天然氣管道曲線式頂管穿越富春江

程夢鵬，李勝新，廖 蕭，李 龍，姜 濤

1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000

2.中國石油天然氣管道局第四工程分公司，河北廊坊 065000

天然氣管道曲線式頂管穿越富春江

程夢鵬1，李勝新2，廖 蕭2，李 龍2，姜 濤2

1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000

2.中國石油天然氣管道局第四工程分公司，河北廊坊 065000

杭州天然氣利用工程S16富陽支線4標段高壓管道由北往南穿越富春江。由于富春江穿越工程地質條件復雜，兩次定向鉆穿越均未成功。經專家論證改用頂管穿越方案，頂管內徑2.4 m，頂管全長653.32 m。為降低豎井深度，縮短工期，降低工程投資，該穿越設計超常規采用了大坡度的U型頂管曲線設計。在介紹了場地環境和水文地質條件的基礎上，較詳細地論述了頂管縱斷面設計、頂管豎井設計、頂進管節形式等內容；而后概括性地闡述了頂管穿越地層的特點、頂管施工難點分析、頂管施工的主要機具配置與技術措施等關鍵技術內容。施工實踐證明，工程采用的豎向曲線頂管方案與目前普遍采用的豎向水平頂管方案相比，始發井深度減小約30 m，接收井深度減小約20 m，直接降低兩側豎井的工程費用近千萬元，縮短施工周期至少60 d。該工程采用超常規設計與施工方案，開創了國內巖石段大坡度豎向曲線頂管的先河，對今后類似的工程具有一定的借鑒意義。

天然氣管道；頂管；曲線穿越；富春江

杭州天然氣利用工程S16富陽支線4標段高壓管道控制性工程，起點連接S16-3高壓管道，由北往南穿越富春江，沿江南路穿越窄溪路、振興路、江南路、高山路等，終點與桐廬高壓天然氣管道相連，總長約2.87km，管道規格DN610，設計壓力4MPa。這條管道對于改善杭州市能源供給、控制大氣污染物排放具有積極意義，由杭州天然氣有限公司投資建設。

富春江穿越工程原設計采用定向鉆穿越方案，穿越長度634 m，但因地質條件復雜，兩次定向鉆穿越均未成功。經專家論證改用頂管穿越方案，頂管內徑2.4 m，頂管全長653.32 m，由中國石油天然氣管道局第四分公司施工。施工單位于2014年12月進場，2015年7月13日該穿越順利貫通。

1 場地環境和水文地質條件

工程區位于富春江畔，屬富春江水系。富春江位于浙江省中部，為錢塘江桐廬至蕭山聞家堰段的別稱，長110 km，流貫浙江省桐廬、富陽兩縣。富春江由北支新安江和南支蘭江在建德縣梅城匯合而成。根據富春江蘆茨埠站和1969年以后富春江電站的流量資料統計，多年平均徑流總量為300.25億m3，多年平均流量952 m3/s。

工程區域詳細勘察中，勘探孔揭露的地層均為第四系地層，按地質時代、成因類型及工程特性可分為①、②、③、④、⑤、⑩ 等6個大層，細分為15個亞層。地基土各巖土層的層頂埋深、層頂高程、層厚及分布情況見表1，中風化砂巖強度見表2。

表1 地基各巖土層分布

表2 中風化砂巖強度

2 頂管穿越設計

由于定向鉆穿越2次不成功，造成了整個工期的延誤，為進一步降低S16工程延期的風險，頂管穿越基于下列原則進行了設計：設計方案安全可靠、施工風險可控、綜合工期短、綜合投資低[1]。

2.1 頂管縱斷面設計

根據目前國內、外施工技術現狀，頂管縱斷面設計一般采用兩端豎井與水平頂管結合的方式，其中水平頂管坡度多控制在0.5%～1%[2]。

根據規范要求，頂管上部所需覆土層的最小厚度應大于2倍頂管外徑，且在設計洪水沖刷線下大于1.5倍外徑，并符合隧道抗浮要求[2]。結合穿越斷面河道設計洪水頻率下的具體沖刷深度，確定河槽內頂管最低點內高程為-28.99 m，如按1%的坡度計算，則始發豎井深度宜為：H1=8.81-（-28.99）+320×1%+0.75=41.75（m）；接收豎井深度宜為：H2=11.76-（-28.99）-320×1% +0.75=38.3（m）。

上述設計方案，單側豎井工期超過180 d，且工程費用較高，無論工期還是工程投資都遠遠超過了項目業主的承受能力。為降低豎井深度，縮短工期，降低工程投資，本設計超常規采用了大坡度的U型頂管曲線設計。

