非开挖技术的顶管施工在油气管道施工中的应用及发展

非开挖技术的顶管施工在油气管道施工中的应用及发展

赵怡

重庆燃气集团股份有限公司400020

摘要：随着我国社会经济的发展，不但人们的生活品质在原来的基础上有所提升，城市建设方面也在不断加快；非开挖技术虽然较其他技术起步晚，但在近些年，无论是理论上还是施工工艺上都得到了突飞猛进的进展。非开挖技术作为铺设管道极为重要的施工手段具有其自身得天独厚的优势，因为油气管道工程施工质量紧密影响着我国城市建设的发展，同时还影响着人们生活质量，所以对油气管道施工技术也就有了更高的要求

关键词：管道施工；非开挖技术；顶管技术发展应用

城市的发展和经济状况与城市工程建设质量密切相连，根据工程的实际情况来选择适合的施工技术是非常必要的；满足理论、技术、经济的施工方法更是最优的，按最优施工方法完成的工程不仅保质量，保时效，还经济，同时还能进一步保证城市建设的有序发展。

1.非开挖技术在油气管道施工中的意义

非开挖技术即非开挖地下管线施工技术，国外称TT（TrenchlessTechnology）或形象的称为“No-Dig”。它是指在地表不开挖的情况下，利用岩土钻掘方法，铺设、修复或更换各种地下管道和缆线的一种高科技实用新工程技术；材质上非开挖地下建设的管线可以是钢管、多类塑料管、缆线，也可以是铸铁管、钢筋砼管等。此施工技术不会造成交通阻碍，绿地破坏，也不会影响公用设施如医院及学校、附近居民的正常生活和工作秩序，有效的解决老式开挖施工对周围居民生活造成的影响，以及交通、环境、建构筑物的破坏，对社会有较高的价值。

随着社会的不断发展，传统的管道施工技术已经不能满足人们需求，管道施工技术必须不断进步提升，现阶段的非开挖施工技术将慢慢对传统的技术取而代之，在不久的将来传统的直接开挖式即人们戏称的“开肠破肚”施工方式将逐步退出历史舞台。

2.非开挖施工技术的顶管施工在油气管道施工中的应用

顶管施工技术是非开挖施工中的一种普遍方法，是一种利用沉井及顶进设备埋设管道的专业技术。在管道施工中要采取这项技术一般要具备以下基础条件：一、土质不能是中风化岩和弱风化岩；二、管道的直径至少在600mm以上且一定是直线铺设；三、有足够的空间开挖作业井。

2.1顶管施工技术基本过程

顶管施工技术是在起始工作坑内利用千斤顶和顶管机等设备，连续顶进多个管节直至顶进管节到达终端工作坑形成套管组的过程：预制设备--顶进顶管机--达到要求长度时停止顶进--千斤顶缩回--放入管节--顶进--当顶进同样长度时停止顶进--放入第二管节，一节连一节管节依次顶进重复操作；在顶进过程中利用顶管机掘进时产生的泥浆压力防止顶进方向上方的地面沉降；泥浆在顶进过程中同时还可减少管节和附近土壤的摩擦，就这样跟着激光速的引导，直至顶管机掘进到终端工作坑，此时吊出顶管机，完成顶管过程。

2.2顶管施工技术利与弊

顶管施工在油气管道施工中比较常见，该施工技术的要点在于可以纠正管子在地下延伸的准确性；适用于直线顶进、较大型、中型的管径非开挖的铺设，且具有一定的经济性、效率性。该技术优于普通开挖技术不用挖开地面、勿需拆迁、不破坏建筑物、节省时间、安全性较高。但同时也具有不足，如对深度和开挖准备工作场地有一定的尺寸要求，管线的曲率半径要求较大，只能直向顶进且有一定导向要求。

2.3顶管施工管道安装技术的发展

在油气管道穿越建设中，顶管施工管道安装十分常见，穿越区域一般为公路、铁路、机动车道等压力集中地，按普遍做法就是在起始工作坑利用管节顶进形成的套管，然后再往套管内部吊入管道段，利用滑轮拖动连续焊接的管道段至终端工作坑，这一过程完成了顶管管道安装。

