摘 要

對(duì)城市天然氣高壓管道汾河不良地質(zhì)的穿越方案進(jìn)行比選，對(duì)推薦采用的頂管穿越方案進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，分析施工難點(diǎn)及解決措施。

 摘　要：對(duì)城市天然氣高壓管道汾河不良地質(zhì)的穿越方案進(jìn)行比選，對(duì)推薦采用的頂管穿越方案進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，分析施工難點(diǎn)及解決措施。

關(guān)鍵詞：天然氣管道；  穿越河流；  大開(kāi)挖；  定向鉆；  頂管

Comparison of Design Schemes for Pipeline Crossing Fenhe River and Solutions to Construction Difficulties

Abstract：crossing schemes for Fenhe River with adverse geological condition by high-pressure city gas pipeline are compared．The design calculation of the proposed pipe-jacking crossing scheme is performed．The construction difficulties and solving measures are analyzed．

Keywords：natural gas pipeline；crossing river；big dig；directional drilling；pipe jacking

 

1　工程概況

穿越汾河段管道公稱直徑為800mm，穿越處位于太原市西北側(cè)，方向基本為東西向。東側(cè)為濱河?xùn)|路(兼東側(cè)堤壩)，西側(cè)堤壩為土路，兩岸堤壩外均為農(nóng)田且標(biāo)高基本一致，整體地勢(shì)呈“U”形。河床底部標(biāo)高約為789.80m，比兩側(cè)農(nóng)田低約15m。根據(jù)建設(shè)時(shí)間安排，本次穿越允許最長(zhǎng)施工時(shí)間為6月至11月，累計(jì)時(shí)間約180d。

穿越處場(chǎng)地地貌單元位于太原汾河現(xiàn)代河床及一、二級(jí)階地。地質(zhì)裸露處均以卵石為主，卵石顆粒較大，粒徑以100mm為主，個(gè)別有400～600mm。地質(zhì)情況從上至下依次為：素填土層、粉土層、細(xì)中沙夾卵石圓礫層、卵石層、粉砂、細(xì)沙、粉砂層、卵石層(未揭穿)。地質(zhì)狀況見(jiàn)圖1。

 

實(shí)測(cè)地下水穩(wěn)定水位埋深在地面下13.00～13.10m，穩(wěn)定水位標(biāo)高在791.12～791.24m。穿越處汾河設(shè)計(jì)洪水頻率為百年一遇，防洪評(píng)價(jià)報(bào)告顯示，河床水面處沖刷深度為9.24m。管道需在沖刷深度1.0m以下穿越。

2　穿越方案比選

根據(jù)地勘資料及防洪評(píng)價(jià)要求，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)天然氣管道穿越施工水平，可考慮的穿越方式有大開(kāi)挖、定向鉆、頂管穿越三種方式[1]。

2.1　大開(kāi)挖穿越方案

①方案介紹

大開(kāi)挖穿越方案涉及兩部分工程內(nèi)容：一是頂管穿越濱河?xùn)|路；二是大開(kāi)挖穿越河床及兩側(cè)階地、堤壩。

頂管穿越濱河?xùn)|路長(zhǎng)約90m，頂管頂進(jìn)坑設(shè)置于濱河?xùn)|路東側(cè)，接收坑設(shè)置于濱河?xùn)|路西側(cè)。頂進(jìn)坑及接收坑標(biāo)高控制在796.00m左右，即頂進(jìn)坑深度約8m，接收坑深度約6m。穿越層地質(zhì)情況為粉土層及細(xì)中沙夾卵石圓礫層。

