砂质富水地层泥水平衡顶管施工关键技术研究

顾中东

河北华北石油工程建设有限公司 河北任丘 062552

摘要 :2019年长庆油田上古天然气处理总厂工程场外系统轻烃厂-榆林末站取还气管线、轻烃厂-榆林第二末站取还气管线工程的榆补路穿越，采用泥水平衡定顶管穿越方式。针对穿越位置地质为细沙且地下水位较高的特点，进行了顶管过程关键技术的研究。

关键词 穿墙顶进 正常顶进 纠偏 触变泥浆

1．引言

本工程穿越榆补公路需顶进4根DRCPⅢ2000×2000的混凝土套管，间距为6m，单根穿越长度为60m。榆补公路穿越处位于毛乌素沙漠边缘，地质为细沙且地下水位较高，在施工过程中极易形成流沙，针对这一特点，施工单位对泥水平衡顶管过程的关键技术进行了研究，制定了科学的施工工艺。通过实践证明，施工措施选择得当，按期保质保量顺利完成了顶管任务。为今后在流沙地段长距离顶管施工积累了宝贵经验。

2.顶力设定技术

2.1 推力的理论计算：（以Φ2000mm计算）

　　 F=F1十f2

　其中F—总推力

　　 Fl一迎面阻力 F2—顶进阻力

　　 F1＝π/4*D²*P (D—管外径2.24m P—控制土压力)

　　 P＝Ko*γ*Ho

　　式中 Ko—静止土压力系数，一般取0.55

　　 Ho—地面至掘进机中心的厚度，取最大值10m

　　 γ—土的湿重量，取2.73t/m3

　　 P＝0.55*2.73*10＝15.02t/m2

　　 F1=3.14/4*2.24^2*15.02＝59.16t

　　 F2＝πD*f*L

式中f一管外表面平均（根据顶进距离平均沙砾土）综合摩阻力，取0.6t/m²。其取值可按表6.4.8-1所列数据选用；

　　 D—管外径2.24m

　　 L—顶距

顶进管道与其周围土层的摩擦系表

土类	湿	干
粘土、亚粘土	0.2～0.3	0.4～0.5
砂土、亚砂土	0.3～0.4	0.5～0.6

F2＝3.14*2.24*0.6*100＝422.02t。

2.2 总推力F=59.16+422.02＝481.18t。根据总推力、工作井所能承受的最大顶力及管材轴向允许推力比较后，取最小值作为油缸的总推力。工作井设计允许承受的最大顶力为600t，管材轴向允许推力500t，主顶油缸选用3台200t(2000KN)级油缸。每只油缸顶力控制在180t以下，这可以通过油泵压力来控制，千斤顶总推力540t。因此我们无需增加额外的顶进系统即可满足要求。

3.顶管进出洞技术

3.1顶管出洞

顶管进出洞是整个施工过程中的关键环节之一，进出洞成功等于整个顶管工程成功了一半。本工程是采用地下预埋钢盒作为预留进出洞口，在井出洞口安装可拆式止水钢圈，再在钢圈上上安装止水胶圈，达到止水效果。

3.1.1工作井出洞处理：在出洞前，割掉预埋钢盒外侧钢板，并将止水钢环焊接到预埋钢盒的外侧，再将止水橡胶圈安装在止水钢环上。在准备出洞时，在将钢盒内侧挡土钢板割掉，清理预留孔内的杂物后立即将工具头推进预留孔，缩短停顿时间，这时止水橡胶圈紧抱工具头外壳，发挥止水作用。顶进工具头到穿墙管内，工具头与第一节混凝土管采用刚性联结，避免工具头“磕头”。

3.1.2顶管出洞的施工环节相当关键，顶管穿墙时要防止工具头下跌，在穿墙的初期，因入土较小，工具头的自重仅由两点支承，其中一点是导轨，另一点是入土较浅的土体。因此，工具头穿墙时，一方面要带一个向上的初始角（约5′），另一方面穿墙管下部要有支托，并且加强管段与工具管、管段与管段之间的联结。此外，工具管的推进一定要迅速，不使穿墙管内的土体暴露时间太长。顶管穿墙位置必须作好止水，防止孔口因为流失减阻泥浆，造成孔口塌陷，发生安全事故。

3.1.3在出洞施工初期，由于顶管机正面主动土压力远大于顶管即周边的摩擦力和与导轨间的摩擦力的总和，因此极易产生顶管机反弹，引起顶管即前方土体不规则坍塌，使顶管机再次推进时方向失控和向上爬高。为此，在洞口的两侧平行地面各安装好一条工字钢，当主顶千斤顶准备回缩加顶铁时，将两条工字钢分别与第一个顶铁的焊牢，然后回收千斤顶，防止顶管机反弹。

