巖石地層大口徑長距離管道頂管施工技術(shù)

劉慶新，李　默，呂洪丹，高　鵬，張　爽

1.中油管道建設(shè)工程有限公司，河北廊坊 065001

2.中國石油天然氣管道局國內(nèi)事業(yè)部，河北廊坊 065000

巖石地層大口徑長距離管道頂管施工技術(shù)

劉慶新1，李默1，呂洪丹1，高鵬2，張爽1

1.中油管道建設(shè)工程有限公司，河北廊坊 065001

2.中國石油天然氣管道局國內(nèi)事業(yè)部，河北廊坊 065000

大口徑長距離巖石地層頂管施工技術(shù)在我國油氣管道工程中得到越來越多地運用。文章通過對大口徑長距離巖石地層頂管施工中制約正常掘進(jìn)的主要因素的介紹，結(jié)合西氣東輸二線東段頂管隧道施工工作情況，闡述了頂管機(jī)頭的刀盤、刀具、膨潤土泥漿配置與壓力、施工過程中的控制因素等現(xiàn)場管控要素在頂管施工中對總體掘進(jìn)施工的影響。對各項因素的分析結(jié)果也為類似的頂管施工提供了經(jīng)驗。

巖石地層；頂管施工；外壁摩阻力；膨潤土泥漿；控制

0　引言

隨著頂管施工方法在國內(nèi)的普及與發(fā)展，穿越巖石層的頂管施工已在工程建設(shè)中的應(yīng)用越來越廣泛[1]。由于全斷面、長距離的巖石層頂管機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高，其施工工藝一直處于發(fā)展探索階段。

頂管施工主要根據(jù)地形地貌、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地面及周邊環(huán)境影響因素以及施工現(xiàn)場情況選擇[2]。在巖石層里，采用封閉式頂管，選用有二次破碎功能的巖盤泥水頂管機(jī)對前方巖體進(jìn)行切削，后方則根據(jù)不同的地質(zhì)情況，輔以油缸筒、防旋轉(zhuǎn)油缸筒或氣壓倉等措施推進(jìn)。

1　巖石地層頂管掘進(jìn)施工關(guān)鍵技術(shù)

1.1刀盤、刀具

刀盤、刀具具有切削掘進(jìn)、穩(wěn)定開挖工作面功能。結(jié)構(gòu)形式與工程地質(zhì)條件有著密切的關(guān)系，不同的巖層采用不同的刀盤結(jié)構(gòu)型式，選用不同的刀具及布置。大口徑全斷面巖盤泥水頂管機(jī)，多選擇面板式刀盤。面板式刀盤一般為焊接箱形結(jié)構(gòu)，其上設(shè)置刀座、刀具、碴石出口、添加劑注入口及與主軸承連接部件。刮刀或刮碴板布置在面板上碴石出口的兩側(cè)，滾刀布置面板是刀座。 刀盤平面布局見圖1。

圖1　刀盤平面布局示意

滾刀的作用是破巖，依靠刀具滾動產(chǎn)生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用達(dá)到破碎巖石的目的。滾刀只能純滾動，安裝時要考慮周邊滾刀的角度，以延長滾刀的使用壽命并保證滾刀的切屑直徑。配置時也要增加周邊滾刀的數(shù)量。滾刀的刀間距過大和過小都不利于破巖，間距過大，滾刀間會出現(xiàn)“巖脊”現(xiàn)象，間距過小，滾刀間會出現(xiàn)小碎塊現(xiàn)象，降低破巖功效[3]。

刀盤中心位置一般布置多刃組合滾刀，每個旋轉(zhuǎn)方向都有足夠的出碴槽，以保證碴石及時排入頂管機(jī)內(nèi)。西氣東輸二線東段的修水頂管穿越工程、灄水河頂管穿越工程、常山江管穿越工程中使用的機(jī)頭中心滾刀布置如圖2所示。

