程夢(mèng)鵬，李勝新，廖 蕭，李 龍，姜 濤

1.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000

2.中國(guó)石油天然氣管道局第四工程分公司，河北廊坊 065000

天然氣管道曲線式頂管穿越富春江

程夢(mèng)鵬1，李勝新2，廖 蕭2，李 龍2，姜 濤2

1.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000

2.中國(guó)石油天然氣管道局第四工程分公司，河北廊坊 065000

杭州天然氣利用工程S16富陽支線4標(biāo)段高壓管道由北往南穿越富春江。由于富春江穿越工程地質(zhì)條件復(fù)雜，兩次定向鉆穿越均未成功。經(jīng)專家論證改用頂管穿越方案，頂管內(nèi)徑2.4 m，頂管全長(zhǎng)653.32 m。為降低豎井深度，縮短工期，降低工程投資，該穿越設(shè)計(jì)超常規(guī)采用了大坡度的U型頂管曲線設(shè)計(jì)。在介紹了場(chǎng)地環(huán)境和水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，較詳細(xì)地論述了頂管縱斷面設(shè)計(jì)、頂管豎井設(shè)計(jì)、頂進(jìn)管節(jié)形式等內(nèi)容；而后概括性地闡述了頂管穿越地層的特點(diǎn)、頂管施工難點(diǎn)分析、頂管施工的主要機(jī)具配置與技術(shù)措施等關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容。施工實(shí)踐證明，工程采用的豎向曲線頂管方案與目前普遍采用的豎向水平頂管方案相比，始發(fā)井深度減小約30 m，接收井深度減小約20 m，直接降低兩側(cè)豎井的工程費(fèi)用近千萬元，縮短施工周期至少60 d。該工程采用超常規(guī)設(shè)計(jì)與施工方案，開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)巖石段大坡度豎向曲線頂管的先河，對(duì)今后類似的工程具有一定的借鑒意義。

天然氣管道；頂管；曲線穿越；富春江

杭州天然氣利用工程S16富陽支線4標(biāo)段高壓管道控制性工程，起點(diǎn)連接S16-3高壓管道，由北往南穿越富春江，沿江南路穿越窄溪路、振興路、江南路、高山路等，終點(diǎn)與桐廬高壓天然氣管道相連，總長(zhǎng)約2.87km，管道規(guī)格DN610，設(shè)計(jì)壓力4MPa。這條管道對(duì)于改善杭州市能源供給、控制大氣污染物排放具有積極意義，由杭州天然氣有限公司投資建設(shè)。

富春江穿越工程原設(shè)計(jì)采用定向鉆穿越方案，穿越長(zhǎng)度634 m，但因地質(zhì)條件復(fù)雜，兩次定向鉆穿越均未成功。經(jīng)專家論證改用頂管穿越方案，頂管內(nèi)徑2.4 m，頂管全長(zhǎng)653.32 m，由中國(guó)石油天然氣管道局第四分公司施工。施工單位于2014年12月進(jìn)場(chǎng)，2015年7月13日該穿越順利貫通。

1 場(chǎng)地環(huán)境和水文地質(zhì)條件

工程區(qū)位于富春江畔，屬富春江水系。富春江位于浙江省中部，為錢塘江桐廬至蕭山聞家堰段的別稱，長(zhǎng)110 km，流貫浙江省桐廬、富陽兩縣。富春江由北支新安江和南支蘭江在建德縣梅城匯合而成。根據(jù)富春江蘆茨埠站和1969年以后富春江電站的流量資料統(tǒng)計(jì)，多年平均徑流總量為300.25億m3，多年平均流量952 m3/s。

工程區(qū)域詳細(xì)勘察中，勘探孔揭露的地層均為第四系地層，按地質(zhì)時(shí)代、成因類型及工程特性可分為①、②、③、④、⑤、⑩ 等6個(gè)大層，細(xì)分為15個(gè)亞層。地基土各巖土層的層頂埋深、層頂高程、層厚及分布情況見表1，中風(fēng)化砂巖強(qiáng)度見表2。

表1 地基各巖土層分布

表2 中風(fēng)化砂巖強(qiáng)度

2 頂管穿越設(shè)計(jì)

由于定向鉆穿越2次不成功，造成了整個(gè)工期的延誤，為進(jìn)一步降低S16工程延期的風(fēng)險(xiǎn)，頂管穿越基于下列原則進(jìn)行了設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)方案安全可靠、施工風(fēng)險(xiǎn)可控、綜合工期短、綜合投資低[1]。