3.1.4同时，在出洞施工初期顶管机容易发生扭转现象。因为顶管机大刀盘转动时对前方土体会产生一个扭矩，根据相互作用原理，土体对顶管机同时也会产生一个扭矩。而由于顶管机周边的摩擦力和与导轨间的摩擦力很小，故摩擦力及顶管机自重所产生的反抗扭矩小于土体对顶管机产生的扭矩，所以此时顶管机会扭转。为了克服此现象，防止顶管机发生扭转，分别在顶管机的两侧焊上各一块挡板，挡板底面与导轨面平齐。当顶管机扭转时，挡板压在导轨上，防止顶管机扭转。

3.2顶管进洞

顶管机顶入接收井是一项关键的施工环节。在顶进接近接收井前，先将接收井施工好等待顶管机的接收。当顶进到接收井边13排旋喷桩时，须放慢顶进速度，等顶管机慢慢切削旋喷桩体，形成一个较完整的止水孔，否则会因推进过快使预留孔前的旋喷桩体破坏不能形成止水孔，严重时损坏顶管机或顶力剧增使管节破裂而无法完成接收顶管机。

同时，必须先复测本段管道的长度与设计长度相符，然后通过测量得知顶管机出口的具体位置，将接收井工具头出洞位置的混凝土护壁凿除。当顶管机进入接收井边时，顶管机要快速顶进，直至顶管机完全顶出接收井。如遇地下水丰富时，用棉纱堵塞住管和洞口间的空隙，等顶管机完全出洞后即用水玻璃或水泥浆压住止水。

3.3 穿墙止水技术

管道埋深较深时，水压力大，而且洞口周边是流塑状淤泥，承载力低，在深层做水泥旋喷桩出洞止水效果不是很理想，费用高。针对此情况，改进穿墙止水环的结构，在井体侧墙施工时，先预埋圆台形（喇叭形）钢盒（图4-24），上圆（背土）直径比管径大20cm，下圆（靠土）直径比管径大60cm，采用单边封板（上圆口），内填重量比为1：5的水泥黄粘土拌和料。为了增加钢盒内填充物与环向钢板的粘结力，在环向钢板用钢筋焊上两道竹片压板，为达到止水防流砂效果，在压竹片的同时也压上稻草和膨胀土，然后与拌和料一起填充。当顶管机穿越预留孔时，顶管机外壳带到穿墙钢合内的土体及周边的土体往喇叭口挤压，使到管壁与预留口间的缝隙挤实土体，防止泥水从缝隙喷涌。穿墙是顶管施工中的一道重要工序。穿墙时，要防止井外的泥水大量涌入井内，严防塌方和流砂，因此必须做好洞口止水环节。首先在预埋钢盒上焊接钢套环（法兰），然后在套环上安装25mm厚橡胶法兰，用10mm厚钢压板通过M20螺栓压紧。当发现有地下水和泥砂流入工作井内时，可以收紧橡胶法兰和压板上的螺栓，达到止水效果。

3.4 加固机头进出洞口

因进、出洞处管下部为砂性土，施工时在洞口采用门式加固，所谓门式加固，就是穿墙时为防止工具头流水流泥导致地面塌陷，发生安全事故，或者顶进方向失去控制，对所顶管道外径的两侧和顶部的一定宽度和长度的范围内进行加固，对穿墙管前方土体采用化学浆液进行灌浆加固，以提高这部分土的强度，从而使工具管在出洞时土体不发生坍塌现象。

4测量、纠偏技术

4 .1顶管测量

顶管施工中测量工作的主要任务是掌握好管线的中线方向、高程和坡度。

（1）根据设计坡度要求，沿线路布设四等水准路线，并在各井口处埋设临时水准点以供顶管高程放样。

（2）根据顶管线路所布设的导线点及水准点，标定出井的平面位置及测定其深度，以指导工作井的开挖施工；定出始发井与接收井的管道中心点，并将其投设于地面（以下简称投点），作好标记，由于投点处于井的边缘，事先作好投点的支架搭设与焊接标志工作。

（3）以布设的线路导线点中的一个导线点及一条边的方位角，重新精密测定二井间的导线，即贯通导线，并联测二井投点，在有条件的地方，最好将投点作为导线点，以便获得投点的精确坐标，所有导线点应埋设牢固标志，以备复测。根据贯通导线及井口投点，在始发井边缘放样出顶进方向的坐标点，而后与井口投点一起向井下投设方向线，并将高程从井上传至井下，埋设临时水准标点，如图4-19所示。

