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【摘要】本文简述泥水平衡盾构机顶管技术在榆林——济南输气管穿越施工中的应用。该技术的成功应用，避免了传统顶管施工可能发生路面塌陷和作业人员洞中施工存在的安全隐患。
【关键词】泥水平衡；盾构机；顶管穿越；路面塌陷；钢套管
Slurry shield machine technology in the elm top tube —— economic gas pipeline through the Construction
Tan Li-jun
(The Jiangsu petroleum investigate to explore the bureau oil-field construction placeJiangduJiangsu225261)
【Abstract】This paper outlines the top tube Slurry shield machine technology in Yulin - Jinan pipeline construction through the application. The successful application of technology to avoid the traditional pipe jacking and possible collapse operators cave road construction security risks exist.
【Key words】Slurry;Shield;Across the top tube;Road collapse;Steel casing
1.前言
榆林——济南输气管道西起陕西省榆林市，东至山东省济南市，线路全长1045公里，设计年输气量30亿方。江苏油建负责施工的榆林——济南输气管道十九标段，位于山东省聊城境内，主管线610mm，材质X60，设计压力8MPa，管道途经茌平县段为平原地貌，区段内地形平坦，地貌单一。地质结构以第四系冲洪淤积成因粉土、粉质粘土组成。聊城有“江北水城”的美誉，地下水水位高，水量丰富。线路上共有顶管穿越公路20处，其中难度较大的是6条总长422m的省国道顶管穿越。长距离顶管穿越如果采用传统的先掏后顶的施工方法，一方面可能发生路面塌陷导致交通受阻，另一方面无法保证顶管施工人员的安全。十九标段长距离顶管采用泥水平衡盾构机顶管技术，顺利完成穿越任务。
2.工艺原理
泥水式盾构机是通过有一定压力的泥浆来支撑稳固开挖面；由旋转刀盘、悬臂刀头或水力射流等进行土体切削；切削下来的土料与泥水混合以泥水状态由泥浆泵进行输运。
泥水式盾构机施工时稳定开挖面的机理为：以泥水压力来抵抗开挖面的土压力和水压力以保持开挖面的稳定，同时，控制开挖面变形和地基沉降；在开挖面形成弱透水性泥膜，保持泥水压力有效作用于开挖面。
在开挖面，随着加压后的泥水不断渗入土体，泥水中的砂土颗粒填入土体孔隙中，可形成渗透系数非常小的泥膜（膨润土悬浮液支撑时形成一滤饼层）。而且，由于泥膜形成后减小了开挖面的压力损失，泥水压力可有效地作用于开挖面，从而可防止开挖面的变形和崩塌，并确保开挖面的稳定。
3. 施工总体技术方案
依据管线走向，确定操作坑和接收坑位置；在操作坑周围安装井点降水装置；操作坑开挖以后，进行坑内集水坑排水；坑底铺设碎石，以便安装顶管轨道、顶管设备、盾构机和钢套管等，连接泥浆管道，并启动调试各设备，使其运转正常；正式开始顶管作业，直至钢套管全部贯通。
在平地进行管道预制，完成组对、焊接、检测、防腐、试压等作业，利用起重设备和滑动小车完成主管线穿越。
4. 施工工艺流程
井点降水→操作坑开挖→操作坑防护→设备安装→顶管→主管道穿越→阴保、光缆施工→钢套管口封堵→地面恢复
5. 施工操作要点
5.1井点降水。
由于地下水位高，且地质为流砂，为保证操作坑深度和质量，在操作坑开挖前先进行井点降水，井点均布在操作坑外围，井点数量和深度根据操作坑深度而定。
5.2操作坑开挖。
井点降水达到要求深度后，开始开挖顶管操作坑和接收坑，为了人身安全及正常施工，特做坑护璧及采取降水措施。并在坑底加30cm碎石垫层，同时在作业坑坡道对侧开挖深度为0.5m的积水坑，施工期间用潜水泵降水。
5.3设备安装
在井点降水、操作坑护坡、地面防护等措施完工后，开始安装盾构机、泥浆泵、油压千斤顶等设备并调试。
5.4顶管作业。
（1）钢套管按设计图采用914×14.3mm，材质为L320螺旋缝埋弧焊钢管。
