长距离垂直曲线顶管穿越复杂地层施工技术

张肖勇 1， 2

1.山东优拓市政工程有限公司，山东 聊城， 252000; 2.山东优拓工程装备有限公司，山东 聊城， 252000

摘要:天然气管道穿越永安溪顶管工程采用DN2200混凝土套管同时穿越国道、河流下方，线路设计为垂直曲线，总长度374米，断面地质主要为卵石及凝灰岩。本文探讨了在复杂地质条件下顶管技术措施，包括顶管设备的选择和针对性改造，通过地质改良及预纠偏措施克服卵石、上软下硬等复杂地质，采用双纠偏措施保证垂直曲线顺利起曲，通过精确线形控制、触变泥浆减阻及合理的中继间设置保证长距离穿越的顶力控制，最终取得圆满成功。

关键词：长距离穿越、曲线顶管、顶管工程、复杂地质、非开挖施工、垂直曲线

中图分类号：TU990.3 文献标志码：A 文章编号： 415

Pipe jacking construction technology for long-distance vertical curve crossing complex formation

Zhang Xiaoyong^1,2

(1.Shandong Youtuo Municipal Engineering Co., Ltd. Liaocheng, 252000,China; 2.Shandong Youtuo Engineering Equipment Co., Ltd. Liaocheng, 252000,China)

Abstract: In the natural gas pipeline crosses the Yong'an River pipe jacking project, DN2200 concrete pipe was used to cross under the national highway and the river. The line was designed as a vertical curve with a total length of 374m. The section geology was mainly pebbles and tuff. This paper discusses the technical measures of Vertical Curve Pipe Jacking under complex geological conditions, includes: (1)Selection and improvement ideas of pipe jacking equipment. (2) Geological solidification and pre correction technology in the upper-soft lower-hard ground. (3) Double steering technology in vertical curve construction. (4) Friction control technology of long distance pipe jacking, includes precise alignment control, thixotropic mud lubrication and intermediate jacking station setting.

Key words: Long distance crossing, curve pipe jacking, pipe jacking engineering, complex formation, trenchless construction, vertical curve

随着社会现代化进程的快速推进，各种地下管线建设需求不断增加，地下管网正快速延伸，管线也越来越复杂，以经济、环保、高效为突出特点的非开挖技术得到蓬勃发展，其中顶管工法以其方向精度高、地质适应性强、地面沉降小等特点，在各种山川、河流、路桥穿越及城市地下管道建设应用最为广泛^[1][2]。尤其是穿越河流的顶管工程，地质往往比较复杂^[3][4]，线形设计也多会设计为曲线[5]，本文以一个实际顶管工程为例研究了在复杂地质条件下垂直曲线顶管穿越道路和河流的技术措施。

1工程概况

临海——仙居天然气管道工程是浙江省“十三五”期间实施天然气“县县通”专项行动计划的重要建设项目，也是一项民生工程，全线长度49.4km。永安溪大型穿越是该工程中地质最复杂、施工难度最大的顶管工程。线路整体规划需要在白水洋镇上峰村附近穿越永安溪，所选位置处地形平坦开阔，河道顺直，水面宽度约150m，穿越处河水较深但水流平缓，河道北岸为G351国道及永安溪，南岸为S28台金高速，考虑到两岸均无大堤，地形较高，且距离河道较近，因此，北岸国道与永安溪一起穿越。

顶管隧道内径为2.2m，水平长度为374.0m。始发井和接收井均采用圆形沉井工法制作，其中，始发井内径为12.5m，深15.44m，接收井内径为8m，深16.19m。依地勘报告，穿越顶进线路地层依次为卵石层～风化凝灰岩～卵石层，其中卵石层为“中密-密实”，卵石含量50％以上，一般粒径3cm～8cm，并偶有20cm～40cm直径的漂石，强透水性、易坍塌；岩石层主要是中风化及微风化凝灰岩，节理裂隙发育～不太发育，中风化岩岩芯90MPa～110MPa；线路调整时加密复勘微风化段现场取样岩芯单轴抗压强度值在132～145.7MPa之间，平均值141MPa。

地质剖面图如下（初勘结果）：

图1：工程地质剖面图

Fig.1 Geological profile

各层地质参数如下：

表1：岩土层主要设计参数建议值

Tab.1 Recommended parameters values of rock and soil layers

2顶进曲线设计

2.1原设计线形

本项目原设计顶进线路为全程R1500m 垂直单曲线，从始发井斜向下进洞，以R1500m 半径垂直曲线顶进，期间依次穿越卵石层、强风化凝灰岩、中风化凝灰岩、微风化凝灰岩，通过管道最低点后再次进入卵石层，全程直线距离374m，弧长378m。线路示意图如下：