圖2　頂管穿越機(jī)頭中心滾刀布置

刀盤正面區(qū)和外緣布置單刃或雙刃滾刀，正面區(qū)對于硬巖宜選用單刃滾刀，軟巖宜選用雙刃滾刀，外緣多選用雙刃滾刀。

1.2管道外壁減阻

采用泥漿減阻是長距離頂管減少摩阻力的重要措施之一。在頂管過程中，如果注入的泥漿能在管子的外圍形成一個比較完整的漿套，則可將摩阻力由 12 ～ 20 kN/ m2減少至 3 ～ 5 kN/ m2。英國有關(guān)資料將頂進(jìn)巖石層中的摩阻力取值為 2 ～ 3 kN/m2。

常山江 DN2 200 mm 巖石頂管工程，采用膨潤土泥漿減阻，頂進(jìn)長度達(dá) 306 m，摩阻力約為 4.9 kN/m2。

只要頂進(jìn)管在整個圓周上被膨潤土懸浮液所包裹，根據(jù)浮力定律頂進(jìn)管道就懸浮于膨潤土泥漿中，即使膨潤土懸浮液的厚度很小也是如此（見圖3）。

圖3　管道與巖層之間充滿膨潤土泥漿時的懸浮情況

假定鋼筋混凝土頂進(jìn)管的內(nèi)外徑分別為D內(nèi)和D外，壁厚為d=0.1D內(nèi)，則D外= 1.2D內(nèi)，于是管道的重量G為：

式中γ管—— 鋼筋混凝土密度/（t/m3）；

L—— 管道長度/m。

浮力A為：

式中γ漿——膨潤土泥漿密度/（t/m3）。

由此得到管重與浮力的比值為：

鋼筋混凝土密度γ管=2.5t/m3；取膨潤土泥漿密度γ漿=1.05t/m3時，,浮力為管道自重的 1.37 倍；如果管外無泥漿，則浮力為管道自重的 1.31 倍。

由于管道周圍有比較大的空隙，通過正確壓入膨潤土泥漿或水，在巖層中圍繞頂進(jìn)管道形成一個支承環(huán)帶，并保持壓力大于裂隙水壓力，管道就會在膨潤土泥漿液或水中漂浮起來。浮力可以使管外壁摩阻力減小，即使外壁注入的是水，浮力也大于管道自重。在圍巖很好的巖盤里頂管，只要解決好洞口止水，管道外壁無論是注膨潤土泥漿還是水，其摩阻力都較小。

1.3泥漿配置和泥漿管布置

在巖石層頂管施工中，膨潤土泥漿的主要作用是降低管道懸浮在泥漿中的摩阻。膨潤土主要有兩類，即鈣基膨潤土和鈉基膨潤土。在膨潤土含量相同的情況下，鈉基膨潤土泥漿中所含極薄的硅酸鹽疊層片的數(shù)量，約為鈣基膨潤土泥漿中所含數(shù)量的 15～20 倍。這種極薄的硅酸鹽碟片層，有利于提高膨潤土泥漿的膨脹性能，可以改善膨潤土泥漿在溶膠狀態(tài)下的流動性以及在凝膠狀態(tài)下的固結(jié)性能，因而鈉基膨潤土比鈣基膨潤土更適用于頂管工程。

膨潤土泥漿要根據(jù)不同的巖層分別配置，在施工中進(jìn)行調(diào)整。機(jī)頭尾部前 10 根管節(jié)同步注漿漿液的配置要能夠阻止巖石顆粒、巖石粉進(jìn)入管道，后面管道漿液的配置，要滿足管道懸浮頂進(jìn)的控制要求。

在巖石層頂管中膨潤土泥漿管的布置與一般頂管不同。一般頂管，當(dāng)機(jī)頭前段泥漿套形成后，后面一般只需要補(bǔ)漿就行，所以后續(xù)泥漿管可以逐步加長距離布置。巖石層頂管是在整個頂進(jìn)過程中讓管道懸浮于泥漿中，后續(xù)布置的泥漿管，按一定的間隔在套管中布置，以保證整個管道在頂進(jìn)施工中的全段或部分里程補(bǔ)充泥漿，滿足管道懸浮的要求。

1.4控制技術(shù)

頂管施工既適用于按直線形狀敷設(shè)管路，也適用于按照上下或左右兩側(cè)彎曲的路線敷設(shè)管道，但都需要進(jìn)行控制。直線頂進(jìn)時，通過控制以校正頂進(jìn)路線的偏差；曲線頂進(jìn)時，關(guān)鍵要控制方向的變化。

