"西气东输"郑州黄河顶管工程
2007-08-16 23:23:02
1 穿黄工程概况
工程名称：“西气东输”郑州黄河顶管工程。
施工地点：河南省郑州市黄河孤柏嘴主河槽内。
施工方法：泥水加压式顶管掘进。
工程规模：Φ1844mm钢顶管长3600m，分三段作业；设Φ15m出发井3座，Φ8m接收井1座，井深32.80m，见图1。
设备型号：日本RASA工业株式会社DH-1500砾石型泥水平衡顶管机两台、DT-1500泥水平衡顶管机一台。
施工环境：穿越断面南高北低、河谷地貌、漫滩开阔、条件恶劣、水宽流急、最大冲刷后水深20.0m；施工中遇到黄河历史上首次冲沙试验。
土质情况：粘土层、中砂层、砾石层以及交互层等复杂地质，有第四系全新统冲积（Qa14）粉土、粉砂、中砂、粘性土、卵石、坡积黄土，中更新统残积（Qe12）粉粘土（古土壤），有众多钙质结合粘土、胶结砂卵石、数米长古树等障碍物。水位高，渗透系数1.37×10-3。
地下水压：0.23Mpa。
施工精度：方向偏差小于5cm。
管材：Φ1800钢管，每节9m。
顶进距离：1175m/1166m/1259m(3段)。
埋管深度：23.0m。
主体工程：沉井制作、顶管推进。
施工单位：中铁十六局第六工程有限公司。
施工时间：2002年5月～2003年9月。
2 沉井制作
主河道的顶管全长3600m，需建4个沉井。工程位于历史上无数次改道的黄河古老河床下30m处，地质条件变化莫测。在面临摩擦力、水压、中心定位等诸多难题的情况下，沉井下沉进度每天以厘米计，工期5～6个月。
为突破难关，沉井施工采用了潜水钻吸机、旋挖钻、成槽机、气动抓岩机、40MPa高压射水泵等先进的沉井开挖设备，并引进了旋喷、冷冻止水帷幕等地基加固止水技术。沉井下沉时充分考虑了地下流动水对施工的影响，采用冷冻止水帷幕，3号沉井下沉到胶泥层时，一个月内只下沉10cm。5号沉井施工遇到钙化硬质粘土层时采用了爆破施工法。
3 顶管施工
为解决穿黄顶管施工中的高水压、管周摩擦阻力大、障碍物复杂的难点，该项目采取泥水平衡顶管工艺，选用日本RASA公司的顶管机（见图2，参数见表1），和日本特殊的粉状一体型减阻润滑材料，为克服富水砾岩砂卵石层和含有钙质结合的粘土层对顶管施工的不利影响，确保施工的顺利进行提供了可靠的保障。工艺原理见图3。
三段中，4～5号井中间的一段在整个过程中属于难度最大的一段，该段全长1259m，采用DH-1500顶管机。该段不仅比前两段的距离要长，而且在穿越过程中，先是要穿越砾石含量多、粒径大、钙化程度高的350m季节性的砾砂层；然后还要穿越800m的黄河急流主河槽。由于黄河汛期，地下水压大、流沙多、地下情况复杂，机头和管道方向都很难控制，轴线控制则需要精密的测算。每顶进一节管道，要花费10余个小时，而其中机头的定位方向都需要3小时的测算。在河流下方顶进，顶管施工时没有进行地层沉降监测。顶管润滑减阻泥浆采用日本进口的润滑材料。
穿黄顶管关键技术主要有：后方顶和中继接力顶进、长距离微粒滚动减阻、GPS、激光和陀螺仪测量定向、砾石破碎泥水输送、PLC控制泥水平衡和有限空间超长距离通风保障技术等顶管技术。
长距离顶力控制关键是控制顶力，控制顶力可以采用中继间接力顶进和管周润滑降低阻力。润滑降低阻力最有效方法是形成完整的泥浆套，变干摩擦为液体摩擦。我们采用的高分子粉状一体型润滑材料，能克服普通泥浆在砂卵石中易渗漏的缺陷，形成完整浆套，达到良好的减摩效果。