大開(kāi)挖穿越河床長(zhǎng)度約210m，穿越兩側(cè)階地及堤壩長(zhǎng)度約110m。其中河床穿越采用圍堰導(dǎo)流法分兩段施工，管溝深度按照12m考慮。由于溝槽深、土質(zhì)差，所以管溝開(kāi)挖擬采取三階放坡開(kāi)挖方式，從上至下垂直方向放坡深度依次為5m、4m、3m，放坡比控制在1：1.5，底部管溝寬度按5m考慮，兩坡之間水平作業(yè)面按7m控制。經(jīng)過(guò)計(jì)算，溝槽頂部寬度達(dá)到69m。本方案擬采取大口井降水措施，井點(diǎn)沿管溝兩側(cè)各設(shè)2條降水帶。距管溝上坡腳5m處布置第一道降水帶，距管溝上坡腳10m處布置第二道降水帶。井點(diǎn)間距5m，降水井直徑為600mm，井深為25m。

②施工難點(diǎn)及不確定問(wèn)題

a．為保證施工安全，管溝分階梯開(kāi)挖過(guò)程中可能需要配以鋼板樁以保證施工安全；

b．由于開(kāi)挖地質(zhì)透水性強(qiáng)，地下水位高，且目前流速及流量不詳，若操作過(guò)程中大口井降水措施不佳，需考慮采用造價(jià)更高的閉水帷幕施工工藝；

c．施工過(guò)程需隨時(shí)注意當(dāng)?shù)靥鞖?，若遇連續(xù)降雨河床水位上升過(guò)高，需及時(shí)撤離人員及機(jī)具。

③施工周期及保障性

施工周期175d，但不包含雨季時(shí)間，因此周期保障性很差。

④工程造價(jià)

工程概算約3600×104元。

⑤協(xié)調(diào)難度

由于開(kāi)挖穿越管溝寬度接近70m，對(duì)河道破壞較嚴(yán)重，周邊濕地環(huán)境影響大，協(xié)調(diào)及批復(fù)難度很大。

2.2　定向鉆穿越方案

①方案介紹

本段適合定向鉆穿越的地層僅為粉砂、細(xì)沙、粉砂層，該層層厚在12～12.4m。但出、入土兩端的圓礫及卵石層無(wú)法避免，可考慮的處理措施主要有套管隔離、注漿固結(jié)、開(kāi)挖換填三種。由于地下水位高，且地層滲水性強(qiáng)，厚度大，大面積、長(zhǎng)距離注漿固結(jié)施工時(shí)漿液極容易流失；圓礫及卵石層的底層分布位置及深度決定開(kāi)挖換填及排水工程量巨大，考慮施工的難易程度及工期，注漿固結(jié)與開(kāi)挖換填兩種措施不予考慮。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)類(lèi)似地質(zhì)成功的定向鉆穿越工程，考慮在出、入土兩端的圓礫及卵石層夯鋼套管的方式，采用導(dǎo)向孔對(duì)穿工藝施工，這也要求出、入土側(cè)的彈性敷設(shè)段必須在粉砂、細(xì)沙、粉砂層12m左右的厚度范圍內(nèi)，因?yàn)樘坠軆?nèi)基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)鋼管的彈性敷設(shè)。

目前國(guó)內(nèi)定向鉆夯鋼套管穿越卵石層的長(zhǎng)度一般都在200m以內(nèi)，綜合考慮地層地質(zhì)情況、已實(shí)施夯管長(zhǎng)度限制等因素，經(jīng)過(guò)試算，確定本穿越方案設(shè)計(jì)參數(shù)如下：穿越管道水平段管底位于粉砂、細(xì)沙、粉砂層底部，標(biāo)高755.87m；東側(cè)入土點(diǎn)位于濱河?xùn)|路東側(cè)，與底部水平段管底標(biāo)高相差約47m，入土角為8°，西側(cè)出土點(diǎn)位于西堤壩西側(cè)，與底部水平段管底標(biāo)高相差約47m，出土角為8°；曲率半徑取1200D(D為穿越管道外直徑)；穿越長(zhǎng)度為814m(自兩側(cè)套管邊緣處計(jì))。在此設(shè)計(jì)參數(shù)下，兩側(cè)夯管長(zhǎng)度均為198m，采用DN 1200mm鋼管。

該方案套管兩側(cè)需進(jìn)行場(chǎng)地取土平整，取土深度約10m。平整后場(chǎng)地作為夯管及定向鉆施工場(chǎng)地。兩側(cè)占地各約需要70m×70m。

