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摘要：本文通过对中石化股份公司川气东管道工程项目中东笤溪穿越工程施工过程的出现的各种特殊情况的处理，总结了失败与成功的经验，尤其着重分析了河流顶管穿越透水事故的原因，失败的教训以及在安全管理方面成功的经验，对以后类似工程的施工提供借鉴作用。
关键词：河流 顶管 穿越透水
中图分类号： P343.1 文献标识码： A 文章编号：
概述
中石化股份公司川气东管道工程项目西起川东北普光首站，东至上海末站，是继西气东输管线之后又一条贯穿我国东西部地区的管道大动脉，途经四省两市，被列为国家“十一五”重点工程。
本项目东笤溪穿越位于湖州吴兴区与南浔区交界处。由于本地区环境条件、地质结构特殊，给穿越工程带来很大困难，方案经多次变化，还发生了顶管透水事件，前后历经近一年，成为川气东管道工程项目中除长江穿越的第二的瓶颈工程，最后终于通过定向钻的方法穿越成功。
施工过程
1环境情况
2．1．1地质概况：
东苕溪属于太湖苕溪水系，水深约0.8~5.3m。一般情况下，本区河网内的水体水流速度均较缓慢，流速在0.1~0.2m/s左右，据当地经验，多数河床无冲刷，属淤积型河流。据湖州市水文站提供的资料，东苕溪导流港的历年最高水位为4.18m（85国家高程，下同），最低水位0.36m。
根据勘察施工情况，将本场地钻探揭露深度范围内地层划分为6个工程地质层，现自上而下分层描述如下：
①层粉质粘土（Q42al+l）：灰黄色，可软塑，厚层状，局部含铁、锰质斑团块。稍有光泽，无摇振反应，干强度中等，韧性中等。该层除河床外其余穿越场地均有分布，层厚0.80～4.50m，层顶标高1.35～5.40m。
②层淤泥质粘土（Q42m）：灰色，流塑，厚层状，局部为淤泥。有光泽，无摇振反应，干强度高，韧性高。该层在穿越场地均有分布，层厚4.70～10.80m，层顶标高-3.85～3.10m。
③层粉质粘土（Q32al+l）：灰绿色、灰黄色，可硬塑，厚层状，局部含铁、锰质斑团块。稍有光泽，无摇振反应，干强度中等，韧性中等。该层局部分布，层厚0.60～3.30m，层顶标高-9.92～-6.10m。
④层含粘性土碎石（Q3dl+pl）（含碎石粉质粘土）：褐黄色，中密，厚层状，碎石径2～5cm为主，局部6～8cm，大者可达10cm以上，碎石含量60～70%，角砾含量10%左右，其余为粘性土充填；该层局部以硬塑含碎石粉质粘土或粉质粘土为主，土质不均一。该层在穿越场地均有分布，层厚1.80～9.60m，层顶标高-12.92～-6.82m。该层为坡洪积成因，物质组成变化较大，碎石多属凝灰岩类，硬度较高。
⑤层全风化粉砂岩（S3）：灰黄色，风化剧烈，矿物多风化蚀变，原岩结构清晰可见，手捏可呈土状。该层局部分布，层厚0.80～5.50m，层顶标高-15.95～-8.65m。
⑥层强风化砂岩（S3）：灰黄色，风化强烈，裂隙较发育，矿物多风化蚀变，岩芯呈碎块状及短柱状，互相敲击易碎。该层未钻穿，最大揭露厚度6.50m。
由于④层含粘性土碎石成份变化复杂，从而顶管施工过程中所遇到的该层土性质存在不确定性,含粘性土碎石层在顶管施工时钻进难度大，且易坍塌（伴有卵石）。
2．1．2河流通航情况：
东苕溪属浙北地区主要承运航道，常年通航。通航船只的最大承载吨位800吨，日通航流量千余艘，货运量达70万吨/日以上。
2．1．3周边环境
