顶管隧道穿越技术在大型油气管道穿越工程中的具体应用 一 顶管机设备二 顶管在油气管道工程中的应用设计三 顶管施工四 顶管案例 机械顶管掘进是通过竖井内的顶进系统推动混凝土管向端部的掘进提供推力 端部掘进采用机械动力驱动刀盘旋转 通过控制掘进速度和排碴量达到同地层压力动态平衡 顶管施工的最大特点是全断面的混凝土管顶进 不同于盾构环片的接力式顶进 故一般将顶管施工的断面尺寸定为3米以下 顶管施工以顶进混凝土管形成隧道 借助于中继间 顶进距离可以达到600米以上 4 管道顶管装备种类众多 都有各种独特的技术优势和适用性 目前 市场上应用比较广泛的管道顶管装备主要有手掘式顶管机 土压平衡顶管机和泥水平衡顶管机三种类型 5 国内外顶管设备现状截止到2011年 我国顶管机保有量约1400台 其中90 为国产顶管机 泥水平衡顶管机头 土压平衡顶管机头 7 国内外顶管设备现状 扬州广鑫NPD2200泥水平衡顶管机镇江安达适用于巨卵石 岩石的YD系列泥水平衡顶管掘进机 8 国内外顶管设备现状 日本拉萨DH型岩石泥水平衡顶管机海瑞克AVND泥水平衡顶管掘进机 适于岩石 伊势机TSC岩石型泥水平衡顶管机 一 顶管机设备二 顶管在油气管道工程中的应用设计三 顶管施工四 顶管案例 两者的推动前进的施工方法不同 盾构施工适应更复杂的地质条件 主要应用于 海峡等的穿越 顶管穿越的长度比盾构短 工期也短 顶管的口径要比盾构小 顶管施工技术比盾构简单 施工造价低于盾构施工 顶管组焊在洞口 盾构组焊在隧道内 顶管与盾构的比较 特点施工隐蔽性好 不影响自然环境和河流通航不受河道 潮汐和气候等自然条件影响适应岩石 粘土 粉细砂等各种地层 卵石 流砂等其他方法难以实现穿越的地层提供口径大 可铺设多条管道方便维护 顶管穿越选址宜符合下列要求 应避开岩溶发育地段 应避开断层破碎带 当必须穿过时 宜垂直或大角度穿越 应避开地下障碍物 顶管与港口 大型码头的水平投影距离不宜小于200m 与公 铁 路顶管等水下建筑物或引水建筑物的水平投影距离不宜小于100m 与其它并行的管道穿越应保持静距10m以上 井 洞 口结构外边缘距河流一级 二级堤坝坡脚的水平距离不宜小于60m 距离其他等级的堤坝水平距离不宜小于30m 并符合水利主管部门的要求 应有利于场地布置 排水 出渣和运输 顶管穿越分级及分类 顶管穿越应避开下列地层 土体的地基承载力特征值fak小于30kPa 岩石单轴饱和抗压强度Rc大于60MPa 土层中卵砾石含量大于30 或粒径大于200mm的块石含量大于5 含有岩溶 含岩脉 球状风化体等 软 硬变化明显的交界面 顶管设计要点 顶管工艺的选择 应根据穿越层位岩土性质 管径 地下水位 周边地上与地下建筑物 构筑物和各种设施等因素比较后确定 顶管内直径可根据穿越管道直径与穿越长度综合确定 单管布置时 套管内直径应大于工作管道外直径1m 多管布置时 工作管道边与边间距不宜小于0 5m 工作管道边离顶管内壁的最近距离不宜小于0 35m 顶管设计要点 套管上部所需覆土层的最小厚度 应根据工程地质 水文地质条件 设备类型因素确定 最小埋深应大于2倍顶管外径 大于冲刷线下1 5倍顶管外径 并满足顶管抗漂浮要求 对于冲淤变化大 砂土液化 挖砂取石 船舶抛锚地段的顶管 应适当增大埋深 互相平行的顶管水平净距应根据土层性质 管道直径和管道埋置深度等因素确定 不宜小于2倍的顶管外径 顶管与已建管道 