复杂地层侧穿天燃气管道钢套管顶管施工技术

陈欣凯，王康宇，陈 松，苏 霖

（1.浙江工业大学，浙江 杭州 310014；2.国智建筑科技有限公司，福建 福州 350711）

0 引言

随着城市规模、体量的迅速发展壮大，城市交通负荷日趋增加，对于地下空间的应用及利用需求也愈发重要。在顶管工程施工过程中经常会遇见正处于使用状态下的地下管线，因此必须对这些市政管道进行迁改，其中部分不能迁改的管道则采用原位保护，然而面对临近顶管施工区域具有高风险源的管道，如次高压气体和高压气体管道，在进行较长跨度的原位带气保护时，要经停气、降压、燃放气、驳接、氮气置换、增压、通气等多个工序，施工难度更大，风险更高[1-4]。因此，在管道保护施工过程中，选择一种合适的且安全可靠的施工技术是非常有必要的。

常用的管道保护方法包括管道迁改和原位保护两种，前者和部分原位保护的施工技术已经发展得比较成熟，但对于顶管施工过程中无法迁改的高压管道，目前相关原位施工保护的案例较少。如果在对高压管道进行原位保护时采取不当的措施，则会导致管道爆炸，造成极其严重的后果[5-8]。为了解决传统侧穿天燃气管道保护存在的施工效率低、施工过程易对管道产生破坏、安全性较低等问题，本文对悬吊保护侧穿天燃气管道进行技术创新，研发了一种复杂地层侧穿天燃气管道分步实施钢套管顶管施工技术。

1 复杂地层侧穿天燃气管道分步实施钢套管顶管施工技术

1.1 工艺原理

本技术采用桩梁一体式悬吊支撑梁搁置体系结合分步实施钢套管相结合的方式对天燃气管道进行防护。天燃气管道悬吊保护的工艺原理是利用定型化挖斗、分离式开挖斗齿实现天燃气管道上部开挖，天燃气管道周围布置橡胶垫，外设缓冲层，通过定型化割挖器实现天燃气管道底部土方开挖，确保天然气管完好；采用桩梁一体式悬吊支撑梁搁置体系，两侧采用撑拉式过梁模板，支撑桩与钢筋混凝土过梁连接部分通过设桩梁一体式钢筋笼、桩梁加强筋板连接；采用天燃气管道“单元组拼式”悬吊保护体系，单元式底横梁架通过底横梁架通长连杆连接，底横梁架下设弧托，通过吊杆加强连杆连接吊杆与横梁；采用天燃气管道刚性现浇混凝土底座与轻质覆顶回填体系，管底先进行回填土再敷设现浇混凝土底座，管顶使用泡沫混凝土覆顶再进行回填土。桩梁一体式悬吊支撑梁搁置体系施工原理如图1 所示。

图1 桩梁一体式悬吊支撑梁搁置体系施工原理

1.2 工艺流程

复杂地层侧穿天燃气管道分步实施钢套管顶管施工工艺流程如图2 所示。

图2 复杂地层侧穿天燃气管道分步实施钢套管顶管施工工艺流程

1.3 操作要点

1.3.1 燃气管线位置人工探查

根据施工图示的高压燃气管位置，进行管线实地放样工作，每隔10m 距离及拐点处采用人工开挖探沟进行管线探查，探沟人工开挖时采用铁锹进行开挖，挖到警示板后应特别小心清土，直至露出管道为止，严禁采用挖机等机械和锋利尖锐工具进行开挖。测量管道中心线三维坐标并引至两侧地面，做好标识，管线上方土体回填，将两侧标识引至管位。

1.3.2 探槽及沟槽开挖

初步确定天燃气管线位置及深度后，采用挖机开挖管槽，对天燃气管线进行精确定位，利用定型化挖斗将天燃气管线沿其走向开挖并暴露出来。定型化挖斗机由挖机斗杆、挖斗固定板、快连件、分离式开挖斗齿等组成，另设橡胶垫层、缓冲垫层和管底定型化割挖器等减震材料，确保开挖时不得碰损管壁。定型化挖斗机如图3 所示。

图3 定型化挖斗机

1.3.3 天燃气管线上方土方开挖支护

土方开挖应逐层进行，在清除管线上部覆盖土层后，及时对边坡进行加固处理：每层土体开挖深度不得大于1.5m，并及时按设计要求打设土钉，土钉间距为1m。在施工过程中应尽量降低由开挖和支护结构引起的土体扰动，同时要防止超挖或欠挖的产生。

1.3.4 天燃气管线悬吊保护

在天燃气管线两侧设置混凝土双桩进行支撑，左侧桩径1.5m，右侧桩径1.0m，深8m。过梁长5m×0.7m×0.7m（长×宽×高），并在梁上预埋支撑脚垫及地脚栓，支承桩与过梁之间通过桩梁一体式钢筋笼连接，另加桩梁加强筋板，以此来加强连接。

