软土地质油气管道非开挖工程的工艺探讨及适用性分析

向 君

(华东管道设计研究院,江苏 徐州 221008)

软土地质油气管道非开挖工程的工艺探讨及适用性分析

向 君

(华东管道设计研究院,江苏 徐州 221008)

针对软土地质具有含水量高、孔隙比大、渗透性差、强度低、变形大、固结时间长、压缩性高,并有触变性、流变性和很强的不均匀性的特点，详细介绍了在此种地质下，油气管道敷设所能采用的非开挖施工方式，对顶管及水平定向钻施工工艺进行了对比分析，探讨了软土地质条件下不同非开挖工程施工工艺的难点及应用对策，并对其适用性进行了总结.

软土地质;非开挖工程;顶管;水平定向钻

1 引 言

随着沿海港口和工业建筑等工程建设的快速发展，用地需求急剧增加，与此同时，国家油气管道建设也步入大发展时期，管道用地需求与土地不足的矛盾日渐突出，使得以前不怎么利用的软土层甚至是超软土层的利用增加.因为软土的力学性质的不稳定性，使得油气管道在非开挖工程建设中出现了大量难题，甚至导致穿越工程以失败告终，在油气管道设计及施工相应规范上，也极少对软基地质进行阐述并给予工程参建人员明确的指导性意见，本文作者通过参与软基地质下的油气管道建设，在积累了一些经验的同时，对软土工程地质进行了初步研究，依据地基土物理学特性，针对软土地质条件下油气管道非开挖工程的工艺特点展开了探讨.

2 软土地质的工程特性

2.1 软土地质的定义

通常把抗剪强度低、压缩性高、透水性差的地基以及在动力荷载作用下容易液化的地质称为软土地质.这里引用了一些官方对软土的定义：

我国铁道部门则建议采用以下列物理力学指标，作为区分软土的界限：天然含水量w接近或大于液限；孔隙比e>1；压缩模量Es<4000 kPa；标准贯入击数N63.5<2；静力触控贯入阻力Ps<700 kPa；不排水强度Cu<25 kPa.

我国建设部颁《软土地区工程地质勘察规范》规定凡符合以下三项特征即为软土：外观以灰色为主的细粘土；天然含水量大于或等于液限；天然孔隙比大于或等于1.0.

2.2 软土地质的特性

软土物理力学性质的最大特点是含水量高、孔隙比大、渗透性差、强度低、变形大、固结时间长、压缩性高,并有触变性、流变性和很强的不均匀性.

以温州地质为例，淤泥含水量一般大于55%，平均含水量在60.7%，个别工程含水量达到98%.孔隙比大于1.5，统计平均值在1.67，变化范围为1.10～2.80，个别地方达到2.80；淤泥质粘土含水量一般为37～56%，平均值为49.0%，孔隙比变化范围为0.9～1.36.软土如此高的含水量和大孔隙比直接导致软土的低的抗剪强度和高的压缩性的大小，含水量愈大，将导致土的抗剪强度愈小，压缩性愈大.

2.3 软土地质的工程性质及对管道施工建设的危害

2.3.1 触变性对管道施工建设的危害

原状土受振动以后，破坏了结构连接，降低了土的强度或很快地使土变成稀释状态.

危害：软土地基侧向滑动、沉降及基底在两侧挤出，导致管道及管道附属设施产生位移等.

2.3.2 流变性对管道施工建设的危害

软土在剪应力作用下发生缓慢而长期的剪切变形(不同于排水固结)，不过，抗剪强度指示随着土层深度而提高.

危害：对地基沉降有较大影响，对长距离管道敷设安全性存在不利影响.

2.3.3 高压缩性对管道施工建设的危害

属高压缩性土，大部分压缩变形发生在垂直压力100 kPa左右.

危害：管道施工附属基建设施沉降量大.

2.3.4 抗剪强度低对管道施工建设的危害

因具有上述特性，地基强度很低，其不排水抗剪强度均在20 kPa以下.

危害：承载力低(一般小于100 kPa)，导致管道敷设及运行时受外部环境影响大，易发生安全事故.

2.3.5 垂直渗透性低对管道施工建设的危害

透水性弱，垂向渗透系数在量级，不利地基排水固结.

