天然气管道曲线式顶管穿越富春江

程梦鹏，李胜新，廖 萧，李 龙，姜 涛

1.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊 065000

2.中国石油天然气管道局第四工程分公司，河北廊坊 065000

天然气管道曲线式顶管穿越富春江

程梦鹏1，李胜新2，廖 萧2，李 龙2，姜 涛2

1.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊 065000

2.中国石油天然气管道局第四工程分公司，河北廊坊 065000

杭州天然气利用工程S16富阳支线4标段高压管道由北往南穿越富春江。由于富春江穿越工程地质条件复杂，两次定向钻穿越均未成功。经专家论证改用顶管穿越方案，顶管内径2.4 m，顶管全长653.32 m。为降低竖井深度，缩短工期，降低工程投资，该穿越设计超常规采用了大坡度的U型顶管曲线设计。在介绍了场地环境和水文地质条件的基础上，较详细地论述了顶管纵断面设计、顶管竖井设计、顶进管节形式等内容；而后概括性地阐述了顶管穿越地层的特点、顶管施工难点分析、顶管施工的主要机具配置与技术措施等关键技术内容。施工实践证明，工程采用的竖向曲线顶管方案与目前普遍采用的竖向水平顶管方案相比，始发井深度减小约30 m，接收井深度减小约20 m，直接降低两侧竖井的工程费用近千万元，缩短施工周期至少60 d。该工程采用超常规设计与施工方案，开创了国内岩石段大坡度竖向曲线顶管的先河，对今后类似的工程具有一定的借鉴意义。

天然气管道；顶管；曲线穿越；富春江

杭州天然气利用工程S16富阳支线4标段高压管道控制性工程，起点连接S16-3高压管道，由北往南穿越富春江，沿江南路穿越窄溪路、振兴路、江南路、高山路等，终点与桐庐高压天然气管道相连，总长约2.87km，管道规格DN610，设计压力4MPa。这条管道对于改善杭州市能源供给、控制大气污染物排放具有积极意义，由杭州天然气有限公司投资建设。

富春江穿越工程原设计采用定向钻穿越方案，穿越长度634 m，但因地质条件复杂，两次定向钻穿越均未成功。经专家论证改用顶管穿越方案，顶管内径2.4 m，顶管全长653.32 m，由中国石油天然气管道局第四分公司施工。施工单位于2014年12月进场，2015年7月13日该穿越顺利贯通。

1 场地环境和水文地质条件

工程区位于富春江畔，属富春江水系。富春江位于浙江省中部，为钱塘江桐庐至萧山闻家堰段的别称，长110 km，流贯浙江省桐庐、富阳两县。富春江由北支新安江和南支兰江在建德县梅城汇合而成。根据富春江芦茨埠站和1969年以后富春江电站的流量资料统计，多年平均径流总量为300.25亿m3，多年平均流量952 m3/s。

工程区域详细勘察中，勘探孔揭露的地层均为第四系地层，按地质时代、成因类型及工程特性可分为①、②、③、④、⑤、⑩ 等6个大层，细分为15个亚层。地基土各岩土层的层顶埋深、层顶高程、层厚及分布情况见表1，中风化砂岩强度见表2。

表1 地基各岩土层分布

表2 中风化砂岩强度

2 顶管穿越设计

由于定向钻穿越2次不成功，造成了整个工期的延误，为进一步降低S16工程延期的风险，顶管穿越基于下列原则进行了设计：设计方案安全可靠、施工风险可控、综合工期短、综合投资低[1]。

2.1 顶管纵断面设计

根据目前国内、外施工技术现状，顶管纵断面设计一般采用两端竖井与水平顶管结合的方式，其中水平顶管坡度多控制在0.5%～1%[2]。

根据规范要求，顶管上部所需覆土层的最小厚度应大于2倍顶管外径，且在设计洪水冲刷线下大于1.5倍外径，并符合隧道抗浮要求[2]。结合穿越断面河道设计洪水频率下的具体冲刷深度，确定河槽内顶管最低点内高程为-28.99 m，如按1%的坡度计算，则始发竖井深度宜为：H1=8.81-（-28.99）+320×1%+0.75=41.75（m）；接收竖井深度宜为：H2=11.76-（-28.99）-320×1% +0.75=38.3（m）。

