高水位软弱地质条件下长输管道顶管发送沟形式探究.pdf

综合技术袁泽浩等：高水位软弱地质条件下长输管道顶管发送沟形式探究油气田地面工程 https:/高水位软弱地质条件下长输管道顶管发送沟形式探究袁泽浩1魏聪2王俊2杜哲浩1胡兴乔31北京兴油工程项目管理有限公司2中国石油天然气管道工程有限公司3北京市燃气集团有限责任公司摘要：在长输管道施工过程中不可避免需要进行顶管穿越。穿越深度较大时，顶管工作井和管道发送沟的制作受地质条件影响较大，如施工区域地下水位高、土质软弱，采用常规开挖加钢板桩（横撑）支护的发送沟模式存在土体侧压力过大导致支护体系变形垮塌的风险。通过某项目铁路顶管穿越工程的设计及施工情况，对比分析多种管道发送方式，提出了一种灌注桩加高压旋喷桩止水帷幕支护，内部冠梁、腰梁加内支撑的基坑结构体系作为管道发送及接收井，并成功完成了管道发送，同时可为类似高水位、软弱地质条件中顶管管道发送方式的选择、设计及施工提供参考。关键词：长输天然气管道；顶管穿越；软弱地质；深基坑；管道发送Research on the Sending Ditch Form of Long-distance Pipeline Jacking in High WaterLevel and Weak Geological ConditionsYUAN Zehao1，WEI Cong2，WANG Jun2，DU Zhehao1，HU Xingqiao31Beijing Xingyou Engineering Project Management Co.，Ltd.2China Petroleum Pipeline Engineering Corporation3Beijing Gas Group Co.，Ltd.Abstract：During the construction of long-distance pipelines，it is inevitable to carry out pipe jackingand crossing.When the crossing depth is large，the fabrication of pipeline jacking working wells andpipeline sending ditches is greatly affected by geological conditions.When the underground water levelin the construction area is high and the soil is weak，the excavation of the sending ditch with steel sheetpiles(cross bracing)supports may lead to the risk of deformation and collapse of the support system dueto excessive soil lateral pressure.Based on the design and construction of a certain railway pipeline jack-ing crossing project，and by comparing and analyzing various pipeline sending methods，this paper pro-poses a foundation pit structure system of cast-in-place pile plus high-pressure jet grouting pile waterstop curtain support，internal crown beam and waist beam plus internal support，as the pipeline sendingand receiving well，and the pipelinesending is successfully completed.This