岩石地层大口径长距离管道顶管施工技术

1、岩石地层大口径长距离管道顶管施工技术滚刀的作用是破岩，依靠刀具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。滚刀只能纯滚动，11121安装时要考虑周边滚刀的角度，以延长滚刀的使用寿命刘庆新 ，李 默 ，吕洪丹 ，高 鹏 ，张 爽1. 中油管道建设工程有限公司， 河北廊坊 0650012. 中国石油天然气管道局国内事业部， 河北廊坊 065000doi: 10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.010摘要：大口径长距离岩石地层顶管施工技术在我国油气管道工程中得到越来越多地运用。文章通过对大口径长距离岩石地层 顶管施工中制约正常掘进的主要因素的介绍，结合西气东输二线

2、东段顶管隧道施工工作情况，阐述了顶管机头的刀 盘、刀具、膨润土泥浆配置与压力、施工过程中的控制因素等现场管控要素在顶管施工中对总体掘进施工的影响。对 各项因素的分析结果也为类似的顶管施工提供了经验。关键词：岩石地层；顶管施工；外壁摩阻力；膨润土泥浆；控制图 1 刀盘平面布局示意并保证滚刀的切屑直径。配置时也要增加周边滚刀的数 量。滚刀的刀间距过大和过小都不利于破岩，间距过大， 滚刀间会出现“岩脊”现象，间距过小，滚刀间会出现 小碎块现象，降低破岩功效3 。刀盘中心位置一般布置多刃组合滚刀，每个旋转方向 都有足够的出碴槽，以保证碴石及时排入顶管机内。西 气东输二线东段的修水顶管穿越工程、滠水河顶

3、管穿越 工程、常山江管穿越工程中使用的机头中心滚刀布置如 图 2 所示。Pipe Jacking Construction Technology for Large Diameter Long- distance Pipeline in Rocky StratumLiu Qingxin1, Li Mo1, Lyu Hongdan1 , Gao Peng2 , Zhang Shuang11. China Petroleum Pipeline Construction Co., Ltd., Langfang 065001, China(a) 修水顶管穿越项目(b) 滠水河顶管穿越项目图 2 顶管穿

4、越机头中心滚刀布置(c) 常山江顶管穿越项目2. China Petroleum Pipeline Domestic Division, Langfang 065000, ChinaAbstract:The technology of pipe jacking construction in rocky stratum for large diameter long-distance pipelines is more and more used in China's oil and gas pipeline projects. In this paper, the main fact

5、ors restricting the normal boring operation in rock stratum in pipe jacking construction of large diameter long-distance pipeline are analyzed, and combined with the actual situation in tunnel construction site of the eastern section of the Second West to East Gas Pipeline, the main effect of influe

6、ncing factors, such as cutter header, cutters, bentonite mud preparation and pressure, control factors in construction course , on overall pipe-jacking construction are illustrated. The analysis results provide experience for similar pipe jacking construction projects.Keywords：rocky stratum; pile ja

7、cking construction; friction resistance on outer wall; bentonite mud; control刀盘正面区和外缘布置单刃或双刃滚刀，正面区对于硬岩宜选用单刃滚刀，软岩宜选用双刃滚刀，外缘多 选用双刃滚刀。1.2 管道外壁减阻采用泥浆减阻是长距离顶管减少摩阻力的重要措施之 一。在顶管过程中，如果注入的泥浆能在管子的外围形 成一个比较完整的浆套，则可将摩阻力由 12 20 kN/ m 2减少至 3 5 kN/ m 2 。英国有关资料将顶进岩石层中的摩阻力取值为 2 3 kN/m2 。常山江 DN 2 200 mm 岩石顶管工程，采用膨润土泥

8、浆减阻，顶进长度达 306 m，摩阻力约为 4.9 kN/m2 。只要顶进管在整个圆周上被膨润土悬浮液所包裹，根 据浮力定律顶进管道就悬浮于膨润土泥浆中，即使膨润 土悬浮液的厚度很小也是如此（见图 3）。0 引言1 岩石地层顶管掘进施工关键技术随着顶管施工方法在国内的普及与发展，穿越岩石层 的顶管施工已在工程建设中的应用越来越广泛1。由于全1.1 刀盘、刀具图 3 管道与岩层之间充满膨润土泥浆时的悬浮情况管断面、长距离的岩石层顶管机结构复杂、技术含量高， 其施工工艺一直处于发展探索阶段。刀盘、刀具具有切削掘进、稳定开挖工作面功能。结构形式与工程地质条件有着密切的关系，不同的岩层采假定钢筋混凝土