危害：土体固结需要很长的时间，强度提高缓慢，沉降延续时间长.

2.3.6 不均匀性对管道施工建设的危害

因沉积环境变化，常夹有厚薄不等的粘土层，且夹粉细砂透镜体，使地层在垂直和水平分布上不均匀.

危害：易产生不均匀沉降.

3 软土地质下非开挖工程的工艺选择

3.1 顶管工艺

顶管工艺，是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术.顶管法施工就是在工作井内借助于顶进设备产生的顶力,克服管道与周围土壤的摩擦力,将套管按设计要求的坡度顶入土中,并将土方运走，最后进行穿管的施工技术.

在通常情况下，顶管技术可以克服传统开挖埋管法的很多不利因素，减少对周围环境的影响；不过，在软土地质条件下，因软土地质的工程性质，普遍存在工作井易塌方，在深井顶管施工中，对沉井支护要求高，工作井还要兼顾主管道预制、穿入和管道连头施工，且易发生不均匀沉降导致井壁断裂；机械顶管时，产生的泥浆量很大，对周围环境影响大；受土体影响，顶进套管易发生脱节、翘头、不均匀沉降等现象.

虽然软土地质为顶管施工带来的诸多不利因素，但在某些特定条件下，管道施工仍然需要采用顶管工艺，不过，要对其工艺方式进行可行性的优化选择.

3.1.1 顶管工艺的选择

顶管设备的选择就决定了顶管方式.目前，市场上有很多不同种类的顶管机，其主要区别在于土压力及地下水压力的平衡方式以及工作面的掘进方式不同，由此可以将顶管机分为两种基本类型：

①开放式顶管机 特点：这种顶管机在工作面和后续的套管之间没有压力密封区，其优点在于：工作人员可以方便地进入工作面，便于采用机械作业.

②闭式顶管机 特点：这种顶管机的工作面与盾尾之间设有一压力墙，根据密闭顶管机所使用平衡介质的不同，又可以将其分为气压平衡顶管机、泥水式顶管机和土压平衡式顶管机.

结合软土地质高孔隙比、高含水量、高压缩性，抗剪性差，极易触变，含水量为50%～70%，常态为软塑，承载力差的特性，对常用顶管机的选择进行表格分析：

表1 顶管机方式的选择

3.1.2 在软土地质下采用顶管工艺的适用性分析

①以温州沿海地区滩涂地质为例，其地质压缩性高，压缩模量的变化范围淤泥为0.8～2.0 MPa，淤泥质粘土为1.0～2.8 MPa，表明在外载作用下可以产生大的压缩量，故在沉井施工过程中，必须计算沉井的预估沉降量，对工作井沉降随时观测，考虑到不均匀沉降带来的载荷因素，建议采用圆井代替方型工作井，减少偏心载荷对沉井的影响，避免工作井因不均匀受力发生断裂；

②在饱和软土地质条件下，由于顶进套管要排开同体积的土体，会产生巨大的侧向挤压作用，使附近范围内相当一部分的土体发生隆起的水平位移，导致最先顶进的套管可能被两侧土体向上抬，或受挤压偏位，挤压还可能影响周围的地下管线或建筑物，故在顶管施工前需详细查明地下隐蔽设施，保持合理间距，选择适宜位置顶管；

③在软土地质下，顶管工程最易发生工套管错节现象的并不是施工过程中，而是施工过程后，管道施工所用砼套管一般为2 m一节，因土体固结需要很长的时间，受液态土体恢复平衡和周围环境干扰的影响，套管极易发生不均匀沉降现象，导致管道错节，淤泥涌入套管，无法进行穿管，故在软基地质下，不建议采用长距离顶管方案，尽量缩短顶管施工周期，套管间可采用多点锚固方式结合，使其保持整体均匀沉降，穿管完成后，应采用吹沙或充填使管道与套管形成整体结构；

④在软土地质条件下，穿越规划道路及规划区域时，宜在规划基础建设完成并沉降一段时间后再进行顶管工程实施，或采用其它施工工艺方法进行管道建设.

