直接鋪管施工技術(shù)與應(yīng)用

王 樂(lè)

(中國(guó)石油管道局工程有限公司第四分公司,河北 廊坊 065000)

0 引言

伴隨著非開(kāi)挖技術(shù)的不斷發(fā)展、創(chuàng)新，新的非開(kāi)挖工法——直接鋪管法應(yīng)運(yùn)而生。該工法結(jié)合了微型隧道施工和水平定向鉆2項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)[1]，施工占地少、速度快、可回退，適用于油氣、水利水電以及市政等各行業(yè)在砂層、淤泥、黏土、卵礫石、巖石等地層的管道穿越施工作業(yè)，適用管道直徑范圍為800～1 500 mm。

直接鋪管施工技術(shù)及其裝備自2006年發(fā)源于德國(guó)海瑞克公司以來(lái)，在德國(guó)、荷蘭、意大利、英國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、加拿大、泰國(guó)等國(guó)家已經(jīng)率先得到應(yīng)用，完成了管道穿越工程100余項(xiàng)，其中穿越距離最長(zhǎng)的是荷蘭1 400 m砂層直接鋪管項(xiàng)目。

我國(guó)于2009年首次引進(jìn)推管機(jī)設(shè)備用于定向鉆助力、搶險(xiǎn)等施工作業(yè)，應(yīng)用效果良好。2013年引進(jìn)了配套的直接鋪管掘進(jìn)設(shè)備。

2016年9月在西氣東輸鎮(zhèn)江高校園區(qū)改線工程穿越船山河項(xiàng)目中，直接鋪管法在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用并得到了試驗(yàn)驗(yàn)證，穿越水平距離達(dá)346 m，縱向曲率半徑為2032 m，管道最大埋深12 m，管徑1 016 mm，穿越地質(zhì)主要為粉質(zhì)黏土、淤泥和碎石層。項(xiàng)目始發(fā)基坑采用鋼板樁工法制作6.5 m寬、20 m長(zhǎng)、5 m深的作業(yè)坑，設(shè)備接收時(shí)直接頂出地面。施工中最大推力為2 600 kN，平均施工速度為45 m/d，最大推進(jìn)速度為3 000 mm/min(淤泥層)。施工過(guò)程中未進(jìn)行人工輔助測(cè)量，設(shè)備貫通時(shí)水平與縱向誤差均在100 mm以內(nèi)。

2017年1—2月，該工法在陜京四線管道工程無(wú)定河穿越項(xiàng)目中得到了推廣應(yīng)用。

1 直接鋪管法工藝原理

直接鋪管(direct pipe)工藝將頂管技術(shù)和定向鉆技術(shù)相結(jié)合，利用泥水平衡式隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行孔洞開(kāi)挖，通過(guò)泥水循環(huán)攜帶渣土運(yùn)至地面；待穿越管段預(yù)先焊接并完成防腐補(bǔ)口后，與掘進(jìn)機(jī)尾部以焊接的方式連接；推管機(jī)布置在入土側(cè)，用夾持裝置夾緊管道，在油缸的作用下，向前推進(jìn)管道及設(shè)備。隨著掘進(jìn)機(jī)不斷向前開(kāi)挖，管道不斷地被推管機(jī)推入地層，當(dāng)孔洞開(kāi)挖完成時(shí)，管道安裝同時(shí)完成[2]。直接鋪管法施工如圖1所示。

圖1 直接鋪管法施工示意圖Fig.1 Diagram of the Direct Pipe method

該工法采用推管機(jī)推進(jìn)管道施工時(shí)，考慮到管道受力、防腐層保護(hù)、推進(jìn)距離等因素，所施工管道直徑一般為800～1 500 mm。在該直徑范圍內(nèi)，采用土壓小車出土困難，同時(shí)考慮施工效率，該工法下孔洞開(kāi)挖采用泥水平衡施工模式。

