劉玉寶 劉海山中國石化銷售有限公司華北分公司, 天津 300341

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油氣管道連續(xù)穿越多種軌道交通線路研究

劉玉寶 劉海山
中國石化銷售有限公司華北分公司, 天津 300341

油氣管道連續(xù)穿越電氣化鐵路、城市輕軌和城際高鐵,采用單一的定向鉆或頂管施工工藝都無法滿足其安全要求。為確保施工順利完成,對頂管結(jié)合定向鉆穿越施工工藝進行了研究,對施工過程控制進行了梳理。該方案有效降低了施工難度,縮減了施工周期,節(jié)省了工程投資,技術(shù)可靠，具有較高的經(jīng)濟效益和應(yīng)用推廣價值。

油氣管道；穿越工程；定向鉆；頂管

0 前言

定向鉆和頂管兩種穿越施工工藝,常用于管道穿越鐵路、公路、河流等障礙物。頂管穿越施工工藝是在工作坑內(nèi)借助頂進設(shè)備產(chǎn)生的頂力,克服管道與周圍土壤的摩擦力,將套管按設(shè)計的方案頂入土中至接收坑,然后在套管內(nèi)敷設(shè)管道完成穿越施工。頂管穿越,地面壓力載荷由套管承擔,保護套管內(nèi)的工作管道,不影響穿越區(qū)域的地基承載力,一般情況下超過100m,施工作業(yè)需要增加中繼站,施工難度大,技術(shù)要求高,主管道安裝難度較大。定向鉆穿越施工工藝是利用水平定向鉆機,按照設(shè)計軌跡鉆一個導向孔,然后利用擴孔器進行擴孔,擴孔完成后將待敷設(shè)的管道拉入鉆孔,完成敷管作業(yè)。定向鉆穿越施工在長距離穿越工程中優(yōu)勢明顯,鄭州—湯陰成品油管道定向鉆穿越黃河主河槽達3 000m,江都—如東天然氣管道工程管道定向鉆穿越長江達3 300m,定向鉆穿越長度不斷刷新紀錄。頂管和定向鉆穿越施工工藝在油氣長輸管道穿越工程中的研究和應(yīng)用較多,技術(shù)已非常成熟,但結(jié)合兩種穿越技術(shù)完成穿越施工的研究和實踐較少。若在頂管穿越施工完成后,利用定向鉆穿越施工對準頂管套管進行導向鉆孔,然后利用定向鉆回拖管道,完成管道安裝,對降低管道穿越工程施工難度,縮短施工周期和降低施工成本具有積極意義。

1 工程背景

某成品油長輸管道,全長155km,設(shè)計輸量400×104t/a,設(shè)計壓力9.5MPa,管徑406.4mm,采用L415直縫電阻焊鋼管。該工程在天津市濱海新區(qū)TJI127～TJI128號樁間,從南向北依次穿越津山鐵路、津濱輕軌及京津城際高鐵延長線(規(guī)劃階段)。按照主管部門意見及相關(guān)技術(shù)要求,采用在鐵路路基下12.93m,Φ1 550mm套管頂管穿越津山鐵路；穿越京津城際高鐵段(該段是高架橋,下方是魚塘)要求在兩橋墩中間地面下6m通過,套管直徑不大于500mm,防止擾動橋墩,影響橋墩承載力；中間穿越津濱輕軌段應(yīng)用樁距1m的等腰三角形樁陣加固軟土路基,只能在樁底3m以下,即地面12m以下通過。津山鐵路和津濱輕軌間距約60m,中間有1條水渠、鐵路自閉線及多條國防光纜,京津城際高鐵延長線與津濱輕軌間距約30m,下方為大片魚塘。

經(jīng)過現(xiàn)場多次調(diào)查和反復(fù)論證,為了兼顧3條軌道交通線路安全技術(shù)要求,降低施工難度和安全風險,最終確定穿越方案為在津山鐵路南側(cè)路基下12.93m頂管穿越津山鐵路,接收坑設(shè)在津山鐵路和津濱輕軌之間；在津山鐵路頂管工作坑南側(cè)應(yīng)用定向鉆向北經(jīng)頂管發(fā)送坑—水泥套管—頂管接收坑后,依次穿越津濱輕軌和京津城際高鐵延長線,出土點設(shè)在京津城際高鐵延長線下方魚塘岸邊,主管道回拖至頂管工作坑,然后利用2個90°彎頭和一段直管段在發(fā)送坑內(nèi)連頭,完成管道安裝，見圖1。

