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[摘要] 在近几年我国将大量引进国外石油和天然气能源,随之大型长输气(油)管及城市管网道工程建设项目将迅猛增加,新建管道穿越公、铁路、河渠(以下简称“三穿”)的情况将频繁发生。而穿越工程往往是管道建设的控制性工程,为保证管道建设中“三穿”施工的进度、质量和造价,确保被穿越的公路、铁路、河渠的质量和安全运行,研究管道“三穿”的施工方法及对施工过程中的质量控制、HSE管理显得尤为重要。
[关键词] 顶管穿越 “三穿” 质量 安全
长输管道及城市管网“三穿”工程穿越方法一般分为五类:即定向钻穿越、顶管穿越、盾构穿越、大开挖穿越、矿山法隧道穿越等。其中,顶管穿越又分为螺旋钻机法顶管穿越、千斤顶法顶管穿越、泥水平衡法顶管穿越、土压平衡法顶管穿越四类。目前螺旋钻机法顶管穿越采用的较少,特别是对大口径管道穿越近几年几乎没有采用。顶管穿越是一种对环境无公害的非开挖穿越工程的施工技术,下面就我了解和经历的有关管道建设工程中顶管穿越施工中出现的质量、安全问题的实例做一介绍;同时提出了在“三穿”顶管施工中设计、施工承包商、监理应关注的问题,希望对设计、施工、监理、业主等技术及管理人员,在质量控制、安全管理和造价控制等方面能起到警示、借鉴、促进的作用。
一、有关管道工程“三穿”顶管施工出现问题的案例描述
案例1:某输气管道工程穿越G220国道,设计穿越长度86m,管道径为D1016mm,设计穿越管底埋深为自然地面一下6.5m,顶管穿越套管采用JC/T640-1996中的DRC1800×2000GⅢ A型钢承插口砼套管。在套管穿越深度范围内,地质条件均为粉沙土,枯水季节地下水位在自然地面下3m,丰水季节地下水位在自然地面下0.8m。由于穿越点的公路两侧地势低洼,为了避开丰水季节,该穿越工程于2005年5月16日开工,计划顶管穿越工期25天。作业坑设在国道的东侧,设了4眼降水井,井深10m,降水4天后开始作业坑开挖(作业坑长6m、宽4m、深7m),由于地下水丰富、降水井数量少、降水时间较短,水位没有降下去就进行了作业坑开挖,作业坑出现大面积塌方,被迫停止开挖,开始在作业坑四周打9m长的木桩支护,然后继续开挖作业坑,由于对原土层的大面积扰动、木桩抗倾覆能力不够,作业坑继续塌方,塌方后的上口面积达到17m(宽)×28m(长),又被迫暂停施工,现场增加了6眼降水井,以降低地下水位来保证作业坑的成型。当水位降到地表下7m多时,此时已耗用了32天,正在准备第三次作业坑开挖时,在6月17日降了一场大雨,地下水位急剧上升,再次被迫暂停施工,又增加了8眼降水井,采用了工字钢桩加钢板护坡措施,进行了大面积的土方开挖,作业面达到86m(宽)×88m(长),直到2005年11月19日才完成顶管穿越任务。由于施工措施不到位,浪费了人力、物力、财力资源,影响了工期。
案例2:某成品油管道穿越京沪高速公路,穿越主管道为D355.6mm,砼套管规格为钢承插口RCP1000X2000-II-GB11836套管,穿越长度68米。穿越处位于平原区,地形平坦、开阔,两侧为林地。穿越处地层地质情况分部为: 0～6.30m为粉土,6.30m～7.4m为粉质粘土。地下水枯水季节在自然地坪以下4.5米左右,丰水季节为自然地坪以下2.0米,施工前采用了井点降水。作业坑设在公路东侧,尺寸为4.5m×6m,根据设计要求作业坑深度为地面以下5.3米,采用了2台320t油压千斤顶进行陶土顶进。2006年9月16日开工,在10月3日顶进61m时,由于与地方协调原因,被迫停工,经过与地方政府多次协调,10月6日复工。在千斤顶的推力达到套管最大承载力时,套管已然不动,原因是砼套管被四周的土抱死,无法顶进。经施工承包商与高速公路管理部门多次协商,在10月21日才同意对没有顶完的7m套管采取大开挖直埋的方式敷设。由于该问题的出现,增大了协调难度,增加了管沟开挖的工作量和造价,延长了工期。
