1. 前言
1.1. 研究背景与工程意义
液化天然气(LNG)是清洁高效的能源，接收站建设是保障国家能源安全的核心基础设施。LNG接收站通常选址于沿海或临江区域，这类场地普遍存在软土地基、高地下水位、复杂土层分布等地质难题，给关键构筑物施工带来严峻挑战。其中，长距离顶管穿越(用于管线、管廊铺设)与沉井(用于储罐基础、泵房基坑等)施工技术因具备对周边环境扰动小、适应性强等优势，成为解决复杂地质地下工程的首选方案。
惠州LNG接收站项目作为华南地区重要的能源枢纽工程，其接收站工程EPC项目只能采取多段长距离顶管穿越及大型沉井施工工艺。施工区域揭露地层以粉质粘土、粗砾砂为主，局部含砂岩层夹层，地下水位埋深仅1.2~1.8 m，同时邻近既有输油管线和沿海防洪堤，施工精度要求轴线偏差不超过±50 mm，沉降控制值需小于30 mm，技术难度处于行业高位。类似的虎林–长春天然气管道工程在复杂地质中完成40条顶管穿越，证实了该技术在能源工程中的关键作用，但也暴露了地质适配性、过程控制等共性问题。因此，系统研究复杂地质条件下两类施工技术的优化路径，对提升LNG接收站建设质量与安全水平具有重要现实意义，施工路径图见图1：
Figure 1. Pipe jacking construction path diagram
图1. 顶管施工路径图
1.2. 国内外研究现状
1.2.1. 顶管施工技术研究进展
国际上顶管技术已发展至智能化阶段，德国海瑞克公司开发的泥水平衡顶管机可实现复杂地层的自适应掘进，但针对沿海地区富水砂层的专项技术仍显不足。国内研究聚焦于地质适应性改进，如云南省交通规划设计院首次将泥水平衡顶管应用于深埋山岭隧道“重塑土”地层，通过钢管片及时支护解决了突泥涌水难题。在数值模拟领域，学者多采用PLAXIS软件构建地质–结构耦合模型，但对长距离顶管的顶进力衰减规律与纠偏力机制研究尚不深入。
国内研究聚焦富水砂砾层的地质适配性改进：西南交通大学提出“分级注浆 + 蜡质减阻剂”复合减阻工艺，实现460 m长距离顶进，平均顶进力降低25%；广东省水利水电科学通过PLAXIS数值模拟，揭示了富水砂砾层中泥浆套厚度与顶进阻力的耦合关系，但对顶进过程中泥浆压力动态调整机制研究不足本文重点研究长距离顶进的泥浆流失防控技术、顶进力衰减与减阻参数的实时匹配模型。
1.2.2. 沉井施工技术研究进展
沉井施工技术在欧美国家已形成标准化体系，日本大成建设开发的“软件排沉排施工法”融合BIM与实时监测，实现沉井下沉全过程数字化管控。国内研究集中于软土地基沉井的抗浮与纠偏技术，如采用高压旋喷桩加固井壁周围土体，但对于LNG接收站特有的大直径(≥20 m)沉井在高水位条件下的封底质量控制研究较少。现有研究存在两个明显缺口：一是缺乏顶管与沉井施工的系统性协同方案，二是针对沿海LNG场地的地质–施工参数匹配数据库尚未建立。
国内研究集中于大直径沉井在复杂地质中的纠偏优化：同济大学针对富水砂砾层与砂岩层夹层地质，研发了“倾角仪 + 位移计”闭环纠偏系统，通过每30分钟采集数据，自动调整挖土顺序和冲射位置，在上海某项目直径22 m沉井施工中，倾斜率从1.2%降至0.4%；中交一航局提出“刃脚加固 + 分级下沉”纠偏工艺，通过在刃脚增设钢板和控制每层开挖厚度(≤0.5 m)，解决了大直径沉井在富水层的突沉与倾斜叠加问题。本文重点探讨大直径沉井(≥20 m)在富水砂砾层与岩层界面的纠偏响应机制，地质–纠偏参数的动态匹配技术。
1.3. 研究内容与技术路线
本文以惠州LNG接收站工程为依托，结合同类工程实践经验，重点研究三方面内容：一是复杂地质参数对顶管与沉井施工的影响机制；二是顶管顶进参数优化与沉井下沉控制的关键技术；三是全过程质量安全管控体系构建。