2.1 頂管縱斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)、外施工技術(shù)現(xiàn)狀，頂管縱斷面設(shè)計(jì)一般采用兩端豎井與水平頂管結(jié)合的方式，其中水平頂管坡度多控制在0.5%～1%[2]。

根據(jù)規(guī)范要求，頂管上部所需覆土層的最小厚度應(yīng)大于2倍頂管外徑，且在設(shè)計(jì)洪水沖刷線下大于1.5倍外徑，并符合隧道抗浮要求[2]。結(jié)合穿越斷面河道設(shè)計(jì)洪水頻率下的具體沖刷深度，確定河槽內(nèi)頂管最低點(diǎn)內(nèi)高程為-28.99 m，如按1%的坡度計(jì)算，則始發(fā)豎井深度宜為：H1=8.81-（-28.99）+320×1%+0.75=41.75（m）；接收豎井深度宜為：H2=11.76-（-28.99）-320×1% +0.75=38.3（m）。

上述設(shè)計(jì)方案，單側(cè)豎井工期超過180 d，且工程費(fèi)用較高，無論工期還是工程投資都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了項(xiàng)目業(yè)主的承受能力。為降低豎井深度，縮短工期，降低工程投資，本設(shè)計(jì)超常規(guī)采用了大坡度的U型頂管曲線設(shè)計(jì)。

隧道穿越設(shè)計(jì)曲線處于同一平面內(nèi)，縱向設(shè)計(jì)曲線始發(fā)段以10.5%坡度直線下行頂進(jìn)80 m+以曲線半徑R 4 300 m頂進(jìn)272.7 m+以曲線半徑R 1 200 m頂進(jìn)222.3 m+以坡度14.53%上行頂進(jìn)73.6 m直至與接收井貫通，見圖1。隧道上方最大覆土層厚25.3 m，最小覆土層厚9.3 m，洪水沖刷深度以下最小覆土厚度5.4 m，最大水壓0.4 MPa。始發(fā)豎井凈深9.4 m，接收豎井凈深17.3 m。

2.2 頂管豎井設(shè)計(jì)

（1）始發(fā)豎井。始發(fā)井位于北岸，為鋼筋混凝土長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)（長(zhǎng)11 m×寬10 m×深9.4 m），距離大堤195 m。采用不排水沉井法施工，見圖2?；炷量箟簭?qiáng)度C30，抗?jié)B等級(jí)P6。豎井穿越地層及厚度主要為：①雜填土1 m、②1粉質(zhì)黏土2.8 m、③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土3.3 m、③2粉細(xì)砂0.4 m、③3中粗砂2.3 m。

圖1 富春江頂管設(shè)計(jì)縱斷面布置示意

圖2 富春江頂管始發(fā)井外觀

由于頂管機(jī)在中粗砂地層始發(fā)，透水風(fēng)險(xiǎn)大，因而采用地面高壓注漿方式對(duì)豎井周邊進(jìn)行加固，樁間距1.0 m，樁深17 m。

（2）接收豎井。接收豎井為鋼筋混凝土圓形結(jié)構(gòu)（內(nèi)徑13.0 m，凈深17.3 m），距離大堤48.5 m，采用不排水沉井法施工，見圖3?；炷量箟簭?qiáng)度C30，抗?jié)B等級(jí)P6。豎井經(jīng)過的地層及厚度自上到下為：①雜填土2 m、②1粉質(zhì)黏土3.8 m、③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土7.3 m、④粉質(zhì)黏土4.1 m、⑤卵石5.6 m。

豎井與民房?jī)艟酁?6.2 m、與公路邊坡凈距為9.2 m、與窄溪大橋凈距22.7 m。豎井下沉期間，沉降控制難度大。在施工中，項(xiàng)目部采用空氣提升輔助水力機(jī)械+長(zhǎng)臂伸縮挖掘機(jī)取土下沉，減少周圍土體的沉降；設(shè)置沉降觀測(cè)網(wǎng)，強(qiáng)化對(duì)周圍建筑物的沉降監(jiān)測(cè)；采取水下貫通，減少由于貫通引起的地面沉降。

頂管機(jī)在卵石層到達(dá)接收井，因卵石層透水性強(qiáng)，設(shè)備接收時(shí)易發(fā)生突水風(fēng)險(xiǎn)，頂管機(jī)到達(dá)前需對(duì)地層采取注漿改良、管井降水或淹水出洞等技術(shù)措施。本工程最后采用了淹水出洞的技術(shù)方案，避免了出洞段采取注漿改良的技術(shù)措施，縮短了施工工期，降低了工程費(fèi)用。