2 工程項(xiàng)目概況

陜京四線管道工程無(wú)定河直接鋪管項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古烏審旗與陜西交界的毛烏素沙漠，豎井施工和管道穿越區(qū)域全部位于細(xì)砂層(Qhal+pl)：黃褐色，稍密，飽和，以石英、長(zhǎng)石為主，級(jí)配較好，分選性差，動(dòng)探擊數(shù)為2.8～57.4，滲透系數(shù)為2.81×10-4～5.03×10-3cm/s。該層分布于整個(gè)穿越段，厚度為2.50～13.20 m，土石工程分級(jí)為Ⅰ級(jí)。

始發(fā)豎井和接收豎井均為矩形結(jié)構(gòu)，采用鋼板樁工法施工。其中，始發(fā)豎井長(zhǎng)23.7 m、寬6.5 m、深 4.8 m，接收豎井長(zhǎng)9.5 m、寬4.5 m、深13 m，接收井距離河邊30 m。細(xì)砂層為強(qiáng)透水層，滲透性大，地下水位高。管道在山頂焊接好后沿山坡由坡頂向下布置，設(shè)備在山腳下始發(fā)，地面布置的管道落差為29 m。穿越管道直徑為1 219 mm，以6°(10.5%)角度入土始發(fā)，出土角度為0°，管道穿越曲率半徑為1 825.5 m，穿越水平長(zhǎng)度為423 m。穿越段管道外防腐層采用加強(qiáng)級(jí)3LPE，補(bǔ)口部位采用帶配套環(huán)氧底漆的帶底漆輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶+環(huán)氧玻璃鋼防護(hù)層。圖2為工程縱斷面圖。

該項(xiàng)目具有以下特點(diǎn)：

1)軸線落差大。管道從山上直接穿越至河谷下13 m位置出土，落差超過(guò)40 m，施工中泥水壓力達(dá)0.4 MPa，施工壓力高。

2)穿越地質(zhì)復(fù)雜。穿越軸線全程為細(xì)砂，受施工擾動(dòng)極易造成管道抱管，施工風(fēng)險(xiǎn)大。

3)接收要求高。設(shè)備需精確進(jìn)入深13 m的接收井，且距離河邊近、地下水位高，施工風(fēng)險(xiǎn)大。

4)施工溫度低。項(xiàng)目為冬季施工，最低溫度低于-20℃，泥水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等都需要進(jìn)行特殊處理才能滿足施工要求。

圖2 無(wú)定河直接鋪管穿越工程縱斷面圖Fig.2 Profile diagram of Wuding River Direct Pipe Crossing Project

3 設(shè)備選型

直接鋪管施工的關(guān)鍵設(shè)備為掘進(jìn)機(jī)和推管機(jī)，其選型如下。

3.1 掘進(jìn)機(jī)選型

掘進(jìn)機(jī)是進(jìn)行管道孔洞施工的設(shè)備，其原理類似于泥水平衡頂管設(shè)備，在頂管施工的基礎(chǔ)上在動(dòng)力配置、曲線導(dǎo)向、潤(rùn)滑系統(tǒng)、泥水輸送等方面進(jìn)行了優(yōu)化[3]。

直接鋪管掘進(jìn)施工時(shí)參照盾構(gòu)頂管施工參數(shù)[4]，結(jié)合管道施工特點(diǎn)，超挖直徑宜比管道直徑大80～150 mm。根據(jù)陜京四線輸氣管道管徑為1 219 mm、穿越地層主要為細(xì)砂層的工程實(shí)際情況，無(wú)定河直接鋪管項(xiàng)目采用海瑞克AVN1000XC型掘進(jìn)機(jī)(見(jiàn)圖3)。掘進(jìn)機(jī)由動(dòng)力系統(tǒng)、推力段和尾盾系統(tǒng)(泥水泵)組成，最大開(kāi)挖直徑為1 325 mm，采用75 kW液壓驅(qū)動(dòng)，機(jī)頭配置軟土刀盤，機(jī)頭轉(zhuǎn)矩達(dá)120 kN·m。同時(shí)，設(shè)備還應(yīng)具備以下施工要求：