9、顶进管的内外径分别为 D内和 D外，式中 钢筋混凝土密度/（t/m3）；顶管施工主要根据地形地貌、工程地质条件、水文地 质条件、地面及周边环境影响因素以及施工现场情况选用不同的刀盘结构型式，选用不同的刀具及布置。大口 径全断面岩盘泥水顶管机，多选择面板式刀盘。面板式壁厚为d = 0.1 D内 ，则 D外 = 1.2D内 ，于是管道的重量 G 为：2L 管道长度/m。浮力 A 为：择2。在岩石层里，采用封闭式顶管，选用有二次破碎功刀盘一般为焊接箱形结构，其上设置刀座、刀具、碴石(内 )内G =-´g ´ L´g(1.2D) ´ 1.2D´ D 2

10、 ´ 2能的岩盘泥水顶管机对前方岩体进行切削，后方则根据不同的地质情况，辅以油缸筒、防旋转油缸筒或气压仓 等措施推进。出口、添加剂注入口及与主轴承连接部件。刮刀或刮碴板布置在面板上碴石出口的两侧，滚刀布置面板是刀 座。 刀盘平面布局见图 1。0.345 ´ D2´ g管44管´ L x g内g 浆24g1.13内浆内38 2014年 2月第40卷第1期 39 刘庆新等：岩石地层大口径长距离顶管施工技术 施工安装图 1 刀盘平面布局示意滚刀的作用是破岩，依靠刀具滚动产生冲击压碎和剪 切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。滚刀只能纯滚动， 安装时要考虑周边滚刀的角

11、度，以延长滚刀的使用寿命 并保证滚刀的切屑直径。配置时也要增加周边滚刀的数 量。滚刀的刀间距过大和过小都不利于破岩，间距过大， 滚刀间会出现“岩脊”现象，间距过小，滚刀间会出现 小碎块现象，降低破岩功效3 。刀盘中心位置一般布置多刃组合滚刀，每个旋转方向 都有足够的出碴槽，以保证碴石及时排入顶管机内。西 气东输二线东段的修水顶管穿越工程、滠水河顶管穿越 工程、常山江管穿越工程中使用的机头中心滚刀布置如 图 2 所示。(a) 修水顶管穿越项目(b) 滠水河顶管穿越项目图 2 顶管穿越机头中心滚刀布置(c) 常山江顶管穿越项目刀盘正面区和外缘布置单刃或双刃滚刀，正面区对 于硬岩宜选用单刃滚刀，软岩

12、宜选用双刃滚刀，外缘多 选用双刃滚刀。1.2 管道外壁减阻采用泥浆减阻是长距离顶管减少摩阻力的重要措施之 一。在顶管过程中，如果注入的泥浆能在管子的外围形 成一个比较完整的浆套，则可将摩阻力由 12 20 kN/ m 2减少至 3 5 kN/ m 2 。英国有关资料将顶进岩石层中的摩阻力取值为 2 3 kN/m2 。常山江 DN 2 200 mm 岩石顶管工程，采用膨润土泥浆减阻，顶进长度达 306 m，摩阻力约为 4.9 kN/m2 。只要顶进管在整个圆周上被膨润土悬浮液所包裹，根 据浮力定律顶进管道就悬浮于膨润土泥浆中，即使膨润 土悬浮液的厚度很小也是如此（见图 3）。图 3 管道与岩层之

13、间充满膨润土泥浆时的悬浮情况假定钢筋混凝土顶进管的内外径分别为 D内 和 D外，式中 钢筋混凝土密度/（t/m3）；管壁厚为d = 0.1 D内 ，则 D外 = 1.2D内 ，于是管道的重量 G 为：L 管道长度/m。浮力 A 为：21.2D´ D 2 ´ (内 )内G =-´g ´ L´g(1.2D ) ´ 2内0.345 ´ D2´ g管44管´ L x g内g 浆24g1.13内浆第40卷第1期 39施工安装 式中g膨润土泥浆密度/（t/m3）。的硅酸盐碟片层，有利于提高膨润土泥浆的膨胀性能，浆由此

14、得到管重与浮力的比值为：G =0.345´ g 管A1.13´ g 浆可以改善膨润土泥浆在溶胶状态下的流动性以及在凝胶 状态下的固结性能，因而钠基膨润土比钙基膨润土更适 用于顶管工程。膨润土泥浆要根据不同的岩层分别配置，在施工中钢筋混凝土密度 g 管 =2.5Gt/m3；取膨润土泥浆密度进行调整。机头尾部前 10 根管节同步注浆浆液的配置g 浆 =1.05 t/m3 时，A= 11.37, 浮力为管道自重的 1.37 倍；要能够阻止岩石颗粒、岩石粉进入管道，后面管道浆液的配置，要满足管道悬浮顶进的控制要求。如果管外无泥浆，则浮力为管道自重的 1.31 倍。由于管道周围有比较