隧道穿越設計曲線處于同一平面內，縱向設計曲線始發段以10.5%坡度直線下行頂進80 m+以曲線半徑R 4 300 m頂進272.7 m+以曲線半徑R 1 200 m頂進222.3 m+以坡度14.53%上行頂進73.6 m直至與接收井貫通，見圖1。隧道上方最大覆土層厚25.3 m，最小覆土層厚9.3 m，洪水沖刷深度以下最小覆土厚度5.4 m，最大水壓0.4 MPa。始發豎井凈深9.4 m，接收豎井凈深17.3 m。

2.2 頂管豎井設計

（1）始發豎井。始發井位于北岸，為鋼筋混凝土長方形結構（長11 m×寬10 m×深9.4 m），距離大堤195 m。采用不排水沉井法施工，見圖2。混凝土抗壓強度C30，抗滲等級P6。豎井穿越地層及厚度主要為：①雜填土1 m、②1粉質黏土2.8 m、③1淤泥質粉質黏土3.3 m、③2粉細砂0.4 m、③3中粗砂2.3 m。

圖1 富春江頂管設計縱斷面布置示意

圖2 富春江頂管始發井外觀

由于頂管機在中粗砂地層始發，透水風險大，因而采用地面高壓注漿方式對豎井周邊進行加固，樁間距1.0 m，樁深17 m。

（2）接收豎井。接收豎井為鋼筋混凝土圓形結構（內徑13.0 m，凈深17.3 m），距離大堤48.5 m，采用不排水沉井法施工，見圖3。混凝土抗壓強度C30，抗滲等級P6。豎井經過的地層及厚度自上到下為：①雜填土2 m、②1粉質黏土3.8 m、③1淤泥質粉質黏土7.3 m、④粉質黏土4.1 m、⑤卵石5.6 m。

豎井與民房凈距為16.2 m、與公路邊坡凈距為9.2 m、與窄溪大橋凈距22.7 m。豎井下沉期間，沉降控制難度大。在施工中，項目部采用空氣提升輔助水力機械+長臂伸縮挖掘機取土下沉，減少周圍土體的沉降；設置沉降觀測網，強化對周圍建筑物的沉降監測；采取水下貫通，減少由于貫通引起的地面沉降。

頂管機在卵石層到達接收井，因卵石層透水性強，設備接收時易發生突水風險，頂管機到達前需對地層采取注漿改良、管井降水或淹水出洞等技術措施。本工程最后采用了淹水出洞的技術方案，避免了出洞段采取注漿改良的技術措施，縮短了施工工期，降低了工程費用。

圖3 富春江頂管接收井外觀

2.3 頂進管節形式

頂進管節為鋼筋混凝土管，采用柔性接頭C型鋼承口，承插口鋼板厚度10 mm，管節內徑2.4 m、壁厚230 mm、長度2.5 m，抗壓強度C50，抗滲等級P12。為減小頂進時的摩擦阻力，管節外側通過涂刷石蠟來減阻。

設計采用的大坡度U型縱斷面穿越設計方案，雖然降低了豎井深度，但也給隧道施工和運營期間的排水帶來了一定的不便。頂管隧道防水不僅要滿足施工防水要求，還要滿足管道安裝、日常運營檢查的防水要求。因此為適應最高設計水壓為0.4MPa的防水要求，采用了雙道膠條三元乙丙橡膠密封圈密封的方案，見圖4。

3 頂管施工

3.1 頂管穿越的地層

圖4 富春江頂管管節及防水密封

富春江頂管穿越工程是目前國內已知的油氣輸送管道最為復雜的項目，也是國內首次采用大坡度縱向曲線頂管技術穿越江河。隧道平面軌跡為直線，隧道縱向曲線為鍋底狀，最大豎向坡度14.5%。頂管全程累計穿越粉質黏土56 m、粉細砂26 m、中粗砂18 m、礫砂36 m、卵石207 m、中風化砂巖305 m。其中卵石層的卵礫石含量高達到50%～70%，且個別卵石粒徑大于130 mm。頂進地層中有兩部分為上軟下硬交界地層，也就是卵石與中風化砂巖交界、礫砂與中風化砂巖交界地層，頂進時極易出現掌子面坍塌、刀盤被卡問題，施工極為困難，見圖5。