二、设计人员对管道工程“三穿”顶管施工应关注的问题
管道工程建设中设计是龙头,从上述案例可以看出,设计人员对管线路由选定和地质勘察报告的准确、真实、代表性,将直接影响到“三穿”顶管的施工质量、安全和造价。建议设计人员在路由选定和进行地质勘察中应关注如下内容:
1、要根据现场实际情况选择穿越点,选在平坦开阔地段,尽量远离桥梁、涵洞、电力线、缆、沟渠及地上、地下障碍物,以方便顶管穿越施工作业;
2、在满足规范规定和路政、河流主管部门的要求下,选择适合穿越的土层来确定顶管穿越深度;
3、设计单位除按有关规范要求进行详细的地质勘察外,应尽量缩小地质探孔的间距,增加探孔数量,并应向当地有关部门和村民了解有关地上及下障碍物的情况,把有关情况在地质勘察报告中描述清楚,尽量做到地质勘察报告准确、真实、有代表性,以便于施工单位详细了解地质情况;
4、在地质勘察报告中应把地质情况、每层岩土物理特性及参数、固体物质的属性、粒径及含量、丰枯水季节最高水位、有无分层水系、地下障碍物等情况进行详细描述,特别是每层土质的内摩擦角、透水率等要进行详细描述,以便于施工单位选择顶管穿越施工机械和方法,确定最佳施工时间。
三、施工单位对管道“三穿”顶管施工应关注的问题
由于施工单位是“三穿“顶管穿越施工的责任主体,顶管穿越的质量、进度、造价及安全,将直接影响到管道工程的质量、进度、造价及安全,所以在顶管穿越过程中,除按规范要求进行施工外,施工承包商还要重点关注如下问题:
1、做好顶管穿越的准备工作。要对设计文件、地质勘察报告进行认真的研究和分析,了解岩土特征及参数、固体物质的属性、粒径及含量、丰水季节最高水位、枯水季节最低水位、有无分层水系、地下障碍物等情况;同时向当地路政或河流主管部门及当地村民了解地质及地下障碍物等有关情况,向当水务主管部门了解地下水情况;到穿越现场进行实地踏勘,了解地上障碍物及现场作业空间等情况。
2、施工方案的编制。根据了解到的地质、地下水位、地面障碍物现场实际情况,来确定顶管穿越方法、机械设备选型和降水方式,编制有针对性的施工技术方案。
3、降水方法的选择。根据地下水位情况和施工季节,选择降水方法。一般的井点降水方法有:轻型井点、喷射井点、管井井点、深井井点及电渗井点等。
4、防止降水造成路基沉降的措施。降水井常采用冷拔钢筋砼有眼管、无砂砼透水管或有眼钢管等,在穿越公路或铁路时,为避免因降水造成路基沉降,在沙层分布地段应设置过滤措施,一般是在降水井外包裹滤网或玻璃丝布,其规格正常为80～120目,包裹两层;或在井管外围投入粒径为5～10mm碎石或砾石作为滤水层,可有效的防止被保护土层中的沙质颗粒经地下渗流液化流失。另外,要保证足够的洗井时间,必须连续不间断的进行洗井,待井水清爽无泥沙、杂质等时,方可停止洗井工作。
5、降水时间的确定。在工期允许的前提下,要选择在枯水季节,以降低质量、安全作业风险和隐患,节省措施费,缩短施工周期;在作业坑开挖前,必须提前一周以上的时间先进行降水,保证水位降到作业坑以下1m后在进行开挖。特别是在沙土或粉砂土地区,杜绝先开挖作业坑后降水的情况。同时在作业坑四周,要做好排水措施,防止雨水进入作业坑,造成坑壁塌方。
6、避免涌水的措施。在穿越常年有水河渠时,如河床土壤松软、回淤量大或顶管以上土层透水率较高,应采取临时导流沟、截水坝或围堰,以避免管内突然涌水的情况发生。