②施工難點(diǎn)及不確定問(wèn)題

a．兩側(cè)卵石層穿越需各夯進(jìn)鋼套管198m，且卵石層顆粒較大，施工難度極大，風(fēng)險(xiǎn)極高；

b．導(dǎo)向孔鉆探所需精度高，彈性敷設(shè)段穿越孔塌方風(fēng)險(xiǎn)大；

c．受地層地質(zhì)限制，參數(shù)選取基本沒(méi)有附加量，整體對(duì)施工精度及地勘資料準(zhǔn)確性要求很高。

③施工周期及保障性

施工周期160d，由于兩側(cè)鋼套管夯進(jìn)難度極大，周期保障性極差。

④工程造價(jià)

工程概算約2800×104元。

⑤協(xié)調(diào)難度

施工協(xié)調(diào)難度較小。

2.3　頂管穿越方案

①方案介紹

頂管穿越方案擬采用GB 50423－2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中的泥水平衡法將頂管頂進(jìn)坑及接收坑分別設(shè)置在汾河堤壩兩側(cè)，一次性穿越汾河河床及兩側(cè)堤壩。

方案擬將頂進(jìn)坑設(shè)置于濱河?xùn)|路東側(cè)，距路邊約50m；接收坑設(shè)置于汾河西岸西側(cè)，距現(xiàn)狀河西側(cè)堤防堤腳約50m。穿越長(zhǎng)度為490m。頂管頂進(jìn)坑平面尺寸為14m×7m，接收坑尺寸為13m×5m。頂管采用DN 1500mm鋼套管。穿越段管道底部標(biāo)高根據(jù)防洪評(píng)價(jià)要求需控制在777.0m左右。對(duì)應(yīng)兩邊頂管坑深度達(dá)到28m，由于頂管坑尺寸不大，此深度將導(dǎo)致基坑施工難度極大。考慮兩側(cè)頂管坑地質(zhì)情況，本方案擬將兩側(cè)素填土層與粉土層共計(jì)約10m高程進(jìn)行清土平整，降低基坑深度至18m，同時(shí)平整出兩側(cè)施工作業(yè)場(chǎng)地。其中頂管頂進(jìn)坑一側(cè)清土場(chǎng)地約70m×60m，頂管接收坑一側(cè)清土場(chǎng)地約30m×25m。

②施工難點(diǎn)及不確定問(wèn)題

a．兩側(cè)基坑制作難度大，須采取有效的防漏漿、塌孔措施；

b．須做好洞口的密封處理，確保鋼套管內(nèi)的施工作業(yè)安全；

c．頂進(jìn)過(guò)程可能會(huì)遇到大型孤石：

d．鋼管頂進(jìn)距離長(zhǎng)，且在汾河下頂進(jìn)，軸線精度要求高。

③施工周期及保障性

施工周期150d，但考慮兩側(cè)基坑施工難度，周期保障性一般。

④工程造價(jià)

工程概算約3300×104元。

⑤協(xié)調(diào)難度

施工協(xié)調(diào)難度較小。

2.4　方案比選

綜合考慮施工實(shí)施難度、施工周期及保障性、工程造價(jià)、環(huán)境影響、協(xié)調(diào)難度等方面，通過(guò)分析比較可以看出，大開(kāi)挖方案存在主要問(wèn)題是施工過(guò)程中不確定性大，在雨季時(shí)基本需要停工并撤離機(jī)具，周期保障性很差，且協(xié)調(diào)批復(fù)難度很大，造價(jià)最高；定向鉆方案雖然造價(jià)相對(duì)較低，但兩側(cè)鋼套管夯進(jìn)距離長(zhǎng)，在國(guó)內(nèi)極少見(jiàn)，施工風(fēng)險(xiǎn)非常大，成功率低，因此其施工周期保障性是最差的；頂管方案施工難度綜合比較最小，造價(jià)介于大開(kāi)挖及定向鉆方案之間，周期保障性相對(duì)較好。綜合上述考慮，推薦采用頂管穿越方案。