3.1.3 工程实例

在甬台温成品油管道工程温州经济开发区顶管穿越规划道路施工过程中，因淤泥地质承载力较差，由于规划道路施工，顶进套管发生不均匀沉降，出现脱节，工程技术人员对此问题进行分析后，暂停道路施工，采用多点锚固方式固定套管，并在穿管完成后向套管内加注砂浆灌填，将套管与成品油管道形成统一整体，消除了不均因沉降带来的安全隐患，对比之后的沉降观测数据，这一措施有效解决了软土地质对管道沉降产生的不利影响.

3.2 水平定向钻进工艺

水平定向钻进(Horizontal Directional Drilling),即HDD,是应用于非开挖领域的一项重要施工技术，经过多年的工程建设，这一技术已经非常成熟，大多应用于穿越河流、铁路、公路、建筑物等场地的各种管线铺设.

在软土地质条件下，水平定向钻工艺是一种比较理想的非开挖施工方式，克服了顶管工艺的不利因素，但在此种特殊地质下，也仍然存在诸多风险及条件限制.

3.2.1 软土地质条件下，水平定向钻工艺风险及应对措施

在软土地质条件下，特别是沿海淤泥滩涂地段及人工填海地段，受其含水量高、孔隙比大、渗透性差、强度低、变形大、固结时间长、压缩性高,并有触变性、流变性和很强的不均匀性的特殊性，故传统的开挖埋管施工方式存在施工措施费用大，开挖难度高，受规划及地形影响，难以满足管道要求设计埋深的限制，故定向钻设计长度一般较长.

与常规定向钻施工相比，长距离定向钻在此种地质条件下，钻头选择工艺相对常规，但在导向、扩孔及泥浆配比选择上却有着很大不同，施工过程的风险隐患也较大.

①套管抱死应对措施.

因长距离对象钻对导向精度要求极高，而软土地质条件下，地层极易扰动，故施工过程中会通过采用先下套管方式保证控向，由于套管布设后至导向孔完成时间较长，套管在导向孔完成后有可能被抱死，导致无法回拔出孔外.故需提前制作一个使用在套管上的套洗头，在出现套管抱死情况时，及时使用套洗头套洗套管.

②导向孔钻进风险分析及应对措施.

在水平定向钻施工中，特别是长距离施工中，随着钻进的距离越来越长，软土地层的特殊性，会造成淤泥等土质对钻具的粘附性越来越强，会造成钻杆扭矩增大，导致钻杆抱死的现象.故在施工前需配备施工解卡工具.

③预扩孔风险分析及应对措施.

针对软土地质的工程特性，钻孔难保持成孔状态，特别是在超长距离水平定向钻施工过程中，由于钻进距离非常长，钻杆的摩擦力相对比较大，在预扩孔过程中，扩孔器切削新的孔壁，钻具承受的摩擦力陡然增加，非常容易出现钻杆“甩钻”现象，严重情形下，可能出现钻具卡死，危及的时候扩孔器可能在受力点断裂，处理不及时甚至会导致穿越工程的失败.

为了杜绝此类现象的出现，首先调整好泥浆配方，针对软土地质本身流塑性强的特点，故配方泥浆用量少、简单快速的溶水性、即时胶粘强度强、低含砂量、稳定抵抗物理、化学、生物杂质、不用或只用少量的添加剂，降低泥土对钻杆的粘附性.

每600 m-800 m加一处补浆短节，使孔洞内有足够的泥浆支撑，起到润滑钻杆的作用.然后出入土两侧钻机配合扩孔作业，这样使钻杆扭矩降低，减少“甩钻”现象；长距离定向钻施工，施工的连续性显得尤为重要，由于软土地质的特殊性，长时间的卡钻，容易导致钻孔塌陷，泥浆固化，进而威胁到整个穿越工程，故需要做好组织施工设计，确保工程连续性.

④管道回拖风险分析及应对措施.

因软土地基承载力较差，回拖施工中钻机拉力会相应增大，地面附属设施(如地锚松动)可能由于土层扰动产生位移变化，导致穿越失败；而随着预制管道进入孔洞内越来越长，从而使管道在孔洞内摩擦力增大，导致钻机拉力变大，出于保护钻具的目的，采用后部助力的措施可以降低施工风险.回拖是计划使用推管器对管道进行助力.

