長輸油氣管道巖石頂管隧道施工風(fēng)險分析與應(yīng)對措施

劉小林，郅永強(qiáng)，高國慶，王玉濤，蔡文虎

中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊

1. 工程概況

懷九河頂管工程隸屬于陜京四線輸氣管道工程懷柔區(qū)段改線段，位于北京市懷柔區(qū)九渡河鎮(zhèn)花木村。該工程包括2條頂管隧道，分別位于花木村西約500 m處和花木村南約200 m處，樁號分別為FC003至FC003+1 (斷面I)、FC007至FC007+1 (斷面II)，斷面I長度為100.1 m，斷面II為88 m (圖1)，隧道內(nèi)徑均為2.4 m，鋼筋混凝土套管標(biāo)準(zhǔn)DRPCIII 2400 × 2500 JC/T640-2010，抗?jié)B等級P8。軸線貫通后，隧道內(nèi)鋪設(shè)輸氣管道直徑為1219 mm，管道壁厚27.5 mm，管道設(shè)計(jì)壓力10 MPa。

Figure 1. The sketch of Huaijiuhe pipe jacking pass-through location圖1. 懷九河頂管穿越位置示意圖

2. 巖石頂管隧道施工風(fēng)險分析及應(yīng)對措施

工程穿越地層均為巖石層，斷面I隧道巖性為微風(fēng)化石灰?guī)r，最大強(qiáng)度為152.66 MPa；斷面Ⅱ隧道巖性為微風(fēng)化花崗巖和強(qiáng)風(fēng)化板巖，巖石最高強(qiáng)度為160.78 MPa。面對高強(qiáng)度巖石層頂進(jìn)，總結(jié)了掘進(jìn)的風(fēng)險和應(yīng)對措施。

2.1. 施工風(fēng)險

1) 巖石層與大粒徑卵石層交界掘進(jìn)，易造成卵石坍塌和卡刀盤風(fēng)險。

2) 巖石層掘進(jìn)中刀具磨損、頻繁進(jìn)艙風(fēng)險。

3) 巖石層掘進(jìn)中石粉沉積抱管風(fēng)險。

4) 潤滑注漿效果差導(dǎo)致隧道摩阻力持續(xù)增加的風(fēng)險。

5) 頂進(jìn)壓力過大導(dǎo)致管節(jié)和后背墻碎裂的風(fēng)險。

2.2. 風(fēng)險應(yīng)對措施

2.2.1. 巖石層與大粒徑卵石層交界掘進(jìn)，防止卵石坍塌和卡刀盤風(fēng)險應(yīng)對措施

1) 采用先進(jìn)的施工設(shè)備。在巖石層與大粒徑卵石層交界掘進(jìn)，選擇適應(yīng)改巖石強(qiáng)度地層的設(shè)備，如德國制造的 AVND2400AH泥水加壓平衡頂管機(jī)，可適應(yīng)各種復(fù)雜地質(zhì)條件下掘進(jìn)施工，能夠在地下進(jìn)行刀盤刀具檢查和刀具更換作業(yè)[1]。

2) 泥水加壓平衡掘進(jìn)。在正常工作狀態(tài)下，泥水壓力是通過設(shè)置在地面上的供漿泵，設(shè)置在拖車上和隧道內(nèi)的排漿泵轉(zhuǎn)速變化來改變輸入流量和輸出流量，由此來控制刀盤艙中的泥水壓力，使之與開挖面上的水、土壓力保持平衡。在泥水加壓平衡模式下，計(jì)算出當(dāng)前地層的水土壓力，設(shè)定合適的氣壓控制參數(shù)。

3) 開挖量控制。在頂管機(jī)頂進(jìn)過程中，一定要嚴(yán)格控制開挖量，防止出現(xiàn)超挖和欠挖。

2.2.2. 高強(qiáng)度巖石地層掘進(jìn)刀具磨損、頻繁進(jìn)艙風(fēng)險應(yīng)對措施

1) 合理配置刀盤刀具。通過與專業(yè)廠家技術(shù)交流，對邊緣滾刀、弧形刮刀、保徑刀進(jìn)行適應(yīng)性改造。刀具采用刀刃、刀圈一體的三刃滾刀(圖2)，縮短了軌跡線間距離，破巖性能增加；弧形刮刀增加了合金數(shù)量并改造了刀座安裝方式。