3　頂管穿越設(shè)計(jì)與計(jì)算

本工程采用泥水平衡法頂管施工，是一種全斷面切削土體，以泥水壓力來(lái)平衡土壓力和地下水壓力，并以泥水輸送棄土的機(jī)械自動(dòng)化頂管施工法。頂管施工時(shí)，位于頂進(jìn)管道最前端的頂管機(jī)刀盤(pán)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)泥管不斷供應(yīng)泥水，排泥管不斷將混有棄土的泥水排出泥水艙，頂進(jìn)管道由位于頂進(jìn)坑的頂鎬頂進(jìn)。當(dāng)頂進(jìn)一定距離時(shí)，放置中繼站負(fù)責(zé)將前端頂進(jìn)管道繼續(xù)頂進(jìn)，后續(xù)頂進(jìn)管道則仍由頂鎬頂進(jìn)。

本次頂管穿越方案主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括頂管頂力的計(jì)算及頂管機(jī)具選取、后背設(shè)計(jì)、頂管頂進(jìn)坑與接收坑的設(shè)計(jì)三大部分內(nèi)容。

3.1　頂管頂力的計(jì)算及頂管機(jī)具選取

①頂管頂力的計(jì)算

確定機(jī)械頂管總頂力，使用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

Fp=pDoLfk+Ff

Ff=p/4Dg2p

式中Fp——總頂力，kN

Do——頂進(jìn)管道外直徑，m，取1.626m

L——頂距，m，取500m

fk——管道外壁與土的單位面積平均阻力，kN／m2，取13kN／m2

Ff——頂管機(jī)的迎面阻力，kN

Dg——頂管機(jī)外直徑，m，取1.62m

p——泥水倉(cāng)壓力，kPa，取100kPa

計(jì)算得總頂力為33410kN。

②頂管機(jī)具的選取

考慮到頂進(jìn)施工過(guò)程中的注漿減阻效果，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定減阻效果為40％，則所需總頂力為20046kN。

實(shí)際施工過(guò)程中選用的頂鎬設(shè)備為4臺(tái)200t的頂鎬(每臺(tái)頂稿最大輸出頂力為1960kN)，最大輸出頂力為7840kN，小于所需的總頂力20046kN，需設(shè)置中繼站(采用整套成品設(shè)備)。中繼站頂力按輸出最大頂力80％考慮，第一個(gè)中繼站設(shè)置在頂管機(jī)后方80m處，承擔(dān)頂管機(jī)迎面阻力及第一段管道的摩擦阻力，以后每140m安裝一個(gè)中繼站，僅承擔(dān)管道摩擦阻力，共計(jì)安裝三個(gè)中繼站。

頂管機(jī)選用日本RASA DN1500泥水平衡礫石頂管掘進(jìn)機(jī)，該機(jī)具在包頭市供水管道黃河穿越及北京市燃?xì)夤艿缿衙苈反┰降阮?lèi)似地質(zhì)穿越中得到了成功的應(yīng)用，其主要特點(diǎn)如下。

a．適應(yīng)土質(zhì)廣，特別適用于卵、礫石層，刀盤(pán)全部采用滾刀，可對(duì)粒徑很大的卵、礫石進(jìn)行有效破碎。全斷面切削，旋轉(zhuǎn)一周，可全斷面強(qiáng)力切土。

b．地面沉降小，土倉(cāng)所反映的土壓力與頂管機(jī)所處土層的土壓力一致，不存在壓力差，能達(dá)到真正的壓力平衡，施工后地面沉降小。

c．采用了國(guó)際上較先進(jìn)的儀器儀表，操作容易，動(dòng)作靈活，直觀可靠。

頂管機(jī)外直徑1620mm，刀盤(pán)切削外直徑1640mm，刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩180kN·m，22kW驅(qū)動(dòng)電機(jī)2臺(tái)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速2.5r／min。