（4）在工作井下建立控制观测台，在其上配置有强制对中的仪器基座，并设有上下左右可调节的装置，能使架设于其上的仪器调整到中线（或与中线偏离一定距离）的位置，并使仪器横轴调整到中线（或与中线偏离一定距离）的高度上。

4.2纠偏

（1）顶管机的测量靶网格为10mm，根据顶管机测量靶激光点的偏移量计算顶管机的斜率，伸出相应的纠偏千斤顶组，使顶管机推进改变方向，从而实现顶进方向的控制。纠正偏量应缓慢进行，使管节逐渐复位，不得猛纠硬调。由于顶管机头附有测量靶见图2-27，激光经纬仪安置在观测台上，在工作中，已使它发出的激光束既为管道中心线，又符合设计坡度要求，实为顶管导向的基准线。施工开始时使测量靶中心与激光光斑中心重合，当掘进机头出现偏差，相应测量靶中心将偏离光斑中心，从而给出偏离信号，通过通过视频传送到操作台的监示器，进行顶进方向的纠正，使工具头始终沿激光束方向前进。

顶进施工中的测量示意图

（2）工具头开始顶进5～10m的范围内，允许偏差应为：轴线位置50mm，高程30mm，当超过允许偏差时，应采取措施纠正。纠正偏差应缓慢进行，使管节逐渐复位，不得猛纠硬调。

（3）工具头前方有纠偏节，纠偏节中安装有纠偏千斤顶，顶进过程中，根据测量反馈的结果，调整纠偏千斤顶，使工具头改变方向，从而实现顶进方向的控制。如果工具头的方向偏差超过10mm，即应采用纠偏千斤顶进行纠偏。

（4）管顶出穿墙管及在长度30～40m范围内的偏差是影响全段偏差的关键，特别是出墙洞时，由于管段长度短、工具头重量大，近出洞口土质易受扰动等因素的影响，往往会导致向下偏，此时，应该综合运用工具头自身纠偏和调整千斤顶的作用力合力中心来控制顶管方向。

（5）纠偏应贯穿在顶进施工的全过程，必须做到严密监测顶管的偏位情况，并及时纠偏，尽量做到纠偏在偏位发生的萌芽阶段。

（6）如果根据顶管机的测斜仪及激光经纬仪测量偏位趋势没有减少，增大纠偏力度，如果根据顶管机的测斜仪及激光经纬仪测量偏位趋势稳定或减少时，保持该纠偏力度，继续顶进，当偏位趋势相反时，则需要将纠偏力度逐渐减少。

（7）顶管施工的顶进管道允许偏差：

表4-4 顶进管道允许偏差表（mm）

注：D为管道内径（mm）

5触变泥浆技术

在顶进过程中，随着距离的增长，管道的摩阻力也随之增大。为了提高顶进施工的效率，在施工过程中尽可能地降低管道外侧的阻力，通常情况下往管外侧喷谢触变泥浆，降低顶进的阻力。

5.1触变泥浆系统设置：

顶进过程中，需要经常进行压触变泥浆工作，以减少顶进的阻力。注浆孔的形状及布置：在每节管的前端布置一道触变泥浆注浆孔，数量为4个，孔的大小呈90度布置（图5-28），经过不段压浆，在管外壁形成一个泥浆套。

触变泥浆管设置在顶管机后面4节管每节管都设置触变泥浆管，在管节外壁形成完整的浆套。以后的管节间隔3节管设置一道，用来对浆套进行补浆。

5.2浆液配置：

触变泥浆系统由拌浆、注浆和管道三部分组成。拌浆是把注浆材料兑水以后再搅拌成所需的浆液(造浆后应静置24小时后方可使用)。注浆是通过注浆泵进行的，根据压力表和流量表，它可以控制注浆的压力(压力控制在水深的1.1—1.2 倍)和注浆量(计量桶控制)。管道分总管和支管，总管安装在管道内一侧，支管则把总管内压送过来的浆液输送到每个注浆孔上去。

5.3触变泥浆由膨润土、水和掺合剂按一定比例混合而成。施工现场按重量计的触变泥浆配合比为：水：膨润土＝8：1，膨润土：CMC＝30：1。本工程拟购置膨润土袋装复合材料，在现场施工加水拌和。

5.4注浆流程：

造浆静置――注浆――顶管推进(注浆)――顶管停顶――停止注浆。

5.5数量和压力

压浆量为管道外围环形空隙的1.5倍，压注压力根据管顶水压力而定。

6结论

经过长庆油田上古天然气处理总厂工程场外系统泥水平衡顶管穿越榆补公路的顺利实施，为砂质富水地层中进行公路顶管穿越积累了施工经验，并使以上研究成果进行了实践论证。