图2：原设计顶进线路图

Fig.2 Original design jacking line

如图可见，依地勘资料，强风化、中风化凝灰岩层厚度非常薄，顶进线路几乎是从卵石层直接进入微风化岩层，在交界面会有极为典型的“上软下硬”地质，顶进时会有极大的困难，包括地面沉降、轴线偏差等。尤其是以垂直曲线顶进线路进入软硬结合面，机头俯仰姿态会非常难以控制。

2.2修正后顶进线形

经讨论，顶进线路调整为“先下再平最后上” 的垂直曲线，从始发井进洞按10%坡度向下顶进112m，高差11.2m，之后接R880m曲线直到走平，水平顶进过河底之后再以R880m曲线向上直到接收井。

图3：调整后顶进线路示意图

Fig.3 Adjusted jacking line

该工程有以下特点

1. 穿越永安溪,水面宽、水深大

2. 河底覆土浅，砂卵石地质透水率高、自稳性差

3. 穿越地质复杂，卵石地质粒径大、含量高，岩石地质硬度高，尤其是卵石与岩石交界面软硬差距大，沉降与方向控制困难。

4. 大坡度向下及向上垂直曲线顶进，顶管机垂直方向控制困难。

3设备选型

本工程穿越主要地层为砂卵石、中/微风化岩，刀具磨损大，地下水丰富，顶进距离大，且有软硬不均地质，施工顶进难度大，对设备要求高。基于上述条件，设备选型除了需要评判设备在复杂地层的适应性外，还要考虑刀盘对砂卵石及岩石破碎能力、包含刀盘扭矩、刀具耐磨及刀具更换可能性等等。

经综合考虑上述性能及参数后，我们选用山东优拓公司生产的UD-L2200型长距离岩石顶管机，该机特点如下：

刀盘支撑结构：该机采用中心开孔式回转支撑结构，中心设置了人孔开口，开仓换刀非常方便，若在顶进过程中遭遇到不明障碍时，也可以开仓进行障碍排除；

刀盘配置设计：UD-L2200配置兼容刀盘可同时适应卵石及岩石地质条件顶进；刀盘动力强劲，能够提供足够大的破碎扭矩；同时配置12吋滚刀22把，可有效对砂卵石及风化岩石进行破碎，足够数量的滚刀配置可有效减缓刀具磨耗的程度。

泥水循环系统：泥水循环系统经过特殊设计，具有不同的工作模式，能够针对不同地质条件控制排渣方式和排渣量，并透过循环泥水比重调整，使泥水循环系统能有效率的将开挖土渣排出；

操作系统：采用PLC控制配合触摸屏HMI，具有全面的运行参数检测功能。人性化的操作界面，使操作手能够及时、准确、全面地掌握设备运转状态。

图4：UD-L2200顶管机

Fig.4 UD-L2200 Pipe Jacking Machine

该机主要技术参数如下：

表2：UD-L2200顶管机主要技术参数

Tab.2 Main technical data sheet of UD-L2200 pipe jacking machine

根据本项目地质特点，又对设备进行了针对性的优化改造，：

1. 增加第二纠偏节，以确保曲线顶管时能够顺利起曲；

2. 增加中继间联动控制功能，以保证中继顶进时高效接力，增加长距离顶进施工效率；

3. 调整刀盘开口，控制最大通过粒径，防止卵石地层中掌子面失稳。

4长距离垂直曲线穿越复杂地层顶管施工关键技术

4.1卵石地质顶进

1）保证卵石破碎

在卵石地层顶进时，由于卵石结构松散，最容易出现大量卵石同时进入破碎仓导致堵仓情况^[6]。本方案采用以足够大的扭矩来快速破碎仓内卵石并及时排走的策略，UD-L2200顶管机，配置3x75KW刀盘动力，扭矩达到895kN·m，锥形破碎仓壁上的破碎条与高强度牛腿配合在强大的扭力作用下能够快速破碎卵石。

2）调整循环水

卵石层顶进时，由于渣石携带量大幅增加，在循环水中添加作泥材料增加循环水黏度和比重，以提高携渣能力。作泥材料使用膨润土和黄黏土按1：1比例混合，添加量视卵石颗粒大小、排渣速度等因素灵活调整，循环水比重控制在1.08～1.25之间。