（2）用油压千斤顶将钢管逐节顶进，每节12m，作业中应随时测量顶进方向与穿越轴线和设计穿越坡度是否一致，轴线偏差不得大于鉆进长度的1%.第一根管顶进方向要加以控制。顶进前先检查顶铁安装是否平直，以防顶进时产生偏心荷载(见图1)。
（3）顶进的同时，启动泥浆泵，盾构机。切削下来的土料与泥水混合以泥水状态由泥浆泵进行输运。
图1泥水平衡顶管施工现场
5.5穿越管的预制。
（1）根据顶管进度适时进行穿越段预制。
（2）预制完成后按设计要求进行无损检测、水压强度和严密性试验以及清管。
（3）试压合格后，进行补口补伤、安装牺牲阳极和管道绝缘支架等附件。
（4）光缆穿套保护管，与主管道绑扎固定，一同穿越。
5.6穿管。
（1）穿越段预制完成后，开挖临时管沟，管沟断面尺寸同直线段管沟。
（2）将预制管段吊入管沟，并将其端部送入钢套管内后，架在滑动托管小车上，用挖机吊管向前送管。
5.7回填及地貌恢复。
主管和光缆套管穿越后，按设计要求进行封堵，待穿越段与直线段连头完，以及光缆和阴保施工完，再回填管沟、施工作业坑，并恢复地貌。
6. 需要重视的关键点
6.1泥浆池设置。
可在靠近工作井边，这样可以减少因排泥管路过长而产生管路摩擦阻力。可并联设置泥浆池。
6.2顶管后靠及机座安装。
首先按设计要求确定管道轴线，再确定安放后靠背的位置与方向，后靠背应距离井壁100mm～200mm，尽量保证后靠背的中心在管道轴线的延长线上。后靠背的方向与管道轴线垂直，左右方向确定后就可将两侧固定，然后用线坠调整前垂度，最后根据实际情况用混凝土填塞井壁与后靠背之间的间隙。
6.3钢套管管节连接质量控制。
管节与盾构机机头、管节与管节之间均采用焊接连接牢固，需确保其组对和焊接的质量，以确保同轴度。这样，一能防止顶管机与管材脱节并使顶进方向稳定，二能加强顶管前端的整体性并减轻顶管机的下沉趋势。
6.4顶进轴线的控制。
由于粘土和流沙层不稳定，顶进时遵循“勤测勤纠缓纠”的原则进行纠偏；且高程纠偏优先于方向纠偏。顶进过程中停机时间过久可能导致顶进方向偏差增大，要严格控制机头前进方向，及时进行姿态测量，并及时纠偏，纠偏量应按微量原则进行操作。
6.5注浆控制。
注浆是决定泥水平衡顶管施工的关键因素。注浆设备和管路必须可靠，须具有足够的耐压和良好的密封性能。可在注浆孔中设置一个单向阀，使浆液管外的土不能倒灌，从而防止堵塞注浆孔，以免影响注浆效果。压浆方式要以同步注浆为主，补浆为辅。在顶进过程中，要经常检查各个推进段的浆液形成情况。
7. 结束语
采用泥水平衡技术进行顶管施工是江苏油田施工历史上的第一次。经过全体项目人员的共同努力，向业主交出了一份满意的答卷。
榆林——济南输气管道工程十九标段，成功的应用泥水平衡技术，有效解决了传统顶管施工存在的诸多问题。这种工艺具有明显的“安全、节省”优势。采用此技术，江苏油建顺利完成了聊城地区6条422m长距离省、国道顶管穿越，有效保证了施工的进度和质量，没有发生各类安全事故。
综上所述，该技术在长输管道的长距离顶管施工中有广泛的应用前景，特别适用于地下水位高，土质为流砂地区的顶管穿越作业，同时也适用于软土、淤泥地层的顶管穿越作业（泥水平衡顶管施工现场见图1）。
［文章编号］1006-7619（2011）12-12-237
［作者简介］ 谭利军（1981-），男，籍贯：湖南隆回县人，职称：专业工程师，2004年毕业于江苏工业学院过程装备与控制工程，现从事石油建设工程技术管理工作。
【关键词】泥水平衡；盾构机；顶管穿越；路面塌陷；钢套管
Slurry shield machine technology in the elm top tube —— economic gas pipeline through the Construction
Tan Li-jun
(The Jiangsu petroleum investigate to explore the bureau oil-field construction placeJiangduJiangsu225261)
【Abstract】This paper outlines the top tube Slurry shield machine technology in Yulin - Jinan pipeline construction through the application. The successful application of technology to avoid the traditional pipe jacking and possible collapse operators cave road construction security risks exist.