7、预防“抱管”的措施。在顶管开工前,要提前做好穿越通过权的办理和临时用地等有关手续,避免因通过权或地方协调问题造成施工过程中的停工现象出现;同时要做好材料供应、设备检修等一切准备工作,备足易损配件或配备备用设备。当顶管作业开始后,不得长时间的停止作业,以防止“抱管”的情况发生。同时建议对顶管外表面涂刷石蜡等润滑剂,以减小岩土对顶管的摩擦阻力。
8、减小顶管摩阻的措施。根据现场具体情况来确定顶管穿越施工方法,假如采用泥水平衡顶管穿越或土压平衡顶管穿越时,还应根据地质的土层情况,选择合适的机头,并根据岩土特征、参数及穿越长度,通过计算来确定是否需要采取注浆减摩阻,以降低顶进时的摩阻力和对顶管壁外的土体起到支护作用;当采用触变泥浆减阻措施时,应在施工方案中增加相关内容。
9、机头的选用。应根据穿越土层固体颗粒含量和粒径大小,来确定在机头上是否增加破碎功能装置,以防止固体物质如卵石等堵塞封闭的泥水(土)仓,造成顶管穿越失败。当对顶管穿越土层的岩土物理特性及参数、固体物质的属性、粒径及含量不十分掌握时,建议在机头上增加破碎功能装置。
10、套管顶进要注意的问题。无论采取哪种顶管穿越方法,砼顶管的质量和规格、型号必须符合设计及施工规范的要求。顶管开始时应缓慢进行,待各接触部位密合后,再按正常速度顶进。顶进中若发现油压突然增高,应立即停止顶进检查原因并经处理后方可继续顶进。
11、防止路面下沉的对策。在对等级公路或高速公路顶管穿越后,为了防止路面下沉,在顶管穿越结束后要及时向顶管外壁注浆,注浆可采用水泥砂浆或粉煤灰水泥砂浆。当拆除注浆管路后,应将管道上的注浆孔封闭严密。对采用触变泥浆减阻措施的顶管穿越,应用注浆把触变泥浆置换干净后在继续进行注浆。
12、在“三穿”顶管穿越过程中,施工承包商的技术员、质检员、HSE监督员必须到位,及时发现问题,并根据出现问题的具体情况,及时分析原因,找出有针对性的解决办法,及时进行处理,尽量避免发生后背墙发生变形、“抱管”、路基沉陷等质量事故或管内涌水、沉井下沉倾斜、变形、作业坑塌方、水位降不下去等安全事故。如发生质量或安全隐患,应立即启动应急预案,以减少或规避质量或安全事故的发生,达到缩短工期、降低造价的目的。
[关键词] 顶管穿越 “三穿” 质量 安全
长输管道及城市管网“三穿”工程穿越方法一般分为五类:即定向钻穿越、顶管穿越、盾构穿越、大开挖穿越、矿山法隧道穿越等。其中,顶管穿越又分为螺旋钻机法顶管穿越、千斤顶法顶管穿越、泥水平衡法顶管穿越、土压平衡法顶管穿越四类。目前螺旋钻机法顶管穿越采用的较少,特别是对大口径管道穿越近几年几乎没有采用。顶管穿越是一种对环境无公害的非开挖穿越工程的施工技术,下面就我了解和经历的有关管道建设工程中顶管穿越施工中出现的质量、安全问题的实例做一介绍;同时提出了在“三穿”顶管施工中设计、施工承包商、监理应关注的问题,希望对设计、施工、监理、业主等技术及管理人员,在质量控制、安全管理和造价控制等方面能起到警示、借鉴、促进的作用。
一、有关管道工程“三穿”顶管施工出现问题的案例描述
案例1:某输气管道工程穿越G220国道,设计穿越长度86m,管道径为D1016mm,设计穿越管底埋深为自然地面一下6.5m,顶管穿越套管采用JC/T640-1996中的DRC1800×2000GⅢ A型钢承插口砼套管。在套管穿越深度范围内,地质条件均为粉沙土,枯水季节地下水位在自然地面下3m,丰水季节地下水位在自然地面下0.8m。由于穿越点的公路两侧地势低洼,为了避开丰水季节,该穿越工程于2005年5月16日开工,计划顶管穿越工期25天。