3.2　后背設(shè)計(jì)

最大后背寬度的計(jì)算式為：

b=F/F1

F1=1/2gh2tan2(45°+f/2)+2fchtan(45°+f/2)

式中b——最大后背寬度，m

F——頂管中的最大頂力，kN，取7840kN

F1——土壤的總被動(dòng)土壓力，kN／m

g——土壤容重，kN／m3，取19.04kN／m3

h——后背高度，m，取12.2m

f——土壤的內(nèi)摩擦角度，(°)，取18.85°

fc——土壤粘聚力，kN／m2，取18.25kN／m2

經(jīng)過(guò)計(jì)算F1為3392.16kN／m，b為2.31m。

設(shè)計(jì)采用鋼質(zhì)后背，實(shí)際寬度為4.0m，可以充分滿足施工需要，保證安全頂進(jìn)施工。

3.3　頂管頂進(jìn)坑及接收坑的設(shè)計(jì)

由于本工程地下水位較淺，地下含水層為卵石層，滲透性強(qiáng)，厚度大，且地基土為中密一密實(shí)，因此進(jìn)行截水帷幕施工時(shí)漿液容易流失，這也是基坑設(shè)計(jì)需要解決的主要問(wèn)題。參考類(lèi)似地質(zhì)工程基坑的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本工程基坑采用外圍多重旋噴樁截水帷幕加內(nèi)圍灌注樁支護(hù)的方式，解決基坑的截水問(wèn)題。

根據(jù)施工機(jī)具及操作要求，頂管頂進(jìn)坑平面尺寸為14m×7m(長(zhǎng)×寬)，頂管接收坑平面尺寸為13m×5m(長(zhǎng)×寬)；基坑底表面至頂部高度為18m?；拥臉痘?、底板及基坑內(nèi)支撐設(shè)計(jì)如下。

①樁基設(shè)計(jì)

a．采用混凝土鉆孔灌注樁支護(hù)，樁直徑0.8m，樁深24m。

b．灌注樁外側(cè)為3排高壓旋噴樁截水帷幕：其中前兩排高壓旋噴樁，樁直徑0.8m，樁深22m，相鄰樁相互咬合；第三排為樁直徑0.8m，樁深12m，相鄰樁相互咬合。

c．頂進(jìn)坑入洞口做加固高壓旋噴樁咬打截水帷幕，加厚層寬6m，長(zhǎng)4m，高為頂進(jìn)管道中心線上下各3m。

d．頂進(jìn)坑后背做u形加固高壓旋噴樁咬打截水帷幕，寬15m，厚6.4m，高12m。

e．接收坑頂管出洞口做加固高壓旋噴樁咬打截水帷幕，加厚層寬6m，長(zhǎng)6m，高為套管中心線上下各3m。

②底板設(shè)計(jì)

底板自上而下依次采用0.8m厚鋼筋混凝土層，1m厚碎石墊層，3.5m厚高壓旋噴樁防滲層設(shè)計(jì)方案。

③內(nèi)支撐設(shè)計(jì)

a．灌注樁頂部為鋼筋混凝土冠梁，冠梁寬800mm，厚400mm，底部與灌注樁緊密貼合。

b．基坑內(nèi)支撐采用H型鋼和無(wú)縫鋼管，設(shè)有水平支撐與斜撐。

水平設(shè)置三層支撐，第一層距冠梁頂4.0m，第二層距第一層5.0m，第三層距第二層5.0m。三層支撐長(zhǎng)邊均采用HW 400×400 H型鋼，短邊第一層采用HW 300×300 H型鋼，第二、三層采用HW400×400 H型鋼。

斜撐采用D 351×16無(wú)縫鋼管。

4　施工難點(diǎn)及解決措施

4.1　灌注樁鉆孔難點(diǎn)及解決措施

本工程灌注樁鉆孔難點(diǎn)集中在卵石層鉆孔技術(shù)問(wèn)題：如何防止漏漿、如何防止卵石層坍孔、如何提高卵石層鉆進(jìn)效率。這幾個(gè)問(wèn)題直接關(guān)系到樁基的質(zhì)量與整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)度。

