流沙地質頂管穿越的設計與施工

劉暾

（中原石油勘探局勘察設計研究院，河南濮陽 457001）

流沙地質頂管穿越的設計與施工

劉暾

（中原石油勘探局勘察設計研究院，河南濮陽 457001）

油氣管道穿越省道、國道、高速公路、鐵路等交通頻繁或不能阻斷交通的地方時，無法采取大開挖穿越方式，設計上一般采用頂管或者定向鉆的穿越方式，如果穿越點地質條件為流沙，無論是頂管還是定向鉆，都會因流沙的地質特點產生各種意外問題，造成穿越失敗。文章著重對流沙地質頂管穿越從設計和施工的角度進行分析，針對問題提出相應的設計措施，以達到成功頂管的目的。

流沙；頂管；穿越；油氣管道

0 引言

在油氣管道穿越設計中，除穿越河流、隧道外，一般采取大開挖方式，而遇到省道、國道、高速公路、鐵路等交通頻繁或不能阻斷交通的地方時，就要采用頂管或者定向鉆方式，其中頂管方式是首選設計方案。如果穿越點地質條件為流沙，按傳統的頂管措施進行施工時，會因流沙的地質特點產生諸如操作坑坍塌、路基下陷、套管下沉、套管頂裂等問題，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遇到流沙地質，本文以此穿越工程為例，從設計和施工的角度闡述在流沙地質路基下頂管穿越需采取的改進措施，以達到成功穿越的目的。

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標段，管道敷設穿越同三高速公路，原設計穿越位置在鐵山鎮北側，后按照地方規劃要求改線，穿越位置調整到鐵山鎮燮里村西約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如表1所示。

2 流沙地質頂管穿越常見問題分析

2.1 背力墻失穩

在流沙地質條件下的頂管過程中，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。

表1 同三高速頂管穿越參數

2.2 操作坑集水

（1）地質原因：地下水位過高，流沙地質為粗砂、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）操作坑結構原因：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，無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）地質原因：路基地質為流沙，且地下水位高，在頂進過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：流沙地質條件下進行頂管施工時，沒有針對高水位條件下流沙易流動的特點采取固砂、防塌陷措施。

2.4 套管下沉

由于流沙具有移動性，在頂進過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低，強度不夠；二是由于套管預制工藝限制，端部混凝土不能壓實成型，最終由人工二次涂抹成型，造成端部強度不夠。

（2）設備原因：套管頂進設備在運行過程中可能出現不同步現象，只能通過頂進長度的差異來察覺，難以及時發現問題和糾正，造成套管受力不均，行程大的一側頂力過大，從而將此側套管頂裂。

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

3 技術措施的確定

此工程的難點主要體現在兩個方面：一是地下水位高，平均地下水位-1.5 m，地下土質為砂土并形成流沙，滲水嚴重，操作坑內積水和塌方嚴重，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路基下沉現象。通過對流沙地質頂管穿越常見問題進行分析，針對這兩大難點提出了多項技術改進措施。

3.1 穿越點位置選擇

根據GB 50423-2007《油氣輸送管道穿越工程設計規范》的有關規定，由于同三高速兩側各有一道寬3.0 m、深1.5 m的排水溝，且外側還有隔離網，為了防止操作坑垮塌影響高速公路的安全，將施工起終點定在隔離網外側4 m處。

3.2 套管的選擇及處理

（1）針對流沙地質，為避免套管太大對地層的穩定產生影響，選擇公稱內徑為1 200 mm的套管。

（2）針對地下水位高的問題，為防止地下水從套管接口滲入以及頂進時接口錯位，選擇端部剛度及密封性能較好的鋼承口管。

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

（4）為了穩固流沙，防止在頂管過程中形成抱管，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。在套管頂進部位前端設置4個90°均布的注漿孔，并安裝注漿管 （選用直徑25 mm的無縫鋼管，單根長40 cm），套管頂進時不斷向機頭四周注膨潤土泥漿，用于穩固套管外壁以及前端的流沙，并起潤滑作用以減少頂進的阻力（阻力將減少50%～90%）。進行注漿減阻時，注漿壓力為0.1～0.5 MPa，注漿流量、壓力等施工參數按照減阻及控制地面變形的反饋資料加以調整。全部套管頂進完畢后，隨即通過套管連接處的注漿孔，往套管外壁的縫隙注入水泥漿，使套管堅固連接。泥漿注入系統見圖2。