圖1 穿越工程方案示意圖

該穿越工程主要工作分為鐵路頂管施工、主管道預(yù)制、定向鉆施工、井下連頭4部分,主要施工作業(yè)工序見圖2。

圖2 主要施工作業(yè)工序示意圖

2 施工過程控制

2.1 頂管穿越津山鐵路

津山鐵路是雙線電氣化無縫鐵路,穿越位置位于直線段k172+139.14m處,穿越中心線與津山鐵路成90°15′,水泥套管為3m×24節(jié),管頂至軌底覆土12.93m,自然地面下深度11m,Φ1.55m,型號T16鋼筋混凝土涵管,管口為承插式套環(huán),管口接縫處為頂管橡膠墊。

2.1.1 準備工作

辦理鐵路頂管相關(guān)審批手續(xù)和慢行計劃申請,簽訂施工安全協(xié)議,得到鐵路主管部門批復(fù)后進場施工；和鐵路有關(guān)單位現(xiàn)場對接供電、通信、電務(wù)等管線設(shè)施位置和標高；對頂管工作坑、接收坑、頂管的方向進行測量放線,確保管線中心線準確無誤,工作坑上架空自閉線進行落地處理。

2.1.2 工作坑、接收坑支護

基坑內(nèi)設(shè)4道雙拼40b工字鋼圍梁和斜支撐,加強整體性。當機械開挖距離設(shè)計基底標高200mm以上時,停止機械開挖,采用人工開挖,避免擾動基底應(yīng)力。

2.1.3 導軌安裝

后背墻采用c25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(6m×2m×1m),后背墻與頂鎬之間加300mm厚鋼后背梁；工作坑內(nèi)鋪設(shè)300mm厚碎石墊層,平整夯實,澆筑c20混凝土,厚度500mm；底板上預(yù)埋錨栓與導軌進行焊接,底板底部設(shè)3道地錨梁,間隔2m。

2.1.4 頂進施工

基坑內(nèi)水平布置4臺500t千斤頂,采用0.5m厚頂靴,確保套管管端受力均勻。套管外壁均勻涂刷潤滑劑,將套管放置在導軌上,對涵管前端和后端的高程及管節(jié)的中心線測量合格后方可頂進。在首節(jié)涵管前安裝導向機頭,導向機頭內(nèi)安裝4臺50t液壓千斤頂,隨時調(diào)整頂進方向，頂管機頭千斤頂布局見圖3。采用機頭切土頂進方式,當機頭入土400～600mm后,只開挖機頭內(nèi)的土方確保路基穩(wěn)定。首節(jié)涵管每頂進200～300mm就對中心線及高程測量一次,后續(xù)套管每頂進400～600mm測量一次。涵管承口端與插口端有環(huán)形間隙,在管靠近承口端的內(nèi)壁上沿周向均勻分布3個泥漿孔Φ22mm,兩節(jié)涵管中間加設(shè)承壓鋼套環(huán)。

圖3 頂管機頭千斤頂布局

2.1.5 路基加固

2.2 主管道預(yù)制

2.3 定向鉆穿越施工

2.3.1 水泥套管內(nèi)支架及鋼套管安裝

定向鉆導向套管選用Φ219mm×6mm鋼管焊接；等腰三角形套管支架用工字鋼300mm×126mm×9mm制作,梁尺寸為套管內(nèi)徑1.5m,底邊及兩斜邊與Φ219mm×6mm鋼管(定向鉆導向套管)相切；在支架支撐的3個末端用厚20mm弧形鋼板進行過度焊接。

頂管完成后,在水泥套管內(nèi)每5m安裝1個支架,用膨脹螺栓固定。定向鉆導向套管井下焊接,并與套管支架三邊接觸處焊接牢固,水泥套管兩端端口支架與井內(nèi)護臂支架焊接固定,確保定向鉆導向套管穩(wěn)定牢固,在定向鉆鉆孔、擴孔過程中起到支撐作用。水泥套管內(nèi)支架及鋼套管安裝,見圖4。

a)水泥厭管內(nèi)支架

b)鋼套管安裝圖4 水泥套管內(nèi)支架及鋼套管安裝示意圖

2.3.2 頂管靠背拆除

待頂管完成后,將頂管用的鋼筋混凝土靠背和立柱進行人工拆除。

2.3.3 測量放線

根據(jù)設(shè)計平面圖坐標并結(jié)合現(xiàn)場,用全站儀測出線路走向的中心位置,確定定向鉆入土點和出土點位置。入土點距離頂管工作坑162m,穿越軸線和頂管軸線重合。出土點在京津城際延長線及魚塘以北,距離頂管接收坑290m。定向鉆導向全長536m,管道擴孔、回拖366m。

