刘暾

（中原石油勘探局勘察设计研究院，河南濮阳 457001）

流沙地质顶管穿越的设计与施工

刘暾

（中原石油勘探局勘察设计研究院，河南濮阳 457001）

油气管道穿越省道、国道、高速公路、铁路等交通频繁或不能阻断交通的地方时，无法采取大开挖穿越方式，设计上一般采用顶管或者定向钻的穿越方式，如果穿越点地质条件为流沙，无论是顶管还是定向钻，都会因流沙的地质特点产生各种意外问题，造成穿越失败。文章着重对流沙地质顶管穿越从设计和施工的角度进行分析，针对问题提出相应的设计措施，以达到成功顶管的目的。

流沙；顶管；穿越；油气管道

0 引言

在油气管道穿越设计中，除穿越河流、隧道外，一般采取大开挖方式，而遇到省道、国道、高速公路、铁路等交通频繁或不能阻断交通的地方时，就要采用顶管或者定向钻方式，其中顶管方式是首选设计方案。如果穿越点地质条件为流沙，按传统的顶管措施进行施工时，会因流沙的地质特点产生诸如操作坑坍塌、路基下陷、套管下沉、套管顶裂等问题，造成顶管失败。

中石化天然气分公司胶州—日照天然气管道工程在胶南市穿越同三高速时遇到流沙地质，本文以此穿越工程为例，从设计和施工的角度阐述在流沙地质路基下顶管穿越需采取的改进措施，以达到成功穿越的目的。

1 穿越工程概况

该工程为胶州—日照天然气管道工程线路工程2期Ⅱ标段，管道敷设穿越同三高速公路，原设计穿越位置在铁山镇北侧，后按照地方规划要求改线，穿越位置调整到铁山镇燮里村西约600 m处。

同三高速穿越段处于山间河谷平原，地形平坦，地貌单一，平均地下水位-1.5 m，地层主要为第四纪冲积形成的砂土、粗砂、砾砂，呈黄褐色。同三高速顶管穿越参数如表1所示。

2 流沙地质顶管穿越常见问题分析

2.1 背力墙失稳

在流沙地质条件下的顶管过程中，随着顶力不断增大，背力墙后的流沙不断后移，造成背力墙失稳。

表1 同三高速顶管穿越参数

2.2 操作坑集水

（1）地质原因：地下水位过高，流沙地质为粗砂、砾砂，造成大量的地下水从四周流向操作坑，由于水量大，造成抽水速度落后于渗水速度。

（2）操作坑结构原因：操作坑除了背力墙外，其他三面用草袋装土堆砌，坑底用黄土夯实，无法将地下水与操作坑彻底隔绝，造成大量渗水。

2.3 路基下陷

（1）地质原因：路基地质为流沙，且地下水位高，在顶进过程中由于地下水水量大，使套管前端以及外壁的流沙被地下水从套管内冲出，形成空腔，最终造成路基下陷。

（2）施工措施原因：流沙地质条件下进行顶管施工时，没有针对高水位条件下流沙易流动的特点采取固砂、防塌陷措施。

2.4 套管下沉

由于流沙具有移动性，在顶进过程中套管底部受冲蚀，在重力作用下套管下沉，造成顶管方向偏移。

2.5 套管顶裂

（1）套管原因：一是由于所选择的套管等级低，强度不够；二是由于套管预制工艺限制，端部混凝土不能压实成型，最终由人工二次涂抹成型，造成端部强度不够。

（2）设备原因：套管顶进设备在运行过程中可能出现不同步现象，只能通过顶进长度的差异来察觉，难以及时发现问题和纠正，造成套管受力不均，行程大的一侧顶力过大，从而将此侧套管顶裂。

（3）其他原因：由于在顶进过程中套管下沉，套管连接处错位，造成套管连接端面受力不均，从而将套管顶裂。

3 技术措施的确定

此工程的难点主要体现在两个方面：一是地下水位高，平均地下水位-1.5 m，地下土质为砂土并形成流沙，渗水严重，操作坑内积水和塌方严重，排水量极大；二是同三高速公路车流量大，顶管施工期间容易出现路基下沉现象。通过对流沙地质顶管穿越常见问题进行分析，针对这两大难点提出了多项技术改进措施。