管道回拖施工中，可能因为管道预置场地不足，出现“二接一”的情形，中间可能需要间断4-6小时，软土地质下条件，因孔道成孔较差，受静摩擦力影响，极易管道发生抱死现象，如果出现无法继续对管道进行回拖作业，应立即启动管道反向回拖应急预案.

3.2.2 软土地质下对定向钻管道穿越的安全性影响

软土地质条件下，采用定向钻穿越方式进行施工，对管道的安全隐患主要来自周边环境的影响，例如管道穿越在建或未建规划路，或管道周围正在进行地基换填或地质处理等情形，受地质含水量高、孔隙比大、渗透性差、强度低、变形大、固结时间长、压缩性高,并有触变性、流变性和很强的不均匀性的特殊性，管道穿越在设计深度上须考虑上方荷载，避免上方基建设施沉降对管道带来的安全隐患，在穿越规划道路时，深度宜保证在路基15 m以下.

3.2.3 软土地质条件下，定向钻管道穿越的适用性分析

①水平定向钻施工工艺自身的限制，水平定向钻施工能够实施的一个首要条件便是要有足够的预置管段进行布管焊接，而软土地质的特殊性导致在此条件下，预制管道无法进行多接一的施工作业，特别是对于大管径管道穿越的施工作业，故其可实施的首要条件，便是要具有足够的管道预置场地；

②宜在均衡的地质条件下进行定向钻穿越操作，如软土地质穿越施工作业环境下，还存在孤石、岩石层等多种复杂地质层，那定向钻穿越的失败风险将大大增加.

3.2.4 工程实例

在甬台温成品油管道工程瑞安飞云江段穿越施工中，因穿越距离长达3.4 km，且穿越地质成分主要为淤泥及淤泥质粘土，设计人员对地质进行分析，将管道主要穿越段布置在承载力较好的淤泥质粘土内，有效控制了两钻对穿“握手时”因沉降产生的风险，通过连续数月的紧张施工，一举打破了成品油管道非开挖历史上的最长穿越记录，由此可见，针对软基地质的油气管道非开挖穿越敷设，水平定向钻进工艺的确是一种值得推广的有效工程技术.

3.3 其它施工工艺

在软土地质非开挖工程中，还可以采用盾构工艺进行施工，但此种方法因施工作业时间长、成本高，在定向钻施工工艺日趋成熟的今天，已较少应用，在此本文便不再展开讨论.

4 结 语

通过以上分析研究可以得出如下结论：

地质因素是影响非开挖工程的最关键因素，在软土地质条件下，管道非开挖工程施工受土地承载力等诸多方面影响，在工艺的选择中，要充分考虑地层的特点，充分评估其所带来的风险与安全隐患.

通过不同施工方式对比可以看出，水平定向钻工艺在此种地质条件下是比较理想的非开挖施工方式，成本较低，施工工艺较为简便，但在场地受限时，亦可选择气压平衡或土压平衡顶管方式进行施工.

由于我国经济的发展，滩涂等软土地质开发在国民日常经济中起着越来越重大的作用，由于地区沉积环境不同，也造成软土地质成分和结构的不同，本文仅对单一软土地质下非开挖工程进行了初步探讨，建议相关油气管道从业者能对不同软土地质条件进行细分，并对复杂软土地质条件下的非开挖工程进行规律性研究，为油气管道的工程建设提供更有价值的依据.

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[5]吴克信，胡道华.软土地区油气管道工程地基处理措施[J].天然气与石油，2006，6

Analysis on Process and Applicability of Trenchless Engineering of Pipeline in Soft-soil Geology

XIANGJun

(East China Pipeline Design Institute,Xuzhou,Jiangsu 221008)

Soft-soil geology has such characteristics as high water content,large pore ratio,low permeability,low strength,large deformation,long consolidation time,high compressibility.The trenchless engineering method used in oil and gas pipeline laying under such geology is introduced.The comparative analysis is made in terms of pipe jacking and horizontal directional drilling technology.The difficulties and countermeasures of different trenchless engineering constructions were discussed.

soft soil geology;trenchless engineering;pipe jacking;horizontal directional drilling

2016-11-22

向君(1983-),男,工程师,主要从事线路规划设计及油气管道穿越工程.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.015

TU 7

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