(qiáng)度柔性蓋板選型工作，明確了其外觀尺寸、力學(xué)耐久性能等主要指標(biāo)。通過現(xiàn)場挖掘試驗，驗證了高強(qiáng)度柔性蓋板的安全性、適用性，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、可靠穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)合理等特點，在管道建設(shè)期、運營期提前預(yù)埋，可以較好發(fā)揮第一時間的警示提醒和防護(hù)保護(hù)功能，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：高后果區(qū)；柔性蓋板；高強(qiáng)；第三方挖掘；現(xiàn)場試驗

在對油氣管道造成破壞的事件中，第三方施工活動破壞發(fā)生的頻率最高，且最不可控[1]，如果發(fā)生在人口密集型高后果區(qū)，影響更甚。目前采取的防護(hù)方法主要是使用鋼筋混凝土蓋板[2-3]。但是鋼筋混凝土蓋板成本高，施工難度大、耗時長，還不能在機(jī)械挖掘時及時警示提醒。

新型高強(qiáng)柔性蓋板采用滌綸纖維長絲為原材料編織成網(wǎng)格坯布，涂覆聚氯乙烯膠或丁苯膠乳，能夠抵抗至少30噸挖掘機(jī)的作用力，顏色為具有警示作用的黃色，在人口密集型高后果區(qū)，完全可以替代鋼筋混凝土蓋板，有效防范施工挖掘活動對管道的損壞，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、可靠穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點。該技術(shù)在管道保護(hù)領(lǐng)域中還沒有使用先例，填補(bǔ)了國內(nèi)行業(yè)技術(shù)空白。

1  現(xiàn)場試驗驗證

開展了高強(qiáng)柔性蓋板的警示性能和抗沖擊性能驗證。在警示性能驗證試驗中，當(dāng)挖掘機(jī)撞擊到油氣管道上方設(shè)置的高強(qiáng)柔性蓋板時，挖掘機(jī)司機(jī)有明顯感知，提醒地下有障礙物，停止挖掘工作。在抗沖擊性能驗證試驗中，高強(qiáng)柔性蓋板抵擋了30噸重的挖掘機(jī)的作用力，并阻擋了進(jìn)一步下挖。

1.1  試驗方案和步驟

在試驗中允許新型高強(qiáng)柔性蓋板出現(xiàn)局部碎裂，但不允許出現(xiàn)折斷現(xiàn)象，以防挖掘機(jī)直接貫穿損壞管道。在最后的縱向撞擊之后，要進(jìn)行的操作是繼續(xù)嘗試把柔性蓋板拉出地面或?qū)⑵鋼p壞（圖 1）。

圖 1 平面布置圖和剖面布置圖

試驗中考慮兩個試驗階段：

（1）驗證一次性沖擊深度試驗。設(shè)置新型高強(qiáng)柔性蓋板不埋土且受挖掘機(jī)鏟斗垂直作用的工況，以確定挖掘機(jī)鏟斗的一次性沖擊深度，此深度值作為高強(qiáng)柔性蓋板與油氣管道保持的最小安全距離的重要數(shù)據(jù)支撐。高強(qiáng)柔性蓋板尺寸長為14 m、寬為2.5 m，埋深深度0.3 m，沖擊作業(yè)區(qū)位置設(shè)置在中間部位，尺寸長為2 m、寬為2.5 m，除作業(yè)區(qū)不回填土體外，其余部位全部進(jìn)行土體回填。挖掘機(jī)位于試驗溝槽中間位置，沿縱向，挖掘機(jī)鏟斗用力向下沖擊，效果如圖 2所示。

圖 2 一次性沖擊深度試驗

經(jīng)多次沖擊試驗，即使挖掘機(jī)前端翹起，挖掘機(jī)鏟斗沖擊深度在16 cm～18 cm左右，也被阻擋無法繼續(xù)下挖，挖掘機(jī)鏟斗齒從高強(qiáng)柔性蓋板網(wǎng)孔穿過，無法完全破壞條帶。試驗證明，柔性蓋板起到明顯阻止下挖的作用，一次性沖擊試驗效果較好。

（2）警示和機(jī)械防護(hù)效果試驗。本次試驗將高強(qiáng)柔性蓋板埋深在地面0.5 m處，試驗段土工格柵尺寸長為30 m、寬為2.5 m，埋深深度0.5 m，沖擊作業(yè)區(qū)位置設(shè)置在中間部位，尺寸長為2 m、寬為2.5 m，整段區(qū)域全部進(jìn)行土體回填，通過長度方向上的土體來抵抗挖機(jī)的一部分拖拽力，避免高強(qiáng)柔性蓋板被挖掘機(jī)鏟斗拖拽出。為了全面測試高強(qiáng)柔性蓋板的性能，設(shè)置縱向挖掘格柵的頂部和邊緣、縱向挖掘格柵中心的頂部和橫向挖掘蓋板的頂部和邊緣、橫向挖掘格柵中心的頂部等四種測試。  