①漏漿解決措施

漏漿過(guò)程是泥漿被稀釋沿卵石孔隙流失，其主要發(fā)生在樁基施工前期，一旦卵石縫隙被黏土顆粒填充，漏漿量會(huì)越來(lái)越少，甚至全部消失。解決漏漿主要措施是采用提高泥漿黏度與封堵卵石間縫隙相結(jié)合的辦法，具體方法如下。

a．在鉆孔周?chē)鷥?chǔ)漿池準(zhǔn)備好2～3倍孔容積的優(yōu)質(zhì)泥漿。在鉆機(jī)快進(jìn)入卵石層時(shí)，先停止進(jìn)尺，置換成優(yōu)質(zhì)泥漿繼續(xù)鉆進(jìn)，然后觀察、記錄漏漿情況。

b．若漏漿嚴(yán)重，除進(jìn)一步補(bǔ)充泥漿外，漿液中可適當(dāng)加0.5％水泥粉，或向孔內(nèi)泵送球狀黏土，同時(shí)保持孔內(nèi)水頭大于地下水位2～3m。

c．若以上方法仍無(wú)法解決，通過(guò)水泵正循環(huán)將鉆孔堵漏片送入孔底，該堵漏片是一種水溶性樹(shù)脂為主的復(fù)合劑，遇水產(chǎn)生快速濕粘和交聯(lián)熱化反應(yīng)。一般情況下5min內(nèi)可收到效果，或者使用聚丙酰胺溶液，體積配比為：聚丙酰胺1％～2％，水泥0.75％～1.0％。

②防止卵石層坍孔措施

若解決了漏漿問(wèn)題，只要保持孔內(nèi)水頭大于地下水的壓頭2～3m和泥漿優(yōu)質(zhì)性能，就能確保鉆進(jìn)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生坍孔事故。其中保持水頭差要做到鋼護(hù)筒底部進(jìn)入一定深度，外圍用黏土夯實(shí)，同時(shí)保證水泵能正常工作。高質(zhì)量的泥漿可實(shí)現(xiàn)在長(zhǎng)期停鉆的情況下沉積物很少，此外，優(yōu)質(zhì)的泥漿可使孔壁形成一層粘性好、密度大、滲透性差的泥皮，該層泥皮可防止孔內(nèi)泥漿外滲，大大減緩孔內(nèi)水頭降低的速度，這也是使孔壁穩(wěn)定的有效措施。

泥漿配置需要對(duì)其黏度、含水率、失水量、泥皮厚度等指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。為保證中層易液化坍塌砂質(zhì)層的成孔質(zhì)量和最終能將孔底清理干凈，本工程施工過(guò)程中經(jīng)過(guò)泥漿配比試驗(yàn)，采用當(dāng)?shù)氐呐驖?rùn)土。泥漿配合比為水、黏土、膨潤(rùn)土、NaOH、CMC(鈉羧甲基纖維)的質(zhì)量比為1000：100：60：1.5：1.5。

在不同地層的鉆進(jìn)施工中，主要參數(shù)指標(biāo)每2h每一地層抽檢相對(duì)密度、黏度、含砂率及pH值不少于一次，全面掌握孔內(nèi)泥漿性能的變化情況是否在設(shè)計(jì)試驗(yàn)的泥漿指標(biāo)范圍內(nèi)，以便及時(shí)調(diào)整，同時(shí)通過(guò)泥漿面觀察孔壁的穩(wěn)定情況，保證孔壁的安全。

另外，在卵石層鉆進(jìn)過(guò)程中也有可能由于局部層泥漿護(hù)壁效果不好，機(jī)具擾動(dòng)造成坍孔事故，造成停鉆時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，泥漿循環(huán)不合理等。所以在該地層鉆進(jìn)時(shí)，除調(diào)節(jié)好泥漿性能，還要選擇好鉆進(jìn)機(jī)械參數(shù)，如鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等。