作业坑设在国道的东侧,设了4眼降水井,井深10m,降水4天后开始作业坑开挖(作业坑长6m、宽4m、深7m),由于地下水丰富、降水井数量少、降水时间较短,水位没有降下去就进行了作业坑开挖,作业坑出现大面积塌方,被迫停止开挖,开始在作业坑四周打9m长的木桩支护,然后继续开挖作业坑,由于对原土层的大面积扰动、木桩抗倾覆能力不够,作业坑继续塌方,塌方后的上口面积达到17m(宽)×28m(长),又被迫暂停施工,现场增加了6眼降水井,以降低地下水位来保证作业坑的成型。当水位降到地表下7m多时,此时已耗用了32天,正在准备第三次作业坑开挖时,在6月17日降了一场大雨,地下水位急剧上升,再次被迫暂停施工,又增加了8眼降水井,采用了工字钢桩加钢板护坡措施,进行了大面积的土方开挖,作业面达到86m(宽)×88m(长),直到2005年11月19日才完成顶管穿越任务。由于施工措施不到位,浪费了人力、物力、财力资源,影响了工期。
案例2:某成品油管道穿越京沪高速公路,穿越主管道为D355.6mm,砼套管规格为钢承插口RCP1000X2000-II-GB11836套管,穿越长度68米。穿越处位于平原区,地形平坦、开阔,两侧为林地。穿越处地层地质情况分部为: 0～6.30m为粉土,6.30m～7.4m为粉质粘土。地下水枯水季节在自然地坪以下4.5米左右,丰水季节为自然地坪以下2.0米,施工前采用了井点降水。作业坑设在公路东侧,尺寸为4.5m×6m,根据设计要求作业坑深度为地面以下5.3米,采用了2台320t油压千斤顶进行陶土顶进。2006年9月16日开工,在10月3日顶进61m时,由于与地方协调原因,被迫停工,经过与地方政府多次协调,10月6日复工。在千斤顶的推力达到套管最大承载力时,套管已然不动,原因是砼套管被四周的土抱死,无法顶进。经施工承包商与高速公路管理部门多次协商,在10月21日才同意对没有顶完的7m套管采取大开挖直埋的方式敷设。由于该问题的出现,增大了协调难度,增加了管沟开挖的工作量和造价,延长了工期。
二、设计人员对管道工程“三穿”顶管施工应关注的问题
管道工程建设中设计是龙头,从上述案例可以看出,设计人员对管线路由选定和地质勘察报告的准确、真实、代表性,将直接影响到“三穿”顶管的施工质量、安全和造价。建议设计人员在路由选定和进行地质勘察中应关注如下内容:
1、要根据现场实际情况选择穿越点,选在平坦开阔地段,尽量远离桥梁、涵洞、电力线、缆、沟渠及地上、地下障碍物,以方便顶管穿越施工作业;
2、在满足规范规定和路政、河流主管部门的要求下,选择适合穿越的土层来确定顶管穿越深度;
3、设计单位除按有关规范要求进行详细的地质勘察外,应尽量缩小地质探孔的间距,增加探孔数量,并应向当地有关部门和村民了解有关地上及下障碍物的情况,把有关情况在地质勘察报告中描述清楚,尽量做到地质勘察报告准确、真实、有代表性,以便于施工单位详细了解地质情况;
4、在地质勘察报告中应把地质情况、每层岩土物理特性及参数、固体物质的属性、粒径及含量、丰枯水季节最高水位、有无分层水系、地下障碍物等情况进行详细描述,特别是每层土质的内摩擦角、透水率等要进行详细描述,以便于施工单位选择顶管穿越施工机械和方法,确定最佳施工时间。
三、施工单位对管道“三穿”顶管施工应关注的问题
由于施工单位是“三穿“顶管穿越施工的责任主体,顶管穿越的质量、进度、造价及安全,将直接影响到管道工程的质量、进度、造价及安全,所以在顶管穿越过程中,除按规范要求进行施工外,施工承包商还要重点关注如下问题:
1、做好顶管穿越的准备工作。要对设计文件、地质勘察报告进行认真的研究和分析,了解岩土特征及参数、固体物质的属性、粒径及含量、丰水季节最高水位、枯水季节最低水位、有无分层水系、地下障碍物等情况;同时向当地路政或河流主管部门及当地村民了解地质及地下障碍物等有关情况,向当水务主管部门了解地下水情况;到穿越现场进行实地踏勘,了解地上障碍物及现场作业空间等情况。