圖3 直接鋪管掘進(jìn)機(jī)Fig.3 Direct Pipe Drilling Equipment

1)管道施工時(shí)鋼管不能開(kāi)孔注漿，掘進(jìn)主機(jī)必須設(shè)置多道潤(rùn)滑注漿孔；

2)管道施工中經(jīng)常出現(xiàn)水平和縱向曲線施工，系統(tǒng)應(yīng)具備自動(dòng)糾偏功能，本設(shè)備采用UNS導(dǎo)向系統(tǒng)來(lái)解決該問(wèn)題；

3)管道施工時(shí)管道壁不能開(kāi)孔，整個(gè)管道施工期間只能靠主機(jī)部位持續(xù)注漿，同時(shí)需要在洞門密封處設(shè)置泥漿補(bǔ)償裝置，滿足整個(gè)管道施工期間泥漿套的建立要求；

4)在中粗砂、礫石、卵石、巖石等地層長(zhǎng)距離施工時(shí)，應(yīng)當(dāng)配置推進(jìn)段，以有效克服設(shè)備抱死的難題。

3.2 推管機(jī)選型

推管機(jī)是依靠管道夾持裝置夾緊管道，通過(guò)連接在夾持裝置上的油缸在推力作用下前進(jìn)的一種動(dòng)力裝置。夾持裝置內(nèi)側(cè)為特殊的硫化橡膠，在夾緊狀態(tài)下不會(huì)對(duì)管道防腐層造成損傷。

施工時(shí)，推管機(jī)主要克服直接鋪管機(jī)掘進(jìn)迎面阻力、管壁與巖土之間的摩阻力、管道與泥漿之間的黏滯力以及管道屈曲產(chǎn)生的摩阻力。目前，推管機(jī)主要有3種規(guī)格，對(duì)應(yīng)的推力分別為3 000、5 000、7 500 kN。根據(jù)摩阻力計(jì)算結(jié)果，結(jié)合鎮(zhèn)江直接鋪管項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)并查閱國(guó)外類似項(xiàng)目施工數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目理論最大推力為2 000 kN 左右，考慮到大坡度施工設(shè)備出現(xiàn)故障回拔時(shí)需要較大的回拔力，且推管機(jī)應(yīng)具備1.5～2倍的安全系數(shù)，本項(xiàng)目采用HK500PT型推管機(jī)(見(jiàn)圖4)，最大推力為5 000 kN，主要由基座、夾持裝置和液壓動(dòng)力系統(tǒng)組成。

圖4 直接鋪管推管機(jī)Fig.4 Direct Pipe Thruster

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

直接鋪管施工原理如圖5所示。

4.1 隧道掘進(jìn)技術(shù)

直接鋪管掘進(jìn)施工時(shí)，所有的泥水管道、注漿管路、施工電纜、輸送小車及軌道等供應(yīng)管線均采用支架形式布置于所穿越的管道內(nèi)部。采用直接鋪管法穿越江河施工時(shí)的隧道軸線一般為類似于定向鉆或縱向曲線頂管的設(shè)計(jì)[5]，可以進(jìn)行三維曲線管道施工。施工時(shí)可以設(shè)置接收井也可以直接頂出地面。在國(guó)內(nèi)首個(gè)項(xiàng)目鎮(zhèn)江直接鋪管工程中采用直接頂出地面方式，在陜京四線管道工程無(wú)定河穿越項(xiàng)目中由于場(chǎng)地、地質(zhì)等受限采用接收井精確接收。

圖5 直接鋪管施工原理圖Fig.5 Schematic Diagram of the Direct Pipe Construction

4.2 管道推進(jìn)技術(shù)