上述设计方案，单侧竖井工期超过180 d，且工程费用较高，无论工期还是工程投资都远远超过了项目业主的承受能力。为降低竖井深度，缩短工期，降低工程投资，本设计超常规采用了大坡度的U型顶管曲线设计。

隧道穿越设计曲线处于同一平面内，纵向设计曲线始发段以10.5%坡度直线下行顶进80 m+以曲线半径R 4 300 m顶进272.7 m+以曲线半径R 1 200 m顶进222.3 m+以坡度14.53%上行顶进73.6 m直至与接收井贯通，见图1。隧道上方最大覆土层厚25.3 m，最小覆土层厚9.3 m，洪水冲刷深度以下最小覆土厚度5.4 m，最大水压0.4 MPa。始发竖井净深9.4 m，接收竖井净深17.3 m。

2.2 顶管竖井设计

（1）始发竖井。始发井位于北岸，为钢筋混凝土长方形结构（长11 m×宽10 m×深9.4 m），距离大堤195 m。采用不排水沉井法施工，见图2。混凝土抗压强度C30，抗渗等级P6。竖井穿越地层及厚度主要为：①杂填土1 m、②1粉质黏土2.8 m、③1淤泥质粉质黏土3.3 m、③2粉细砂0.4 m、③3中粗砂2.3 m。

图1 富春江顶管设计纵断面布置示意

图2 富春江顶管始发井外观

由于顶管机在中粗砂地层始发，透水风险大，因而采用地面高压注浆方式对竖井周边进行加固，桩间距1.0 m，桩深17 m。

（2）接收竖井。接收竖井为钢筋混凝土圆形结构（内径13.0 m，净深17.3 m），距离大堤48.5 m，采用不排水沉井法施工，见图3。混凝土抗压强度C30，抗渗等级P6。竖井经过的地层及厚度自上到下为：①杂填土2 m、②1粉质黏土3.8 m、③1淤泥质粉质黏土7.3 m、④粉质黏土4.1 m、⑤卵石5.6 m。

竖井与民房净距为16.2 m、与公路边坡净距为9.2 m、与窄溪大桥净距22.7 m。竖井下沉期间，沉降控制难度大。在施工中，项目部采用空气提升辅助水力机械+长臂伸缩挖掘机取土下沉，减少周围土体的沉降；设置沉降观测网，强化对周围建筑物的沉降监测；采取水下贯通，减少由于贯通引起的地面沉降。

顶管机在卵石层到达接收井，因卵石层透水性强，设备接收时易发生突水风险，顶管机到达前需对地层采取注浆改良、管井降水或淹水出洞等技术措施。本工程最后采用了淹水出洞的技术方案，避免了出洞段采取注浆改良的技术措施，缩短了施工工期，降低了工程费用。

图3 富春江顶管接收井外观

2.3 顶进管节形式

顶进管节为钢筋混凝土管，采用柔性接头C型钢承口，承插口钢板厚度10 mm，管节内径2.4 m、壁厚230 mm、长度2.5 m，抗压强度C50，抗渗等级P12。为减小顶进时的摩擦阻力，管节外侧通过涂刷石蜡来减阻。

设计采用的大坡度U型纵断面穿越设计方案，虽然降低了竖井深度，但也给隧道施工和运营期间的排水带来了一定的不便。顶管隧道防水不仅要满足施工防水要求，还要满足管道安装、日常运营检查的防水要求。因此为适应最高设计水压为0.4MPa的防水要求，采用了双道胶条三元乙丙橡胶密封圈密封的方案，见图4。