测量采用GPS技术跨河测放控制网，顶进方向由激光导向仪提供，过程中使用全站仪导向，每200m使用精密陀螺仪纠偏。
渣土输送时先破碎成小于2cm的砾径，再用管道输送进出泥浆（见图4），泥浆经过专用震动泥水分离设备分离后循环使用。
采用可编程控制器（PLC）集中控制泥水平衡工法施工流程。PLC电气系统由强电和微机控制系统二部分组成，包括地面泥水控制系统电箱、工作井内动力柜、主顶进控制系统电箱、泥水输送控制系统各个泵的电箱、PLC中央控制站和各信号分站、机头电气柜、中继间各控制电箱等。将泥水平衡工法工序结合穿越黄河长距离钢管顶管作业的施工要求，设计了泥水循环系统自动程序、刀盘启动卸载程序、对泥水压力和排泥量的监控程序、中继间—主顶全程自动联动程序、注浆系统控制程序。应用PLC技术，有效的将泥水仓内的压力、土压力、地下水压力控制在动态平衡的状态；通过对电磁流量计、密度计等精密仪器反馈的数据进行处理，反映出顶管机在土层中的掘进状态；同时大大降低了顶管施工作业各系统的电气控制系统的故障率，提高了整个系统的操作性能。
顶管施工采用压入式通风，通风机安装在靠近沉井井口的地面上，用硬质PVC通风管道把风送至沉井底部，并用同直径的硬质PVC通风管道，从管内把风送至端部机头处。
3.1 后方顶进装置和中继顶进装置
该施工方法主顶系统采用六组千斤顶，主顶力1200t。中继间如图4所示，中继距离约100m左右，从出发井到接收井中继距离略有加大。
在顶管机尾部设置有推力筒（使用50t千斤顶4根，行程500mm），单独用于克服顶管机正面和外壁阻力，将顶管机顶进和后部顶进完全分开进行，可大大提高顶进效率和速度。国外长距离，曲线和复杂地层顶进时普遍采用此法。
后方主顶进装置：200t千斤顶6台，计1200t，见图5。
利用后方千斤顶装置，可顶进120m。
中继顶进装置采用50t千斤顶20台，最大顶力1000t，额定顶力为800t。
中继间的间隔为80m，共设中继间14段。
为考虑后述的自动同步顶进控制，每环中继间设1台液压动力站。
为了达到和机头掘进速度同步，采用“二顶一”的中继间同期推进方案（见图6、图7），即：
第1，4，7，10，13，16，19段中继间同时推进，顶进完成后。
第2，5，8，11，14，17段中继间同时推进，使用上述中继间闭合，然后开动。
第3，6，9，12，15，18段中继间同时推进，使用上述中继间闭合，再重复上述过程。
上述动作，由1套PLC自控装置结合选种仪等进行全自动运行，可达到与顶管机顶进速度同步。
在超长距离的砂砾地层中顶进，中继间止水密封部摩损极大（由于每个中继间的一伸一缩，使每个止水圈的受摩擦距离，是该止水圈最终到达距离的2倍），故采用“组合密封中继环”技术，其特点是：
（1）止水圈可局部调整压密度
（2）止水圈可在线更换而不必使用压气。
（3）中继间上润滑注入孔的位置设在止水圈前方，顶进时与中继间同步开动注浆，可有效力隔离砂粒损坏止水圈。
3.2 有限空间超长距离通风保障技术
通风采用长距离压入式管道通风系统（见图8）。本工程共有三段顶进区间，顶进距离均超过1100m，顶进钢管内径1.8m,因为顶进距离超长,为了确保顶管机正常施工,同时为了保证施工人员安全，如何解决通风问题直接关系到顶管成功与否。