2、施工方案的编制。根据了解到的地质、地下水位、地面障碍物现场实际情况,来确定顶管穿越方法、机械设备选型和降水方式,编制有针对性的施工技术方案。
3、降水方法的选择。根据地下水位情况和施工季节,选择降水方法。一般的井点降水方法有:轻型井点、喷射井点、管井井点、深井井点及电渗井点等。
4、防止降水造成路基沉降的措施。降水井常采用冷拔钢筋砼有眼管、无砂砼透水管或有眼钢管等,在穿越公路或铁路时,为避免因降水造成路基沉降,在沙层分布地段应设置过滤措施,一般是在降水井外包裹滤网或玻璃丝布,其规格正常为80～120目,包裹两层;或在井管外围投入粒径为5～10mm碎石或砾石作为滤水层,可有效的防止被保护土层中的沙质颗粒经地下渗流液化流失。另外,要保证足够的洗井时间,必须连续不间断的进行洗井,待井水清爽无泥沙、杂质等时,方可停止洗井工作。
5、降水时间的确定。在工期允许的前提下,要选择在枯水季节,以降低质量、安全作业风险和隐患,节省措施费,缩短施工周期;在作业坑开挖前,必须提前一周以上的时间先进行降水,保证水位降到作业坑以下1m后在进行开挖。特别是在沙土或粉砂土地区,杜绝先开挖作业坑后降水的情况。同时在作业坑四周,要做好排水措施,防止雨水进入作业坑,造成坑壁塌方。
6、避免涌水的措施。在穿越常年有水河渠时,如河床土壤松软、回淤量大或顶管以上土层透水率较高,应采取临时导流沟、截水坝或围堰,以避免管内突然涌水的情况发生。
7、预防“抱管”的措施。在顶管开工前,要提前做好穿越通过权的办理和临时用地等有关手续,避免因通过权或地方协调问题造成施工过程中的停工现象出现;同时要做好材料供应、设备检修等一切准备工作,备足易损配件或配备备用设备。当顶管作业开始后,不得长时间的停止作业,以防止“抱管”的情况发生。同时建议对顶管外表面涂刷石蜡等润滑剂,以减小岩土对顶管的摩擦阻力。
8、减小顶管摩阻的措施。根据现场具体情况来确定顶管穿越施工方法,假如采用泥水平衡顶管穿越或土压平衡顶管穿越时,还应根据地质的土层情况,选择合适的机头,并根据岩土特征、参数及穿越长度,通过计算来确定是否需要采取注浆减摩阻,以降低顶进时的摩阻力和对顶管壁外的土体起到支护作用;当采用触变泥浆减阻措施时,应在施工方案中增加相关内容。
9、机头的选用。应根据穿越土层固体颗粒含量和粒径大小,来确定在机头上是否增加破碎功能装置,以防止固体物质如卵石等堵塞封闭的泥水(土)仓,造成顶管穿越失败。当对顶管穿越土层的岩土物理特性及参数、固体物质的属性、粒径及含量不十分掌握时,建议在机头上增加破碎功能装置。
10、套管顶进要注意的问题。无论采取哪种顶管穿越方法,砼顶管的质量和规格、型号必须符合设计及施工规范的要求。顶管开始时应缓慢进行,待各接触部位密合后,再按正常速度顶进。顶进中若发现油压突然增高,应立即停止顶进检查原因并经处理后方可继续顶进。
11、防止路面下沉的对策。在对等级公路或高速公路顶管穿越后,为了防止路面下沉,在顶管穿越结束后要及时向顶管外壁注浆,注浆可采用水泥砂浆或粉煤灰水泥砂浆。当拆除注浆管路后,应将管道上的注浆孔封闭严密。对采用触变泥浆减阻措施的顶管穿越,应用注浆把触变泥浆置换干净后在继续进行注浆。
12、在“三穿”顶管穿越过程中,施工承包商的技术员、质检员、HSE监督员必须到位,及时发现问题,并根据出现问题的具体情况,及时分析原因,找出有针对性的解决办法,及时进行处理,尽量避免发生后背墙发生变形、“抱管”、路基沉陷等质量事故或管内涌水、沉井下沉倾斜、变形、作业坑塌方、水位降不下去等安全事故。如发生质量或安全隐患,应立即启动应急预案,以减少或规避质量或安全事故的发生,达到缩短工期、降低造价的目的。