paper provides a referencefor the selection，design，and construction of the pipeline sending method for pipeline jacking in simi-lar high water levels and weak geological conditions.Keywords：long-distance natural gas pipeline；pipeline jacking crossing；weak geology；deep foun-dation pit；pipeline sending华北地区人口密集，铁路、公路网发达，新建长输油气管道不可避免需要穿越铁路、公路等基础设施1-4。穿越施工难度大、周期长、风险高，一直是长输油气管道工程建设中参建各方关注的焦点5。根据 GB 504232013 油气输送管道穿越工程设计规范 中“穿越铁路或二级及二级以上公路时，应采用在套管或涵洞内敷设穿越管段”的规定，常采用顶进混凝土套管方式穿越铁路、公路。一般情况下在穿越点两侧布设标准尺寸的顶管工作井、接收井进行套管顶进，完成后开挖发送沟进行DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2024.04.017102第 43卷第 4期（2024-04）油气田地面工程 https:/综合技术预制管段穿越工作6。当穿越深度过深、地质情况较差时，一般放坡或支护方式可能无法得到成型的发送沟，此类情况给管道发送及安装工作带来了诸多安全及工期方面的挑战7。本文以某沿海地区长输管道顶管穿越铁路工程为例，介绍一种灌注桩加高压旋喷桩止水帷幕支护，内部冠梁、腰梁加内支撑基坑结构体系，为高水位、软土地层中管道发送方式提供一条安全可靠的解决思路。1顶管穿越基本情况本项目顶管穿越铁路交叉角度为 90。顶管工作井设于铁路东侧顶管起点距铁路中心 32.85 m；接收井设于铁路西侧，顶管终点铁路中心 141.15 m。顶 管 全 长 174 m，管 节 长 3.0 m，共 58 节 全 部 顶进，中部设置 1座丢弃式中继间。铁路路基需提前进行处理，处理完成后方可顶管顶进施工，加固范围内采用水泥搅拌桩加固地基，管节位于加固范围内，管顶高程-8.41 m。顶管穿越线路场地布置图及工作井布置图见图 1、图 2。2工程地质情况穿越地区地貌单元属于冲积、海积平原，地处入海口，地形平坦、开阔。场内分布有人工开挖的河流，勘察期间河内有水，水深约 3.0 m。2.1地层岩性及部分力学特性穿越施工范围内地层主要为第四系全新统人工填土层（Q4ml）、第四系全新统中组（Q42）、下组（Q41）地层组成。第四系全新统人工填土层（Q4ml）：2素填土：灰褐色，流塑可塑，成分以黏性土为主，夹灰黑色斑点。层厚 2.903.40 m，层顶标高 1.652.65 m，场地内广泛分布。第 四 系 全 新 统 第 海 相 层 浅 海 相 沉 积 层（Q42m）：图 1顶管穿越线路卫星图及场地布置图Fig.1 Satellite map and site layout of pipe jacking crossing line图 2顶管穿越线路示意图及工作井布置图Fig.2 Schematic diagram of pipe jacking crossing line and working well layout103综合技术袁泽浩等：高水位软弱地质条件下长输管道顶管发送沟形式探究油气田地面工程 https:/1粉土：褐灰色，中密密实，湿，夹薄层粉质黏土，偶见贝壳碎片。层厚 1.502.30 m，标高-1.65-0.55 m，场地内广泛分布。承载力特征值为 100 kPa。2淤泥质黏土：褐灰色，流塑可塑，夹灰黑色斑点，局部夹淤泥质粉质黏土，偶见贝壳碎片。层厚 8.7010.90 m，层顶标高-3.25-2.25 m，场地内广泛分布。承载力特征值为 70 kPa。3粉质黏土：褐灰色，流塑可塑，夹灰黑色斑点，偶见贝壳碎片，局部夹黏土。