管道推進(jìn)施工是通過(guò)推管機(jī)的管道夾持裝置(夾緊器)對(duì)穿越管道夾緊后，在液壓油缸(推進(jìn)油缸)的作用下，向前推進(jìn)管道和設(shè)備。推管機(jī)一般固定于始發(fā)工作井內(nèi)，需要在水平與豎直方向進(jìn)行錨固。為了提高施工效率，推管機(jī)的油缸盡量選擇較大行程，本項(xiàng)目推管機(jī)油缸有效行程為5 m。施工時(shí)管道穿越入土角度范圍為0°～15°。管道在掘進(jìn)機(jī)的引導(dǎo)帶動(dòng)和推管機(jī)的推動(dòng)下，按照既定軸線完成管道鋪設(shè)。

4.3 測(cè)量控向技術(shù)

直接鋪管采用陀螺儀導(dǎo)向(UNS測(cè)量系統(tǒng))，包括ELS電子鐳射系統(tǒng)、HWL軟管水位高度測(cè)量系統(tǒng)和GNS陀螺儀系統(tǒng)。ELS激光靶目標(biāo)精度為±1 mm，HWL液位測(cè)量?jī)x測(cè)量誤差小于20 mm，GNS陀螺儀對(duì)磁北極的準(zhǔn)確度為±3 mrad。由于本項(xiàng)目施工坡度較大，人員未進(jìn)入隧道內(nèi)進(jìn)行輔助測(cè)量。

4.4 潤(rùn)滑減阻技術(shù)

直接鋪管施工與頂管施工有著相似的潤(rùn)滑減阻方式[6]。施工時(shí)，需要通過(guò)設(shè)備盾殼布置的多道注漿孔進(jìn)行同步注漿。為了在管道與地層的空隙形成一個(gè)良好的潤(rùn)滑漿套，本項(xiàng)目在洞門密封上設(shè)置注漿孔，持續(xù)進(jìn)行漿液補(bǔ)充，保護(hù)管道防腐層，降低管道施工摩阻系數(shù)。

4.5 管道回拔技術(shù)

當(dāng)掘進(jìn)前方遇到障礙物不能通過(guò)、管道防腐層損傷超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備出現(xiàn)故障人員不能進(jìn)入或不能檢修、管道軸線超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)定不能調(diào)整控制等故障時(shí)，需要將管道和設(shè)備進(jìn)行整體回拔?；匕问┕r(shí)，需要向刀盤前的孔洞注入泥漿，填充孔洞，避免塌孔。在本項(xiàng)目施工至22 m時(shí)由于設(shè)備密封老化發(fā)生設(shè)備滲漏水、進(jìn)行了管道回拔，回拔施工過(guò)程順利，啟動(dòng)時(shí)瞬間最大回拔力達(dá)4 000 kN，正?；匕瘟S持在3 200 kN。

5 工程實(shí)施效果

無(wú)定河直接鋪管項(xiàng)目首先在地面預(yù)制完所有管道的焊接、防腐、試壓等工作，完成設(shè)備安裝后將管道和設(shè)備進(jìn)行了焊接并聯(lián)機(jī)調(diào)試。項(xiàng)目配置了泥漿凈化系統(tǒng)(分離站及離心機(jī))、液壓注漿系統(tǒng)等輔助設(shè)施，并對(duì)泥水設(shè)備、地面管道等系統(tǒng)采取保溫棚、電伴熱帶等措施進(jìn)行了防凍處理。

在施工中采用3臺(tái)挖機(jī)對(duì)施工中隨管道前進(jìn)而移動(dòng)的泥漿軟管、注漿軟管和電纜設(shè)施進(jìn)行輔助吊起牽引。由于施工前各項(xiàng)準(zhǔn)備工作充分，無(wú)定河直接鋪管項(xiàng)目管道穿越施工僅用時(shí)7 d，管道推進(jìn)平均速度約為60 m/d，最高日施工速度為89 m。施工中推進(jìn)速度平均600 mm/min，最高施工速度達(dá)到1 300 mm/min。