（5）在頂進套管端部設置活動門，防止地下水將流沙大量沖出，根據套管推進量有計劃地挖出流沙。

（6）為保證套管接續的平直度，管節穩定后，在套管內側兩管節接口處做好密封，在管內用鋼脹圈將兩管節接口支撐牢固，使接口處于剛性連接狀態，從而避免在頂進中受力產生錯口，保證頂進過程中高程和方向的準確性。鋼脹圈采用鋼板制作，厚10 mm、寬300 mm，環外徑比鋼筋混凝土管內徑小30～40 mm，上部的間隙用木楔楔緊。管道接口支撐圖見圖3。

3.3 頂進設備選擇

按照設計要求，同三高速穿越套管總長72 m，在頂管施工中屬于長距離穿越，選擇合適推力的頂進設備是頂管成功的關鍵。

3.3.1 理論公式計算

管道頂進時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，可以按照下式計算：

式中N——理論頂力/kN；

f——管壁與土之間的摩擦系數；

PV——管頂的垂直壓力/kPa；

PH——管側的水平壓力/kPa；

D——套管外徑/m；

L——套管長度/m；

P0——套管總重力/kN；

R——管端切土阻力/kPa；

A——管端面積/m2。

理論公式計算所得結果一般比實際大很多，主要原因是理論公式中所考慮的條件都是靜態的，而正常頂進過程是動態的，隨著套管不斷向前頂進，套管外壁上半部的土會被挖空，造成管壁與土的接觸面減小，從而所需頂力減小；另外，在實際頂進過程中，頂力除了與土質、管徑、管長等因素有關外，還與地下水位高低、頂進過程是否中斷、附近振動影響、頂進質量等因素有關。所以，在工程實際中一般用經驗公式計算頂力大小。

3.3.2 經驗公式

N=LGK

式中L——頂管長度/m；

G——每米管重/（kN/m）；

K——頂力系數（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）， 計算得：N=72×12.67×3=273.7 （kN），應選用推力不小于此值的頂進設備。

3.4 井點降水

（1）穿越點處地下水位高，且為流沙地質，為保證操作坑內的作業及施工安全，并防止套管頂進時地下水將流沙從套管內沖出，引起路基下陷，采取設置降水井的措施來降低地下水位。

（2）在操作坑與高速公路之間設置6口直徑為400 mm螺旋縫鋼套管的降水井，公路兩側共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，用于過濾滲水，井下鋪設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，地質為砂層，套管管底設計標高為-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，呈網狀）。鋼筋混凝土背力墻呈梯形，其作用是增強背力墻的穩定性，保持設備穩定運行，避免頂管時背力墻發生后移。坑底地面夯實后澆筑，四壁澆筑高度為4.5 m，底部厚度為0.4 m。混凝土澆筑時，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 結束語

流沙地質頂管的設計和施工一直是個工程難題，在規范里也很少詳細闡述此內容，管道工程設計一般都盡量避開流沙地質區段。通過采取本文所提出的設計措施，流沙地質條件下同三高速公路的頂管穿越施工一次就獲得了成功，而且經過一年的運行，沒有發生路基下沉及套管內滲水的現象，這說明設計措施是成功的、可靠的，對流砂地質條件下公路、鐵路的頂管穿越設計有著指導意義。

[1]GB 50423-2007，油氣輸送管道穿越工程設計規范[S].[2]GB 50424-2007，油氣輸送管道穿越工程施工規范[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，山西陽城人，高級工程師，1998年畢業于江漢石油學院機械設計與制造專業，現從事油氣儲運設計工作。

2011-02-21