3.1 穿越点位置选择

根据GB 50423-2007《油气输送管道穿越工程设计规范》的有关规定，由于同三高速两侧各有一道宽3.0 m、深1.5 m的排水沟，且外侧还有隔离网，为了防止操作坑垮塌影响高速公路的安全，将施工起终点定在隔离网外侧4 m处。

3.2 套管的选择及处理

（1）针对流沙地质，为避免套管太大对地层的稳定产生影响，选择公称内径为1 200 mm的套管。

（2）针对地下水位高的问题，为防止地下水从套管接口渗入以及顶进时接口错位，选择端部刚度及密封性能较好的钢承口管。

（3）在第一根套管顶进部位前端安装防护筒，其目的是在套管顶进过程中，在挖空套管前端流沙减少阻力的同时，保证防护筒与砂层接触面始终处于饱和状态，防止流沙倒灌，套管顶部形成空腔，进而引起路基塌方。由于流沙自然边坡比为1∶0.8～1，套管外径为1 440 mm，所以防护筒伸出套管最小长度为1 440 mm，加上与套管搭接的长度200 mm，总长度为1 640 mm，取整1 700 mm。防护筒结构尺寸如图1所示，防护筒与套管内钢筋骨架联结。

（4）为了稳固流沙，防止在顶管过程中形成抱管，减少顶管阻力，参照油田钻井注入泥浆的原理，增加泥浆注入系统。在套管顶进部位前端设置4个90°均布的注浆孔，并安装注浆管 （选用直径25 mm的无缝钢管，单根长40 cm），套管顶进时不断向机头四周注膨润土泥浆，用于稳固套管外壁以及前端的流沙，并起润滑作用以减少顶进的阻力（阻力将减少50%～90%）。进行注浆减阻时，注浆压力为0.1～0.5 MPa，注浆流量、压力等施工参数按照减阻及控制地面变形的反馈资料加以调整。全部套管顶进完毕后，随即通过套管连接处的注浆孔，往套管外壁的缝隙注入水泥浆，使套管坚固连接。泥浆注入系统见图2。

（5）在顶进套管端部设置活动门，防止地下水将流沙大量冲出，根据套管推进量有计划地挖出流沙。

（6）为保证套管接续的平直度，管节稳定后，在套管内侧两管节接口处做好密封，在管内用钢胀圈将两管节接口支撑牢固，使接口处于刚性连接状态，从而避免在顶进中受力产生错口，保证顶进过程中高程和方向的准确性。钢胀圈采用钢板制作，厚10 mm、宽300 mm，环外径比钢筋混凝土管内径小30～40 mm，上部的间隙用木楔楔紧。管道接口支撑图见图3。

3.3 顶进设备选择

按照设计要求，同三高速穿越套管总长72 m，在顶管施工中属于长距离穿越，选择合适推力的顶进设备是顶管成功的关键。

3.3.1 理论公式计算

管道顶进时所需的顶力必须克服管壁与土之间的摩擦阻力和管端切土阻力，可以按照下式计算：

式中N——理论顶力/kN；

f——管壁与土之间的摩擦系数；

PV——管顶的垂直压力/kPa；

PH——管侧的水平压力/kPa；

D——套管外径/m；

L——套管长度/m；

P0——套管总重力/kN；

R——管端切土阻力/kPa；

A——管端面积/m2。

理论公式计算所得结果一般比实际大很多，主要原因是理论公式中所考虑的条件都是静态的，而正常顶进过程是动态的，随着套管不断向前顶进，套管外壁上半部的土会被挖空，造成管壁与土的接触面减小，从而所需顶力减小；另外，在实际顶进过程中，顶力除了与土质、管径、管长等因素有关外，还与地下水位高低、顶进过程是否中断、附近振动影响、顶进质量等因素有关。所以，在工程实际中一般用经验公式计算顶力大小。

