氣壓平衡頂管法及其在油氣管道穿越軟土地段的應(yīng)用

鄧小濤，廖海華，王 濤

(中國石油天然氣管道工程有限公司珠海分公司，廣東珠海519015)

1 氣壓平衡頂管法概述

隨著社會的日益進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，頂管穿越技術(shù)在油氣管道穿越工程中的應(yīng)用越來越廣泛。然而，在實際應(yīng)用過程中應(yīng)根據(jù)不同地層情況，采用不同的頂管穿越方式。

1．1 氣壓平衡頂管法的工作原理及特點

氣壓平衡頂管法的工作原理為:在頂管機頭內(nèi)充入一定壓力的壓縮空氣，利用空氣壓力疏干機頭前面一定范圍內(nèi)土壤空隙中的自由水，使之趨于固結(jié)。同時利用壓縮空氣的壓力支撐開挖面土體，使之穩(wěn)定。氣壓平衡頂管法工作原理圖見圖1。

該法的主要特點是結(jié)構(gòu)簡單，有較強的排除地下障礙的能力;一經(jīng)開始，壓縮空氣的供應(yīng)就不可中斷;壓縮空氣對土體擾動的范圍較大，故相對地面沉降也會稍大。

1．2 氣壓平衡頂管法施工的分類

一般情況下，氣壓平衡頂管施工主要包括局部氣壓平衡頂管施工以及全氣壓平衡頂管施工。

圖1 氣壓平衡頂管法工作原理圖

局部氣壓平衡頂管施工中，其壓縮空氣只可以在挖掘面上發(fā)揮作用。頂管掘進(jìn)的中部會設(shè)置一塊隔板，這塊隔板將掘進(jìn)機分成了前艙和后艙。通過管道將壓縮空氣送入氣壓艙中，從氣壓艙中挖掘的土運用螺旋輸送機來送出，恰好螺旋輸送機里面的土可以起到土塞的作用，把氣壓艙里面的壓縮空氣給堵住，與此同時還能夠把土輸送出去。局部氣壓平衡頂管施工屬于比較特殊的半機械式頂管施工，基本上施工人員都是在常壓下進(jìn)行作業(yè)的。

全氣壓平衡頂管施工主要是在頂進(jìn)管的前邊的機頭立面設(shè)置2道氣壓密封門。把第一道艙門關(guān)閉，把壓縮空氣充進(jìn)前艙，壓縮的空氣滲透到正前方土層的縫隙當(dāng)中，把工具管前邊土層里的地下水從土壤中的空隙中排擠出來，這樣便可以為工具管施工創(chuàng)造一個較為穩(wěn)定的無水的環(huán)境。與此同時，氣體的壓力對于機頭前的土體的開挖面也起著支撐的作用，使其能夠保持穩(wěn)定而不出現(xiàn)坍塌。之后把第二道艙門關(guān)閉并把壓縮空氣充入進(jìn)去，等到前邊和后邊兩個艙的壓力相等的時候，再把第一道門打開，使管道往前頂進(jìn)。把挖出的機頭前的土運往兩道艙門之間的轉(zhuǎn)運艙里邊，把第一道門關(guān)閉，再把第二道門打開，保持管道和后艙相通，把土轉(zhuǎn)運至工作井之外。管道是一邊挖一邊頂?shù)?，開挖的量和頂進(jìn)的長度要互相匹配。全氣壓平衡頂管施工是一種人工施工法，施工人員必須要帶壓進(jìn)行施工。

1．3 氣壓平衡頂管法適用條件

氣壓平衡頂管法主要適用于粘性土、粉土、粉細(xì)砂等滲透系數(shù)適中的土層，不適用砂礫、卵石等多孔隙、壓縮空氣容易冒頂沖出的土層。

1．4 氣壓平衡頂管法與其它頂管施工工法比較

氣壓平衡頂管法與其它頂管施工法比較見表1。

表1 各種頂管法優(yōu)缺點對比表

2 工程應(yīng)用實例

2．1 工程概況

中山—廣州天然氣管道工程項目設(shè)計壓力7.8 MPa，管徑D762。穿越某水道，水道寬約24 m，水深1.50～3.50 m，屬水域小型穿越。水道兩岸均有水泥道路，為臨近村莊通行道路，穿越軸線兩側(cè)約16 m均為民房。水道穿越平面圖見圖2。