圖5 富春江頂管穿越的復雜地層

3.2 頂管施工難點分析

本頂管施工階段除了工期緊、投資受限等客觀條件外，從工程地質、水文條件方面考慮，具有如下幾大難點：

（1）頂管穿越地層復雜多變，對頂管掘進機設備適應性要求高。

（2）頂管接收穿越地層屬強透水地層，頂管進出洞施工風險高。

（3）穿越中風化砂巖，且巖石中含有石英礦脈，巖石強度高，刀具磨損嚴重，中途需要換刀。

（4）頂管軸線離鉆探孔較近，有兩段穿越在巖石與卵礫石的交接界面，需要穿越50 m的卵石層，頂管施工潤滑泥漿易漏失。

（5）最高水壓達到0.4 MPa，施工止水難度大，帶壓更換刀具難度大。

（6）巖石層及其軟硬交錯地層的縱向曲線頂進、定位、轉向、糾偏難度大。

（7）大坡度下行施工防排水風險高。

（8）頂管穿越地層最大覆土厚度34 m，最小覆土厚度7.5 m，減阻泥漿壓力控制難度大。

上述8大難點集中體現在復雜地質的掘進，交接地層的進、出洞，有效頂力傳遞，破碎地層潤滑泥漿套的有效性，曲線頂進的定位、糾偏，高水壓刀具更換，大坡度施工等幾個方面。為滿足本工程的需要，進一步保障施工安全，施工單位組織國內相關專家及海瑞克公司專家召開專題會議，確定了項目施工方案，并對中繼間和潤滑基站的配置、設備配套設施等提出具體了要求。

3.3 頂管施工的主要機具配置與技術措施

（1）主體機具配置。采用德國海瑞克公司生產的泥水平衡式頂管機，設備額定功率1 200 kW，刀盤最大扭矩8 700 kN·m，設備最大頂力22 000 kN。

（2）復雜地層頂進用機具。頂管穿越了粉質黏土、粉細砂、中粗砂、礫砂、卵石、中風化砂巖，頂進中有卵石與中風化砂巖交界地層、礫砂與中風化砂巖交界地層，在頂進時極易出現掌子面坍塌、刀盤被卡問題，針對這種情況，采用了復合刀盤和復合刀具。

（3）交接地層進出洞用機具。如果頂管出洞處于粉質黏土、粉細砂交接層，則采用傳統的深層攪拌樁進行固化處理；如果出洞段處于卵石層，若再采用傳統的深層攪拌樁進行處理，則效果差、時間長。為節省工程工期，施工采用了豎井內灌水平衡水壓的方案，在頂管完成并密封隧道后，將豎井內水排除，而后將頂管機吊裝出井。

（4）大坡度出洞、進洞時的技術要求。本工程出洞坡度為10.5%（6.0°），洞門密封易泄漏，管節密封易變形，管節后退對密封損傷大；進洞坡度為14.5%（8.0°），頂管主機姿態不易調整，設備吊裝角度不易控制，洞門密封防水要求高。因此在大坡度頂管施工時，要求以較高的精度控制設備頂進。

（5）中繼站的布置。根據地質、水土壓力、設計坡度、曲率半徑等情況，通過頂力計算，確定本工程使用6套可拆卸中繼站。中繼站安裝間距按圖1從左到右的順序依次為：60、90、90、90、90、90、140 m。各中繼站的最大頂力按100%的設計頂力即7 000 kN控制。

（6）施工控向。本工程縱向設計曲線的第一次變坡段位于中風化砂巖，半徑R=4 300 m，施工不易控向；第二次變坡段位于中風化砂巖與卵石交接地層，R=1 200 m，施工不易轉彎。施工中通過采用陀螺儀導航，通過在頂管設備中設置控向油缸，通過采用自動控制為主的控向操作系統，實現了在復雜地質條件下均勻、低速的施工轉向。

（7）刀具更換。本工程最低處水壓0.4 MPa，穿越305 m中風化砂巖，砂巖中含有石英巖礦脈，硬度高，刀具磨損嚴重，施工中刀具更換難以避免。高壓下頂管刀具更換應符合以下要求[2]：

第一，頂管設備中要有獨立的調壓倉。這是實現刀具水下更換必須具備的基本條件。

第二，機頭迎面水壓不宜大于0.35 MPa。對于這一要求，可以結合地質條件、縱斷面布置、可能的施工期內水位變化情況，通過預設刀具更換地點（如預設在厚而穩定的巖層中），以避開高水壓不穩定地層給更換刀具帶來的風險；如果萬不得已要在非穩定地層中更換刀具，則應先對更換點進行相應的地層加固。由于本工程工期緊，因此應充分利用中風化砂巖強度較高、穩定性好的特點，提前在其中預設刀具更換地點，而后在施工中不斷檢查刀具磨損情況，及時更換刀具。在實際操作中，結合刀具磨損檢查情況，在0+320 m、0+430 m兩處巖層進行了磨損刀具的更換。