本工程周边乡村稠密，河塘、养殖塘林立。
2．2穿越方案比选
由于本工程周边环境复杂，给施工方案的选择到来很大困难：原设计方案为定向钻穿越，但直线穿越距离达1000米以上，因为乡村稠密，管道没有预制空间，即使有预制空间，这么长的穿越距离、如此复杂的地质条件，穿越风险非常大，此方案遂未被采用；最后决定采用管线绕道（养殖塘太多）、河流段采用泥水平衡顶管。
本处设计顶管穿越长度为232.5m，埋深按设计图纸砼套管底部绝对标高为-12.7m，穿越段套管顶距离河床最浅处埋深为6.7米。
由于本工程顶管管底标高为-12.7m，埋置较深，如采用一般钢筋砼沉井施工，会出现不利情况：由于沉井因接触面积增大而造成土的摩阻力增大，沉井难以下沉；由于该地区土质复杂，常出现淤泥质土、流砂土等，沉井下沉因沉井内外土压力差异较大会产生涌砂、流砂现象，对开挖下沉、封底施工极为不利，同时伴有沉井四周土方沉陷、松动，对周围环境、川气东送管道会负面影响；由于沉井井壁仅起着围护作用，难以承受因顶管所产生巨大顶力所需支撑作用点，会出现井壁开裂等。部结合以往的施工经验和有关同行专家的认证，采用钻孔灌注桩作围护、水泥搅拌桩作止水及钢支撑，也是当前较先进的深基坑围护措施，经本工程的实践证明安全、实用。
根据设计要求河流两侧各做沉井一座，河流东侧为始发井，西侧为接收井。始发井及接收井内净尺寸均为15m（平行管道方向）×7m（垂直管道方向），两座沉井均采用C25水下砼钻孔灌注桩方式制作。
在灌注桩钻孔过程中，又发现在地层中有粒径40㎝左右的坚硬块石(如图1)，会给泥
图1.灌注桩打井发现的块石
水平衡顶管带來很大困难，如果再换刀具或再改用盾构方式会极大地提高工程成本，同时满足不了川气东送工程总进度计划。最后决定采用人工开挖顶进的方式施工。由于顶管长度较长，预备了两套中继顶装置。为保证在透水情况下做出及时反应，在机头采用了防透水人工挡水装置。同时做好防透水及应急预案工作，同时，监理派专人加强现场旁站。
因顶管长度较长，设计使用两套中继顶装置。
2.3施工过程出现的问题及处理方法
2.3.1对勘测数据进行加密测量
在灌注桩钻孔过程中，发现地质情况情况与原测量数据有出入，为保障采取正确的施工方案及施工的顺利，决定对河道地质情况进行重新加密测量， 数据采集点由原来50米间距加密到25米进行“Z”字型测量，并力求数据准确。
2.3.2操作坑的支护
由于所处地带水位高、坑又较深（约15米），虽然已预想到，把灌注桩长度调整到31米，直径由0.6米加1.0米，并且采用临桩桩壁叠加10㎝防水，但还是由于水位高、土质流动性大，导致坑壁变形，向内侧挤压，为安全起见，采用30C工字钢进行两道环形支撑（如图2）。
图2.操作坑环形支撑图
2.4透水后的现场处理
经过近1个月的施工，鉴于施工环境的复杂性，为防止发生透水事件，采用每天对机头挡水板进行测试，并请上海隧道公司浦东分公司工程部的专家到现场予以指导，专家给予了建设性意见，包括在发生某些征兆时施工人员必须及时撤离。鉴于专家意见，现场配置了防护绳、防护网，并要求作业人员必须穿戴救生衣，并进行了演练。