這種控制過程的作用原理說明見圖4。

圖4　控制過程的作用原理

巖石層頂管的控制是在刀盤轉(zhuǎn)動切削、糾偏千斤頂調(diào)整的過程中進(jìn)行的，這與一般頂管控制是在刀盤停止轉(zhuǎn)動的情況下進(jìn)行的有很大不同，這是因為糾偏千斤頂無法克服這一阻力，整個控制過程中，方向是靠刀盤轉(zhuǎn)動切削前進(jìn)、各個管節(jié)之間加設(shè)的木環(huán)襯墊所具有的彈性來調(diào)整的。

直線巖石層頂管施工的難點在于如何防止頂進(jìn)中細(xì)小巖石顆粒、巖石粉進(jìn)入并包裹管道造成機(jī)頭卡住。因此刀盤切屑后管道與巖面的間隙較大，一般設(shè)計的間隙為70 ～ 80 mm；曲線巖石頂管，因曲線半徑的不同，設(shè)計的間隙還會加大；但整個管路從頭到尾都必須跟隨刀盤切削的路線前進(jìn)，刀盤切削的路線，就是管路敷設(shè)完畢之后的路線。

在巖石層管道頂進(jìn)過程中，由于巖石層自身擁有自穩(wěn)能力，在頂進(jìn)過程中圍巖的變形小，巖石層本身對管道產(chǎn)生的壓力可忽略不計，只考慮管道對巖石層的作用力和巖石層的反作用力。

2　結(jié)束語

大口徑長距離巖石層頂管施工在我國剛剛起步。西氣東輸二線主干線6條頂管掘進(jìn)施工的實踐表明，在巖石層頂管施工過程中，受地質(zhì)情況、機(jī)械設(shè)備、工程技術(shù)等因素的影響，其主要控制手段在施工時還應(yīng)以實測數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行調(diào)整。對于全斷面巖石頂管，除了選對頂管機(jī)等設(shè)備外，同樣應(yīng)重視對相應(yīng)輔助設(shè)備、管節(jié)設(shè)計方案、二次破碎粒徑、洞口止水方案等的選擇。

[1]田艷玲,張寶強(qiáng),黃琳，等.巖石地層大口徑長距離管道頂管施工影響因素 [J].油氣儲運,2012,31（8）：612-614.

[2]唐振通,朱東志,韓晶.土壓平衡泥水輸送法在頂管施工中的應(yīng)用 [J].油氣儲運,2007,26（12）：50-52.

[3]劉小利,焦如義,李森，等.鋼質(zhì)管道非開挖頂管技術(shù)與裝備 [J].油氣儲運,2010,29（7）：553-556.

[4]余彬泉,陳傳燦.頂管施工技術(shù) [M].北京:人民交通出版社,2000.

[5]劉乃根，楊光發(fā)，張照玉.頂管施工技術(shù) [J].石油工程建設(shè)，2006，（5）：33-36.

Pipe Jacking Construction Technology for Large Diameter Longdistance Pipeline in Rocky Stratum

Liu Qingxin1,Li Mo1,Lyu Hongdan1,Gao Peng2,Zhang Shuang1
1.China Petroleum Pipeline Construction Co.,Ltd.,Langfang 065001,China
2.China Petroleum Pipeline Domestic Division,Langfang 065000,China

The technology of pipe jacking construction in rocky stratum for large diameter long-distance pipelines is more and more used in China's oil and gas pipeline projects.In this paper,the main factors restricting the normal boring operation in rock stratum in pipe jacking construction of large diameter long-distance pipeline are analyzed,and combined with the actual situation in tunnel construction site of the eastern section of the Second West to East Gas Pipeline,the main effect of influencing factors,such as cutter header,cutters,bentonite mud preparation and pressure,control factors in construction course ,on overall pipe-jacking construction are illustrated.The analysis results provide experience for similar pipe jacking construction projects.

rocky stratum;pile jacking construction;friction resistance on outer wall;bentonite mud;control

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.010

劉慶新（1969-），男，河北廊坊人，工程師，1995年畢業(yè)于大連大學(xué)，現(xiàn)從事長輸管道土建和非開挖工程項目管理工作。

2013-03-06