浅析油气管道河流穿越盾构机选型设计.pdf

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1、石油天然气 学报2 0 1 2 年 4 月第 3 4 卷第4 期 J o u r n a l o f Oi l a n d Ga s Te c h n o l o g y Ap r 2 0 1 2 Vo 1 3 4 N o 4 3 5 9 浅 析油气 管道 河流 穿越 盾构 机选 型设计 朱东志 ，于德军 ( 中国 石油天然气管 道局第四工程分公司， 河北廊坊0 6 5 0 0 0 ) 摘要针对 油气管道盾构工程的特点 ，提 出了管道 河流 穿越 盾构机 的基本要 求和设计选 型理念，通过对 泥水平衡 式盾构和土压平衡 式盾构 适用 性分析 ，确 定 了管道河流 穿越 盾构机 的类型。按 照管

2、道 施工 的要 求 ，确定 了盾构机 的几何尺 寸。通 过对 复合 刀盘整体 结构 、主轴承类 型、刀盘驱 动方 式的分析 ，提 出了 具体 的设计选 型建议 。 关键词 油气管道 ；盾构 ；设计 ；选型 ；适应性 中图分类 号TE 9 7 3 8 文献标识 码 A 文章编 号 1 0 0 0 9 7 5 2 ( 2 0 1 2 l 0 4 0 3 5 9 0 3 油气管道盾构施工技术应用 日益广泛 ，油气管道盾构穿越是在河流地层复杂情况下无法使用顶管穿 越、定向钻穿越时采用的具有保障性的施工方法 ，是油气管道控制性工程 ，盾构机是盾构施工主要 的技 术载体 ，盾构机的性能直接影响盾构施 工的

3、成败。为了保证盾构机的性能，盾构机管理应采取全过程控 制 ，尤其 要 以设计 选 型阶段 为重 点进 行分 析 和研究 。 1 油气管道盾构工程的特点和对盾构机的基本要求 1 1 地质条件复杂 油气管道河流穿越可采用挖沟埋设 、水平定向钻敷设 、隧道敷设等形式 。在地质条件好 的情况下 ， 一般采用定向钻方式施工。河流地质条件复杂穿越距离较短一般采用泥水平衡顶管施工 ，而穿越长度大 于 8 0 0 m，一般采用盾构法施工 。目前盾构法穿越工程主要用于松花江、黄河 、长江、珠江等大江大河 。 因地 域差 别 和水文情 况 不 同 ，地 质条 件具 有很 大 的差异 性 。盾构 机 应适应 硬 岩

4、地层( 最 大单轴 抗 压强度 1 6 0 MP a ) 、卵石 地层( 最大 卵石 粒径 3 5 0 mm，2 O 0 3 5 0 mm 卵石 含量 1 5 9 ， 6 ，l O 0 2 0 0 mm 卵石 含量 3 O ) 、砂砾层、粘土质粉砂岩的施工需要 ，油气管道盾构工程宜选用复合地层盾构机 。 1 2设备 需 要重 复利 用 油气管道河流穿越一般长度在 2 k in 左右 ，穿越工 期在 1年左 右，一般盾构机的使用 寿命 大于 1 O 年 ，累计穿越长度大于 l O k m，一台盾构机在寿命期内要完成 5 1 O个盾构工程 。这就要求盾构机要满 足公路调迁 、野外移动需要 ，具备易

5、拆装和吊装 的特点 ，同时要求盾构机不能依据单一项 目的地质条件 进 行设 计选 型 。 1 3盾构 施工 难度 大 工期 紧张 油气管道盾构工程造价高，为了降低工程造价 ，控制工程投资，设计单位和业主单位采用盾构法穿 越周期长 ，导致部分工程施工工期非常紧张，这就要求盾构机需要非常好的可靠性和安全性 ，尽可能避 免 因设 备故 障 和事故 导 致工期 延误 。 2 盾构机类型的确定 盾构机按照密闭类型可分为泥水平衡式盾构和土压平衡式盾构。在施工地层富含水时，土压平衡盾 构对高水压( O 3 MP a以上)的地层特别是在高水压 的交错地层适应性差 。在含有卵石的地层 ，土压平 收稿日期2 0