3）调整掘进参数

卵石地层顶进宜采用低转速、高转矩方式顶进，即适当降低刀盘转速以尽量减少对地层的扰动、控制推进速度以使刀盘保持稳定且较大的推力，密切观察推力、扭矩、泵负荷、排渣颗粒和排渣量等，以根据情况及时调整顶进参数。

4.2软硬交接段顶进措施

在软硬交接段顶管施工极易发生沉降坍塌、方向跑偏、顶力增大等施工问题^[7]，顶进需提前采取预防处理措施。

1）加密探孔摸清地质

根据项目初勘资料，顶进线路两端为卵石地质、中间是岩石，存在软硬交接区间。对线路进行加密勘测确定准确的地质情况及交界面位置是非常重要。本项目加密勘测发现在距离洞口70~85米区间顶进断面的上半部为砂卵石，下部为中~微风化凝灰岩，硬度经检测岩石硬度在132-145.7MPa之间，平均值141MPa，该区间为典型的“上软下硬”地质。

2）软硬交界区地质改良

上软上硬地质条件下顶管施工会面临两难的矛盾：下部的岩石破碎需要降低顶进速度，慢速磨岩，以保证机管机不会抬头跑偏；但上部的卵石层需要快速顶进以避免反复扰动、失稳塌陷；在无法改变下部岩石硬度的情况下，只能对上部卵石层进行固化处理，防止坍塌。

传统工艺对富水砂卵石地层进行注浆固化效果不理想，方案采用低压渗透注浆，注浆材料采用“水泥+水玻璃”与“AB 化学浆液”相结合的注浆加固施工方法^[8]，注浆范围为全部轴线两侧各4米，注浆完成后对加固区钻孔取样，确认软硬结合面以上至管顶上方3米的区间内地质固化情况良好。

3）纠偏控制

顶管在软硬交接地层顶进时，由于刀盘上下方向受力严重不均，易导致机头抖动、方向偏移，如果偏移程度超过了纠偏控制的范围将导致线路偏离轴线过大，形成折角，继而引发顶力增大、管接口受力不均、泥水甚至管材破裂等，严重影响线路质量。

为防止出现顶进偏差，需要放慢顶进速度，并调整纠偏油缸伸出量使刀盘下压。顶进速度与刀盘转速配合，以每转进尺不超过1mm为宜，且不机头不应发生明显抖动，否则应进一步放慢顶进速度，确保慢慢将刀盘磨进岩石面后再恢复正常顶进。

4.3触变泥浆减阻

顶力控制是顶管施工中十分重要的一个环节，尤其在长距离、曲线顶管中，通过触变泥浆降低摩擦阻力能对顶力控制起到关键作用^[9]。制浆要求能高效拌充分混和润滑泥浆，存储罐要有足够容量以便泥浆有充分的发酵时间，注浆要有一定压力和流量，并且可调可控。

基于以上要求，选用山东优拓集成式润滑泥浆系统，包括一种新颖的高效润滑泥浆的制备装置，并带有浆液存储罐和高压注浆装置。其制浆机采用高压射流搅拌原理，能够将膨润土快速均匀的与水混合^[10]，5分钟内即可以完成2立方米浆液制备；通过调整多通分配阀调整管道可将制好的浆转移到储浆罐，两个储浆罐轮换使用，使浆液在储浆罐滞留一段时间发酵后再使用效果更好。

图5：UTZJ-1型集成式润滑泥浆系统

Fig.4 UTZJ-1 Integrated bentonite lubrication system

表3：UTZJ-1型集成式润滑泥浆系统主要参数表

Tab.2 Main technical data sheet of UTZJ-1

注浆主管道用φ50mm无缝钢管，支管用φ25mm钢丝软管；在机头尾部设置有触变泥浆注浆环，每2节混凝土设置一道注浆管并安装一支隔膜式压力表，每道有4个注浆孔，分别安装独立控制阀。采用“同步注浆+管节补浆”相结合的注浆策略^[11]，顶进过程中，从机头尾部同步注入触变泥浆，以形成原始浆套；通过注浆孔持续补浆，以维持浆套的完整性。视注浆孔位置地下水位及地质情况等条件控制注浆压力，补浆操作应近顺序逐个开关注浆孔阀门，并监控注浆流量表确认每个孔都能够注入浆液。

