流沙地質(zhì)頂管穿越的設(shè)計(jì)與施工

劉暾

（中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院，河南濮陽(yáng) 457001）

流沙地質(zhì)頂管穿越的設(shè)計(jì)與施工

劉暾

（中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院，河南濮陽(yáng) 457001）

油氣管道穿越省道、國(guó)道、高速公路、鐵路等交通頻繁或不能阻斷交通的地方時(shí)，無(wú)法采取大開挖穿越方式，設(shè)計(jì)上一般采用頂管或者定向鉆的穿越方式，如果穿越點(diǎn)地質(zhì)條件為流沙，無(wú)論是頂管還是定向鉆，都會(huì)因流沙的地質(zhì)特點(diǎn)產(chǎn)生各種意外問(wèn)題，造成穿越失敗。文章著重對(duì)流沙地質(zhì)頂管穿越從設(shè)計(jì)和施工的角度進(jìn)行分析，針對(duì)問(wèn)題提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)措施，以達(dá)到成功頂管的目的。

流沙；頂管；穿越；油氣管道

0 引言

在油氣管道穿越設(shè)計(jì)中，除穿越河流、隧道外，一般采取大開挖方式，而遇到省道、國(guó)道、高速公路、鐵路等交通頻繁或不能阻斷交通的地方時(shí)，就要采用頂管或者定向鉆方式，其中頂管方式是首選設(shè)計(jì)方案。如果穿越點(diǎn)地質(zhì)條件為流沙，按傳統(tǒng)的頂管措施進(jìn)行施工時(shí)，會(huì)因流沙的地質(zhì)特點(diǎn)產(chǎn)生諸如操作坑坍塌、路基下陷、套管下沉、套管頂裂等問(wèn)題，造成頂管失敗。

中石化天然氣分公司膠州—日照天然氣管道工程在膠南市穿越同三高速時(shí)遇到流沙地質(zhì)，本文以此穿越工程為例，從設(shè)計(jì)和施工的角度闡述在流沙地質(zhì)路基下頂管穿越需采取的改進(jìn)措施，以達(dá)到成功穿越的目的。

1 穿越工程概況

該工程為膠州—日照天然氣管道工程線路工程2期Ⅱ標(biāo)段，管道敷設(shè)穿越同三高速公路，原設(shè)計(jì)穿越位置在鐵山鎮(zhèn)北側(cè)，后按照地方規(guī)劃要求改線，穿越位置調(diào)整到鐵山鎮(zhèn)燮里村西約600 m處。

同三高速穿越段處于山間河谷平原，地形平坦，地貌單一，平均地下水位-1.5 m，地層主要為第四紀(jì)沖積形成的砂土、粗砂、礫砂，呈黃褐色。同三高速頂管穿越參數(shù)如表1所示。

2 流沙地質(zhì)頂管穿越常見(jiàn)問(wèn)題分析

2.1 背力墻失穩(wěn)

在流沙地質(zhì)條件下的頂管過(guò)程中，隨著頂力不斷增大，背力墻后的流沙不斷后移，造成背力墻失穩(wěn)。

表1 同三高速頂管穿越參數(shù)

2.2 操作坑集水

（1）地質(zhì)原因：地下水位過(guò)高，流沙地質(zhì)為粗砂、礫砂，造成大量的地下水從四周流向操作坑，由于水量大，造成抽水速度落后于滲水速度。

（2）操作坑結(jié)構(gòu)原因：操作坑除了背力墻外，其他三面用草袋裝土堆砌，坑底用黃土夯實(shí)，無(wú)法將地下水與操作坑徹底隔絕，造成大量滲水。

2.3 路基下陷

（1）地質(zhì)原因：路基地質(zhì)為流沙，且地下水位高，在頂進(jìn)過(guò)程中由于地下水水量大，使套管前端以及外壁的流沙被地下水從套管內(nèi)沖出，形成空腔，最終造成路基下陷。