分段开挖管底土体，且长度不得超过2m，开挖截面为3.6m×0.5m（长×宽）。管底挖空后，立即下穿底横梁架，底横梁架下设弧托，天燃气管线与弧托间设柔性缓冲垫，底横梁架下设底横梁通长连件。为避免防腐层损坏，应在管道与槽钢之间设置橡胶垫。顶横梁设顶横梁架，顶横梁架上设有顶横梁调整螺栓，通过螺纹吊杆将底横梁吊起。待悬吊系统稳定后，通过管底定型化割挖器分层开挖管线下方土体，开挖顺序为自两端向中部进行。

1.3.5 土方回填及管线恢复

悬吊保护施工结束后，进行土方回填和管线恢复。天燃气管线下方土体线设计要求的密实度回填至管底1m 处，再通过底座侧模固定吊杆、环管固定带、对拉竖板和对拉件等形成分离式底座定型化侧模。在管线两侧浇筑宽1.2m，高1.5m 的C15 混凝土底座，与管底1.2m 范围密贴，待混凝土强度达到设计要求后，拆除拉杆。管侧回填时应加强对天燃气管线的保护，填充管顶泡沫混凝土覆顶，通过覆顶侧模吊架、对拉耳板和对拉件完成泡沫混凝土覆顶支模。最后回填管线上方土体并恢复地面结构，如图4 所示。

图4 土方回填及管线恢复

1.3.6 钢套管顶管顶进施工

（1）钢套管顶管结构选取。

为进一步避免顶管施工对天燃气管线的影响，采用顶管管道外侧焊接钢套管一并顶进施工方法。钢套管采用单根管道，长度按侧穿天燃气管线两侧各增加20m 范围，钢管材料为Q235B。

钢套管顶端通过若干个楔形三角钢套环连接顶管，并通过电焊将顶管管道与钢套管焊接，使三者连接成整体。钢套管顶端与顶管管道结构形式如图5、图6所示。

图5 钢套管顶端与顶管管道结构形式（一）

图6 钢套管顶端与顶管管道结构形式（二）

（2）钢套管顶管顶进施工。

顶管侧穿段施工时，应选择合理的顶管掘进设备，从而减少对高压输气管道的影响。通过一系列的研究发现，在本技术中采用大型刀盘泥浆平衡顶管机进行顶管施工。顶管侧穿段施工过程中，为了降低对周围已有管道的影响，需要合理调整顶管过程中的前端土压力参数和顶管速度参数，可以有效地减小其周围的土体沉降，防止意外发生。顶管机的前端土压力参数应调整为机头中心的2~2.05 倍；顶管机的顶进速度参数为20～25mm/min。

（3）顶管位置控制。

顶管侧穿越段施工时，应及时调整顶管位置，以便更好地保护周围高压管道。首先，在顶管过程中，应经常测量顶管的位置，当顶管位置发生偏差时及时校正，切忌因偏差过大而强制校正，从而对周围土壤产生较大扰动。其次，当顶管距离管线区域前方约30m 时，做到每顶进延米便进行一次位置校正，以确保顶管机在正式进入管线区域时始终保持标准的姿态。最后，当顶管正式进入后，应进一步增加测量次数，做到顶管每顶进半米进行一次位置校正。

（4）顶进后期处理。

在顶管完全穿越施工段后，及时向注浆孔内灌注水泥砂浆，加固高压输气管道周围区域，以防止土体因强度不足造成地表沉降。

1.3.7 燃气管线监测

为了整体施工的安全性，在顶管顶进过程中还需要对高压燃气管道进行严格监测。顶管上方的高压燃气管道采用直接监测点进行监测，即首先挖开高压燃气管道上方土体，其次用钢板包裹管道，并在其上方焊接测量标志，最后将测量标志探出地面，回填土体并设置保护井。对于顶管下的高压燃气管道，则采用模拟监测点进行监测，即先在管道附近钻一个深度约为30cm的监测孔，然后向其灌注混凝土，并插入带有测量标志点的钢筋，最后确保将钢筋顶部探出地面，设置保护井。

高压燃气管道周围还需安装一套天燃气漏气自动报警装置，在燃气管上方设置若干个监测探头，当燃气管道发生泄漏时，通过设在现场指挥部办公室的自动报警装置通知24h 值班的安全员，由其立即通知项目部和燃气公司的应急小组，启动燃气泄漏应急预案。自动报警探头如图7 所示。

图7 自动报警探头

2 结语

本工程针对侧穿天然气管道的顶管施工，提出了“复杂地层侧穿天然气管道分步实施钢套管顶管施工技术”，采用桩梁一体式悬吊支撑梁搁置体系结合分步实施钢套管相结合的方式对天然气管道进行防护，整体施工操作简单，施工效率高，施工时安全可靠，对周围环境影响较小，具有良好的经济效益，值得在相关项目中进一步推广。