在采取一系列措施的第6天，作业顶管长度110.8米时（已投入一套中继装置），（当时井下作业人员6人，井下主要作业设备风镐2把，空压泵3台，井上顶管人员7人，现场救生物品主要有救生圈2只，救生衣6件，安全网2片各50平方米，救生索4根，井上安全监护人员1人），井下施工人员发现土层出现轻微裂缝且裂缝处出现轻微渗水（专家给予建议），现场作业人员感觉情况异常，作业人员按照应急预案程序立即按顺序撤离。当机头内的3个施工人员最后一人钻出密封舱门时，机头内突然发生透水（挡水板未来得及人工操作），施工人员按照应急预案演练的程序立即按顺序撤离，由管道内安全逃离至井上安全地带，没有发生人员伤亡。4-5钟后始发井被河水淹没。
事故发生后，根据应急预案现场立即清点施工人员人数，切断现场施工用电，组织现场的施工人员暂时撤离事故现场。成立事故现场调查小组，在初步摸清现场状况后首先组织人员恢复现场的照明，对危险区域进行了安全隔离，做好事故现场水位标示，然后组织吊装机械将始发井边施工设备、管材等撤离施工现场，防止次生事故的发生。
顶管穿越失败原因分析、事故处理
3.1此地段为冲积平原，加上河流有可能改道，地层地质情况也不均匀，松软程度也不尽相同，所以透水强度不等。
3.2由于挡水板是人工操作，挡水装置在大压力作用下来不及及时关闭。
3.3由于顶管施工，已经扰动了管道周围的地质密度，为了保证河水不往外渗流，采用以下方法对未成功的顶管管道进行了如下处理：
①水鬼进入管道内部，将机头的挡水板关闭，分两次向管内、操作坑内注入系数约1.2倍数的混凝土，在低于地面约4米处用土回填。
②在管顶上面的斜堤打孔（直径10㎝），钻至管顶后注入水泥砂浆。
4．最后穿越方法
由于此次顶管作业的失败，此单项工程已成为除总体工程中长江穿越外的第二瓶颈工程，给整个工程总体计划的完成造成了极大的压力。最后与多方专家讨论，最后决定采用河流段短距离斜穿越（579米）。当然这种决定也存在着巨大的风险：一是由于穿越管段预制空间有限，二是由于地质条件的复杂，存在着定向钻穿越最大的障碍-----卵石层，如果泥浆护壁出现纰漏，产生塌孔，将前功尽弃，损失巨大，同时影响整个工程总进度计划。鉴于以上原因，最后请从国际上首家引进定向钻、有着丰富施工经验的施工单位进行施工。
从管理角度上也采取了一定的特别措施：
预制管段时，使用有丰富经验的焊工，保证焊口质量；
无损检测采用双百制（RT、UT），保证焊口检测质量；
穿越前成孔后管段打压至2.6MPa(原设计为10MPa)，采取“紧急放行”措施。
一次性穿越成功。大家松了一口气。
中石化股份公司川气东送管道工程是中石化有史以来管理建设的第一条长输管道，而浙沪段是在整个工程中典型的“水网”地段，在170公里路由里就经过大小河流180余条。俗话说“干山不干水”，水网地带的施工难度较大，再加上复杂的地理环境，原设计共有24条定向钻，最后变更到36条，增加了50%。东笤溪穿越是其中最为典型的难度单项工程。透水事件发生后，中石化总部的领导称之为“非玩笑事故”，事故未造成人員伤亡，对安全工作管理给予了高度肯定。
不过，此次事故也暴露了管理程序上的不足，如没有进行对工程进行全面评估，对操作井的侧压力没有充分的测算，对真个单项工程没有做全面的预算，造成参建单位与管理单位对事故造成的损失存在较大分歧。西气东输二线，在浙江境内施工时有类似工程管理案例，操作坑坍塌造成经济损失约900万元，但由于管理程序严谨，未发生经济纠纷。
结论
类似项目的穿越必须获得详细的地质情况，否则无法制定适宜的施工方案。
此类大型穿越项目，必须进行现场评估，做好设计、预算，以免失败时造成各方财务纠纷。
事故未造成人员伤亡，得益于对安全工作的高度重视，做好《应急方案》，并做到严格管理。
对定向钻施工过程的管理（包括紧急放行）是成功的。