施工中由于管道落差大，最高泥水壓力達(dá)到0.4 MPa，超出了設(shè)備設(shè)計(jì)最大壓力(0.3 MPa)，在管道進(jìn)入地層22 m時(shí)造成泥漿進(jìn)入設(shè)備導(dǎo)致電氣故障停機(jī)。通過(guò)對(duì)設(shè)備和管道進(jìn)行整體回拔并進(jìn)行地面處理后再行施工。本項(xiàng)目管道推進(jìn)施工時(shí)最大啟動(dòng)推力為2 000 kN，正常推進(jìn)力為1 000～1 600 kN，由于管道整體沿山坡向下布置，在管道回拔時(shí)最大回拔力達(dá)到了4 000 kN[7]。由于該項(xiàng)目施工管道坡度大，人員進(jìn)入管道復(fù)測(cè)困難，施工中采用了自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，整個(gè)施工過(guò)程中按照預(yù)定軌跡前進(jìn)，順利進(jìn)入深度為13 m的接收井，水平誤差32 mm，縱向誤差40 mm。接收井采用鋼板樁工法施工，由于提前進(jìn)行了地質(zhì)改良，設(shè)備接收過(guò)程順利[8]。

施工中采用泥漿凈化設(shè)備對(duì)廢泥漿及時(shí)進(jìn)行固化處理，未產(chǎn)生環(huán)保問(wèn)題。管道穿越完成后對(duì)防腐層完整性采用饋電法進(jìn)行了電導(dǎo)率測(cè)試，結(jié)果表明，防腐層完好且質(zhì)量合格。該項(xiàng)目的成功實(shí)施為國(guó)內(nèi)細(xì)砂層直接鋪管法施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

6 拓展應(yīng)用

6.1 定向鉆工程搶險(xiǎn)

在定向鉆施工發(fā)生塌孔或者鉆桿斷裂時(shí)，直接鋪管技術(shù)可用于定向鉆工程搶險(xiǎn)。

工程實(shí)例：歐洲某油氣管道采用定向鉆穿越一條長(zhǎng)507 m、直徑1 067 mm的管道，當(dāng)定向鉆擴(kuò)孔至1 580 mm完成后，河床底部卵石層孔洞發(fā)生坍塌。采用AVN800型直接鋪管機(jī)連接管道、推入定向鉆已完成的擴(kuò)孔內(nèi)，將管道中間部位長(zhǎng)135 m的坍塌孔洞徑擴(kuò)至1 380 mm(見(jiàn)圖6)，順利完成了施工任務(wù)。

圖6 直接鋪管搶險(xiǎn)項(xiàng)目示意圖Fig.6 The diagram of horizonal directional drilling rescue

6.2 定向鉆套管鋪設(shè)

為定向鉆施工提供可回收的直接鋪管機(jī)機(jī)頭，為不穩(wěn)定地層定向鉆施工鋪設(shè)鋼套管。

工程實(shí)例：2012年美國(guó)新澤西至紐約延長(zhǎng)線管道施工采用定向鉆工法穿越某條河流，由于入土點(diǎn)有部分卵石層，難以有效形成孔洞，采用了AVN800型帶折疊式刀盤機(jī)頭的掘進(jìn)機(jī)焊接直徑1 219 mm的管道完成了長(zhǎng)85 m的套管鋪設(shè)。當(dāng)套管就位后，掘進(jìn)機(jī)刀盤折疊回收，掘進(jìn)機(jī)整體被拉出。

6.3 陸海管道和深海排污施工

采用直接鋪管法可以進(jìn)行陸海管道施工，也可以完成城市污水深海排泄或江中取水等施工，施工完成時(shí)需要在水中對(duì)設(shè)備進(jìn)行接收。