研究采用“理论分析–数值模拟–现场验证”的技术路线：首先通过地质勘察数据解析土层物理力学参数与施工响应关系；其次运用BIM + Plaxis建立三维仿真模型，模拟不同工况下的结构变形规律；最后将优化方案应用于惠州项目现场，通过传感器监测数据验证技术有效性。
2. 复杂地质对施工的影响机制与勘察优化
2.1. 典型地质条件特征解析
惠州LNG接收站施工区域地质勘察揭示典型复杂地层组合，按埋藏深度可分为四层，如表1：
Table 1. Geological factors analysis table
表1. 地质因素分析表
地层编号 |
地层名称 |
厚度(m) |
主要物理力学参数 |
施工影响 |
① |
杂填土 |
1.5~2.3 |
孔隙比e = 1.2，承载力fak = 80 kPa |
沉井下沉易出现倾斜 |
② |
粉质粘土 |
3.8~5.2 |
内摩擦角φ = 18˚，粘聚力c = 25 kPa |
易引发顶管机刀盘堵塞 |
③ |
粗砾砂 |
4.2~6.7 |
渗透系数k = 3.5 × 10−3 cm/s |
顶管易发生突水，沉井降水难度大 |
④ |
砂岩层 |
>8.0 |
单轴抗压强度σc = 15 MPa顶进阻力骤增 |
需特殊刀盘配置 |
分析表明，该区域地下水位受潮汐影响明显，涨落幅度达0.8 m，与③层粗砾砂形成典型的“富水–透水”地质组合，是施工风险主要来源。
2.2. 地质因素对施工的作用机制
2.2.1. 对顶管施工的影响
粗砾砂层的高渗透性导致顶管施工中泥浆护壁难度增加，当顶进速度超过5 cm/min时，易出现泥浆流失引发地面沉降。砂岩层的高强度使顶进力从粉质粘土层的1200 kN骤增至3800 kN，若参数调整不及时将造成管节开裂。虎林–长春管道工程在挠力河穿越中也发现类似规律，地层变化处顶管轴线偏差率较均质地层高3倍。
2.2.2. 对沉井施工的影响
富水粗砾砂层使沉井下沉过程中易发生“突沉”现象，惠州项目试沉阶段曾出现1小时下沉23 cm的险情，主要因土体抗剪强度急剧降低所致。粉质粘土层与砂岩层的界面处存在明显的承载力差异，导致沉井倾斜率最高达1.5%，超出规范限值(1%)。
2.3. 施工针对性勘察优化方法
针对LNG接收站施工需求，采用“常规勘察 + 专项探测”的复合勘察方案：在常规钻孔基础上，增设地质雷达探测，精准定位砂岩层夹层及孤石位置，探测误差控制在±0.3 m；对富水区域实施压水试验，获取各土层渗透系数的动态变化规律；建立“勘察数据–施工参数”对应数据库，将土层承载力、地下水位等参数与顶进速度、降水强度等施工指标直接关联，为方案设计提供量化依据。
3. 长距离顶管穿越施工技术优化与实践
3.1. 顶管设备选型与系统改进
根据地质勘察结果，选用YD1800国产泥水平衡顶管机，针对惠州项目地质特点进行三项改进：一是将标准刀盘更换为“先行刀 + 刮刀”组合刀盘，在砂岩层区域的掘进效率提升40%；二是优化泥浆循环系统，增设泥浆密度自动监测装置，当密度低于1.05 g/cm3时自动补充膨润土[1]，确保富水层护壁效果；三是升级导向系统，采用激光全站仪与惯性导航双控模式，测量频率提升至每30 cm一次，定位精度达±2 mm，最终选型图如图2：
Figure 2. Selection diagram of domestic slurry balance pipe jacking machine (Complete Machine)
图2. 国产泥水平衡顶管机整机选型图
3.2. 关键施工参数优化
基于数值模拟与现场试验，确定不同地层的最优施工参数，如表2：