3.3.2 经验公式

N=LGK

式中L——顶管长度/m；

G——每米管重/（kN/m）；

K——顶力系数（黏土、亚黏土、含水砂土

取1.5～2.0；砂土、砂砾取3.0）。

取L=72 m，G=12.67 kN/m，K=3.0（取最大值）， 计算得：N=72×12.67×3=273.7 （kN），应选用推力不小于此值的顶进设备。

3.4 井点降水

（1）穿越点处地下水位高，且为流沙地质，为保证操作坑内的作业及施工安全，并防止套管顶进时地下水将流沙从套管内冲出，引起路基下陷，采取设置降水井的措施来降低地下水位。

（2）在操作坑与高速公路之间设置6口直径为400 mm螺旋缝钢套管的降水井，公路两侧共12口，用于降低穿越段的地下水位。降水井打入地下12 m深，井底2 m的套管选用四周带有小孔的直径为400 mm的混凝土管，用于过滤渗水，井下铺设0.5 m高的鹅卵石。降水井安装如图4所示。

3.5 操作坑处理

（1）由于地下水位高，地质为砂层，套管管底设计标高为-4.0 m，为防止操作坑垮塌且便于操作，边坡采用1∶1.5的系数放坡，将操作坑按阶梯式分四步挖成。先开挖12 m×12 m×1 m的操作坑，在距坑内边1 m的位置开挖10 m×10 m×1 m的操作坑，接着开挖8 m×8 m×1 m的操作坑，再开挖6 m×6 m×1 m的操作坑，最后形成6 m×6 m×4 m的操作坑。

（2）操作坑四壁及底部使用C30钢筋混凝土浇筑，背力墙中间使用6根D 100 mm的无缝钢管（6 m/根）打入地下3 m深并用砂浆满灌，其余部位采用φ 18 mm的钢筋 （间隔150 mm×150 mm，呈网状）。钢筋混凝土背力墙呈梯形，其作用是增强背力墙的稳定性，保持设备稳定运行，避免顶管时背力墙发生后移。坑底地面夯实后浇筑，四壁浇筑高度为4.5 m，底部厚度为0.4 m。混凝土浇筑时，要保证背力墙的垂直度，确保背力墙与管道中心轴线垂直。钢筋混凝土背力墙如图5所示。

4 结束语

流沙地质顶管的设计和施工一直是个工程难题，在规范里也很少详细阐述此内容，管道工程设计一般都尽量避开流沙地质区段。通过采取本文所提出的设计措施，流沙地质条件下同三高速公路的顶管穿越施工一次就获得了成功，而且经过一年的运行，没有发生路基下沉及套管内渗水的现象，这说明设计措施是成功的、可靠的，对流砂地质条件下公路、铁路的顶管穿越设计有着指导意义。

[1]GB 50423-2007，油气输送管道穿越工程设计规范[S].[2]GB 50424-2007，油气输送管道穿越工程施工规范[S].

Design and Construction of Pipe Jacking Crossing in Quicksand Geological Condition

LIU Tun（Zhongyuan Engineering Company,Puyang 457001,China）

When oil and gas pipelines cross through provincial road,state road,highway and railway where traffic is heavy or not to be interrupted,the crossing method of excavation can not be taken，then the pipe jacking or directional drilling method is commonly adopted in design.If the geological condition in crossing location belongs to quicksand,either pipe jacking or directional drilling will meet with sudden problem and often lead to crossing failure.This article focuses on the pipe jacking crossing in geological condition of quicksand,analyses its design and construction,and puts forward the corresponding design approaches to achieve the purpose of successful pipe jacking construction.

quicksand;pipe jacking;crossing;oil and gad pipelines

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.010

刘 暾 （1975-），男，山西阳城人，高级工程师，1998年毕业于江汉石油学院机械设计与制造专业，现从事油气储运设计工作。

2011-02-21