③提高卵石層鉆進(jìn)效率措施

卵石層的鉆進(jìn)效率取決于鉆頭對(duì)卵石的破碎效率與泥漿攜渣、排渣效率，故通過(guò)選擇合適的鉆頭和改變鉆頭結(jié)構(gòu)、調(diào)整合理鉆進(jìn)參數(shù)，可以提高其破碎卵石效率，而調(diào)整泥漿性能與加大泥漿量可以提高攜渣、排渣效率，具體方法如下。

a．選擇合適的鉆頭：根據(jù)對(duì)勘探現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查得知，對(duì)卵石層平均粒徑小于9.5cm適合用全面合金鉆頭；對(duì)于卵石層粒徑大于15cm選擇牙輪鉆頭或滾刀鉆頭。

b．對(duì)于合金鉆頭翼板不少于四翼，翼板材質(zhì)應(yīng)選用強(qiáng)度高和耐磨性好，最好經(jīng)熱處理的錳鋼，厚度不小于4cm，翼板的仰角不宜大于20°，用反循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)仰角可增大至30°左右。

c．翼板上應(yīng)鑲焊高強(qiáng)度的合金刀具，在鑲焊刀具時(shí)要求合金底出量1～2mm，內(nèi)外出量不超過(guò)1.5mm，合金刀具切削角取90°～100°，刃尖角取70°～90°較合適，合金刀具的布置應(yīng)內(nèi)疏外密，靠近外緣部位增加補(bǔ)強(qiáng)翼板。

d．存卵石層中鉆進(jìn)，切削線速度不宜大于1.0m／s，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速宜為10～15r／min。但應(yīng)盡量加大鉆壓，鉆壓宜大于50kN，對(duì)于牙輪滾頭鉆可以適當(dāng)加大鉆壓，防止鉆頭跳動(dòng)蹦離合金。

e．泥漿相對(duì)密度1.20～1.25，控制含砂率<1％，失水量<1mL／min，膠體率不小于90％。

f．在水泵出水口附近安裝可調(diào)節(jié)泵流量的控制閥。對(duì)于孔直徑800mm的樁，若上部存在不穩(wěn)定地層，泵流量不宜大于780L／min，若地層經(jīng)過(guò)處理已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，泵流量可調(diào)至2300L／min。另外，在循環(huán)池周邊必須設(shè)置沉淀池，以防破碎后的沉渣重新流入孔內(nèi)。

另外，也可采用“小徑打、大徑擴(kuò)”的措施成孔。在圓礫層鉆進(jìn)時(shí)，一旦出現(xiàn)憋車(chē)、鉆具跳動(dòng)、進(jìn)尺緩慢等現(xiàn)象，立即下入小徑筒狀鉆頭鉆過(guò)該層，再換大徑刮刀鉆頭擴(kuò)孔。粒徑小于5cm的圓礫可由相對(duì)密度大、黏度高的泥漿攜帶出來(lái)，粒徑大于5cm的圓礫采用帶鋼絲網(wǎng)的筒狀鉆撈出。

4.2　洞口防水措施

為保證頂管機(jī)入洞后周?chē)嗨蛴|變泥漿不經(jīng)管道外壁周?chē)诙纯谟砍?，需要?/span>入洞口安裝封閉裝置。同時(shí)有利于頂管機(jī)入洞時(shí)保證頂管機(jī)與周?chē)馏w形成一個(gè)封閉的整體，保證泥水的循環(huán)體系。

頂管機(jī)頂入前，將封閉裝置安裝在洞口預(yù)埋鋼筋上，用螺栓固定，在壓板上安裝預(yù)制好的橡膠套環(huán)。針對(duì)本工程的特點(diǎn)，設(shè)雙層止水門(mén)簾，間隔200mm，中間填充盾尾密封油脂。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2(頂進(jìn)管道從右向左頂進(jìn))。

 