【Key words】Slurry;Shield;Across the top tube;Road collapse;Steel casing
1.前言
榆林——济南输气管道西起陕西省榆林市，东至山东省济南市，线路全长1045公里，设计年输气量30亿方。江苏油建负责施工的榆林——济南输气管道十九标段，位于山东省聊城境内，主管线610mm，材质X60，设计压力8MPa，管道途经茌平县段为平原地貌，区段内地形平坦，地貌单一。地质结构以第四系冲洪淤积成因粉土、粉质粘土组成。聊城有“江北水城”的美誉，地下水水位高，水量丰富。线路上共有顶管穿越公路20处，其中难度较大的是6条总长422m的省国道顶管穿越。长距离顶管穿越如果采用传统的先掏后顶的施工方法，一方面可能发生路面塌陷导致交通受阻，另一方面无法保证顶管施工人员的安全。十九标段长距离顶管采用泥水平衡盾构机顶管技术，顺利完成穿越任务。
2.工艺原理
泥水式盾构机是通过有一定压力的泥浆来支撑稳固开挖面；由旋转刀盘、悬臂刀头或水力射流等进行土体切削；切削下来的土料与泥水混合以泥水状态由泥浆泵进行输运。
泥水式盾构机施工时稳定开挖面的机理为：以泥水压力来抵抗开挖面的土压力和水压力以保持开挖面的稳定，同时，控制开挖面变形和地基沉降；在开挖面形成弱透水性泥膜，保持泥水压力有效作用于开挖面。
在开挖面，随着加压后的泥水不断渗入土体，泥水中的砂土颗粒填入土体孔隙中，可形成渗透系数非常小的泥膜（膨润土悬浮液支撑时形成一滤饼层）。而且，由于泥膜形成后减小了开挖面的压力损失，泥水压力可有效地作用于开挖面，从而可防止开挖面的变形和崩塌，并确保开挖面的稳定。
3. 施工总体技术方案
依据管线走向，确定操作坑和接收坑位置；在操作坑周围安装井点降水装置；操作坑开挖以后，进行坑内集水坑排水；坑底铺设碎石，以便安装顶管轨道、顶管设备、盾构机和钢套管等，连接泥浆管道，并启动调试各设备，使其运转正常；正式开始顶管作业，直至钢套管全部贯通。
在平地进行管道预制，完成组对、焊接、检测、防腐、试压等作业，利用起重设备和滑动小车完成主管线穿越。
4. 施工工艺流程
井点降水→操作坑开挖→操作坑防护→设备安装→顶管→主管道穿越→阴保、光缆施工→钢套管口封堵→地面恢复
5. 施工操作要点
5.1井点降水。
由于地下水位高，且地质为流砂，为保证操作坑深度和质量，在操作坑开挖前先进行井点降水，井点均布在操作坑外围，井点数量和深度根据操作坑深度而定。
5.2操作坑开挖。
井点降水达到要求深度后，开始开挖顶管操作坑和接收坑，为了人身安全及正常施工，特做坑护璧及采取降水措施。并在坑底加30cm碎石垫层，同时在作业坑坡道对侧开挖深度为0.5m的积水坑，施工期间用潜水泵降水。
5.3设备安装
在井点降水、操作坑护坡、地面防护等措施完工后，开始安装盾构机、泥浆泵、油压千斤顶等设备并调试。
5.4顶管作业。
（1）钢套管按设计图采用914×14.3mm，材质为L320螺旋缝埋弧焊钢管。
（2）用油压千斤顶将钢管逐节顶进，每节12m，作业中应随时测量顶进方向与穿越轴线和设计穿越坡度是否一致，轴线偏差不得大于鉆进长度的1%.第一根管顶进方向要加以控制。顶进前先检查顶铁安装是否平直，以防顶进时产生偏心荷载(见图1)。