本文作者：任爱国，男，1968年生人，高级工程师，硕士研究生（天津大学化学工程），曾任中石化川气东送管道工程浙沪段总监理工程师，现任中海油新能源公司管道主管。
关键词：河流 顶管 穿越透水
中图分类号： P343.1 文献标识码： A 文章编号：
概述
中石化股份公司川气东管道工程项目西起川东北普光首站，东至上海末站，是继西气东输管线之后又一条贯穿我国东西部地区的管道大动脉，途经四省两市，被列为国家“十一五”重点工程。
本项目东笤溪穿越位于湖州吴兴区与南浔区交界处。由于本地区环境条件、地质结构特殊，给穿越工程带来很大困难，方案经多次变化，还发生了顶管透水事件，前后历经近一年，成为川气东管道工程项目中除长江穿越的第二的瓶颈工程，最后终于通过定向钻的方法穿越成功。
施工过程
1环境情况
2．1．1地质概况：
东苕溪属于太湖苕溪水系，水深约0.8~5.3m。一般情况下，本区河网内的水体水流速度均较缓慢，流速在0.1~0.2m/s左右，据当地经验，多数河床无冲刷，属淤积型河流。据湖州市水文站提供的资料，东苕溪导流港的历年最高水位为4.18m（85国家高程，下同），最低水位0.36m。
根据勘察施工情况，将本场地钻探揭露深度范围内地层划分为6个工程地质层，现自上而下分层描述如下：
①层粉质粘土（Q42al+l）：灰黄色，可软塑，厚层状，局部含铁、锰质斑团块。稍有光泽，无摇振反应，干强度中等，韧性中等。该层除河床外其余穿越场地均有分布，层厚0.80～4.50m，层顶标高1.35～5.40m。
②层淤泥质粘土（Q42m）：灰色，流塑，厚层状，局部为淤泥。有光泽，无摇振反应，干强度高，韧性高。该层在穿越场地均有分布，层厚4.70～10.80m，层顶标高-3.85～3.10m。
③层粉质粘土（Q32al+l）：灰绿色、灰黄色，可硬塑，厚层状，局部含铁、锰质斑团块。稍有光泽，无摇振反应，干强度中等，韧性中等。该层局部分布，层厚0.60～3.30m，层顶标高-9.92～-6.10m。
④层含粘性土碎石（Q3dl+pl）（含碎石粉质粘土）：褐黄色，中密，厚层状，碎石径2～5cm为主，局部6～8cm，大者可达10cm以上，碎石含量60～70%，角砾含量10%左右，其余为粘性土充填；该层局部以硬塑含碎石粉质粘土或粉质粘土为主，土质不均一。该层在穿越场地均有分布，层厚1.80～9.60m，层顶标高-12.92～-6.82m。该层为坡洪积成因，物质组成变化较大，碎石多属凝灰岩类，硬度较高。
⑤层全风化粉砂岩（S3）：灰黄色，风化剧烈，矿物多风化蚀变，原岩结构清晰可见，手捏可呈土状。该层局部分布，层厚0.80～5.50m，层顶标高-15.95～-8.65m。
⑥层强风化砂岩（S3）：灰黄色，风化强烈，裂隙较发育，矿物多风化蚀变，岩芯呈碎块状及短柱状，互相敲击易碎。该层未钻穿，最大揭露厚度6.50m。
由于④层含粘性土碎石成份变化复杂，从而顶管施工过程中所遇到的该层土性质存在不确定性,含粘性土碎石层在顶管施工时钻进难度大，且易坍塌（伴有卵石）。
2．1．2河流通航情况：
东苕溪属浙北地区主要承运航道，常年通航。通航船只的最大承载吨位800吨，日通航流量千余艘，货运量达70万吨/日以上。
2．1．3周边环境
本工程周边乡村稠密，河塘、养殖塘林立。
2．2穿越方案比选