Table 2. Key parameters of pipe jacking construction
表2. 顶管施工关键参数表
地层类型 |
顶进速度(cm/min) |
泥浆压0.18~0.22力(MPa) |
顶进力(kN) |
纠偏角度(˚) |
粉质粘土 |
4~6 |
0.12~0.15 |
1200~1800 |
≤0.5 |
粗砾砂 |
2~3 |
0.22~0.25 |
1800~2500 |
≤0.3 |
砂岩层 |
1~2 |
0.25~0.26 |
2500~4000 |
≤0.2 |
在地层转换处采用“渐变式参数调整法”，如从粉质粘土进入粗砾砂层时，顶进速度分3级从5 cm/min降至2 cm/min，避免参数突变引发管节偏移。虎林–长春项目在软弱地基顶管中采用类似的参数优化策略，成功将轴线偏差控制在20 mm以内。
3.3. 特殊工况处置技术
3.3.1. 富水砂层防突水技术
采用“三重防控”体系：超前布设3口降水井，将地下水位降至作业面以下1.5 m；顶管机前方设置探水孔，每5 m进行一次水压测试；在泥浆中掺入0.5%的丙烯酰胺类絮凝剂，提高泥浆在砂层中的附着能力。惠州项目应用该技术后，成功穿越120 m长富水粗砾砂段，未发生泥浆流失现象。
3.3.2. 长距离顶进减阻技术
借鉴倭肯河穿越工程的减阻经验，实施“三段式”减阻方案：顶管初始段(0~50 m)采用涂抹蜡质减阻剂，摩擦系数降至0.15；中段(50~150 m)注入膨润土泥浆套，形成厚度≥3 cm的润滑层；末段(150~200 m)采用“随顶随注”工艺，动态补充泥浆。最终全程平均顶进力较常规方法降低28%。
3.4. 施工质量控制要点
建立“全流程、双预控”质量管控体系：测量放线实行“三检制”，每10 m进行一次轴线复核，确保累计偏差不超标；关键参数实施24小时动态监控，通过IoT平台将顶进力、泥浆压力等数据实时上传，偏差超预警值时自动停机；验收阶段采用超声波检测管节接口密封性，水压试验压力达设计压力的1.5倍，保压30分钟无渗漏为合格。惠州项目顶管工程一次验收合格率达100%，轴线最大偏差仅28 mm。
4. 沉井下沉施工技术创新与应用
4.1. 沉井结构设计优化
针对LNG接收站大型沉井(直径22 m，深度18 m)的施工需求，采用“分节制作、分次下沉”结构方案，分4节制作，每节高度4.5 m，避免一次性制作引发的开裂风险。井壁厚度采用渐变式设计，从顶部的80 cm增至底部的120 cm，增强对复杂地层的适应性。在沉井刃脚处增设10 cm厚钢板加固，刃脚角度优化为60˚，降低下沉阻力。
4.2. 下沉控制关键技术
4.2.1. 下沉方式选择与优化
采用“排水下沉 + 不排水封底”组合工艺：在粉质粘土层(①~②层)采用明沟排水配合井点降水，将水位控制在作业面下0.5 m；进入粗砾砂层(③层)后改为深井降水，布设8口直径300 mm的降水井，间距6 m，抽水强度根据水位监测数据动态调整。下沉挖土采用“分层对称开挖法”，每层开挖厚度不超过0.5m，对称偏差控制在50 cm以内，有效抑制沉井倾斜。
4.2.2. 纠偏与抗浮技术
开发“监测–分析–调整”闭环纠偏系统：在沉井顶部布设4个倾角仪，每30分钟采集一次数据，当倾斜率超过0.5%时启动纠偏。针对粉质粘土层的倾斜，采用“高侧少挖、低侧多挖”的挖土调整法；针对砂层中的倾斜，采用高压水枪冲射低侧土体，配合配重纠偏。惠州项目沉井最终倾斜率仅0.3%，满足规范要求。
抗浮方面，在沉井下沉至设计标高后，立即采用C30水下混凝土封底，厚度达2.5 m，同时布设6根抗浮锚杆，每根承载力不小于500 kN，有效抵御地下水浮力。
4.3. 数字化施工技术集成