（2）施工措施原因：流沙地質(zhì)條件下進(jìn)行頂管施工時(shí)，沒(méi)有針對(duì)高水位條件下流沙易流動(dòng)的特點(diǎn)采取固砂、防塌陷措施。

2.4 套管下沉

由于流沙具有移動(dòng)性，在頂進(jìn)過(guò)程中套管底部受沖蝕，在重力作用下套管下沉，造成頂管方向偏移。

2.5 套管頂裂

（1）套管原因：一是由于所選擇的套管等級(jí)低，強(qiáng)度不夠；二是由于套管預(yù)制工藝限制，端部混凝土不能壓實(shí)成型，最終由人工二次涂抹成型，造成端部強(qiáng)度不夠。

（2）設(shè)備原因：套管頂進(jìn)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)不同步現(xiàn)象，只能通過(guò)頂進(jìn)長(zhǎng)度的差異來(lái)察覺(jué)，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和糾正，造成套管受力不均，行程大的一側(cè)頂力過(guò)大，從而將此側(cè)套管頂裂。

（3）其他原因：由于在頂進(jìn)過(guò)程中套管下沉，套管連接處錯(cuò)位，造成套管連接端面受力不均，從而將套管頂裂。

3 技術(shù)措施的確定

此工程的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是地下水位高，平均地下水位-1.5 m，地下土質(zhì)為砂土并形成流沙，滲水嚴(yán)重，操作坑內(nèi)積水和塌方嚴(yán)重，排水量極大；二是同三高速公路車流量大，頂管施工期間容易出現(xiàn)路基下沉現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)流沙地質(zhì)頂管穿越常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行分析，針對(duì)這兩大難點(diǎn)提出了多項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)措施。

3.1 穿越點(diǎn)位置選擇

根據(jù)GB 50423-2007《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，由于同三高速兩側(cè)各有一道寬3.0 m、深1.5 m的排水溝，且外側(cè)還有隔離網(wǎng)，為了防止操作坑垮塌影響高速公路的安全，將施工起終點(diǎn)定在隔離網(wǎng)外側(cè)4 m處。

3.2 套管的選擇及處理

（1）針對(duì)流沙地質(zhì)，為避免套管太大對(duì)地層的穩(wěn)定產(chǎn)生影響，選擇公稱內(nèi)徑為1 200 mm的套管。

（2）針對(duì)地下水位高的問(wèn)題，為防止地下水從套管接口滲入以及頂進(jìn)時(shí)接口錯(cuò)位，選擇端部剛度及密封性能較好的鋼承口管。

（3）在第一根套管頂進(jìn)部位前端安裝防護(hù)筒，其目的是在套管頂進(jìn)過(guò)程中，在挖空套管前端流沙減少阻力的同時(shí)，保證防護(hù)筒與砂層接觸面始終處于飽和狀態(tài)，防止流沙倒灌，套管頂部形成空腔，進(jìn)而引起路基塌方。由于流沙自然邊坡比為1∶0.8～1，套管外徑為1 440 mm，所以防護(hù)筒伸出套管最小長(zhǎng)度為1 440 mm，加上與套管搭接的長(zhǎng)度200 mm，總長(zhǎng)度為1 640 mm，取整1 700 mm。防護(hù)筒結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，防護(hù)筒與套管內(nèi)鋼筋骨架聯(lián)結(jié)。