由于本工程周边环境复杂，给施工方案的选择到来很大困难：原设计方案为定向钻穿越，但直线穿越距离达1000米以上，因为乡村稠密，管道没有预制空间，即使有预制空间，这么长的穿越距离、如此复杂的地质条件，穿越风险非常大，此方案遂未被采用；最后决定采用管线绕道（养殖塘太多）、河流段采用泥水平衡顶管。
本处设计顶管穿越长度为232.5m，埋深按设计图纸砼套管底部绝对标高为-12.7m，穿越段套管顶距离河床最浅处埋深为6.7米。
由于本工程顶管管底标高为-12.7m，埋置较深，如采用一般钢筋砼沉井施工，会出现不利情况：由于沉井因接触面积增大而造成土的摩阻力增大，沉井难以下沉；由于该地区土质复杂，常出现淤泥质土、流砂土等，沉井下沉因沉井内外土压力差异较大会产生涌砂、流砂现象，对开挖下沉、封底施工极为不利，同时伴有沉井四周土方沉陷、松动，对周围环境、川气东送管道会负面影响；由于沉井井壁仅起着围护作用，难以承受因顶管所产生巨大顶力所需支撑作用点，会出现井壁开裂等。部结合以往的施工经验和有关同行专家的认证，采用钻孔灌注桩作围护、水泥搅拌桩作止水及钢支撑，也是当前较先进的深基坑围护措施，经本工程的实践证明安全、实用。
根据设计要求河流两侧各做沉井一座，河流东侧为始发井，西侧为接收井。始发井及接收井内净尺寸均为15m（平行管道方向）×7m（垂直管道方向），两座沉井均采用C25水下砼钻孔灌注桩方式制作。
在灌注桩钻孔过程中，又发现在地层中有粒径40㎝左右的坚硬块石(如图1)，会给泥
图1.灌注桩打井发现的块石
水平衡顶管带來很大困难，如果再换刀具或再改用盾构方式会极大地提高工程成本，同时满足不了川气东送工程总进度计划。最后决定采用人工开挖顶进的方式施工。由于顶管长度较长，预备了两套中继顶装置。为保证在透水情况下做出及时反应，在机头采用了防透水人工挡水装置。同时做好防透水及应急预案工作，同时，监理派专人加强现场旁站。
因顶管长度较长，设计使用两套中继顶装置。
2.3施工过程出现的问题及处理方法
2.3.1对勘测数据进行加密测量
在灌注桩钻孔过程中，发现地质情况情况与原测量数据有出入，为保障采取正确的施工方案及施工的顺利，决定对河道地质情况进行重新加密测量， 数据采集点由原来50米间距加密到25米进行“Z”字型测量，并力求数据准确。
2.3.2操作坑的支护
由于所处地带水位高、坑又较深（约15米），虽然已预想到，把灌注桩长度调整到31米，直径由0.6米加1.0米，并且采用临桩桩壁叠加10㎝防水，但还是由于水位高、土质流动性大，导致坑壁变形，向内侧挤压，为安全起见，采用30C工字钢进行两道环形支撑（如图2）。
图2.操作坑环形支撑图
2.4透水后的现场处理
经过近1个月的施工，鉴于施工环境的复杂性，为防止发生透水事件，采用每天对机头挡水板进行测试，并请上海隧道公司浦东分公司工程部的专家到现场予以指导，专家给予了建设性意见，包括在发生某些征兆时施工人员必须及时撤离。鉴于专家意见，现场配置了防护绳、防护网，并要求作业人员必须穿戴救生衣，并进行了演练。
在采取一系列措施的第6天，作业顶管长度110.8米时（已投入一套中继装置），（当时井下作业人员6人，井下主要作业设备风镐2把，空压泵3台，井上顶管人员7人，现场救生物品主要有救生圈2只，救生衣6件，安全网2片各50平方米，救生索4根，井上安全监护人员1人），井下施工人员发现土层出现轻微裂缝且裂缝处出现轻微渗水（专家给予建议），现场作业人员感觉情况异常，作业人员按照应急预案程序立即按顺序撤离。当机头内的3个施工人员最后一人钻出密封舱门时，机头内突然发生透水（挡水板未来得及人工操作），施工人员按照应急预案演练的程序立即按顺序撤离，由管道内安全逃离至井上安全地带，没有发生人员伤亡。4-5钟后始发井被河水淹没。
