蘭州燃氣管道穿越黃河頂管施工技術參數的確定

摘要：本文結合具體的工程實例，就頂管施工的水文條件、氣象、工程地質、工序、技術參數的確定等方面進行了闡述。

關鍵詞：水文 氣象 地質 參數

1 工程概況

1.1 蘭州天然氣管道穿越黃河工程設計采用地下頂管的方式建設，管材為￠1600鋼筋砼圓管，一次單向頂進339.3m，在黃河南岸設4.5×8×20.4m工作井一座，在黃河北岸設4.5×5×23.27m接收井一座，管道走向大致為南北走向，與黃河主河道呈大角度相交。

1.2 水文條件 蘭州市區黃河干流年平均流量997m3/s，該工程主體施工期正值夏季，氣候條件有利于工程施工。頂管穿越黃河斷面兩河堤寬度309m，每年6～10月為豐水期，7～9月為主汛期。主河槽寬218m，該處洪水水位1524.92m。工程軸線斷面位于黃河干流蘭州銀灘大橋至七里河黃河大橋之間，距蘭州站約8km，區間無大支流加入。接收井上游40m處有一排洪溝，溝道有季節性洪水，但流量不大，對工程施工影響不大。地下水主要賦存于第四紀沖洪積砂礫卵石層之中的孔隙潛水，黃河南岸地下水位1513.4～1512.57m黃河北岸地下水位1514.9～1515.3m，地下水位隨黃河水位的漲落而變動，其變幅一般為1～2m，水文情況對沉井有較大影響，但對頂管影響不大。

1.3 氣象情況 蘭州市屬溫帶半干旱氣候，據氣象資料統計，多年平均氣溫9.1℃，平均最高7月22.2℃，多年平均降水量328mm，蒸發量1438mm，歷年平均風速4～5月1.5m/s，春季多風，風向西北，多年最大風速27.6m/s。

1.4 工程地質 工程場地地層巖性主要有人工填土、粉細砂、卵石和上第三系臨夏組巖層等。分別是：①人工填土：為雜填土，主要為卵礫石、塊石、碎石、粘性土和砂，夾有少量的煤渣磚塊和生活垃圾。成分混雜，結構疏松，土質不均。卵礫石及碎石塊含量約20%～30%。主要分布在黃河左右岸防護堤處，厚度3～5m。②粉細砂：黃褐色，含卵礫，結構較疏松，稍濕。主要分布在黃河南岸干砌石護堤和漿砌石護堤之間人工填土下面，厚度1～2m。③卵石：青灰色，結構稍密，卵石多呈現渾圓狀，分選性較差，成分主要為砂巖、變質砂巖、石英巖、灰巖和少量花崗巖。根據提水試驗和蘭州地區經驗，該卵石層滲透系數K=70～90/d。其承載力標準值fk=0.45Mpa，與砼的摩擦系數tg￠=0.5。④上第三系臨夏組：其巖性主要為泥巖、砂質泥巖、泥質砂巖和砂巖，其中泥巖和泥質砂巖呈互層狀，為主要巖性，泥質砂巖和砂巖呈透鏡體狀，局部有含礫砂巖，礫石最大粒徑為1cm。巖體呈厚層狀結構，裂隙不發育。各種巖性均呈硬塑～堅硬狀態；巖塊無側限壓強度小于1.0Mpa，均屬極軟巖；其壓縮系數平均值小于0.1Mpa-1，具低壓縮性；滲透系數均小，多屬極微弱透水層，局部砂巖為微透水層。上第三系泥巖巖性軟弱，遇水軟化崩解；成巖程度差，易風化，巖相不穩定，夾有砂巖和泥質砂巖透鏡體，黃河南岸砂巖透鏡體發育較多，北岸極少。上第三系巖體中基本為地下水，僅砂巖中有少量地下水呈滴滲狀態。巖體強風化層厚度2.4～3.5m，隨深度遞增，巖石性質變化不大。其允許承載力標準fk=0.45～0.65Mpa，變形模量70～100Mpa。

2 頂管施工技術參數的確定

2.1 基本施工方案 本工程設計頂管管徑為1600mm，長度339m，設計一次頂進完成。頂管管道依次穿越砂質泥巖、泥巖、泥質砂巖三種土質，三種土質性質相當，分布較均勻。其中在河床中管頂覆土最小處為4.5m，能夠滿足頂管的覆土厚度不小于1.5倍機具外徑的要求。