3 顶管施工

3.1 顶管穿越的地层

图4 富春江顶管管节及防水密封

富春江顶管穿越工程是目前国内已知的油气输送管道最为复杂的项目，也是国内首次采用大坡度纵向曲线顶管技术穿越江河。隧道平面轨迹为直线，隧道纵向曲线为锅底状，最大竖向坡度14.5%。顶管全程累计穿越粉质黏土56 m、粉细砂26 m、中粗砂18 m、砾砂36 m、卵石207 m、中风化砂岩305 m。其中卵石层的卵砾石含量高达到50%～70%，且个别卵石粒径大于130 mm。顶进地层中有两部分为上软下硬交界地层，也就是卵石与中风化砂岩交界、砾砂与中风化砂岩交界地层，顶进时极易出现掌子面坍塌、刀盘被卡问题，施工极为困难，见图5。

图5 富春江顶管穿越的复杂地层

3.2 顶管施工难点分析

本顶管施工阶段除了工期紧、投资受限等客观条件外，从工程地质、水文条件方面考虑，具有如下几大难点：

（1）顶管穿越地层复杂多变，对顶管掘进机设备适应性要求高。

（2）顶管接收穿越地层属强透水地层，顶管进出洞施工风险高。

（3）穿越中风化砂岩，且岩石中含有石英矿脉，岩石强度高，刀具磨损严重，中途需要换刀。

（4）顶管轴线离钻探孔较近，有两段穿越在岩石与卵砾石的交接界面，需要穿越50 m的卵石层，顶管施工润滑泥浆易漏失。

（5）最高水压达到0.4 MPa，施工止水难度大，带压更换刀具难度大。

（6）岩石层及其软硬交错地层的纵向曲线顶进、定位、转向、纠偏难度大。

（7）大坡度下行施工防排水风险高。

（8）顶管穿越地层最大覆土厚度34 m，最小覆土厚度7.5 m，减阻泥浆压力控制难度大。

上述8大难点集中体现在复杂地质的掘进，交接地层的进、出洞，有效顶力传递，破碎地层润滑泥浆套的有效性，曲线顶进的定位、纠偏，高水压刀具更换，大坡度施工等几个方面。为满足本工程的需要，进一步保障施工安全，施工单位组织国内相关专家及海瑞克公司专家召开专题会议，确定了项目施工方案，并对中继间和润滑基站的配置、设备配套设施等提出具体了要求。

3.3 顶管施工的主要机具配置与技术措施

（1）主体机具配置。采用德国海瑞克公司生产的泥水平衡式顶管机，设备额定功率1 200 kW，刀盘最大扭矩8 700 kN·m，设备最大顶力22 000 kN。

（2）复杂地层顶进用机具。顶管穿越了粉质黏土、粉细砂、中粗砂、砾砂、卵石、中风化砂岩，顶进中有卵石与中风化砂岩交界地层、砾砂与中风化砂岩交界地层，在顶进时极易出现掌子面坍塌、刀盘被卡问题，针对这种情况，采用了复合刀盘和复合刀具。

（3）交接地层进出洞用机具。如果顶管出洞处于粉质黏土、粉细砂交接层，则采用传统的深层搅拌桩进行固化处理；如果出洞段处于卵石层，若再采用传统的深层搅拌桩进行处理，则效果差、时间长。为节省工程工期，施工采用了竖井内灌水平衡水压的方案，在顶管完成并密封隧道后，将竖井内水排除，而后将顶管机吊装出井。

（4）大坡度出洞、进洞时的技术要求。本工程出洞坡度为10.5%（6.0°），洞门密封易泄漏，管节密封易变形，管节后退对密封损伤大；进洞坡度为14.5%（8.0°），顶管主机姿态不易调整，设备吊装角度不易控制，洞门密封防水要求高。因此在大坡度顶管施工时，要求以较高的精度控制设备顶进。

（5）中继站的布置。根据地质、水土压力、设计坡度、曲率半径等情况，通过顶力计算，确定本工程使用6套可拆卸中继站。中继站安装间距按图1从左到右的顺序依次为：60、90、90、90、90、90、140 m。各中继站的最大顶力按100%的设计顶力即7 000 kN控制。

（6）施工控向。本工程纵向设计曲线的第一次变坡段位于中风化砂岩，半径R=4 300 m，施工不易控向；第二次变坡段位于中风化砂岩与卵石交接地层，R=1 200 m，施工不易转弯。施工中通过采用陀螺仪导航，通过在顶管设备中设置控向油缸，通过采用自动控制为主的控向操作系统，实现了在复杂地质条件下均匀、低速的施工转向。