6、1 2 O 1 1 2 作者简介朱东志 ( 1 9 7 2一 ) ，男 ，2 0 0 6 年 中国石油大学 ( 华东)毕业 ，工程师 ，现主要从事企业管理和施 工技术方 面的工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m石油天然气学报 * 管道施工设备 2 0 l 2 年 4 月 衡盾构易造成螺旋输送机的卡滞堵塞，刀具磨损加剧 。在大埋深富水地段 、粉土地层采用土压平衡盾 构 ，地层土质黏性较大，易形成泥饼 ，施工效率低。泥水平衡盾构机通过向刀盘密封舱泵送加带有压力 的泥浆 ，能够有效地控制掌子面的稳定，保持

7、开挖面的平衡和有效控制地表沉降，对高水压的地层适应 性好 。泥水平衡盾构机设置岩石破碎机，能够有效对卵石等进行破碎处理，减少刀具磨损 ，有利于lT效 的提高。根据国内外的盾构施工经验 ，地层透水系数处于 1 O 1 0 m s时，可选用泥水平衡式盾构。 地层透水系数大于 l O m s ，宜选用泥水平衡式盾构l_ I 。根据泥水平衡式盾构和土压平衡式盾构 的特 点 ，考虑到河流盾构穿越施工的复杂性 ，为了保证工程的安全性和可靠性，减少施T风险，通常油气管 道河流穿越选用泥水平衡式盾构机。 3 盾构机主要设计参数的确定 3 1 盾构机衬砌管片内径 油气管道盾构机衬砌管片内径 ( D ) 可以按照

8、下列公式计算 ： Dl一 ( DP+ 6 O 0 ) N + 6 0 0 ( 1 ) 式中， D 为管片内径 ， mm； D 为最大油气管道直径 ， mm； N 为数量。 3 2 盾 壳外径 盾壳外径 ( D。 )的计算公式 为 ： Do D1+ 2 (Tl + Tz+ 6 ) ( 2 ) 式中， D- 为衬砌管片内径 ， mm； T 为衬砌管片厚度 ， mm； T 为盾尾壳板的厚度 ， mm； b为盾尾壳板内壁面 与衬砌管片环的外壁面之间的空隙 ， mm。 3 3 衬砌 管 片厚 度 衬砌管片厚度 ( T ) 应根据隧道直径 、埋深、工程地质及水文地质条件 ，施工阶段和使用阶段的载 荷等情况

9、确定 ，宜为隧道外轮廓直径的 0 0 5 O 0 6 倍E 3 3 。 3 4覆 土厚 度 盾构法施工上部所需的覆土厚度，应根据水文地质条件、盾构形式等因素决定 ，不宜小于 3 倍盾构 机外 径 或河流 冲刷 线下 8 mL 3 。 3 5承受水 压 承 受水压 根据 穿越 河流 的水深 、覆 土厚度 和地 质条件 决定 ，为 了考虑设 备 的经济 性和适 用性 ，盾 构 机 承受水 压一 般定 为 0 5 MP a 。 3 6掘进速 度 盾构机的掘进速度影响工期和造价 ，根据 目前管道盾构穿越工程的工期和造价 ，盾构设备的最大掘 进 速度应 大 于等 于 6 0 mm mi n ，卵石 和硬

10、 岩地层 最低 掘进速 度应不 小 于 2 0 mm mi n 。 4 复合刀盘整体结构的选择 刀盘整体结构的选择主要应考虑刀盘的强度 、耐磨性 、开口率和刀具的互换性 。 4 1 强度 提高刀盘的强度由材质 、材料厚度和结构形式决定 ，一般通过力学分析来确定强度 。若刀盘强度不 符合复合底层掘进要求 ，会发生刀盘变形甚至断裂的现象。 4 2 耐磨性 提高刀盘耐磨性是缓解刀盘尺寸变小的有效手段 ，为了提高刀盘的耐磨性，一般在刀盘易磨损部位 加 装耐 磨钢 板 、焊接 耐磨层 和 贝壳刀 。 4 3开 口率 在能够保证开挖面稳定的前提下 ，为了提高掘进效率 ，希望获得较大的开 口率。在卵石层施工