Figure 2. The arrangement plan of tool pan and cutters圖2. 刀盤刀具布置圖

2) 對刀具進(jìn)行全面保護(hù)。在頂管機(jī)始發(fā)前，在刀盤面及其外沿圓周部位焊接耐磨層。應(yīng)嚴(yán)格保證焊接質(zhì)量，避免焊層裂紋、未融合等焊接質(zhì)量缺陷影響耐磨層性能。合理配置刀具，優(yōu)化刀具組合形式，選擇優(yōu)質(zhì)單刃滾、雙刃滾刀等破巖刀具和刮刀。刀具安裝時，要充分考慮刀座新舊程度不同，選擇合理的刀具固定螺栓緊固力矩，避免頂進(jìn)時因緊固螺絲松動導(dǎo)致的刀具損壞。

3) 定期進(jìn)行刀具磨損檢查和更換。加強(qiáng)刀具監(jiān)測主要是指制定并執(zhí)行合理的刀具使用、檢查、更換計(jì)劃，每頂進(jìn)5～10 m后必須進(jìn)艙檢查刀具。

4) 優(yōu)化頂進(jìn)參數(shù)以降低刀具損耗。頂進(jìn)參數(shù)中水土壓力0.1 bar (1 bar = 0.1 MPa)左右，刀盤轉(zhuǎn)速3.5 r/min，刀盤油壓控制在60～90 bar，穩(wěn)步推進(jìn)，避免卡刀盤情況發(fā)生；實(shí)地測量現(xiàn)場每把滾刀軸承旋轉(zhuǎn)扭矩，保證扭矩 ≥ 35N?m。

2.2.3. 巖石地層掘進(jìn)石粉沉積抱管風(fēng)險應(yīng)對措施

1) 掘進(jìn)時選擇合適的噴嘴。

2) 盾尾加裝反沖洗裝置。

3) 加強(qiáng)潤滑注漿。

4) 隧道內(nèi)沉渣沖洗清理。

2.2.4. 潤滑注漿效果差導(dǎo)致隧道摩阻力持續(xù)增加風(fēng)險應(yīng)對措施

潤滑注漿減摩是頂管施工中非常重要的一個環(huán)節(jié)，尤其是在長距離頂管和曲線頂管施中，注漿的好壞直接關(guān)系到工程的成敗。它主要有兩個作用機(jī)理：一是起潤滑作用，將頂進(jìn)管道與土體之間的干摩擦變?yōu)闈衲Σ?，減小頂進(jìn)時的摩擦阻力；二是起到填補(bǔ)和支撐作用，漿液填補(bǔ)施工時管道與土體之間產(chǎn)生的空隙，同時在注漿壓力下，減小土體變形，使隧洞變得穩(wěn)定[2]。改善阻力持續(xù)增加可以配置優(yōu)質(zhì)潤滑注漿設(shè)備和優(yōu)化潤滑注漿方式。

2.2.5. 頂進(jìn)壓力過大導(dǎo)致管節(jié)和后背墻碎裂風(fēng)險應(yīng)對措施

全斷面硬巖中頂進(jìn)導(dǎo)向極其不易控制，隧道很容易出現(xiàn)“S”形或呈現(xiàn)波浪形曲線，增加摩阻力，推進(jìn)困難；再有就是管節(jié)設(shè)計(jì)承受頂力不滿足施工長距離要求，需要通過安裝中繼間來接力實(shí)現(xiàn)繼續(xù)頂進(jìn)，避免管節(jié)和后背墻因頂力增加而被破壞。故需要嚴(yán)格控制導(dǎo)向防止隧道出現(xiàn)“S”彎或波浪線隧道；安裝中繼間緩解管節(jié)承受頂力達(dá)到極限；在管節(jié)之間設(shè)置木墊片；監(jiān)控刀具磨損避免開挖孔洞直徑縮小。

3. 結(jié)語

懷九河穿越項(xiàng)目巖石頂管隧道通過對頂進(jìn)中頂力控制、刀具磨損監(jiān)測、石粉抱管處理、設(shè)備選用和潤滑注漿減阻的應(yīng)用，保證高強(qiáng)度巖石隧道的正常頂進(jìn)，逐步完善工程的施工中技術(shù)和管理措施，確保工程安全高效推進(jìn)。

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

[2] 肖輝. 頂管工程風(fēng)險分析及關(guān)鍵技術(shù)實(shí)施[J]. 建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì), 2014(12): 28.