復雜地層側穿天燃氣管道鋼套管頂管施工技術

陳欣凱，王康宇，陳 松，蘇 霖

（1.浙江工業大學，浙江 杭州 310014；2.國智建筑科技有限公司，福建 福州 350711）

0 引言

隨著城市規模、體量的迅速發展壯大，城市交通負荷日趨增加，對于地下空間的應用及利用需求也愈發重要。在頂管工程施工過程中經常會遇見正處于使用狀態下的地下管線，因此必須對這些市政管道進行遷改，其中部分不能遷改的管道則采用原位保護，然而面對臨近頂管施工區域具有高風險源的管道，如次高壓氣體和高壓氣體管道，在進行較長跨度的原位帶氣保護時，要經停氣、降壓、燃放氣、駁接、氮氣置換、增壓、通氣等多個工序，施工難度更大，風險更高[1-4]。因此，在管道保護施工過程中，選擇一種合適的且安全可靠的施工技術是非常有必要的。

常用的管道保護方法包括管道遷改和原位保護兩種，前者和部分原位保護的施工技術已經發展得比較成熟，但對于頂管施工過程中無法遷改的高壓管道，目前相關原位施工保護的案例較少。如果在對高壓管道進行原位保護時采取不當的措施，則會導致管道爆炸，造成極其嚴重的后果[5-8]。為了解決傳統側穿天燃氣管道保護存在的施工效率低、施工過程易對管道產生破壞、安全性較低等問題，本文對懸吊保護側穿天燃氣管道進行技術創新，研發了一種復雜地層側穿天燃氣管道分步實施鋼套管頂管施工技術。

1 復雜地層側穿天燃氣管道分步實施鋼套管頂管施工技術

1.1 工藝原理

本技術采用樁梁一體式懸吊支撐梁擱置體系結合分步實施鋼套管相結合的方式對天燃氣管道進行防護。天燃氣管道懸吊保護的工藝原理是利用定型化挖斗、分離式開挖斗齒實現天燃氣管道上部開挖，天燃氣管道周圍布置橡膠墊，外設緩沖層，通過定型化割挖器實現天燃氣管道底部土方開挖，確保天然氣管完好；采用樁梁一體式懸吊支撐梁擱置體系，兩側采用撐拉式過梁模板，支撐樁與鋼筋混凝土過梁連接部分通過設樁梁一體式鋼筋籠、樁梁加強筋板連接；采用天燃氣管道“單元組拼式”懸吊保護體系，單元式底橫梁架通過底橫梁架通長連桿連接，底橫梁架下設弧托，通過吊桿加強連桿連接吊桿與橫梁；采用天燃氣管道剛性現澆混凝土底座與輕質覆頂回填體系，管底先進行回填土再敷設現澆混凝土底座，管頂使用泡沫混凝土覆頂再進行回填土。樁梁一體式懸吊支撐梁擱置體系施工原理如圖1 所示。

圖1 樁梁一體式懸吊支撐梁擱置體系施工原理

1.2 工藝流程

復雜地層側穿天燃氣管道分步實施鋼套管頂管施工工藝流程如圖2 所示。

圖2 復雜地層側穿天燃氣管道分步實施鋼套管頂管施工工藝流程

1.3 操作要點

1.3.1 燃氣管線位置人工探查

根據施工圖示的高壓燃氣管位置，進行管線實地放樣工作，每隔10m 距離及拐點處采用人工開挖探溝進行管線探查，探溝人工開挖時采用鐵鍬進行開挖，挖到警示板后應特別小心清土，直至露出管道為止，嚴禁采用挖機等機械和鋒利尖銳工具進行開挖。測量管道中心線三維坐標并引至兩側地面，做好標識，管線上方土體回填，將兩側標識引至管位。

1.3.2 探槽及溝槽開挖

初步確定天燃氣管線位置及深度后，采用挖機開挖管槽，對天燃氣管線進行精確定位，利用定型化挖斗將天燃氣管線沿其走向開挖并暴露出來。定型化挖斗機由挖機斗桿、挖斗固定板、快連件、分離式開挖斗齒等組成，另設橡膠墊層、緩沖墊層和管底定型化割挖器等減震材料，確保開挖時不得碰損管壁。定型化挖斗機如圖3 所示。

圖3 定型化挖斗機

1.3.3 天燃氣管線上方土方開挖支護

土方開挖應逐層進行，在清除管線上部覆蓋土層后，及時對邊坡進行加固處理：每層土體開挖深度不得大于1.5m，并及時按設計要求打設土釘，土釘間距為1m。在施工過程中應盡量降低由開挖和支護結構引起的土體擾動，同時要防止超挖或欠挖的產生。

1.3.4 天燃氣管線懸吊保護

在天燃氣管線兩側設置混凝土雙樁進行支撐，左側樁徑1.5m，右側樁徑1.0m，深8m。過梁長5m×0.7m×0.7m（長×寬×高），并在梁上預埋支撐腳墊及地腳栓，支承樁與過梁之間通過樁梁一體式鋼筋籠連接，另加樁梁加強筋板，以此來加強連接。