（4）為了穩(wěn)固流沙，防止在頂管過(guò)程中形成抱管，減少頂管阻力，參照油田鉆井注入泥漿的原理，增加泥漿注入系統(tǒng)。在套管頂進(jìn)部位前端設(shè)置4個(gè)90°均布的注漿孔，并安裝注漿管 （選用直徑25 mm的無(wú)縫鋼管，單根長(zhǎng)40 cm），套管頂進(jìn)時(shí)不斷向機(jī)頭四周注膨潤(rùn)土泥漿，用于穩(wěn)固套管外壁以及前端的流沙，并起潤(rùn)滑作用以減少頂進(jìn)的阻力（阻力將減少50%～90%）。進(jìn)行注漿減阻時(shí)，注漿壓力為0.1～0.5 MPa，注漿流量、壓力等施工參數(shù)按照減阻及控制地面變形的反饋資料加以調(diào)整。全部套管頂進(jìn)完畢后，隨即通過(guò)套管連接處的注漿孔，往套管外壁的縫隙注入水泥漿，使套管堅(jiān)固連接。泥漿注入系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

（5）在頂進(jìn)套管端部設(shè)置活動(dòng)門，防止地下水將流沙大量沖出，根據(jù)套管推進(jìn)量有計(jì)劃地挖出流沙。

（6）為保證套管接續(xù)的平直度，管節(jié)穩(wěn)定后，在套管內(nèi)側(cè)兩管節(jié)接口處做好密封，在管內(nèi)用鋼脹圈將兩管節(jié)接口支撐牢固，使接口處于剛性連接狀態(tài)，從而避免在頂進(jìn)中受力產(chǎn)生錯(cuò)口，保證頂進(jìn)過(guò)程中高程和方向的準(zhǔn)確性。鋼脹圈采用鋼板制作，厚10 mm、寬300 mm，環(huán)外徑比鋼筋混凝土管內(nèi)徑小30～40 mm，上部的間隙用木楔楔緊。管道接口支撐圖見(jiàn)圖3。

3.3 頂進(jìn)設(shè)備選擇

按照設(shè)計(jì)要求，同三高速穿越套管總長(zhǎng)72 m，在頂管施工中屬于長(zhǎng)距離穿越，選擇合適推力的頂進(jìn)設(shè)備是頂管成功的關(guān)鍵。

3.3.1 理論公式計(jì)算

管道頂進(jìn)時(shí)所需的頂力必須克服管壁與土之間的摩擦阻力和管端切土阻力，可以按照下式計(jì)算：

式中N——理論頂力/kN；

f——管壁與土之間的摩擦系數(shù)；

PV——管頂?shù)拇怪眽毫?kPa；

PH——管側(cè)的水平壓力/kPa；

D——套管外徑/m；

L——套管長(zhǎng)度/m；

P0——套管總重力/kN；

R——管端切土阻力/kPa；

A——管端面積/m2。

理論公式計(jì)算所得結(jié)果一般比實(shí)際大很多，主要原因是理論公式中所考慮的條件都是靜態(tài)的，而正常頂進(jìn)過(guò)程是動(dòng)態(tài)的，隨著套管不斷向前頂進(jìn)，套管外壁上半部的土?xí)煌诳?，造成管壁與土的接觸面減小，從而所需頂力減??；另外，在實(shí)際頂進(jìn)過(guò)程中，頂力除了與土質(zhì)、管徑、管長(zhǎng)等因素有關(guān)外，還與地下水位高低、頂進(jìn)過(guò)程是否中斷、附近振動(dòng)影響、頂進(jìn)質(zhì)量等因素有關(guān)。所以，在工程實(shí)際中一般用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算頂力大小。

3.3.2 經(jīng)驗(yàn)公式

N=LGK

式中L——頂管長(zhǎng)度/m；

G——每米管重/（kN/m）；

K——頂力系數(shù)（黏土、亞黏土、含水砂土

取1.5～2.0；砂土、砂礫取3.0）。

取L=72 m，G=12.67 kN/m，K=3.0（取最大值）， 計(jì)算得：N=72×12.67×3=273.7 （kN），應(yīng)選用推力不小于此值的頂進(jìn)設(shè)備。