事故发生后，根据应急预案现场立即清点施工人员人数，切断现场施工用电，组织现场的施工人员暂时撤离事故现场。成立事故现场调查小组，在初步摸清现场状况后首先组织人员恢复现场的照明，对危险区域进行了安全隔离，做好事故现场水位标示，然后组织吊装机械将始发井边施工设备、管材等撤离施工现场，防止次生事故的发生。
顶管穿越失败原因分析、事故处理
3.1此地段为冲积平原，加上河流有可能改道，地层地质情况也不均匀，松软程度也不尽相同，所以透水强度不等。
3.2由于挡水板是人工操作，挡水装置在大压力作用下来不及及时关闭。
3.3由于顶管施工，已经扰动了管道周围的地质密度，为了保证河水不往外渗流，采用以下方法对未成功的顶管管道进行了如下处理：
①水鬼进入管道内部，将机头的挡水板关闭，分两次向管内、操作坑内注入系数约1.2倍数的混凝土，在低于地面约4米处用土回填。
②在管顶上面的斜堤打孔（直径10㎝），钻至管顶后注入水泥砂浆。
4．最后穿越方法
由于此次顶管作业的失败，此单项工程已成为除总体工程中长江穿越外的第二瓶颈工程，给整个工程总体计划的完成造成了极大的压力。最后与多方专家讨论，最后决定采用河流段短距离斜穿越（579米）。当然这种决定也存在着巨大的风险：一是由于穿越管段预制空间有限，二是由于地质条件的复杂，存在着定向钻穿越最大的障碍-----卵石层，如果泥浆护壁出现纰漏，产生塌孔，将前功尽弃，损失巨大，同时影响整个工程总进度计划。鉴于以上原因，最后请从国际上首家引进定向钻、有着丰富施工经验的施工单位进行施工。
从管理角度上也采取了一定的特别措施：
预制管段时，使用有丰富经验的焊工，保证焊口质量；
无损检测采用双百制（RT、UT），保证焊口检测质量；
穿越前成孔后管段打压至2.6MPa(原设计为10MPa)，采取“紧急放行”措施。
一次性穿越成功。大家松了一口气。
中石化股份公司川气东送管道工程是中石化有史以来管理建设的第一条长输管道，而浙沪段是在整个工程中典型的“水网”地段，在170公里路由里就经过大小河流180余条。俗话说“干山不干水”，水网地带的施工难度较大，再加上复杂的地理环境，原设计共有24条定向钻，最后变更到36条，增加了50%。东笤溪穿越是其中最为典型的难度单项工程。透水事件发生后，中石化总部的领导称之为“非玩笑事故”，事故未造成人員伤亡，对安全工作管理给予了高度肯定。
不过，此次事故也暴露了管理程序上的不足，如没有进行对工程进行全面评估，对操作井的侧压力没有充分的测算，对真个单项工程没有做全面的预算，造成参建单位与管理单位对事故造成的损失存在较大分歧。西气东输二线，在浙江境内施工时有类似工程管理案例，操作坑坍塌造成经济损失约900万元，但由于管理程序严谨，未发生经济纠纷。
结论
类似项目的穿越必须获得详细的地质情况，否则无法制定适宜的施工方案。
此类大型穿越项目，必须进行现场评估，做好设计、预算，以免失败时造成各方财务纠纷。
事故未造成人员伤亡，得益于对安全工作的高度重视，做好《应急方案》，并做到严格管理。
对定向钻施工过程的管理（包括紧急放行）是成功的。
本文作者：任爱国，男，1968年生人，高级工程师，硕士研究生（天津大学化学工程），曾任中石化川气东送管道工程浙沪段总监理工程师，现任中海油新能源公司管道主管。