分段開挖管底土體，且長度不得超過2m，開挖截面為3.6m×0.5m（長×寬）。管底挖空后，立即下穿底橫梁架，底橫梁架下設弧托，天燃氣管線與弧托間設柔性緩沖墊，底橫梁架下設底橫梁通長連件。為避免防腐層損壞，應在管道與槽鋼之間設置橡膠墊。頂橫梁設頂橫梁架，頂橫梁架上設有頂橫梁調整螺栓，通過螺紋吊桿將底橫梁吊起。待懸吊系統穩定后，通過管底定型化割挖器分層開挖管線下方土體，開挖順序為自兩端向中部進行。

1.3.5 土方回填及管線恢復

懸吊保護施工結束后，進行土方回填和管線恢復。天燃氣管線下方土體線設計要求的密實度回填至管底1m 處，再通過底座側模固定吊桿、環管固定帶、對拉豎板和對拉件等形成分離式底座定型化側模。在管線兩側澆筑寬1.2m，高1.5m 的C15 混凝土底座，與管底1.2m 范圍密貼，待混凝土強度達到設計要求后，拆除拉桿。管側回填時應加強對天燃氣管線的保護，填充管頂泡沫混凝土覆頂，通過覆頂側模吊架、對拉耳板和對拉件完成泡沫混凝土覆頂支模。最后回填管線上方土體并恢復地面結構，如圖4 所示。

圖4 土方回填及管線恢復

1.3.6 鋼套管頂管頂進施工

（1）鋼套管頂管結構選取。

為進一步避免頂管施工對天燃氣管線的影響，采用頂管管道外側焊接鋼套管一并頂進施工方法。鋼套管采用單根管道，長度按側穿天燃氣管線兩側各增加20m 范圍，鋼管材料為Q235B。

鋼套管頂端通過若干個楔形三角鋼套環連接頂管，并通過電焊將頂管管道與鋼套管焊接，使三者連接成整體。鋼套管頂端與頂管管道結構形式如圖5、圖6所示。

圖5 鋼套管頂端與頂管管道結構形式（一）

圖6 鋼套管頂端與頂管管道結構形式（二）

（2）鋼套管頂管頂進施工。

頂管側穿段施工時，應選擇合理的頂管掘進設備，從而減少對高壓輸氣管道的影響。通過一系列的研究發現，在本技術中采用大型刀盤泥漿平衡頂管機進行頂管施工。頂管側穿段施工過程中，為了降低對周圍已有管道的影響，需要合理調整頂管過程中的前端土壓力參數和頂管速度參數，可以有效地減小其周圍的土體沉降，防止意外發生。頂管機的前端土壓力參數應調整為機頭中心的2~2.05 倍；頂管機的頂進速度參數為20～25mm/min。

（3）頂管位置控制。

頂管側穿越段施工時，應及時調整頂管位置，以便更好地保護周圍高壓管道。首先，在頂管過程中，應經常測量頂管的位置，當頂管位置發生偏差時及時校正，切忌因偏差過大而強制校正，從而對周圍土壤產生較大擾動。其次，當頂管距離管線區域前方約30m 時，做到每頂進延米便進行一次位置校正，以確保頂管機在正式進入管線區域時始終保持標準的姿態。最后，當頂管正式進入后，應進一步增加測量次數，做到頂管每頂進半米進行一次位置校正。

（4）頂進后期處理。

在頂管完全穿越施工段后，及時向注漿孔內灌注水泥砂漿，加固高壓輸氣管道周圍區域，以防止土體因強度不足造成地表沉降。

1.3.7 燃氣管線監測

為了整體施工的安全性，在頂管頂進過程中還需要對高壓燃氣管道進行嚴格監測。頂管上方的高壓燃氣管道采用直接監測點進行監測，即首先挖開高壓燃氣管道上方土體，其次用鋼板包裹管道，并在其上方焊接測量標志，最后將測量標志探出地面，回填土體并設置保護井。對于頂管下的高壓燃氣管道，則采用模擬監測點進行監測，即先在管道附近鉆一個深度約為30cm的監測孔，然后向其灌注混凝土，并插入帶有測量標志點的鋼筋，最后確保將鋼筋頂部探出地面，設置保護井。

高壓燃氣管道周圍還需安裝一套天燃氣漏氣自動報警裝置，在燃氣管上方設置若干個監測探頭，當燃氣管道發生泄漏時，通過設在現場指揮部辦公室的自動報警裝置通知24h 值班的安全員，由其立即通知項目部和燃氣公司的應急小組，啟動燃氣泄漏應急預案。自動報警探頭如圖7 所示。

圖7 自動報警探頭

2 結語

本工程針對側穿天然氣管道的頂管施工，提出了“復雜地層側穿天然氣管道分步實施鋼套管頂管施工技術”，采用樁梁一體式懸吊支撐梁擱置體系結合分步實施鋼套管相結合的方式對天然氣管道進行防護，整體施工操作簡單，施工效率高，施工時安全可靠，對周圍環境影響較小，具有良好的經濟效益，值得在相關項目中進一步推廣。