层厚 2.106.00 m，层顶标高-13.26-11.77 m，场地内广泛分布。承载力特征值为 100 kPa。4粉土：灰褐色，中密密实，湿，夹薄层粉 质 黏 土。层 厚1.50 2.10 m，层 顶 标高-16.25 -15.25 m，仅局部分布。承载力特征值为 110 kPa。第 四 系 全 新 统 第 陆 相 层 沼 泽 相 沉 积 层（Q41h）：粉质黏土：灰黄色，软塑可塑，夹灰黑色斑点，顶部为薄层灰黑色泥炭层。层厚 1.601.80 m，层顶标高-17.77-17.35 m，场地内广泛分布。承载力特征值为 100 kPa。第四系全新统第陆相层河床河漫滩相沉积层（Q41al）：1粉质黏土：褐黄色，可塑，夹锈斑，偶见姜石。承载力特征值为 150 kPa。11粉土：褐黄色，密实，湿，夹薄层粉质黏土。承载力特征值为 160 kPa。2.2水文地质潜水地下水位埋藏较浅，勘测期间水位埋深1.602.30 m，高程-0.471.05 m（2020 年 4 月）。潜水主要依靠大气降水入渗和地表水体入渗补给，水位具有明显的丰、枯水期变化，受季节影响明显。高水位期出现在雨季后期的 9 月份，低水位期出现在干旱少雨的 45 月份。潜水位年季节变化幅度 12 m。项目区地下水对混凝土结构具有中腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具有强腐蚀性。3顶管工作井设计顶管工作井长 8.0 m，宽 5.0 m，深 13.70 m，接收 井 长 6.0 m，宽 5.0 m，深 14.20 m，均 采 用 1.0 m1.2 m 钻孔灌注桩进行防护8-9，顶管工作井桩长 31.0 m，接收井桩长 32.0 m，桩顶设钢筋混凝土冠梁（宽度 1.2 m，高度 1.0 m），冠梁角部加腋 1.0 m1.0 m；灌注桩外侧设置双排 600 mm400 mm 旋喷桩止水帷幕，顶管工作井桩长 18.7 m，接收井桩长 19.2 m。基坑均设置两道双拼 I45b工字钢腰梁支撑体系，每道腰梁四角设置 325 mm 钢管角撑，以确保基坑的稳定及顶进施工安全。同时，为了避免顶管进出洞时由洞口涌入大量地下水且防止顶管出洞时扎头，在基坑出洞方向 2.5 m 范围 内，采 用 600 mm400 mm 旋 喷 桩 进 行 洞 口加固。顶管工作井采用机械开挖，人工配合清底。顶管工作井基底铺设 50 cm 混凝土垫层，导轨连接件预埋其中，导轨采用 60 kg/m 钢轨置于混凝土垫层上。后背墙采用钢筋混凝土浇筑在底板上。坑底采用 600 mm400 mm 旋喷桩地基处理，满堂布置桩长 5 m。基坑内设集水坑和排水盲沟，及时抽排渗水，确保安全无水作业。由于顶管顶进顶出期间会截断部分桩体，破坏局部止水帷幕的完整性，在基坑前端应加强对地下水的监测，在顶管工作井和接收井前端顶管两侧各设置一口地下水位观测井，并兼做应急状态下的降水井，采用 500 mm 无砂混凝土井管，顶管工作井侧井深为 21 m，接收井侧井深为 22 m。旋喷桩采用切割搭接法施工，桩身之间互相咬合。基坑采用潜水泵抽排局部明水，确保工作井安全无水作业。高压旋喷桩采用普通硅酸盐水泥，水泥浆液的水灰比取 0.91.1。水泥掺量取土的天然质量的 25%40%。4管道发送沟的设计与施工顶管发送沟常采用放坡开挖的形式，在地质条件不理想的地段采用钢板桩支护并结合放坡开挖等其他形式10。考虑到提高本项目全自动焊接、机械化防腐补口效率，节约项目投资，故优先选择小型接收井加发送沟方式。采用钢板桩支护加放坡开挖的形式进行发送沟试挖。4.1发送沟的试挖发送沟设置在 AA046桩方向，如图 3所示，开挖长度 130 m，分三层开挖。第一层深 4.5 m，上口宽 58 m，下口宽 44.5 m，边坡比 11.5。在坡脚打12 m 长工字钢板桩按照一丁一横设置，第一层开挖完成后打第一台阶坡脚的钢板桩11，同时打降水井（井管采用直径 0.4 m 的水泥管），降水与打井作业同步进行12-14。第一层开挖过程中在接收井的东104第 43卷第 4期（2024-04）油气田地面工程 https:/综合技术侧打四排工字钢板桩（每排长度 70 m），用于保护附近 20 m 处的高压电线杆及土方不位移。