图6：注浆管路布置

Fig.6 Bentonite pipeline layout

4.4长距离曲线顶管

本工程为长距离垂直曲线顶管，垂直曲率半径为880m，水平长度为374.0m，分直线下坡、曲线下坡、平坡、曲线上坡四个区间，方案采取以下措施确保顺利顶进：

1）辅助纠偏节

R880m曲线对于φ2200mm口径管材来说曲率较小，在复杂地质顶进中实现小曲率控制较为困难，方案采用辅助纠偏节以辅助起曲，即除了机头自带的纠偏功能外，在后部再一套辅助纠偏装置，两套纠偏配合使机头能够走出期望的曲线。

2）管材接缝缓冲及密封

管材长度2米，R880m曲线中理论管缝差达到12mm，容易出现漏浆、漏水，为保证接缝密封效果，采用双胶圈的管材，同时在管间加1cm厚缓冲木垫板，并在钢套环内侧粘贴一圈油麻，确保管材间有良好的缓冲和密封效果。

3）设置中继间

本项目理论计算最大顶力会达到1635t，考虑到管材许用推力为980t，需设置1个中继间以保证安全顶进，为增加安全系数，项目配置了2台中继间，分别设置在60m及200m位置。实际顶进中仅因春节及疫情影响导致长时间停工后顶力增加，临时启动了第二台中继间以脱困，其它时间均直接使用主顶油缸顶进。

4）精准方向测量

由于是曲线顶管，采用了多种导向方案配合方向控制。直线下坡段及曲线段初期采用传统的激光经纬仪导向，方便、快捷、导向精准；超出通视区间后采用全站仪人工测量配合在线仪器实时监测；在临近出洞前50m，放慢顶进速度，采用两组测量队伍同时测量互相复核曲线，确保测量精准、导向正确，顶管设备顺利进入接收井预留洞口。

图7：机头顺利到达

Fig.7 Reached the receiving pit Successfully

5经验及总结

临海—仙居天然气管道永安溪穿越工程是同时穿越国道及河流，且地质复杂、水压大、曲线急、坡度大，施工期内还跨越春节假期和新冠疫情最重的全国封闭防疫期，多种不利因素给工程带来了很大的挑战。施工前针对地质条件及施工条件，对顶管机进行适当改造，以符合施工需求；施工期间经过项目部精心组织、科学施工、合理安排确保了工程质量和工期，并克服了垂直曲线及复杂地层的双重挑战，在顶进方向控制上及破岩能力上展现出了极佳的成果。本顶管工程顺利完成，为顶管行业带来了另一个成功案例，在复杂地层长距离垂直曲线顶管方面积累了新的经验，为地下工程行业越来越复杂的顶管施工打下了基础。

参考文献：

[1]兰海涛,马保松. 2010年非开挖工程的发展近况[C]//.2011年非开挖技术会议论文集.,2011:16-22.

[2]Raymond L. Sterling. Developments and research directions in pipe jacking and microtunneling[J]. Underground Space,2020,5(1).

[3]皮青云. 穿越复杂地层长距离水平曲线顶管施工技术[J].非开挖技术, 2016:4.

[4]程梦鹏,李胜新,廖萧,李龙,姜涛.天然气管道曲线式顶管穿越富春江[J].石油工程建设,2016,v.42;No.261(06):32-36.

[5]刘广仁,常喜平,王乐.复合地层纵向曲线顶管施工技术[J].地质科技情报,2016,v.35;No.167(02):67-70.

[6]李林.砂卵石地层顶管空洞预防及控制措施[J].市政技术,2014,32(S1):121-122+125.

[7]肖先. 上软下硬复合地层顶管施工技术研究[J]. 铁道建筑技术, 2021.

[8]王国义.成都砂卵石地层注浆加固技术应用[J]. 隧道建设, 2012, 32(5):5.

[9]邱跃然,李晓明.顶管过程中触变泥浆减阻的原理及应用[J].市政技术,2012,30(S1):82-84.

[10]张肖勇 等. 一种高效制浆-储浆-注浆一体式设备[P]. 山东省：CN210459997U,2020-05-05.

[11]严国仙.高水头压力下超长曲线钢顶管关键施工技术[J].建筑施工,2012,34(04):346-349.

作者简介：张肖勇（1979—），男，硕士，二级建造师，现从事非开挖装备研究及管道工程施工技术管理。E-mail：youtuozhang@163.com

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