圖3 富春江頂管接收井外觀

2.3 頂進(jìn)管節(jié)形式

頂進(jìn)管節(jié)為鋼筋混凝土管，采用柔性接頭C型鋼承口，承插口鋼板厚度10 mm，管節(jié)內(nèi)徑2.4 m、壁厚230 mm、長(zhǎng)度2.5 m，抗壓強(qiáng)度C50，抗?jié)B等級(jí)P12。為減小頂進(jìn)時(shí)的摩擦阻力，管節(jié)外側(cè)通過涂刷石蠟來減阻。

設(shè)計(jì)采用的大坡度U型縱斷面穿越設(shè)計(jì)方案，雖然降低了豎井深度，但也給隧道施工和運(yùn)營(yíng)期間的排水帶來了一定的不便。頂管隧道防水不僅要滿足施工防水要求，還要滿足管道安裝、日常運(yùn)營(yíng)檢查的防水要求。因此為適應(yīng)最高設(shè)計(jì)水壓為0.4MPa的防水要求，采用了雙道膠條三元乙丙橡膠密封圈密封的方案，見圖4。

3 頂管施工

3.1 頂管穿越的地層

圖4 富春江頂管管節(jié)及防水密封

富春江頂管穿越工程是目前國(guó)內(nèi)已知的油氣輸送管道最為復(fù)雜的項(xiàng)目，也是國(guó)內(nèi)首次采用大坡度縱向曲線頂管技術(shù)穿越江河。隧道平面軌跡為直線，隧道縱向曲線為鍋底狀，最大豎向坡度14.5%。頂管全程累計(jì)穿越粉質(zhì)黏土56 m、粉細(xì)砂26 m、中粗砂18 m、礫砂36 m、卵石207 m、中風(fēng)化砂巖305 m。其中卵石層的卵礫石含量高達(dá)到50%～70%，且個(gè)別卵石粒徑大于130 mm。頂進(jìn)地層中有兩部分為上軟下硬交界地層，也就是卵石與中風(fēng)化砂巖交界、礫砂與中風(fēng)化砂巖交界地層，頂進(jìn)時(shí)極易出現(xiàn)掌子面坍塌、刀盤被卡問題，施工極為困難，見圖5。

圖5 富春江頂管穿越的復(fù)雜地層

3.2 頂管施工難點(diǎn)分析

本頂管施工階段除了工期緊、投資受限等客觀條件外，從工程地質(zhì)、水文條件方面考慮，具有如下幾大難點(diǎn)：

（1）頂管穿越地層復(fù)雜多變，對(duì)頂管掘進(jìn)機(jī)設(shè)備適應(yīng)性要求高。

（2）頂管接收穿越地層屬強(qiáng)透水地層，頂管進(jìn)出洞施工風(fēng)險(xiǎn)高。

（3）穿越中風(fēng)化砂巖，且?guī)r石中含有石英礦脈，巖石強(qiáng)度高，刀具磨損嚴(yán)重，中途需要換刀。

（4）頂管軸線離鉆探孔較近，有兩段穿越在巖石與卵礫石的交接界面，需要穿越50 m的卵石層，頂管施工潤(rùn)滑泥漿易漏失。

（5）最高水壓達(dá)到0.4 MPa，施工止水難度大，帶壓更換刀具難度大。

（6）巖石層及其軟硬交錯(cuò)地層的縱向曲線頂進(jìn)、定位、轉(zhuǎn)向、糾偏難度大。

（7）大坡度下行施工防排水風(fēng)險(xiǎn)高。

（8）頂管穿越地層最大覆土厚度34 m，最小覆土厚度7.5 m，減阻泥漿壓力控制難度大。

上述8大難點(diǎn)集中體現(xiàn)在復(fù)雜地質(zhì)的掘進(jìn)，交接地層的進(jìn)、出洞，有效頂力傳遞，破碎地層潤(rùn)滑泥漿套的有效性，曲線頂進(jìn)的定位、糾偏，高水壓刀具更換，大坡度施工等幾個(gè)方面。為滿足本工程的需要，進(jìn)一步保障施工安全，施工單位組織國(guó)內(nèi)相關(guān)專家及海瑞克公司專家召開專題會(huì)議，確定了項(xiàng)目施工方案，并對(duì)中繼間和潤(rùn)滑基站的配置、設(shè)備配套設(shè)施等提出具體了要求。

3.3 頂管施工的主要機(jī)具配置與技術(shù)措施

（1）主體機(jī)具配置。采用德國(guó)海瑞克公司生產(chǎn)的泥水平衡式頂管機(jī)，設(shè)備額定功率1 200 kW，刀盤最大扭矩8 700 kN·m，設(shè)備最大頂力22 000 kN。