为保证土体稳定，土方开挖后运至 80 m以外。井点降水位置分别设置于第一层台阶和第二层台阶表面，第一层台阶每隔 4口井为一组，组内第一口井与第二口井、第二口井与第三口井的间距为10 m，第三口井与第四口井的间距为 6 m，井深为14 m（第一台阶 28 口井）；第二层台阶每隔 6 m 设置一口井，井深为 22 m（第二台阶 43 口井，在开挖完第一台阶后进行打井，开挖第二层时将上面4 m井管拆除后继续降水）。现场已完成了第一层发送沟的开挖（4.5 m），试挖现场如图 4所示，按照原坡比进行第二层发送沟开挖时，用于支护发送沟的钢板桩出现了偏移和沉降，接收井也出现了变形和倾斜，经研判已无法继续采用钢板桩支护并结合放坡开挖的形式制作发送沟。图 4发送沟试挖现场Fig.4 Trial excavation site of sending ditch4.2发送方式比选原发送沟开挖方案经研判不可行后，建设单位组织专家现场踏勘，从安全、工期及投资等方面进行了比选分析，并针对沉井、灌注桩支护加发送沟、深基坑、直接铺管法等多种管道发送方案比选：（1）由于本工程先期已经完成顶管，若采用沉井方式，在竖井开挖下沉过程中很可能造成已完成顶管的前几节混凝土套管下坐错位导致无法完成后续的管道发送。且该位置地质条件复杂，淤泥深厚，承载力较差，容易造成竖井下沉过量或下沉倾斜。同时，考虑到单根管道长 12 m，沉井尺寸需要大于 12 m 方可在井下组对焊接，这一定层面上导致了沉井尺寸较大，工期较长，且冬季施工更要协调大量冬施措施，造成工期和费用的进一步增加15。（2）若采用灌注桩+发送沟方式，可以充分释放自动焊和机械化补口的效率，管道预制后直接漂管穿越，但发送沟东侧距离 38 kV 电力杆线过近，发送沟开挖对电力杆线存在安全影响，并且该穿越段土质情况较差，无法保障发送沟施工顺利，管道安装风险过大。（3）若采用直接铺管方案，亦可释放自动焊和机械化补口的效率，但穿越点距离西侧油井及高速公路间距仅约 200 m，已完成的顶管深度较深，直铺管施工空间不足。此外具备完成本工程能力的相应设备较少，短时间无法协调遣到现场，影响管道安装工期，其造价也高于其他方案。经综合研判，旋喷桩加灌注桩支护形式的深基图 3发送沟试挖截面图Fig.3 Section of trial excavation of pipeline sending ditch105综合技术袁泽浩等：高水位软弱地质条件下长输管道顶管发送沟形式探究油气田地面工程 https:/坑方案16通过了铁路部门评审认可。4.3深基坑发送井及接收井的制作深基坑发送井采用外侧双排高压旋喷桩止水帷幕配合内侧灌注桩支护，内部冠梁、腰梁加内支撑基坑结构体系，尺寸为 22.0 m20.3 m14.0 m，深基坑发送井平面布置如图 5所示。深基坑发送井一 般 位 置 上 的 钻 孔 灌 注 桩 尺 寸 及 间 隔 为1 000 mm1 200 mm，桩 顶 位 于 现 地 表 以 下0.6 m，有效桩长为 27.0 m，桩 数 为 80 根，高压旋喷桩尺寸及间隔为 800 mm400 mm，桩顶位于现地表以下 1.0 m，有效桩长为 19.0 m，桩数为526组。由于顶管已完成，为实现基坑制作后的管道安装和发送，且最大限度地保证基坑制作完成后整体结构不受二次扰动，已完成的水泥套管位置的灌注桩及高压旋喷桩桩底设计为水泥套管上方 150 mm处，该 位 置 上 的 钻 孔 灌 注 桩 尺 寸 及 间 隔 为 600 mm800 mm，桩顶位于现地表以下 0.6 m，桩数为 3根，高压旋喷桩尺寸及间隔为 800 mm400 mm，桩顶位于现地表以下 1.0 m，桩数为 16组，采用 P.042.5 普硅 水 泥，水 泥 掺 入 比 不 小 于40%（土 的 重 度 按 19.5 kN/m3考虑），水灰比 1.0，采用三重管工艺施工，施工过程中避免对周边构筑物造成影响，混凝土套管及基坑底部等区域采用注浆加固处理17-18。深基坑发送井一般位置剖面图如图 6所示。