钢管顶进施工距离较长，在管道施工过程中，随着管道不断向前延伸，由于空气不流通，管内温度会逐渐增高，空气中的氧气会逐渐稀少，管内湿度增大。另外钢管焊接时所产生的有害气体会滞存于管内，会给管内工作人员带来危害，甚至会造成恶性事故。为改善管内工作环境，在管道施工的全过程中采取通风措施，加大管道内空气流通量，营造良好的作业环境。
一般换气方法采用由管机头通过管向外排风方式比较好，但由于本工程钢管焊接烟气较大，故采用由外向机头送风方式。除下管时，需断管外，焊接、顶进是全部送风。
通风管固定在沉井侧壁及钢管内壁的侧边，固定要牢固。在中继间处采用风琴式软管，以利风管伸缩。在施工的全过程中风管随着钢管的延伸而不断的接长，确保管道通风，满足管道内施工需求。本工程管内散热因是钢管，可向地下散热，机头动力不大只有77kW左右，用电量大的设备在管内比较分散，根据经验，管内温度不会超过30℃，故管内通风不考虑散热，主要解决换气问题，防止人在管内缺氧，其次解决工作井焊接时防止烟气进入管道。
下面以1号井→3号井段为例来计算通风机主要参数的选择。
通风管选用Φ150硬质PVC管，顶管长度L=1175m，管内作业时人数为6人。
工作井深H=26m
风管直径D=150mm
通风机必要风量：Qf=Q/（1-m）
换气量Q=3.0×钢管内人员数量
漏风率m=0.0465
风管内压力损失hf=(h+hb)/(1-m)
直管压力损失h=λ×ρ×(L/D)×(V2/2)
曲管压力损失hb= ζ×ρ×(V2/2) ×n
直管内压力损失系数λ=0.025
曲管内压力损失系数ζ=0.66
空气密度ρ=1.2
风管总长度L=风机离井壁长度+H+L=20+ 26+1175=1221(m)
风管内风速：V=Qf/60A
风管断面积A=πD2/4
Q=3.0×6=18m3/min
Qf=Q/（1-m）=18/（1-0.0465）=18.88m3/min
V=Qf/60A=18.88/（60×π×0.152/4）=17.82m/s
hf= (h+hb)/(1-m)
={λ×（L/D）+ξ×n+ξ×n}×ρ×（V2/2）/（1-m）
={0.025×（1221/0.15）+0.66×2 }×1.2×（17.822/2）/（1-0.0465）
=40730Pa
根据以上计算，通风机采用LFR-WJ型罗茨风机。另外顶进施工完成后拆除中继间等设备时加设小型鼓风机。
作业面空气质量标准：
（1）保证顶管内的氧气浓度不低于20%，有毒有害气体与灰尘的浓度不大于有害于身体健康的浓度，其中CO≤30mg/m3，NO2≤50mg/m3，CO2≤0.5%，SO2≤0.0005%，工作面通风设备的噪音不超过80分贝。
（2）用于通风的空气必须清洁，在地下作业点新鲜空气量不低于每人每分钟4m3，风速大于0.15m/s，最大风速不超过6m/s。
（3）控制工作面温度不超过28°，相对湿度不超过80%。
4 结语
（1）本工程中所使用的砾石破碎型泥水平衡式顶管机具有技术先进、操作方便和适应地层广等特点，适用于砂卵层中的顶管施工；
（2)注浆减摩技术是顶管施工中的一个重要环节，良好完整的泥浆套将大大减小顶进阻力，减少中继间的使用数量，节约投资，简化工序，大幅提高顶进速度；
（3）使用了PLC 控制系统后，顶进速度快、安全度高、工程质量好，日顶进长度达到26m。
随着环保施工的要求日益严格，为减少土地占用和加快施工速度，顶管的施工方法将在许多城市的地下管线工程中得到运用，有着广阔的发展前景。
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