3.4 井點(diǎn)降水

（1）穿越點(diǎn)處地下水位高，且為流沙地質(zhì)，為保證操作坑內(nèi)的作業(yè)及施工安全，并防止套管頂進(jìn)時(shí)地下水將流沙從套管內(nèi)沖出，引起路基下陷，采取設(shè)置降水井的措施來(lái)降低地下水位。

（2）在操作坑與高速公路之間設(shè)置6口直徑為400 mm螺旋縫鋼套管的降水井，公路兩側(cè)共12口，用于降低穿越段的地下水位。降水井打入地下12 m深，井底2 m的套管選用四周帶有小孔的直徑為400 mm的混凝土管，用于過(guò)濾滲水，井下鋪設(shè)0.5 m高的鵝卵石。降水井安裝如圖4所示。

3.5 操作坑處理

（1）由于地下水位高，地質(zhì)為砂層，套管管底設(shè)計(jì)標(biāo)高為-4.0 m，為防止操作坑垮塌且便于操作，邊坡采用1∶1.5的系數(shù)放坡，將操作坑按階梯式分四步挖成。先開挖12 m×12 m×1 m的操作坑，在距坑內(nèi)邊1 m的位置開挖10 m×10 m×1 m的操作坑，接著開挖8 m×8 m×1 m的操作坑，再開挖6 m×6 m×1 m的操作坑，最后形成6 m×6 m×4 m的操作坑。

（2）操作坑四壁及底部使用C30鋼筋混凝土澆筑，背力墻中間使用6根D 100 mm的無(wú)縫鋼管（6 m/根）打入地下3 m深并用砂漿滿灌，其余部位采用φ 18 mm的鋼筋 （間隔150 mm×150 mm，呈網(wǎng)狀）。鋼筋混凝土背力墻呈梯形，其作用是增強(qiáng)背力墻的穩(wěn)定性，保持設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，避免頂管時(shí)背力墻發(fā)生后移。坑底地面夯實(shí)后澆筑，四壁澆筑高度為4.5 m，底部厚度為0.4 m。混凝土澆筑時(shí)，要保證背力墻的垂直度，確保背力墻與管道中心軸線垂直。鋼筋混凝土背力墻如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

流沙地質(zhì)頂管的設(shè)計(jì)和施工一直是個(gè)工程難題，在規(guī)范里也很少詳細(xì)闡述此內(nèi)容，管道工程設(shè)計(jì)一般都盡量避開流沙地質(zhì)區(qū)段。通過(guò)采取本文所提出的設(shè)計(jì)措施，流沙地質(zhì)條件下同三高速公路的頂管穿越施工一次就獲得了成功，而且經(jīng)過(guò)一年的運(yùn)行，沒(méi)有發(fā)生路基下沉及套管內(nèi)滲水的現(xiàn)象，這說(shuō)明設(shè)計(jì)措施是成功的、可靠的，對(duì)流砂地質(zhì)條件下公路、鐵路的頂管穿越設(shè)計(jì)有著指導(dǎo)意義。

[1]GB 50423-2007，油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].[2]GB 50424-2007，油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范[S].

Design and Construction of Pipe Jacking Crossing in Quicksand Geological Condition

LIU Tun（Zhongyuan Engineering Company,Puyang 457001,China）

When oil and gas pipelines cross through provincial road,state road,highway and railway where traffic is heavy or not to be interrupted,the crossing method of excavation can not be taken，then the pipe jacking or directional drilling method is commonly adopted in design.If the geological condition in crossing location belongs to quicksand,either pipe jacking or directional drilling will meet with sudden problem and often lead to crossing failure.This article focuses on the pipe jacking crossing in geological condition of quicksand,analyses its design and construction,and puts forward the corresponding design approaches to achieve the purpose of successful pipe jacking construction.

quicksand;pipe jacking;crossing;oil and gad pipelines

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.010

劉 暾 （1975-），男，山西陽(yáng)城人，高級(jí)工程師，1998年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)，現(xiàn)從事油氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)計(jì)工作。

2011-02-21