引入“软件排沉排施工方法”，构建BIM + 数值模拟一体化平台：采用Revit建立沉井三维模型，导入Plaxis进行下沉过程仿真，预测不同土层中的沉降量与倾斜趋势，提前优化挖土顺序；施工现场布设位移计、压力盒等16个传感器，数据实时同步至BIM模型，形成数字孪生体；当监测值偏离模拟值10%以上时，系统自动生成调整建议。该技术应用使沉井下沉工期缩短12天，节约成本约150万元。
4.4. 安全风险防控措施
对深基坑作业等高风险工序实施动态分级管控，建立“一风险一预案”清单：针对富水砂层的突涌风险，储备沙袋、钢板等应急物资，开展“盲演 + 实战”相结合的应急演练；泥浆处置采用防渗收集池集中处理，循环利用率达85%，避免环境污染；用电实行“三级配电、两级保护”制度，所有设备加装漏电保护器，确保施工安全。
5. 施工安全管理与环境保护措施
5.1. 安全管理体系构建
构建“预防为主、分级管控、全员排查”的精细化防控体系：建立“三级包保”责任制，项目经理、技术负责人、班组长分别对项目、工序、作业点的安全负责；推行“两级网格”管理模式，将施工区域划分为12个网格，每个网格配备1名安全员，实现风险点专人盯守；定期开展安全培训，重点培训顶管机操作、沉井急救等专项技能，培训考核合格后方可上岗。
5.2. 重大风险管控措施
针对顶管穿越邻近管线(距离仅3 m)的风险，采用“动态监测 + 防护加固”措施：在既有管线上布设6个位移监测点，顶进期间每小时监测一次，沉降预警值设为15 mm；在顶管与既有管线之间注浆加固，形成厚度2 m的防护层。针对沉井基坑坍塌风险，采用钢板桩结合高压旋喷桩帷幕加固，帷幕渗透系数小于1 × 10−6 cm/s，确保基坑稳定性。
5.3. 环境保护实施要点
严格落实环保措施：施工废水经沉淀、过滤、中和三级处理后回用，回用率达90%以上[2]；施工扬尘采用雾炮机喷洒降尘，作业区域周边设置围挡，围挡高度不低于2.5 m；泥浆废弃物采用密闭罐车运输至指定处置场，避免污染周边水体。施工期间周边地下水水质监测结果显示，各项指标均符合《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)要求。
6. 工程应用效果与技术总结
6.1. 应用效果评价
惠州LNG接收站顶管与沉井施工项目共计完成3段长距离顶管(总长580 m)和2座大型沉井的施工任务。顶管工程平均日顶进速度达4.2 m，较计划工期提前18天完成；沉井平均下沉速度控制在1.2 m/天，无突沉、开裂等质量问题。施工期间周边地面最大沉降量为22 mm，远低于30 mm的控制标准，邻近构筑物及管线均未受影响。项目节约施工成本约420万元，节省工期180天以上，为接收站顺利引水投产创造了基础条件。
6.2. 技术创新点总结
1. 建立了“地质参数–施工参数”匹配模型，实现复杂地层下顶管与沉井施工参数的精准优化，顶进力降低28%，沉井倾斜率控制在0.3%以内。
2. 开发了“BIM + IoT + 数值模拟”数字化施工系统，集成顶管参数监控与沉井下沉仿真功能，工期缩短12~18天，信息化水平显著提升。
3. 构建了“全流程双预控”质量安全管控体系，结合“三级包保”责任制，实现质量一次验收合格率100%，安全零事故。
7. 经验与展望
本文提出“三段式减阻”(蜡质减阻剂 + 膨润土泥浆套 + 随顶随注)、YD1800泥水平衡顶管机(“先行刀 + 刮刀”组合刀盘)及顶进参数(顶进速度2~6 cm/min、泥浆压力0.12~0.26 MPa)，核心适配富水砂砾层(渗透系数3.5 × 10−3 cm/s)、顶进距离≤600 m、无大型孤石(粒径≤20 cm)的地质工况，当以下地质或工况发生变化时，技术适用性将不再适用[3]。