光缆等空间交叉时 净间距不宜小于1倍顶管外径 且不应小于3m 顶管底与建筑物基础底面相平时 两者净距不宜小于2倍顶管外径并不小于4m 顶管结构上的作用 应按其性质分为永久作用 可变作用和偶然作用三类 永久作用 包括顶管结构自重 土压力 竖向和侧向 结构内水重 充水型顶管 内部荷载 顶管内输气管道重 工作管道内介质重 顶管管道内工作管道安装构件重等 地基不均匀沉降 顶管轴向偏差引起的纵向作用 可变作用 包括地面堆积荷载 地面车辆荷载 地面人群荷载 地表水或地下水作用 顶力作用 偶然作用 系指在使用期间不一定出现 但发生时其值很大且持续时间较短 例如地震作用 河道清淤或船舶抛锚 附近施工的影响等可能存在的对管道的影响 应根据工程实际情况确定需要计入的偶然发生的作用 顶管管道结构设计应计算下列两种极限状态 承载能力极限状态 顶管结构纵向超过最大顶力破坏 管壁因材料强度被超过而破坏 柔性管道管壁截面丧失稳定 管道的管段接头因顶力超过材料强度破坏 正常使用极限状态 柔性管道的竖向变形超过规定限值 钢筋混凝土管到裂缝宽度超过规定限值 竖井位置的选择应符合下列规定 竖井位置宜选择在50m范围内无架空线路 30m范围内无建 构 筑物 且不因竖井施工而影响周围建 构 筑物基础稳定的地方 竖井位置宜选在非内涝低洼区 非汇水区 地质构造简单 地层单一 地层岩性条件好的区域 应避开较厚表土层 流沙层 地下水发育且透水性强的地层 岩溶 断层破碎带 煤层和采空区等不良地层 应避开滑坡 崩塌体 泥石流 活动断层等地质灾害发育的区域 水域穿越顶管竖井井口应高出与穿越工程等级相应的设计洪水频率的水位0 5m 对于拟建在地震区 冻土地区 湿陷性黄土地区及膨胀土地区的竖井工程 应符合国家现行有关标准的规定 进洞口 竖井 一 顶管机设备二 顶管在油气管道工程中的应用设计三 顶管施工四 顶管案例 竖井施工方法 沉井法 即在进行沉井施工之前 先进行套井施工 在做好的套井内部 进行沉井井壁制作 沉井井壁一般高出地面 下为刃脚 施工过程中 通过对竖井内土体的开挖 靠井壁自身重力 使竖井下沉 当井壁下沉至上部与地面相平时 停止开挖 继续进行井壁制作 待井壁达到设计强度后 继续进行沉井施工 沉井井壁 沉井开挖下沉 地下连续墙法 即将竖井井壁在周长方向分成若干段 采用液压抓斗对每一个槽段进行开挖和水下混凝土浇注 最终完成竖井周长方向每一个槽段井壁的制作 形成一个整体的地下墙 盾构竖井一般还需在连续墙中间开挖暴露出来后 进行内衬制作 确保竖井井壁的观感质量 并防止井壁漏水 地下连续墙的内衬制作 地下连续墙竖井 地下连续墙的槽段施工 明挖衬砌法 就是在地面做好锁口盘 然后在井口中心向下明挖 在暴露的地层内侧进行竖井井壁制作 这种施工方法 在地质条件很好的情况下才可采用 如果地质条件不好 则需对井壁外侧区域的地质进行改良 明挖衬砌法竖井施工 明挖衬砌法施工完的竖井 竖井开挖 竖井临时支撑及封底 竖井挖土 完成的竖井 管道预留孔 管道安装 竖井内管道安装 竖井内管道形式 洞门处理 始发井洞门 洞门水密封翻板 顶管机始发 顶管机出洞 顶管机出洞 人工出土顶管 顶管出洞 管道安装 完成的顶管隧道 竖井内设备拆除 管道安装 管道组焊 弯头安装 中继间 长距离曲线顶管 中继间 长距离曲线顶管 32 国内外顶管施工技术发展与应用现状 33 国内外顶管施工技术发展与应用现状国外顶管技术发展较先进的国家主要有美国 