（7）刀具更换。本工程最低处水压0.4 MPa，穿越305 m中风化砂岩，砂岩中含有石英岩矿脉，硬度高，刀具磨损严重，施工中刀具更换难以避免。高压下顶管刀具更换应符合以下要求[2]：

第一，顶管设备中要有独立的调压仓。这是实现刀具水下更换必须具备的基本条件。

第二，机头迎面水压不宜大于0.35 MPa。对于这一要求，可以结合地质条件、纵断面布置、可能的施工期内水位变化情况，通过预设刀具更换地点（如预设在厚而稳定的岩层中），以避开高水压不稳定地层给更换刀具带来的风险；如果万不得已要在非稳定地层中更换刀具，则应先对更换点进行相应的地层加固。由于本工程工期紧，因此应充分利用中风化砂岩强度较高、稳定性好的特点，提前在其中预设刀具更换地点，而后在施工中不断检查刀具磨损情况，及时更换刀具。在实际操作中，结合刀具磨损检查情况，在0+320 m、0+430 m两处岩层进行了磨损刀具的更换。

第三，刀具更换必须要有一定的操作空间，一般不宜小于800 mm。对于这一要求，可通过人工开凿或顶管机头回缩来制造操作空间。由于在中风化硬岩、高压和有限作业时间条件下进行操作空间的人工开凿，作业效率极低，往往需要数周才能完成，同时工程又需要多次更换刀具，因而要求本工程必须采用具有刀盘整体回缩功能的顶管设备。

（8）泥浆控制的有效性。泥浆控制的有效性是顶管施工成功的保障。泥浆包含润滑泥浆和填充泥浆两种。润滑泥浆是降低顶管推力的有效手段，填充泥浆是保持地层和结构稳定性的保障。本工程顶进过程中连续穿越黏土层、砂层、卵石层和中风化砂岩，在不同地层中泥浆的作用、性能也不相同。在黏土层，泥浆黏度不宜太高，否则容易造成裹刀；在砂层、卵石层，泥浆除了起润滑作用外，还要填充外部的超挖空间，以保持地层稳定；在中风化岩石段，泥浆的主要作用是润滑；而在岩石与砾砂、卵石交接地层，泥浆的润滑作用和稳定上部地层的作用将更加突出。由于受现场条件限制，顶管轴线平面布置设计靠近ZK04、ZK05、ZK07、ZK08等水下地质钻孔处，其中ZK04位于岩石与砾砂交接区，ZK05、ZK07位于中风化砂岩区，ZK08位于岩石与卵石交接区。如果这些地质钻孔封孔不严，将导致穿越掌子面与江水相通，容易造成泥浆的大量流失，从而导致管节润滑失效和穿越不稳定地层时发生地层坍塌，造成顶进力增大或出现抱管现象等，因此在施工中保持泥浆连续与有效润滑、土体稳定至关重要。通过技术调研，结合工程实际情况，施工中采用了计算机自动控制注浆系统，根据各个顶管部位的泥浆压力自动补充注浆，达到了良好的润滑和稳定地层的效果。

4 结束语

本工程采用的竖向曲线顶管方案，与目前普遍采用的竖向水平顶管方案相比，始发井深度减小约30 m，接收井深度减小约20 m，直接降低两侧竖井的工程费用近千万元，缩短施工周期至少60 d。该工程在工期及经费受限的条件下，采用超常规设计与施工方案，顺利完成了顶管工程的施工，不仅满足了业主的工期要求，同时开创了国内岩石段大坡度竖向曲线顶管的先河，对今后类似的工程具有一定的借鉴意义。

[1]GB 50423-2013，油气输送管道穿越工程设计规范[S].

[2]SY/T7022-2014，油气输送管道水域顶管法隧道设计规范[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，Fuyang 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

程梦鹏（1966-），男，山东安丘人，高级工程师，1994年毕业于西安公路学院桥梁与隧道专业，现从事管道应用技术研究与标准制订工作。Email：296365278@qq.com

2016-07-21