岩石地层大口径长距离管道顶管施工技术

刘庆新，李　默，吕洪丹，高　鹏，张　爽

1.中油管道建设工程有限公司，河北廊坊 065001

2.中国石油天然气管道局国内事业部，河北廊坊 065000

岩石地层大口径长距离管道顶管施工技术

刘庆新1，李默1，吕洪丹1，高鹏2，张爽1

1.中油管道建设工程有限公司，河北廊坊 065001

2.中国石油天然气管道局国内事业部，河北廊坊 065000

大口径长距离岩石地层顶管施工技术在我国油气管道工程中得到越来越多地运用。文章通过对大口径长距离岩石地层顶管施工中制约正常掘进的主要因素的介绍，结合西气东输二线东段顶管隧道施工工作情况，阐述了顶管机头的刀盘、刀具、膨润土泥浆配置与压力、施工过程中的控制因素等现场管控要素在顶管施工中对总体掘进施工的影响。对各项因素的分析结果也为类似的顶管施工提供了经验。

岩石地层；顶管施工；外壁摩阻力；膨润土泥浆；控制

0　引言

随着顶管施工方法在国内的普及与发展，穿越岩石层的顶管施工已在工程建设中的应用越来越广泛[1]。由于全断面、长距离的岩石层顶管机结构复杂、技术含量高，其施工工艺一直处于发展探索阶段。

顶管施工主要根据地形地貌、工程地质条件、水文地质条件、地面及周边环境影响因素以及施工现场情况选择[2]。在岩石层里，采用封闭式顶管，选用有二次破碎功能的岩盘泥水顶管机对前方岩体进行切削，后方则根据不同的地质情况，辅以油缸筒、防旋转油缸筒或气压仓等措施推进。

1　岩石地层顶管掘进施工关键技术

1.1刀盘、刀具

刀盘、刀具具有切削掘进、稳定开挖工作面功能。结构形式与工程地质条件有着密切的关系，不同的岩层采用不同的刀盘结构型式，选用不同的刀具及布置。大口径全断面岩盘泥水顶管机，多选择面板式刀盘。面板式刀盘一般为焊接箱形结构，其上设置刀座、刀具、碴石出口、添加剂注入口及与主轴承连接部件。刮刀或刮碴板布置在面板上碴石出口的两侧，滚刀布置面板是刀座。 刀盘平面布局见图1。

图1　刀盘平面布局示意

滚刀的作用是破岩，依靠刀具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。滚刀只能纯滚动，安装时要考虑周边滚刀的角度，以延长滚刀的使用寿命并保证滚刀的切屑直径。配置时也要增加周边滚刀的数量。滚刀的刀间距过大和过小都不利于破岩，间距过大，滚刀间会出现“岩脊”现象，间距过小，滚刀间会出现小碎块现象，降低破岩功效[3]。

刀盘中心位置一般布置多刃组合滚刀，每个旋转方向都有足够的出碴槽，以保证碴石及时排入顶管机内。西气东输二线东段的修水顶管穿越工程、滠水河顶管穿越工程、常山江管穿越工程中使用的机头中心滚刀布置如图2所示。

图2　顶管穿越机头中心滚刀布置

刀盘正面区和外缘布置单刃或双刃滚刀，正面区对于硬岩宜选用单刃滚刀，软岩宜选用双刃滚刀，外缘多选用双刃滚刀。

1.2管道外壁减阻

采用泥浆减阻是长距离顶管减少摩阻力的重要措施之一。在顶管过程中，如果注入的泥浆能在管子的外围形成一个比较完整的浆套，则可将摩阻力由 12 ～ 20 kN/ m2减少至 3 ～ 5 kN/ m2。英国有关资料将顶进岩石层中的摩阻力取值为 2 ～ 3 kN/m2。

常山江 DN2 200 mm 岩石顶管工程，采用膨润土泥浆减阻，顶进长度达 306 m，摩阻力约为 4.9 kN/m2。

只要顶进管在整个圆周上被膨润土悬浮液所包裹，根据浮力定律顶进管道就悬浮于膨润土泥浆中，即使膨润土悬浮液的厚度很小也是如此（见图3）。

图3　管道与岩层之间充满膨润土泥浆时的悬浮情况

假定钢筋混凝土顶进管的内外径分别为D内和D外，壁厚为d=0.1D内，则D外= 1.2D内，于是管道的重量G为：

式中γ管—— 钢筋混凝土密度/（t/m3）；

L—— 管道长度/m。

浮力A为：

式中γ浆——膨润土泥浆密度/（t/m3）。

由此得到管重与浮力的比值为：

钢筋混凝土密度γ管=2.5t/m3；取膨润土泥浆密度γ浆=1.05t/m3时，,浮力为管道自重的 1.37 倍；如果管外无泥浆，则浮力为管道自重的 1.31 倍。

由于管道周围有比较大的空隙，通过正确压入膨润土泥浆或水，在岩层中围绕顶进管道形成一个支承环带，并保持压力大于裂隙水压力，管道就会在膨润土泥浆液或水中漂浮起来。浮力可以使管外壁摩阻力减小，即使外壁注入的是水，浮力也大于管道自重。在围岩很好的岩盘里顶管，只要解决好洞口止水，管道外壁无论是注膨润土泥浆还是水，其摩阻力都较小。

