顶管技术在油气管道工程中的应用-李国辉.ppt

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1、顶管隧道穿越技术在大型油气管道 穿越工程中的应用 李国辉 二 0一四年八月 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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。 全国顶管技术创新与应用高峰

2、论坛 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。 序号 顶管机类型 市场应用情况 1 手掘式 顶管机 广泛应用于粘土、黄土等地质条件好，距离短的公路顶管。在市政 工程中应用广泛，长输油气管道建设中也经常采用。 2 土压平衡 顶管机 市政工程顶管中应用最多。 3 泥水平衡 顶管机 岩石、卵砾石顶管中经常采用，数量不如土压平衡顶管机。油气管道 施工中长距离江河岩石顶管需要适合硬岩的泥水平衡顶管机。 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 5 国内外顶管设备现状 截止到 2011年，我国顶管

3、机保有量约 1400台，其中 90%为国产顶管机。 序号 厂商 全球销售总量 中国大陆数量 国内主要客户 1 扬州广鑫重型设备有限公司 约 300台 约 300台 各市政公司 中铁 中交二航局 天津华水等 2 镇江安达非开挖工程机械有 限公司 约 200台 约 200台 3 江阴泰和机械有限公司 约 160台 约 160台 4 日本 RASA（拉萨）工业公司 约 1000台 约 80台 5 日本伊势机公司 约 1700台 约 100台 6 德国海瑞克公司 约 1600台 约 6台 广州市政 3台 重庆市政 3台 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 泥水平衡顶管机头 土压平衡顶管机头 全国顶管技术创

4、新与应用高峰论坛 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 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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，主要应用于大江大河、 海峡等的穿越； 顶管穿越的长度比盾构短，工期也短；

5、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 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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

6、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。 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 顶管穿越分级及分类： 分级 使用年限 重要性 系数 油气管道性质 1 100 1.1 全国性输油 (气 )干线、支干线 2 50 1.0 省、区、油（气）田输油（气）干线顶管和支干线顶管 穿越地质 长顶管（ m） 中长顶管 (m) 短顶管 (m) 粘土、粉质粘土、砂土、均一软岩（ Rc 200

7、 L200 卵砾石、碎石、 Rc200 L200 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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。 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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 1

8、m，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。 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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

9、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。 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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

10、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。 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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。 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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

11、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。 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 进洞口 竖 井 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 序 号 施工方法

12、 适应地层 造价 工期 1 沉井法 适用于粘土、砂质粘土等软土地层，强度较高的 岩层、卵石地层和流砂层、淤泥地层，不适合沉 井施工。 高 最长 2 地下连续墙法 适用范围较广，耕填土、淤泥、砂层、粘土层、岩层和卵石地层，都可进行地下连续墙施工。 最高 最短 3 明挖衬砌法 稳定、不易塌方的地层，或者经过简单地质改良 能达到自稳的地层，一般可以为黄土层、强度不 高的风化岩地层。 低 中 4 钻爆法 强度较高的石灰岩、花岗岩等岩石地层，且无较大裂隙。 较低 中 竖井施工方法 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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

13、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。 沉井套井 沉井井壁 沉井开挖下沉 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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

14、段 施 工 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 竖 井 开 挖 竖 井 临 时 支 撑 及 封 底 竖 井 挖 土 完 成 的 竖 井 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 管道预 留孔 管道安装 竖井内管道安装 竖井内管道形式 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 洞门处理 始 发 井 洞 门 洞 门 水 密 封 翻 板 全国顶管技

15、术创新与应用高峰论坛 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 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 中继间 长距离曲线顶管 中 继 间 长距离曲线顶管 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 32 国内外顶管施工技术发展与应用现状 全球 测量控向 技术 精确的测量控向系统：瑞士 VMT公司、日本演算工坊公司 、中国中铁上海力信公司的测量控向系统。 2000 至今 印度、法国 、德国、日 本及中国黄 河等千米顶 管工程 日本、德国的曲线顶管（依托于先进的控向系统和对顶 推力的控制系统）

16、泥水平衡 技术 精确的泥水 /土压平衡技术：德国混合式气压平衡技术、 日本基于泵量调节的压力平衡技术。 刀盘 针对复杂地层的刀盘设计 二次破碎 德日锥形破碎技术； 我国扬州广鑫：多边偏心二次破碎技术。 减阻材料 日本高效注浆减摩材料：黄河顶管用 BIOS超强润滑材料，具有不溶解的高粘性和抗渗透性，保证泥浆套的完整 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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

17、输黄河顶管工程 1800钢管 1175m, 1166m, 1259m (3段 ) 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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 。 河流 名称 顶管长度

18、（ m） 竖井深度 （ m） 地质简况 施工单位 锦江 546 23.0 21.3 含砾砂岩，强、中风化 中铁十六局 遂川江 333 17.0 18.4 含砾砂岩，强、中风化 中铁十六局 滠水 483 25.07 23.88 片麻岩，中等风化 微 风化 中交二航局 同江 324 15.63 15.0 圆砾、灰岩 浙江鸿翔 修水 516 27.14 27.05 板岩，石英岩，中等风 化，微风化 天津华水公 司 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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,1

19、259m(3段 ) 施工单位：中铁十六局 DH-1500顶管机 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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。 （

20、 3）科学组织和细致的工程管理等。 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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 机 头 断裂带 水泥管 顶推油缸 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 40 国内外顶管设备与施工技术差距分析 刀盘形式 国外刀盘形式多样， 地质针对性强 ，刀具、开口率布置合理 刀具 岩

21、石顶管，国产 30米即需换刀；国外 70-120米才换刀。 设备 轴承 海瑞克采用 专用轴承和复杂的机械密封和轴承润滑系统 ，能够在硬岩掘进时支撑刀具，给刀具足够的切削力。 导向测量 国产简单激光控向；国外 UNS激光导向加 GNS-P陀螺仪拓展，实现长距离精确控向。 工作面平衡 国内：无泥水平衡功能；国外：“泥水 +气垫”混合式平衡技术 设备价格 基本价格 国产岩石顶管机机头 300多万，日本 800多万，海瑞克 2000多万。 国产刀 1万 /把，日产刀 7万 /把；国外激光导向 160万 /套。 施工技术 注浆减摩 国内注浆材料和泵均不能实现完整泥浆套；国外自动注浆，全程控制，顶推力一般

22、 300吨，而我国高达 1000吨以上。 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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。 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 43 顶管成败关键因素分析 （ 1）设计： 优化顶管设计方

23、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。 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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 全国顶管技术创新与应用高峰论坛 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