4.3　大型孤石解決措施

頂進(jìn)過(guò)程中遇到大型孤石的解決措施重點(diǎn)在于頂進(jìn)機(jī)具的合理選取。本次穿越選用的頂管機(jī)，其刀盤(pán)全部采用滾刀，帶有破碎功能，且開(kāi)口較大，可以使較大直徑的石塊進(jìn)入。同時(shí)，設(shè)置泥水倉(cāng)、排泥倉(cāng)，以便泥漿及破碎后碎石的儲(chǔ)存并運(yùn)至地面。

對(duì)粒徑很大的卵石、礫石，由刀盤(pán)滾刀進(jìn)行第一次刻劃破碎，破碎成粒徑100—150mm后，進(jìn)入碎石倉(cāng)進(jìn)行第二次擠壓剪切破碎，成為粒徑40～50mm后，隨水流排出。

4.4　頂進(jìn)軸向精度保障及糾偏措施

長(zhǎng)距離的頂進(jìn)工作需通過(guò)控制頂進(jìn)速度、實(shí)時(shí)測(cè)量、及時(shí)糾偏等措施來(lái)保證頂進(jìn)精度。

①用頂進(jìn)坑頂進(jìn)設(shè)備進(jìn)行速度控制，頂管機(jī)入洞階段刀盤(pán)速度控制在3～5mm／min。第一節(jié)管進(jìn)洞階段，速度控制在10～20mm／min。

②初始頂進(jìn)500mm后，頂進(jìn)測(cè)量開(kāi)始，每頂進(jìn)300mm做一次中心、高程記錄，并及時(shí)向技術(shù)負(fù)責(zé)人匯報(bào)，以便采取相應(yīng)措施。

③在頂管機(jī)后端設(shè)置糾偏短節(jié)，長(zhǎng)1.5m，短節(jié)與頂管機(jī)為鋼承口連接，短節(jié)與頂進(jìn)管道也為鋼承口連接。

④頂管機(jī)機(jī)頭未全部進(jìn)入洞時(shí)，如中心、高程偏差大于±20mm，要進(jìn)行糾偏：糾偏高程時(shí)，軌道上管要加配重或者事先用鋼繩把機(jī)頭與基座固定在一起，防止機(jī)頭入洞下沉；糾偏中心時(shí)，軌道管要加兩側(cè)支撐，并用千斤頂在機(jī)身兩側(cè)支撐，輔助糾偏。機(jī)頭全部入土后，高程、中心偏差大于±10mm要用機(jī)頭糾偏設(shè)備糾偏，并應(yīng)用人工操作、全站儀進(jìn)行測(cè)量。

5　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)此次汾河穿越復(fù)雜的地質(zhì)情況及施工工期要求，分析三種穿越方式：大開(kāi)挖方案，對(duì)汾河周邊濕地環(huán)境破壞影響較嚴(yán)重，政府批復(fù)難度大且造價(jià)最高，施工周期受環(huán)境影響最大；定向鉆方案，受地質(zhì)條件及國(guó)內(nèi)施工能力限制，穿越失敗概率大，其周期保障性最差；頂管方案，最大程度地規(guī)避了上述各種不確定因素，特別是施工周期保障性相對(duì)最好。因此本次穿越最終選擇了頂管穿越方案。

在城市天然氣高壓管道實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，河流穿越方案的比選基本上都需考慮上述條件因素的限制，具體穿越方案需結(jié)合工程要求的側(cè)重點(diǎn)及最大不確定因素等控制性限制條件進(jìn)行確定。同時(shí)，在施工方案制定過(guò)程中須分析實(shí)施時(shí)可能遇到的難點(diǎn)，切實(shí)準(zhǔn)備施工難點(diǎn)的解決措施。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]龔明，李永威，孫明燁，等．定向鉆在天然氣管道穿越永定河工程的應(yīng)用[J]．煤氣與熱力，2011，31(8)：B05-B08．

 

 

 

 

本文作者：李磊祚  張寶慶  盛鱗  王軍生  黃碩鑫  蔣浩

作者單位：中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司

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