（2）復(fù)雜地層頂進(jìn)用機(jī)具。頂管穿越了粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂、卵石、中風(fēng)化砂巖，頂進(jìn)中有卵石與中風(fēng)化砂巖交界地層、礫砂與中風(fēng)化砂巖交界地層，在頂進(jìn)時(shí)極易出現(xiàn)掌子面坍塌、刀盤被卡問題，針對(duì)這種情況，采用了復(fù)合刀盤和復(fù)合刀具。

（3）交接地層進(jìn)出洞用機(jī)具。如果頂管出洞處于粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂交接層，則采用傳統(tǒng)的深層攪拌樁進(jìn)行固化處理；如果出洞段處于卵石層，若再采用傳統(tǒng)的深層攪拌樁進(jìn)行處理，則效果差、時(shí)間長(zhǎng)。為節(jié)省工程工期，施工采用了豎井內(nèi)灌水平衡水壓的方案，在頂管完成并密封隧道后，將豎井內(nèi)水排除，而后將頂管機(jī)吊裝出井。

（4）大坡度出洞、進(jìn)洞時(shí)的技術(shù)要求。本工程出洞坡度為10.5%（6.0°），洞門密封易泄漏，管節(jié)密封易變形，管節(jié)后退對(duì)密封損傷大；進(jìn)洞坡度為14.5%（8.0°），頂管主機(jī)姿態(tài)不易調(diào)整，設(shè)備吊裝角度不易控制，洞門密封防水要求高。因此在大坡度頂管施工時(shí)，要求以較高的精度控制設(shè)備頂進(jìn)。

（5）中繼站的布置。根據(jù)地質(zhì)、水土壓力、設(shè)計(jì)坡度、曲率半徑等情況，通過頂力計(jì)算，確定本工程使用6套可拆卸中繼站。中繼站安裝間距按圖1從左到右的順序依次為：60、90、90、90、90、90、140 m。各中繼站的最大頂力按100%的設(shè)計(jì)頂力即7 000 kN控制。

（6）施工控向。本工程縱向設(shè)計(jì)曲線的第一次變坡段位于中風(fēng)化砂巖，半徑R=4 300 m，施工不易控向；第二次變坡段位于中風(fēng)化砂巖與卵石交接地層，R=1 200 m，施工不易轉(zhuǎn)彎。施工中通過采用陀螺儀導(dǎo)航，通過在頂管設(shè)備中設(shè)置控向油缸，通過采用自動(dòng)控制為主的控向操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜地質(zhì)條件下均勻、低速的施工轉(zhuǎn)向。

（7）刀具更換。本工程最低處水壓0.4 MPa，穿越305 m中風(fēng)化砂巖，砂巖中含有石英巖礦脈，硬度高，刀具磨損嚴(yán)重，施工中刀具更換難以避免。高壓下頂管刀具更換應(yīng)符合以下要求[2]：

第一，頂管設(shè)備中要有獨(dú)立的調(diào)壓倉。這是實(shí)現(xiàn)刀具水下更換必須具備的基本條件。

第二，機(jī)頭迎面水壓不宜大于0.35 MPa。對(duì)于這一要求，可以結(jié)合地質(zhì)條件、縱斷面布置、可能的施工期內(nèi)水位變化情況，通過預(yù)設(shè)刀具更換地點(diǎn)（如預(yù)設(shè)在厚而穩(wěn)定的巖層中），以避開高水壓不穩(wěn)定地層給更換刀具帶來的風(fēng)險(xiǎn)；如果萬不得已要在非穩(wěn)定地層中更換刀具，則應(yīng)先對(duì)更換點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的地層加固。由于本工程工期緊，因此應(yīng)充分利用中風(fēng)化砂巖強(qiáng)度較高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，提前在其中預(yù)設(shè)刀具更換地點(diǎn)，而后在施工中不斷檢查刀具磨損情況，及時(shí)更換刀具。在實(shí)際操作中，結(jié)合刀具磨損檢查情況，在0+320 m、0+430 m兩處巖層進(jìn)行了磨損刀具的更換。

第三，刀具更換必須要有一定的操作空間，一般不宜小于800 mm。對(duì)于這一要求，可通過人工開鑿或頂管機(jī)頭回縮來制造操作空間。由于在中風(fēng)化硬巖、高壓和有限作業(yè)時(shí)間條件下進(jìn)行操作空間的人工開鑿，作業(yè)效率極低，往往需要數(shù)周才能完成，同時(shí)工程又需要多次更換刀具，因而要求本工程必須采用具有刀盤整體回縮功能的頂管設(shè)備。