15、大的空隙，通过正确压入膨润土 泥浆或水，在岩层中围绕顶进管道形成一个支承环带，并 保持压力大于裂隙水压力，管道就会在膨润土泥浆液或水 中漂浮起来。浮力可以使管外壁摩阻力减小，即使外壁注 入的是水，浮力也大于管道自重。在围岩很好的岩盘里顶 管，只要解决好洞口止水，管道外壁无论是注膨润土泥浆 还是水，其摩阻力都较小。1.3 泥浆配置和泥浆管布置在岩石层顶管施工中，膨润土泥浆的主要作用是降 低管道悬浮在泥浆中的摩阻。膨润土主要有两类，即钙 基膨润土和钠基膨润土。在膨润土含量相同的情况下， 钠基膨润土泥浆中所含极薄的硅酸盐叠层片的数量，约 为钙基膨润土泥浆中所含数量的 1520 倍。这种极薄在岩石层顶

16、管中膨润土泥浆管的布置与一般顶管不 同。一般顶管，当机头前段泥浆套形成后，后面一般只 需要补浆就行，所以后续泥浆管可以逐步加长距离布 置。岩石层顶管是在整个顶进过程中让管道悬浮于泥浆 中，后续布置的泥浆管，按一定的间隔在套管中布置， 以保证整个管道在顶进施工中的全段或部分里程补充泥 浆，满足管道悬浮的要求。1.4 控制技术顶管施工既适用于按直线形状敷设管路，也适用于按 照上下或左右两侧弯曲的路线敷设管道，但都需要进行 控制。直线顶进时，通过控制以校正顶进路线的偏差； 曲线顶进时，关键要控制方向的变化。这种控制过程的作用原理说明见图 4。图 4 控制过程的作用原理40 2014年 2月 刘庆新等

17、：岩石地层大口径长距离顶管施工技术 施工安装岩石层顶管的控制是在刀盘转动切削、纠偏千斤顶调 整的过程中进行的，这与一般顶管控制是在刀盘停止转 动的情况下进行的有很大不同，这是因为纠偏千斤顶无 法克服这一阻力，整个控制过程中，方向是靠刀盘转动 切削前进、各个管节之间加设的木环衬垫所具有的弹性 来调整的。直线岩石层顶管施工的难点在于如何防止顶进中细小 岩石颗粒、岩石粉进入并包裹管道造成机头卡住。因此 刀盘切屑后管道与岩面的间隙较大，一般设计的间隙为 70 80 mm；曲线岩石顶管，因曲线半径的不同，设计 的间隙还会加大；但整个管路从头到尾都必须跟随刀盘 切削的路线前进，刀盘切削的路线，就是管路敷设

18、完毕 之后的路线。在岩石层管道顶进过程中，由于岩石层自身拥有自稳 能力，在顶进过程中围岩的变形小，岩石层本身对管道 产生的压力可忽略不计，只考虑管道对岩石层的作用力 和岩石层的反作用力。石层顶管施工过程中，受地质情况、机械设备、工程技 术等因素的影响，其主要控制手段在施工时还应以实测 数据为依据进行调整。对于全断面岩石顶管，除了选对 顶管机等设备外，同样应重视对相应辅助设备、管节设 计方案、二次破碎粒径、洞口止水方案等的选择。参考文献1 田艳玲,张宝强,黄琳，等. 岩石地层大口径长距离管道顶管施工影响 因素 J. 油气储运, 2012,31（8）：612-614.2 唐振通,朱东志,韩晶. 土

19、压平衡泥水输送法在顶管施工中的应用 J. 油气储运,2007,26（12）：50-52.3 刘小利,焦如义,李森，等. 钢质管道非开挖顶管技术与装备 J. 油气 储运,2010,29（7）：553-556.4 余彬泉,陈传灿. 顶管施工技术 M. 北京:人民交通出版社,2000.5 刘乃根，杨光发，张照玉. 顶管施工技术 J. 石油工程建设，2006，（5）：33-36.作者简介2 结束语大口径长距离岩石层顶管施工在我国刚刚起步。西 气东输二线主干线6条顶管掘进施工的实践表明，在岩刘庆新（1969-），男，河北廊坊人，工程师，1995年毕业于大连大 学，现从事长输管道土建和非开挖工程项目管理工作。收稿日期