油气管道所使用的套管普遍为钢筋混凝土管或钢管材质，加设套管后可以对安装的管道起到保护和支撑地面作用，但长远来看，套管的存在并不利于管道的检查及部分更换，这就引起我们的思考，可否利用岩土自身形成稳定维护，取消套管这一环节。

2.4理论出发研讨无套管埋设的可能性

先利用理论公式计算管道受到的垂直压力、交通工具荷重和钢制管道产生的应力。

土质垂直压力公式：

PN=W[5-（5-H）3/25]/3

PN——管道顶上方土质产生的垂直压力（t/m2）；H——管道埋设深度（m）；

W——管道顶上方土质容重（t/m2）；

交通工具荷重压力公式：

PV=P0（1+K）/[（A+2H）（B+2H）]；

PV—一交通工具轮胎产生的垂直压力（t/m2）；P0—一个轮胎荷重（t）；

A—一轮胎触地长度（m）；B—一轮胎触地宽度（m）；

H—一管道埋设深度（m）；K—一冲击系数；

钢制管道产生应力公式：

拉应力：δ1=N/δ+BM/δ2；压应力：δ2=N/δ-BM/δ2

N—一单位长度管子产生的法向应力（kg/m2）；M—一弯矩（kg/m2）；

δ—一管道壁厚（m）；δ1—拉应力（kg/m2）；δ2—压应力（kg/m2）

再进行管道直径变形率分析，在公路、铁路穿越中的管道承接压力后，按要求管道的直径变形率不得大于5%。

管道直径变形率及允许直径变形率按以下公式：

ε﹦ΔD/D0×100%[ε]﹦ε0/KΔD——管道在组合荷载作用下管径的竖向直径变形量（mm）

D0——管材的计算直径（管壁截面中心轴的直径）（mm）

[ε]——允许直径变形率；ε0——管材的弹性直径变形率（%）

压扁试验决定K安全系数，一般可取1.5

从公式要求可以看出无论是否有套管存在，只要管道在地下埋设安装后直径变形率不大于5%，就满足理论要求。

假设一辆20T的交通工具通过路面，利用上述公式计算，得出垂直压力和埋设深度的关系，当管道埋设深度在1.2m以下时垂直压力不断减小，2m以下时缓慢趋于不变；而管道的应力也能满足要求，同时管道直径变形率小于5%。说明至少在普通运输要求的公路上，在低于1.2m以下的顶管工程施工中可以直接在顶进设备形成的顶孔中安装管道。

2.5顶管施工直接在顶孔中安装管道过程

直接进行顶进管道安装操作，步骤为：起始工作坑预置千斤顶、顶管机、环形顶铁及定位钢制导轨--开启激光速引导顶进方向--启动千斤顶顶进顶管机--顶进长度为一节管道长度时停止顶进--千斤顶缩回--成型孔内安装滑轮系统--吊入第一节管道，管道末端安装环形顶铁--顶进--顶进长度为一节管道长度时停止顶进--掉入第二节管道--管道焊接--添加沥青麻丝、聚氯气乙烯泡沫塑料板和填砂等安装事项--管道末端安装环形顶铁顶进--停止--吊入第三节管道---焊接安装等工序重复操作---安装环形顶铁继续顶进，直到管道顶进终端操作坑；因工艺有所不同，故需要在顶管机顶端安装注浆设备，掘进时往顶进周围注浆防止顶进方向上方的地面沉降；顶管机掘进时产生的泥浆毋须全部排出，可向顶管孔中慢慢渗入以减少管道和附近土壤所产生摩擦，这样一步一步顶进--停止--下管--焊接--继续顶进直至顶管机掘进到终端工作坑，完成整个顶管安装作业。

2.6经济性

无套管埋设管道的施工技术较以往的顶管施工而言更为简单，除去套管材料预制、套管吊装和顶进环节，更加经济，在普通运输要求的公路上理论上是可行的。

3.结语

非开挖技术是对传统地下管线开挖铺设、更换、修复的一次革命，自正式进入工程施工市场至今，在较短的时期内，以其独特的技术特征与优势，受到人们的重视与认可，取得了很好的社会和经济效益。

在社会飞速发展的今天，技术的更新换代时间日益缩短，我们应当勇于探索，将理论联系实际，接受新型技术的发展，并落实到实践中，为城市建设打好坚实的基础。

参考文献：

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[4]王雪萍姚伟燃气管道穿越道路取消套管的探论