5管道安装与发送该穿越段及相邻一般段管道均采用 X80M 直缝埋弧焊钢管，外加 3LPE 加强级防腐，管道尺寸为D1 219 mm27.5 mm。由于穿越段采用单管发送形式，无法采用自动焊设备进行根焊，故采用氩弧焊打底加单焊炬自动焊填充盖面的焊接形式进行管道安装19。穿越段管道环向焊缝均进行 100%射线检验，对于采用内焊机根焊+外焊机自动焊填充盖面焊接的管段，还需进行 100%的全自动超声波探伤；对于采用其他焊接方式焊接的管段，还需进行100%的手工超声和 100%PAUT+TOFD 检测。检测合格后采用无溶剂环氧底漆加辐射交联聚乙烯热收缩带对焊口进行防腐，对于热煨弯管两侧焊口，还需补充缠绕聚丙烯冷缠带。每防腐完成一道焊口，向顶管隧道内穿一根管，穿管前将 D114 光缆套管固定在管道右侧，随主管道边穿越边焊接。穿管采用套管内加装轨道、管道上绑扎小车20（每根管设置 1 组小车）的方法，轨道采用两排 10#的槽钢，中间用50 mm50 mm4 mm（长宽厚）的角铁连接（间距 4 m），然后涨钉在顶管套管底部每隔图 5深基坑发送井平面布置图Fig.5 Layout plan of deep foundation pit sending shaft106第 43卷第 4期（2024-04）油气田地面工程 https:/综合技术4 m 进行固定。管道前端设置牵引头，在 AA045+1桩基坑内设置定滑轮以保证牵引管道顺利穿管。穿越段单独进行强度试压和严密性试压。穿越段管道组装完毕后先清管，然后单独进行强度试压。强度试验压力为该处设计压力的 1.5 倍，强度试压稳定时间不小于 4 h；试压时的环向应力不大于钢管的屈服强度的 90%；强度试压合格后进行严密性试压，严密性试验压力为 10 MPa，稳压时间为 24 h。穿越段水压试验合格后应清扫、排净管内积水，干燥与一般线路段一起进行。穿越完成后，及时进行两侧焊接连头、套管封堵及套管内注浆等后续施工。6结论以某华北沿海地区长输天然气管道顶管穿越铁路工程为例，从设计及施工角度简述了高水位、软弱地质条件下，可行的一种深基坑管道穿越形式。设计计算及工程实践表明，采用灌注桩加高压旋喷桩止水帷幕支护，内部冠梁、腰梁加内支撑基坑的结构体系可以满足在同类高水位软弱地质条件中深基坑管道发送井的功能性及安全性要求，可以帮助更多建设单位避免返工，节省工程投资；同时，可为无该类地质条件工程设计经验的勘察设计单位提供参考，为施工单位降低施工安全风险。参考文献1 刘玉宝特殊地貌条件下定向钻与顶管技术结合穿越铁路的实践J石油工程建设，2015，41（3）：76-80LIU Yubao Practice of pipeline crossing railway and riverwith combined directional drilling and pipe-jacking technolo-gy in special topographic conditionJPetroleum Engineer-ing Construction，2015，41（3）：76-802 郭希坤，石明俊，孙克刚流沙地质地段顶管穿越公路的施工方法J石油工程建设，2010，36（3）：132-133GUO Xikun，SHI MingjunSUN KegangPipeline cross-ing highway with pushing pipe method in quicksand geologi-calconditionJPetroleumEngineeringConstruction，2010，36（3）：132-1333 刘玉宝，刘海山油气管道连续穿越多种轨道交通线路研究J天然气与石油，2015，33（4）：17-20，36LIU Yubao，LIU Haishan Design of oil and gas pipelinescrossing multiple rail transit routesJNatural Gas and Oil，2015，33（4）：17-20，364 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