在工作井上方安裝好起重設備，根據設計頂管軸線及設計標高在頂管工作井內安裝頂進設備，包括洞口止水膠皮板、導軌、后靠背、千斤頂、掘進機等設備，同時安裝好測量儀器設備、注漿設備、通風設備、溺水輸送設備，設備試用轉合格后可以進行頂進。頂進連續進行，分兩班倒24小時作業，頂進過程中注意勤測量、勤糾偏控制好頂進方向。及時壓注膨潤土泥漿減少管外壁和土體摩擦力。認真維護好各種設備，保證頂進過程中設備的完好。按設計計算和頂進工程中的實際摩擦力的變化情況及時安放中繼站；頂進結束后立即封堵工作井和接收井內的管節和預留洞口的間隙，同時對管外壁的膨潤土泥漿用水泥漿進行置換，完成后立即封堵注漿孔，在后按設計要求對管節接口進行處理和清掃管道。

2.2 頂管施工工藝流程圖

安裝管節→放置頂環→工作面挖土→管內出土

↓ 壓漿→ ↓ ↓

頂進、停頂回程 ←頂進←棄土外運

2.3 主要施工技術參數的確定 機械式頂管頂力估算由掘進機前端的迎面阻力和注入觸變泥漿后的管壁外周摩擦力組成，其公式如下：F阻= F1+F2。但是，對于本工程的土質不適合傳統的計算方法進行阻力估算。本工程所處土層具有較強的自立性，土的粘聚力較大，C=60～140Kpa，地下水的滲透系數較小K=1.0×10-5～1.0×1.0-7。因此，對于迎面阻力的估算采用掘進機的刀盤面積與刀盤切削土體單位面積所需主頂推力的乘積。

2.3.1 迎面阻力

F1=S1×P1×K=0.897×50×1.5=67.3T

F1掘進機迎面阻力

S1為刀盤面積：0.23×1.95×2=0.897m2

P1為刀盤單位面積所需主頂推力為50T/m2

K為安全系數取1.5

經計算迎面阻力取70T。

2.3.2 掘進機管外壁摩阻力

F2=∏×D×L×f=∏×1.95×4.0×1.0=24.5T

D——掘進機外徑（m）；L——掘進機總長（m）；f——注入膨潤土泥漿后的管外壁摩阻力為0.8～1.2t/m2，這里取1.0t/m2。

2.3.3 每米長度管外壁摩阻力計算：

F3=∏×D×L×f=∏×1.94×1×1.0=6.1T

2.3.4 管材端面允許推力

Fr=﹠×A=1700×∏/4×(1.942-1.62)=1607T

﹠——C30 混凝土抗壓強度（1700T/m2）；A——管斷面積（m2）

2.3.5 頂管工作井所能承受的推力 由設計可知，頂管工作井所能承受的最大頂力為600T，取其90%作為頂力計算依據，即T=600×0.9=540T

由于頂管中最大允許推力受設備、工作井承受推力及管材軸向允許承壓力的限制，因此。取以上諸因素的最小允許承載力，即工作井承受推力540T作為最大允許推力。

2.3.6 中繼環安放位置和需要數量的計算 頂管施工中，頂管中繼環位置的設置與頂管井允許推頂力有關。管道的頂進總推力由掘進機的正面阻力和管道外圍的摩阻力組成。

①第一中繼環位置的計算：第一中繼環安放之前，應滿足頂管總阻力小于允許最大的推頂力，即

T﹥F阻=F1+F3

（70+24.5）+6.1×L﹤540

L﹤73m

由于頂管屬于地下施工，為了防止因地質條件和設計不符造成迎面阻力增大，按經驗考慮，第一中繼環放在掘進機后20m處，因每節管材長3m，因此在第五節后安放第一個中繼環。

②兩個中繼環之間的距離設置 頂管時除第一中繼環承受迎面阻力外，其余各中繼環均只承受管外壁的摩阻力。但由于在頂管中不斷地糾偏，頂管的總阻力會有所增加，因此，中繼環最大頂力按540噸取值。則兩個中繼環的安放距離最大為L=540/6.1=88m

經計算，中繼環數量為四個。實際中繼環放置及數量可根據頂力變化及施工實際情況作適當調整。

3 結束語

本工程在實際施工中，根據以上參數順利完成天然氣管道穿越黃河的施工，并在實踐中取得了蘭州地區管道穿越黃河的經驗，為以后此類工程的施工打下了一些基礎。