第三，刀具更換必須要有一定的操作空間，一般不宜小于800 mm。對于這一要求，可通過人工開鑿或頂管機頭回縮來制造操作空間。由于在中風化硬巖、高壓和有限作業時間條件下進行操作空間的人工開鑿，作業效率極低，往往需要數周才能完成，同時工程又需要多次更換刀具，因而要求本工程必須采用具有刀盤整體回縮功能的頂管設備。

（8）泥漿控制的有效性。泥漿控制的有效性是頂管施工成功的保障。泥漿包含潤滑泥漿和填充泥漿兩種。潤滑泥漿是降低頂管推力的有效手段，填充泥漿是保持地層和結構穩定性的保障。本工程頂進過程中連續穿越黏土層、砂層、卵石層和中風化砂巖，在不同地層中泥漿的作用、性能也不相同。在黏土層，泥漿黏度不宜太高，否則容易造成裹刀；在砂層、卵石層，泥漿除了起潤滑作用外，還要填充外部的超挖空間，以保持地層穩定；在中風化巖石段，泥漿的主要作用是潤滑；而在巖石與礫砂、卵石交接地層，泥漿的潤滑作用和穩定上部地層的作用將更加突出。由于受現場條件限制，頂管軸線平面布置設計靠近ZK04、ZK05、ZK07、ZK08等水下地質鉆孔處，其中ZK04位于巖石與礫砂交接區，ZK05、ZK07位于中風化砂巖區，ZK08位于巖石與卵石交接區。如果這些地質鉆孔封孔不嚴，將導致穿越掌子面與江水相通，容易造成泥漿的大量流失，從而導致管節潤滑失效和穿越不穩定地層時發生地層坍塌，造成頂進力增大或出現抱管現象等，因此在施工中保持泥漿連續與有效潤滑、土體穩定至關重要。通過技術調研，結合工程實際情況，施工中采用了計算機自動控制注漿系統，根據各個頂管部位的泥漿壓力自動補充注漿，達到了良好的潤滑和穩定地層的效果。

4 結束語

本工程采用的豎向曲線頂管方案，與目前普遍采用的豎向水平頂管方案相比，始發井深度減小約30 m，接收井深度減小約20 m，直接降低兩側豎井的工程費用近千萬元，縮短施工周期至少60 d。該工程在工期及經費受限的條件下，采用超常規設計與施工方案，順利完成了頂管工程的施工，不僅滿足了業主的工期要求，同時開創了國內巖石段大坡度豎向曲線頂管的先河，對今后類似的工程具有一定的借鑒意義。

[1]GB 50423-2013，油氣輸送管道穿越工程設計規范[S].

[2]SY/T7022-2014，油氣輸送管道水域頂管法隧道設計規范[S].

NaturalGas Pipeline Crossing Fuchunjiang River byUsing Curved Pipe Jacking Technique

CHENG Mengpeng1，LIShengxin2，LIAO Xiao2，LILong2，JIANG Tao2
1.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China
2.Fourth Branch Company of China Petroleum Pipeline Bureau，Langfang 065000，China

In Hangzhou Gas Utilization Project，Fuyang S16 branch pipeline had to cross Fuchunjiang River.Because of the complex geological condition，crossing construction failed for two times.Through expert argumentation，the crossing scheme of pipe jacking for the pipeline section with diameter of 2.4 m and length of 653.32 m was adopted.In order to decrease shaft depth，shorten construction period and reduce engineering investment，the unconventional steep U shaped pipe jacking curve was adopted in the crossing design.This paper describes in detail the profile design，shaft design and jacking pipe forms，and introduces briefly the strata features，main construction difficulties，main equipment and technical measures.The construction practice proved that compared with usual horizontal pipe jacking technique，the new method decreased the dispatching shaft depth about 30 m and the receiving shaft depth about 20 m，reduced the shafts construction cost about 10 million yuan and the construction period at least 60 d.

naturalgas pipeline；pipe jacking；curved crossing；Fuchunjiang River

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.008

程夢鵬（1966-），男，山東安丘人，高級工程師，1994年畢業于西安公路學院橋梁與隧道專業，現從事管道應用技術研究與標準制訂工作。Email：296365278@qq.com

2016-07-21