（8）泥漿控制的有效性。泥漿控制的有效性是頂管施工成功的保障。泥漿包含潤(rùn)滑泥漿和填充泥漿兩種。潤(rùn)滑泥漿是降低頂管推力的有效手段，填充泥漿是保持地層和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的保障。本工程頂進(jìn)過程中連續(xù)穿越黏土層、砂層、卵石層和中風(fēng)化砂巖，在不同地層中泥漿的作用、性能也不相同。在黏土層，泥漿黏度不宜太高，否則容易造成裹刀；在砂層、卵石層，泥漿除了起潤(rùn)滑作用外，還要填充外部的超挖空間，以保持地層穩(wěn)定；在中風(fēng)化巖石段，泥漿的主要作用是潤(rùn)滑；而在巖石與礫砂、卵石交接地層，泥漿的潤(rùn)滑作用和穩(wěn)定上部地層的作用將更加突出。由于受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，頂管軸線平面布置設(shè)計(jì)靠近ZK04、ZK05、ZK07、ZK08等水下地質(zhì)鉆孔處，其中ZK04位于巖石與礫砂交接區(qū)，ZK05、ZK07位于中風(fēng)化砂巖區(qū)，ZK08位于巖石與卵石交接區(qū)。如果這些地質(zhì)鉆孔封孔不嚴(yán)，將導(dǎo)致穿越掌子面與江水相通，容易造成泥漿的大量流失，從而導(dǎo)致管節(jié)潤(rùn)滑失效和穿越不穩(wěn)定地層時(shí)發(fā)生地層坍塌，造成頂進(jìn)力增大或出現(xiàn)抱管現(xiàn)象等，因此在施工中保持泥漿連續(xù)與有效潤(rùn)滑、土體穩(wěn)定至關(guān)重要。通過技術(shù)調(diào)研，結(jié)合工程實(shí)際情況，施工中采用了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制注漿系統(tǒng)，根據(jù)各個(gè)頂管部位的泥漿壓力自動(dòng)補(bǔ)充注漿，達(dá)到了良好的潤(rùn)滑和穩(wěn)定地層的效果。

4 結(jié)束語

本工程采用的豎向曲線頂管方案，與目前普遍采用的豎向水平頂管方案相比，始發(fā)井深度減小約30 m，接收井深度減小約20 m，直接降低兩側(cè)豎井的工程費(fèi)用近千萬元，縮短施工周期至少60 d。該工程在工期及經(jīng)費(fèi)受限的條件下，采用超常規(guī)設(shè)計(jì)與施工方案，順利完成了頂管工程的施工，不僅滿足了業(yè)主的工期要求，同時(shí)開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)巖石段大坡度豎向曲線頂管的先河，對(duì)今后類似的工程具有一定的借鑒意義。

[1]GB 50423-2013，油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]SY/T7022-2014，油氣輸送管道水域頂管法隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

NaturalGas Pipeline Crossing Fuchunjiang River byUsing Curved Pipe Jacking Technique

CHENG Mengpeng1，LIShengxin2，LIAO Xiao2，LILong2，JIANG Tao2
1.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China
2.Fourth Branch Company of China Petroleum Pipeline Bureau，Langfang 065000，China

In Hangzhou Gas Utilization Project，F(xiàn)uyang S16 branch pipeline had to cross Fuchunjiang River.Because of the complex geological condition，crossing construction failed for two times.Through expert argumentation，the crossing scheme of pipe jacking for the pipeline section with diameter of 2.4 m and length of 653.32 m was adopted.In order to decrease shaft depth，shorten construction period and reduce engineering investment，the unconventional steep U shaped pipe jacking curve was adopted in the crossing design.This paper describes in detail the profile design，shaft design and jacking pipe forms，and introduces briefly the strata features，main construction difficulties，main equipment and technical measures.The construction practice proved that compared with usual horizontal pipe jacking technique，the new method decreased the dispatching shaft depth about 30 m and the receiving shaft depth about 20 m，reduced the shafts construction cost about 10 million yuan and the construction period at least 60 d.

naturalgas pipeline；pipe jacking；curved crossing；Fuchunjiang River

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.008

程夢(mèng)鵬（1966-），男，山東安丘人，高級(jí)工程師，1994年畢業(yè)于西安公路學(xué)院橋梁與隧道專業(yè)，現(xiàn)從事管道應(yīng)用技術(shù)研究與標(biāo)準(zhǔn)制訂工作。Email：296365278@qq.com

2016-07-21