2．2 地質(zhì)資料

經(jīng)現(xiàn)場勘察，勘探深度內(nèi)共劃為2個工程地質(zhì)層，各層特征綜述如下。

(1)素填土:為人工填土，稍密，稍濕，主要成分為粉質(zhì)粘土，為魚塘塘腳或河堤堤腳填方土，該層穿越場區(qū)內(nèi)所有鉆孔均有揭露，層厚1.00～1.80 m;

(2)淤泥質(zhì)土:軟塑—可塑，主要成分為淤泥質(zhì)及腐殖質(zhì)，局部含粉細(xì)砂薄層，底部粉細(xì)砂含量增多，干強度低等，韌性低等，無光澤反應(yīng)，揭露層厚8.0～9.50 m。

圖2 水道穿越平面圖

2．3 穿越方案選擇

由于該水道穿越軸線兩側(cè)距民房較近，且水道兩岸有村民通行的道路，不宜采用開挖穿越方式。對于非開挖穿越方式，若采用定向鉆方式穿越，相對于頂管穿越方式具有穿越長度長、工程投資大的特點。綜合以上因素，本水道穿越采用頂管穿越方式。根據(jù)該水道工程地質(zhì)條件，主要地層為淤泥地層，結(jié)合各種頂管施工工法的優(yōu)缺點分析，推薦采用氣壓平衡頂管穿越方式。頂管長度約88 m。

2．4 頂管施工技術(shù)措施

(1)據(jù)現(xiàn)場的實際情況，工作井設(shè)在水道的東側(cè)，接收井設(shè)在西側(cè)，頂管位置如圖3、圖4所示。

圖3 工作井、接收井穿越位置平面圖

圖4 頂管穿越縱斷面圖

(2)根據(jù)水道勘察地質(zhì)條件，頂管工作井、接收井采用沉井法施工，工作井采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在沉井制作過程中，要注意沉井的傾斜，當(dāng)土質(zhì)的承載力很差時，因后背的混凝土質(zhì)量比較重，容易出現(xiàn)傾倒，宜再分層進(jìn)行澆筑。沉井澆筑完成，混凝土強度必須達(dá)到70%后，方可下沉，沉井下沉穿過回填土，終止淤泥質(zhì)粘土之中，下沉?xí)r，注意土質(zhì)的變化，碰到流砂或流質(zhì)土?xí)r，要特殊處理，以免發(fā)生沉井突沉、傾覆事件。

(3)采用氣壓平衡頂管法施工時，當(dāng)頂管頂進(jìn)至水道范圍時，應(yīng)采用不出土方式(俗稱悶頂)，即關(guān)閉大小水密門，所有的操作人員退到工作井中，以保證人身的安全，在工作井進(jìn)行測量和糾偏，降低頂進(jìn)的速度，緩慢的頂?shù)揭?guī)定的地方。

(4)在頂管穿越水道過程中，最大的風(fēng)險在于水道出現(xiàn)滲水。施工中為防止?jié)B水出現(xiàn)，在水道中心段除了采取悶頂外，當(dāng)水道退潮時，在河道上先敷設(shè)一層彩條布，再增設(shè)砂袋進(jìn)行保護(hù)。如圖5所示。

(5)因頂管穿越軸線位于河涌中的距離較長，同時土質(zhì)條件比較差，因此增加管道穿越的深度和河床底部的自身承載力，保證套管均在原土層中通過，本工程河涌底最低處與套管管頂?shù)拈g距至少保證3 m。

圖5 水道覆土截面示意圖

3 結(jié)語

氣壓平衡頂管施工工法在油氣管道穿越廣東水網(wǎng)地區(qū)軟土地段施工過程中應(yīng)用取得了良好的效果，實踐證明，該法具有施工速度快，對水道、河涌影響小等特點。本工程的施工經(jīng)驗可為其它項目提供借鑒。然而由于氣壓平衡頂管有著特殊的施工要求，對地層要求嚴(yán)格，使用前應(yīng)認(rèn)真分析，要對施工中的各種工況進(jìn)行嚴(yán)格把控，使氣壓平衡頂管法得到更廣泛的應(yīng)用。

［1］ 鄧小濤，廖海華．頂管施工法在油氣管道穿越中的應(yīng)用［A］．中國石油天然氣管道工程有限公司．油氣儲運技術(shù)論文集(第9卷)［C］．北京:石油工業(yè)出版社，2013:408－410．

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［7］ GB 50423—2013，油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范［S］．

［8］ GB 50251—2003，輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范［S］．