工程實(shí)例：2009年在德國(guó)BRINE項(xiàng)目，直徑1 219 mm、長(zhǎng)283 m的管道需要從陸地穿越至海中，穿越軸線曲率半徑為1 400 m，管道防腐層為PE-HD，穿越地質(zhì)為砂、粉土、黏土、卵石和枯木，采用直接鋪管法完成了管道穿越任務(wù)。由于采用了可回縮式刀盤，施工結(jié)束后掘進(jìn)設(shè)備整體被拉回。

6.4 推管機(jī)為定向鉆工程提供助力

采用直接鋪管推管機(jī)可以為定向鉆提供輔助的回拖力，更安全地鋪設(shè)較大直徑、較長(zhǎng)距離的管道。通常情況下將推管機(jī)布置于管道回拖場(chǎng)地一側(cè)進(jìn)行助推，配合入土場(chǎng)地定向鉆設(shè)備對(duì)管道進(jìn)行回拉。

工程實(shí)例：2009年俄羅斯Energoperetok公司施工中亞管道時(shí)，采用定向鉆法穿越土庫(kù)曼斯坦AMU河，管道穿越長(zhǎng)度為1 800 m，管徑1 422 mm。為了增加管道回拖保險(xiǎn)系數(shù)，施工時(shí)采用1臺(tái)HK400M定向鉆機(jī)回拖管道，另一側(cè)安裝HK750PT型推管機(jī)助力管道推進(jìn)，整個(gè)項(xiàng)目工期為6個(gè)月，于2010年2月完成整個(gè)施工任務(wù)。

6.5 推管機(jī)用于管道損壞或卡死時(shí)退回取出

和為定向鉆管道提供助力原理一樣，推管機(jī)可以用于管道損壞或卡死時(shí)退回取出。

工程實(shí)例：在歐洲某定向鉆管道穿越施工中，長(zhǎng)860 m、直徑1 219 mm的管道回拖至一半時(shí)管道卡死。由于停留時(shí)間較長(zhǎng)，未回拖段孔洞可能發(fā)生坍塌，最終決定采用HK750PT型推管機(jī)在管道后部進(jìn)行管道回退，成功將卡死在地層中的管道取出。

6.6 推管機(jī)用于建成隧道內(nèi)管道安裝

推管機(jī)可以用于建成隧道內(nèi)的管道安裝，在地面提前預(yù)制好需要鋪設(shè)的管道，在管道外側(cè)固定滾輪或在隧道內(nèi)布置滾輪用于管道的導(dǎo)向和支撐。

工程實(shí)例：2007年，印度東氣西輸管道工程GODAVAR河采用2臺(tái)頂管機(jī)對(duì)穿的方法完成2 400 m隧道建設(shè)。為了在雨季來(lái)臨前快速完成管道安裝，隧道內(nèi)固定了支撐管道的滾輪，在地面采用推管機(jī)將直徑1 219 mm的管道推入隧道內(nèi)部，整個(gè)推管過(guò)程只用時(shí)5 d，完成管道安裝后對(duì)隧道內(nèi)進(jìn)行了低強(qiáng)度控制性混凝土澆筑。

7 結(jié)語(yǔ)

直接鋪管法作為一種全新的非開(kāi)挖施工方法，可以實(shí)現(xiàn)管道穿越江河、湖泊、山體、道路等障礙物。該工法在陜京四線管道工程無(wú)定河直接鋪管項(xiàng)目上的成功應(yīng)用，解決了管道軸線落差大、施工地質(zhì)復(fù)雜等難題，同時(shí)應(yīng)用了管道回拔技術(shù)，項(xiàng)目取得成功。該工法以其工序少、速度快、占地少、適應(yīng)地質(zhì)條件廣的特點(diǎn)，以及在定向鉆工程搶險(xiǎn)、陸海管道和深海排污等方面的拓展應(yīng)用，將會(huì)越來(lái)越受到非開(kāi)挖行業(yè)的青睞，也將成為非開(kāi)挖領(lǐng)域盾構(gòu)、頂管、定向鉆施工工法外的有力補(bǔ)充，為國(guó)內(nèi)非開(kāi)挖施工提供一種新思路。