11、时 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 3 4卷第 4期 朱东志等：浅析油气管道河流穿越盾构机选型设计 3 6 1 开 口率过小 ，卵石无法进入刀盘舱 ，砂卵石对刀盘 、刀具磨损强 ，导致刀盘 、刀具磨损严重 。在砂层 或流砂层施： 时 ，刀盘开 口率 宜大 于等于 3 0 。在砂层 或流砂层施工 时，会因开 口率 太大导致坍塌 ， 可通过加装挡板或其他形式将开 口率调整到 2 O 以下。在粘土地层刀盘中间位置开 口率较低时，会导 致结 “ 泥饼” ，一般通过刀盘背部安装搅拌装置，采用清水冲洗刀盘中

12、心滚刀来解决 。 4 4刀具 的互换 性 在粘土或其他软土地层 ，通常将滚刀更换成刮刀 ，可以减少功率消耗 ，进而提高掘进速度 。 5 主轴承类型的选择 刀盘主轴承支承的刀盘直径较大 ，承受刀盘装备扭矩、正向轴向推力也较大，同时还要承受一定 的 反向轴 向推力以及较大的倾覆力矩 。主轴承在盾构施工过程中无法更换 ，所以主轴承的适用性和可靠 性十分关键 。油气管道河流穿越盾构机因要适用于复合地层 ，多数选用径向轴承与轴 向轴承组合的刀盘 主轴承。这种轴承的内套圈的横截面为 T形截面，径向轴承与轴向轴承组合 成一个整体 ，同时承受径 向 、2个 不 同方 向的轴 向载 荷 和倾覆 力矩 。 6 刀

13、盘驱动方式的选择 为了满足切土破岩的要求 ，刀盘装备扭矩大 ，需要采取多套驱动单元才能满足扭矩需求 。刀盘应能 够以顺时针和逆时针 2个方向转动 ，刀盘应能在最低转速和最高转速之间实现无级调速 。目前刀盘驱动 方式主要有液压马达驱动和变频 电机驱动。变频 电机驱动的特点是效率高、发热量小 、噪声小 、体积 大 ，配套 台车可简化 ，扭矩变化控制不平缓对刀具冲击大 。液压 马达驱动的特点是驱动马达体积小 ，易 于实现刀盘扭矩控制 ，扭矩变化乎缓 ，刀盘启动 、过载、停机时对刀具能够起到缓冲作用 ，但效率低 、 发热量大 、噪声大 、配套台车复杂。由于变频电机体积较大 ，受盾构机 内部布局限制 ，

14、一般隧道内径 3 5 m 以下的盾构机多采用液压马达驱动。变频电机节能环保 ，在内部布局不受限制 的大直径盾构机上 广泛使 用 。 7 需要注意 的其他 问题 盾构机的密封方式、推进系统 、导向系统和泥水系统等方面的选择 ，对盾构隧道顺利施工至关重 要 ，也 需要认 真 地分 析 和研究 。 8 结 论 1 )油气管道盾构工程的特点决定着管道河流穿越盾构机的基本要求和设计选型理念 。 2 )考虑到盾构机的通用性和复杂地质条件的适应性，油气管道河流穿越盾构机宜采用泥水平衡式。 3 )刀盘的整体结构 、主轴承的类型 、刀盘 的驱动方式等决定泥水平衡盾构机的适用性。 4 )盾构机设计选型要满足盾构施

15、工技术需要 ，同时要兼顾经济合理原则。 参考文献 1 琚时轩 土压平衡盾构和泥水平衡盾构 的特点及适应性分析 J 工程机 械，2 0 0 7 ，3 8 ( 1 2 ) ：2 1 2 日地盘供学会 盾构法的调查 设计 施工 M 牛清山 等译 北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 7 3 GB 5 0 4 2 3 2 0 0 7 ，油气输送管道穿越工程设计规范 E s 4 陈韶章，洪开荣 复合地层盾构设计概论 M北 京 ：人 民交通 出版社 ，2 0 1 0 5 杨书江 ，孙谋 ，洪开荣 富水砂 卵石地层盾构施工技术 Mj E 京 ：人 民交通 出版社 ，2 0 1 1 编辑 宋换新 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m