德国 日本 英国等 应用这些国家的顶管机及施工技术 已经在中国 中国香港 印度 法国 阿联酋 德国等完成了大量的长距离岩石顶管工程和滩海顶管工程 图2002年西气东输黄河顶管工程 1800钢管1175m 1166m 1259m 3段 34 国内外顶管施工技术发展与应用现状 德国陆 海顶管工程顶进直径为3m天然气混凝土套管 长度2535米地质 砂层 粘土 硬土等 一 顶管机设备二 顶管在油气管道工程中的应用设计三 顶管施工四 顶管案例 36 西二线江河岩石顶管穿越工程西二线共有37处河流穿越采用顶管隧道方案 其中干线6处 5处岩石顶管 支干线31处 6处岩石顶管 隧道内径均为 2200mm 37 西气东输黄河顶管施工土质情况 粘土层 中砂层 砾石层地下水压 0 23MPa 管材 1800钢管顶进距离 1175m 1166m 1259m 3段 施工单位 中铁十六局 DH 1500顶管机 38 西气东输黄河顶管施工成功原因分析 1 软土地层 地质相对简单 顶管机选型正确 选用两台日本RASA公司生产的DH 1500砾石型泥水平衡顶管机和一台DT 1500泥水平衡顶管机 在实际施工中 根据3个区间的地质情况 分别采用了3种形式的刀盘 顶进都非常顺利 证明这3种刀盘设计对各区间的地质情况都是适应的 2 采用BIOS超强润滑材料润滑 这种材料由一种高分子吸水材料制成 吸水量极大 吸水后会膨胀数百倍 在管子周围产生类似于轴承的效果 大大降低顶进阻力 3 科学组织和细致的工程管理等 39 新加坡市政岩石顶管施工顶管机 泥水平衡顶管机土质情况 岩石管材 2200水泥管顶进距离 约300米施工中出现的问题和原因分析 1 顶进100米 遇断裂带 水泥管被脱落的岩石卡裂 凿除更换后继续顶进 2 顶进200米 顶管机边刀磨损严重 无法顶进 挖出 工程宣告失败 图新加坡市政岩石顶管工程示意图 40 国内外顶管设备与施工技术差距分析 41 国内外顶管设备与施工技术差距分析 图自动注浆孔和注浆减摩效果图 图 泥水 气垫 混合式平衡技术及效果曲线 42 顶管成败关键因素分析为保证顶管工程的成功 要认真 负责地对待每一个环节 决定顶管成败的最关键因素是设计 施工和施工管理三个方面 1 设计 设计要紧密结合国内外顶管设备水平和施工能力优化顶管设计方案a 合理划分盾构 水平定向钻和顶管穿越的适用长度及适用地层 43 顶管成败关键因素分析 1 设计 优化顶管设计方案b 研究制订针对复杂地层河流穿越的地堪和设计规范 c 研究提高岩石顶进工效的方法 如对顶 对穿等措施 设计要提出施工风险和预防措施 加强地质勘察 44 顶管成败关键因素分析 2 施工 针对地质 加强顶管机选型工作 a 针对地质情况 选用合理的泥水平衡顶管机 b 同样是岩石泥水平衡顶管机 刀盘形式 开口率 刀具形式和布置存在差异 适用的地质也不同 c 顶管机要带高压仓 要具备背后换刀功能 遂川江顶管工程泥水平衡顶管机海瑞克泥水平衡顶管机 45 顶管成败关键因素分析刀盘选型 刀具优化布置和换刀 尽可能建立起刀盘形式和适应地质的对应关系 憋刀 卡刀等顶管突发事故处理 应总结工程经验 制订处理预案 日本RASA顶管机刀盘 地质对应图海瑞克顶管机刀盘 地质对应图 46 顶管成败关键因素分析 2 施工 注浆减摩 形成完整的泥浆套 可极大地减少顶推力 设置合理的中继间位置和数量 注浆减摩系统中继间 谢谢各位