兰州燃气管道穿越黄河顶管施工技术参数的确定

兰州燃气管道穿越黄河顶管施工技术参数的确定
本文结合具体的工程实例，就顶管施工的水文条件、气象、工程地质、工序、技术参数的确定等方面进行了阐述。

标签：水文气象地质参数
1 工程概况
1.1 兰州天然气管道穿越黄河工程设计采用地下顶管的方式建设，管材为￠1600钢筋砼圆管，一次单向顶进339.3m，在黄河南岸设4.5×8×20.4m工作井一座，在黄河北岸设4.5×5×23.27m接收井一座，管道走向大致为南北走向，与黄河主河道呈大角度相交。

1.2 水文条件兰州市区黄河干流年平均流量997m3/s，该工程主体施工期正值夏季，气候条件有利于工程施工。

顶管穿越黄河断面两河堤宽度309m，每年6～10月为丰水期，7～9月为主汛期。

主河槽宽218m，该处洪水水位1524.92m。

工程轴线断面位于黄河干流兰州银滩大桥至七里河黄河大桥之间，距兰州站约8km，区间无大支流加入。

接收井上游40m处有一排洪沟，沟道有季节性洪水，但流量不大，对工程施工影响不大。

地下水主要赋存于第四纪冲洪积砂砾卵石层之中的孔隙潜水，黄河南岸地下水位1513.4～151
2.57m黄河北岸地下水位1514.9～1515.3m，地下水位随黄河水位的涨落而变动，其变幅一般为1～2m，水文情况对沉井有较大影响，但对顶管影响不大。

1.3 气象情况兰州市属温带半干旱气候，据气象资料统计，多年平均气温9.1℃，平均最高7月2
2.2℃，多年平均降水量328mm，蒸发量1438mm，历年平均风速4～5月1.5m/s，春季多风，风向西北，多年最大风速27.6m/s。

1.4 工程地质工程场地地层岩性主要有人工填土、粉细砂、卵石和上第三系临夏组岩层等。

分别是：①人工填土：为杂填土，主要为卵砾石、块石、碎石、粘性土和砂，夹有少量的煤渣砖块和生活垃圾。

成分混杂，结构疏松，土质不均。

卵砾石及碎石块含量约20%～30%。

主要分布在黄河左右岸防护堤处，厚度3～5m。

②粉细砂：黄褐色，含卵砾，结构较疏松，稍湿。

主要分布在黄河南岸干砌石护堤和浆砌石护堤之间人工填土下面，厚度1～2m。

③卵石：青灰色，结构稍密，卵石多呈现浑圆状，分选性较差，成分主要为砂岩、变质砂岩、石英岩、灰岩和少量花岗岩。

根据提水试验和兰州地区经验，该卵石层渗透系数K=70～90/d。

其承载力标准值fk=0.45Mpa，与砼的摩擦系数tg￠=0.5。

④上第三系临夏组：其岩性主要为泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩和砂岩，其中泥岩和泥质砂岩呈互层状，为主要岩性，泥质砂岩和砂岩呈透镜体状，局部有含砾砂岩，砾石最大粒径为1cm。

岩体呈厚层状结构，裂隙不发育。

各种岩性均呈硬塑～坚硬状态；岩块无侧限压强度小于1.0Mpa，均属极软岩；其压缩系数平均值小于0.1Mpa-1，具低压缩性；渗透系数均小，多属极微弱透水层，局部砂岩为微透水层。

上第三系泥岩岩性软弱，遇水软化崩解；成岩程度差，易风化，岩相不稳定，夹有砂岩
和泥质砂岩透镜体，黄河南岸砂岩透镜体发育较多，北岸极少。

上第三系岩体中基本为地下水，仅砂岩中有少量地下水呈滴渗状态。

岩体强风化层厚度 2.4～3.5m，随深度递增，岩石性质变化不大。

其允许承载力标准fk=0.45～0.65Mpa，变形模量70～100Mpa。

2 顶管施工技术参数的确定
2.1 基本施工方案本工程设计顶管管径为1600mm，长度339m，设计一次顶进完成。

顶管管道依次穿越砂质泥岩、泥岩、泥质砂岩三种土质，三种土质性质相当，分布较均匀。

其中在河床中管顶覆土最小处为 4.5m，能够满足顶管的覆土厚度不小于1.5倍机具外径的要求。

在工作井上方安装好起重设备，根据设计顶管轴线及设计标高在顶管工作井内安装顶进设备，包括洞口止水胶皮板、导轨、后靠背、千斤顶、掘进机等设备，同时安装好测量仪器设备、注浆设备、通风设备、溺水输送设备，设备试用转合格后可以进行顶进。