1.3泥浆配置和泥浆管布置

在岩石层顶管施工中，膨润土泥浆的主要作用是降低管道悬浮在泥浆中的摩阻。膨润土主要有两类，即钙基膨润土和钠基膨润土。在膨润土含量相同的情况下，钠基膨润土泥浆中所含极薄的硅酸盐叠层片的数量，约为钙基膨润土泥浆中所含数量的 15～20 倍。这种极薄的硅酸盐碟片层，有利于提高膨润土泥浆的膨胀性能，可以改善膨润土泥浆在溶胶状态下的流动性以及在凝胶状态下的固结性能，因而钠基膨润土比钙基膨润土更适用于顶管工程。

膨润土泥浆要根据不同的岩层分别配置，在施工中进行调整。机头尾部前 10 根管节同步注浆浆液的配置要能够阻止岩石颗粒、岩石粉进入管道，后面管道浆液的配置，要满足管道悬浮顶进的控制要求。

在岩石层顶管中膨润土泥浆管的布置与一般顶管不同。一般顶管，当机头前段泥浆套形成后，后面一般只需要补浆就行，所以后续泥浆管可以逐步加长距离布置。岩石层顶管是在整个顶进过程中让管道悬浮于泥浆中，后续布置的泥浆管，按一定的间隔在套管中布置，以保证整个管道在顶进施工中的全段或部分里程补充泥浆，满足管道悬浮的要求。

1.4控制技术

顶管施工既适用于按直线形状敷设管路，也适用于按照上下或左右两侧弯曲的路线敷设管道，但都需要进行控制。直线顶进时，通过控制以校正顶进路线的偏差；曲线顶进时，关键要控制方向的变化。

这种控制过程的作用原理说明见图4。

图4　控制过程的作用原理

岩石层顶管的控制是在刀盘转动切削、纠偏千斤顶调整的过程中进行的，这与一般顶管控制是在刀盘停止转动的情况下进行的有很大不同，这是因为纠偏千斤顶无法克服这一阻力，整个控制过程中，方向是靠刀盘转动切削前进、各个管节之间加设的木环衬垫所具有的弹性来调整的。

直线岩石层顶管施工的难点在于如何防止顶进中细小岩石颗粒、岩石粉进入并包裹管道造成机头卡住。因此刀盘切屑后管道与岩面的间隙较大，一般设计的间隙为70 ～ 80 mm；曲线岩石顶管，因曲线半径的不同，设计的间隙还会加大；但整个管路从头到尾都必须跟随刀盘切削的路线前进，刀盘切削的路线，就是管路敷设完毕之后的路线。

在岩石层管道顶进过程中，由于岩石层自身拥有自稳能力，在顶进过程中围岩的变形小，岩石层本身对管道产生的压力可忽略不计，只考虑管道对岩石层的作用力和岩石层的反作用力。

2　结束语

大口径长距离岩石层顶管施工在我国刚刚起步。西气东输二线主干线6条顶管掘进施工的实践表明，在岩石层顶管施工过程中，受地质情况、机械设备、工程技术等因素的影响，其主要控制手段在施工时还应以实测数据为依据进行调整。对于全断面岩石顶管，除了选对顶管机等设备外，同样应重视对相应辅助设备、管节设计方案、二次破碎粒径、洞口止水方案等的选择。

[1]田艳玲,张宝强,黄琳，等.岩石地层大口径长距离管道顶管施工影响因素 [J].油气储运,2012,31（8）：612-614.

[2]唐振通,朱东志,韩晶.土压平衡泥水输送法在顶管施工中的应用 [J].油气储运,2007,26（12）：50-52.

[3]刘小利,焦如义,李森，等.钢质管道非开挖顶管技术与装备 [J].油气储运,2010,29（7）：553-556.

[4]余彬泉,陈传灿.顶管施工技术 [M].北京:人民交通出版社,2000.

[5]刘乃根，杨光发，张照玉.顶管施工技术 [J].石油工程建设，2006，（5）：33-36.

Pipe Jacking Construction Technology for Large Diameter Longdistance Pipeline in Rocky Stratum

Liu Qingxin1,Li Mo1,Lyu Hongdan1,Gao Peng2,Zhang Shuang1
1.China Petroleum Pipeline Construction Co.,Ltd.,Langfang 065001,China
2.China Petroleum Pipeline Domestic Division,Langfang 065000,China

The technology of pipe jacking construction in rocky stratum for large diameter long-distance pipelines is more and more used in China's oil and gas pipeline projects.In this paper,the main factors restricting the normal boring operation in rock stratum in pipe jacking construction of large diameter long-distance pipeline are analyzed,and combined with the actual situation in tunnel construction site of the eastern section of the Second West to East Gas Pipeline,the main effect of influencing factors,such as cutter header,cutters,bentonite mud preparation and pressure,control factors in construction course ,on overall pipe-jacking construction are illustrated.The analysis results provide experience for similar pipe jacking construction projects.

rocky stratum;pile jacking construction;friction resistance on outer wall;bentonite mud;control

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.010

刘庆新（1969-），男，河北廊坊人，工程师，1995年毕业于大连大学，现从事长输管道土建和非开挖工程项目管理工作。

2013-03-06