縱向挖掘試驗中，挖掘機(jī)縱向攻擊格柵的中間位置（圖 3），挖掘機(jī)在縱向攻擊高強(qiáng)柔性蓋板中間部位時，蓋板條帶幾乎未斷裂，被挖機(jī)鏟斗提高72 cm，已高出地面20 cm左右，可以多次導(dǎo)致挖掘機(jī)憋熄火，完全可以引起挖掘機(jī)司機(jī)注意，停止作業(yè)，發(fā)揮了較好的機(jī)械防護(hù)和提醒警示作用。

圖 3 縱向挖掘試驗

橫向挖掘試驗中（圖 4），由于高強(qiáng)柔性蓋板寬度為2.5 m，寬度方向回填土層少，比較容易被挖機(jī)拉出來，幾乎沒有條帶斷裂現(xiàn)象，被挖掘機(jī)提高1.5 m左右，十分容易引起司機(jī)的注意。

圖 4 橫向挖掘試驗

1.2  試驗結(jié)果

一次性沖擊深度試驗表明，高強(qiáng)柔性蓋板在防止挖掘機(jī)鏟斗繼續(xù)深挖過程中發(fā)揮了重要作用，將挖掘深度阻止在20 cm之內(nèi)，為油氣管道保護(hù)的最小安全距離提供了重要數(shù)據(jù)支持。在警示和機(jī)械保護(hù)試驗過程中，高強(qiáng)柔性蓋板被挖掘機(jī)拉出地面高度以上，向挖掘機(jī)司機(jī)提供了重要信號，引起司機(jī)的警惕和注意。兩個階段試驗都驗證了高強(qiáng)柔性蓋板在油氣管道保護(hù)工程中警示提醒作用和機(jī)械防護(hù)效果。

2  經(jīng)濟(jì)性分析

高強(qiáng)柔性蓋板可以現(xiàn)場人工手動展開，施工便捷安全，材料、運輸、安裝成本低。與常規(guī)采用的鋼筋混凝土蓋板的成本費用對比如表 1所示。

表 1 成本費用比較表

3  工程應(yīng)用

3.1  外觀要求及材料性能指標(biāo)

高強(qiáng)度柔性蓋板顏色應(yīng)為具有警示作用的黃色，色澤應(yīng)均勻，外觀應(yīng)無損、無破裂，網(wǎng)孔大小形狀應(yīng)均勻，無斷絲、無網(wǎng)眼抽縮，節(jié)點應(yīng)牢固、無滑移，涂覆應(yīng)均勻。應(yīng)使用滌綸纖維長絲，涂覆聚氯乙烯膠或丁苯膠乳，能夠完全抵抗不小于30噸挖掘機(jī)的挖掘作用，使用壽命均應(yīng)大于等于100年。

高強(qiáng)度柔性蓋板外觀尺寸、力學(xué)、耐久性能詳見表 2規(guī)定。

表 2 高強(qiáng)度柔性蓋板的性能指標(biāo)要求

3.2  典型型式

高強(qiáng)度柔性蓋板典型型式詳見圖 5。

圖 5 典型高強(qiáng)度柔性蓋板型式

3.3  成本分析

新型高強(qiáng)度柔性蓋板在工程中應(yīng)用長度合計29.96 km，累計節(jié)約成本約2606.52萬元。該節(jié)約成本僅是防護(hù)蓋板在材料成本上的費用，不包括現(xiàn)場施工機(jī)械費用的降低、施工效率的提高帶來的成本節(jié)約。

4  結(jié)語

與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土蓋板相比，高強(qiáng)柔性蓋板可以對第三方施工挖掘活動產(chǎn)生較好的警示提醒和機(jī)械防護(hù)作用，特別是在人口密集型高后果區(qū)，可以有效降低公共安全風(fēng)險。同時具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、可靠穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)合理的特點，可廣泛應(yīng)用于埋地管道的設(shè)計、施工和防護(hù)領(lǐng)域，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

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[2]鄧小濤，連大煥，曹林曉. 在役天然氣管道與道路交叉保護(hù)設(shè)計方案研究[J].工程技術(shù)研究，2020，5(24)：200-202.

[3]吳海春，謝俊，田春曉，等.輸氣管道地區(qū)等級升級后定量風(fēng)險評價技術(shù)[J].油氣田地面工程，2021，40(4)：8-13.

作者簡介：王東源，1987年生，碩士研究生，中國石油天然氣管道工程有限公司線路室工程師，主要從事長輸管道線路設(shè)計及管道安全防護(hù)研究工作。聯(lián)系方式：17701305285，cppewangdy@cnpc.com.cn。