顶进连续进行，分两班倒24小时作业，顶进过程中注意勤测量、勤纠偏控制好顶进方向。

及时压注膨润土泥浆减少管外壁和土體摩擦力。

认真维护好各种设备，保证顶进过程中设备的完好。

按设计计算和顶进工程中的实际摩擦力的变化情况及时安放中继站；顶进结束后立即封堵工作井和接收井内的管节和预留洞口的间隙，同时对管外壁的膨润土泥浆用水泥浆进行置换，完成后立即封堵注浆孔，在后按设计要求对管节接口进行处理和清扫管道。

2.2 顶管施工工艺流程图
安装管节→放置顶环→工作面挖土→管内出土
↓ 压浆→ ↓ ↓
顶进、停顶回程←顶进←弃土外运
2.3 主要施工技术参数的确定机械式顶管顶力估算由掘进机前端的迎面阻力和注入触变泥浆后的管壁外周摩擦力组成，其公式如下：F阻= F1+F2。

但是，对于本工程的土质不适合传统的计算方法进行阻力估算。

本工程所处土层具有较强的自立性，土的粘聚力较大，C=60～140Kpa，地下水的渗透系数较小K=1.0×10-5～1.0×1.0-7。

因此，对于迎面阻力的估算采用掘进机的刀盘面积与刀盘切削土体单位面积所需主顶推力的乘积。

2.3.1 迎面阻力
F1=S1×P1×K=0.897×50×1.5=67.3T
F1掘进机迎面阻力
S1为刀盘面积：0.23×1.95×2=0.897m2
P1为刀盘单位面积所需主顶推力为50T/m2
K为安全系数取1.5
经计算迎面阻力取70T。

2.3.2 掘进机管外壁摩阻力
F2=∏×D×L×f=∏×1.95×4.0×1.0=24.5T
D——掘进机外径（m）；L——掘进机总长（m）；f——注入膨润土泥浆后的管外壁摩阻力为0.8～1.2t/m2，这里取1.0t/m2。

2.3.3 每米长度管外壁摩阻力计算：
F3=∏×D×L×f=∏×1.94×1×1.0=6.1T
2.3.4 管材端面允许推力
Fr=﹠×A=1700×∏/4×(1.942-1.62)=1607T
﹠——C30 混凝土抗压强度（1700T/m2）；A——管断面积（m2）
2.3.5 顶管工作井所能承受的推力由设计可知，顶管工作井所能承受的最大顶力为600T，取其90%作为顶力计算依据，即T=600×0.9=540T
由于顶管中最大允许推力受设备、工作井承受推力及管材轴向允许承压力的限制，因此。

取以上诸因素的最小允许承载力，即工作井承受推力540T作为最大允许推力。

2.3.6 中继环安放位置和需要数量的计算顶管施工中，顶管中继环位置的设置与顶管井允许推顶力有关。

管道的顶进总推力由掘进机的正面阻力和管道外围的摩阻力组成。

①第一中继环位置的计算：第一中继环安放之前，应满足顶管总阻力小于允许最大的推顶力，即
T﹥F阻=F1+F3
（70+24.5）+6.1×L﹤540
L﹤73m
由于顶管属于地下施工，为了防止因地质条件和设计不符造成迎面阻力增大，按经验考虑，第一中继环放在掘进机后20m处，因每节管材长3m，因此在第五节后安放第一个中继环。

②两个中继环之间的距离设置顶管时除第一中继环承受迎面阻力外，其余各中继环均只承受管外壁的摩阻力。

但由于在顶管中不断地纠偏，顶管的总阻力会有所增加，因此，中继环最大顶力按540吨取值。

则两个中继环的安放距离最大为L=540/6.1=88m
经计算，中继环数量为四个。

实际中继环放置及数量可根据顶力变化及施工实际情况作适当调整。

3 结束语
本工程在实际施工中，根据以上参数顺利完成天然气管道穿越黄河的施工，并在实践中取得了兰州地区管道穿越黄河的经验，为以后此类工程的施工打下了一些基础。