（3）顶进的同时，启动泥浆泵，盾构机。切削下来的土料与泥水混合以泥水状态由泥浆泵进行输运。
图1泥水平衡顶管施工现场
5.5穿越管的预制。
（1）根据顶管进度适时进行穿越段预制。
（2）预制完成后按设计要求进行无损检测、水压强度和严密性试验以及清管。
（3）试压合格后，进行补口补伤、安装牺牲阳极和管道绝缘支架等附件。
（4）光缆穿套保护管，与主管道绑扎固定，一同穿越。
5.6穿管。
（1）穿越段预制完成后，开挖临时管沟，管沟断面尺寸同直线段管沟。
（2）将预制管段吊入管沟，并将其端部送入钢套管内后，架在滑动托管小车上，用挖机吊管向前送管。
5.7回填及地貌恢复。
主管和光缆套管穿越后，按设计要求进行封堵，待穿越段与直线段连头完，以及光缆和阴保施工完，再回填管沟、施工作业坑，并恢复地貌。
6. 需要重视的关键点
6.1泥浆池设置。
可在靠近工作井边，这样可以减少因排泥管路过长而产生管路摩擦阻力。可并联设置泥浆池。
6.2顶管后靠及机座安装。
首先按设计要求确定管道轴线，再确定安放后靠背的位置与方向，后靠背应距离井壁100mm～200mm，尽量保证后靠背的中心在管道轴线的延长线上。后靠背的方向与管道轴线垂直，左右方向确定后就可将两侧固定，然后用线坠调整前垂度，最后根据实际情况用混凝土填塞井壁与后靠背之间的间隙。
6.3钢套管管节连接质量控制。
管节与盾构机机头、管节与管节之间均采用焊接连接牢固，需确保其组对和焊接的质量，以确保同轴度。这样，一能防止顶管机与管材脱节并使顶进方向稳定，二能加强顶管前端的整体性并减轻顶管机的下沉趋势。
6.4顶进轴线的控制。
由于粘土和流沙层不稳定，顶进时遵循“勤测勤纠缓纠”的原则进行纠偏；且高程纠偏优先于方向纠偏。顶进过程中停机时间过久可能导致顶进方向偏差增大，要严格控制机头前进方向，及时进行姿态测量，并及时纠偏，纠偏量应按微量原则进行操作。
6.5注浆控制。
注浆是决定泥水平衡顶管施工的关键因素。注浆设备和管路必须可靠，须具有足够的耐压和良好的密封性能。可在注浆孔中设置一个单向阀，使浆液管外的土不能倒灌，从而防止堵塞注浆孔，以免影响注浆效果。压浆方式要以同步注浆为主，补浆为辅。在顶进过程中，要经常检查各个推进段的浆液形成情况。
7. 结束语
采用泥水平衡技术进行顶管施工是江苏油田施工历史上的第一次。经过全体项目人员的共同努力，向业主交出了一份满意的答卷。
榆林——济南输气管道工程十九标段，成功的应用泥水平衡技术，有效解决了传统顶管施工存在的诸多问题。这种工艺具有明显的“安全、节省”优势。采用此技术，江苏油建顺利完成了聊城地区6条422m长距离省、国道顶管穿越，有效保证了施工的进度和质量，没有发生各类安全事故。
综上所述，该技术在长输管道的长距离顶管施工中有广泛的应用前景，特别适用于地下水位高，土质为流砂地区的顶管穿越作业，同时也适用于软土、淤泥地层的顶管穿越作业（泥水平衡顶管施工现场见图1）。
［文章编号］1006-7619（2011）12-12-237
［作者简介］ 谭利军（1981-），男，籍贯：湖南隆回县人，职称：专业工程师，2004年毕业于江苏工业学院过程装备与控制工程，现从事石油建设工程技术管理工作。