2.3.4 干擾源排查

施工作業(yè)現(xiàn)場有高壓電線、鐵軌等信號干擾源,降低信號干擾強度,保證導向的準確度,定向鉆鉆孔導向采取有線制導。

2.3.5 泥漿控制

泥漿貫穿導向鉆孔、擴孔、洗孔、管道回拖施工全過程,具有傳遞切削動力，攜帶和懸浮鉆屑,穩(wěn)定孔壁,冷卻和沖洗鉆頭,防止塌孔、卡鉆和冒漿及潤滑作用。該定向鉆為單邊定向鉆,泥漿粘度低易導致鉆孔內(nèi)泥漿流大量涌入鐵路頂管基坑和套管內(nèi),無法發(fā)揮作用。為了保證鉆孔內(nèi)泥漿充足,防止泥漿流失過快,結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件和以往施工經(jīng)驗,將泥漿的漏斗粘度初步定為80s[6]。

為了控制泥漿失水、增加泥漿的懸浮和攜帶碎屑能力,在提高泥漿粘度的同時增大泥漿中降濾失劑比例。在導向、擴孔、洗孔、回拖各階段中控制好泥漿的壓力和流量,保證入土側(cè)一直有泥漿回流。

2.3.6 鉆孔導向控制

該工程順利實施的關(guān)鍵是精確控制導向,確保鉆頭在導向水平段進入工作坑,并且鉆頭軌跡與導向套管軸線重合,確保導向鉆頭能夠順利進入導向套管。本次穿越施工使用150t鉆機,采用巖石動力鉆具,以入土角為6°,曲率半徑為1 200d鉆導向孔[4]，逐漸縮小鉆進角度,導向鉆進106.7m后為水平段，隨時監(jiān)控和調(diào)整鉆桿位置,確保導向水平段和導向套管軸線重合。鉆桿進入頂管工作坑,距離坑底約1m,經(jīng)套管內(nèi)的鋼套穿過頂管接收坑后,繼續(xù)向前鉆進至出土點。

2.3.6.1 坐標定位

用全站儀定入土點、出土點及水泥套管外側(cè)坐標,并測出工作坑后壁中心位置2根鋼筋混凝土灌注樁中間的坐標,連同其余位置設(shè)計曲線坐標一同輸入鉆機控向系統(tǒng)。

2.3.6.2 鉆機安裝

根據(jù)管道穿越中心線,調(diào)整鉆機左右位置,使鉆機中心線與管道穿越中心線重合。根據(jù)設(shè)計圖紙?zhí)峁┑娜胪两钦{(diào)整鉆機高度,使鉆機行走軌道和水平面的夾角符合設(shè)計要求。

2.3.6.3 磁方位角測量

在導向孔開鉆前,測量穿越中心線的磁方位角,這一數(shù)值是導向孔控向的原始依據(jù)數(shù)值,必須準確。采用全站儀在穿越中心線上的地表進行多點測量(通常出、入土側(cè)各取2個點),然后將各組數(shù)據(jù)進行分析對比,排除由于磁干擾導致的錯誤數(shù)據(jù),確定正確的磁方位角數(shù)值。如果各組數(shù)據(jù)相差較大(0.2°以上),則增加測量點2～4個,直到確定正確的數(shù)值。磁方位角作為定向鉆穿越工程最重要的控向數(shù)據(jù),是確保鉆孔導向精度的基礎(chǔ)。

2.3.6.4 精確控向

為了使導向孔嚴格按設(shè)計曲線鉆進,開鉆前對每1根鉆桿的鉆進要求都提前在圖紙上作好標注,重點控制單根鉆桿的鉆進質(zhì)量和整體曲線的質(zhì)量,每5m校正1次鉆頭位置,使施工曲線與設(shè)計曲線重合?？叵蛉藛T應(yīng)嚴格按照設(shè)計曲線計算每次傾角的調(diào)整度數(shù),通過軌跡變化確定控向方向的變化；施鉆人員嚴格執(zhí)行控向人員的指令,按照指令進行操作,防止人為操作導致鉆孔偏移設(shè)計曲線。

2.3.7 擴孔

采用推拉式擴孔方式進行逐級擴孔,將孔擴大到Φ700mm。在擴孔器被拉進350m時,沿著導向孔洞推出,逐級擴孔。單邊鉆孔內(nèi)泥漿流失較快,在導向、擴孔、回拖過程中,用泥漿泵將流進基坑內(nèi)的泥漿及時稀釋、回收和處理。

2.3.8 管道回拖

將基坑及水泥套管內(nèi)泥漿清理干凈,拆除支架和鋼套管；水泥套管內(nèi)每5m放置砂袋,高度約20cm(便于絕緣支架的安裝)。向井內(nèi)注水至水泥套管的1/2高度(確保主管進入套管時處于漂浮狀態(tài))。在入土點后側(cè)開挖1條長約150m,深 1m的發(fā)送溝,并注滿水[7]。光纜套管和主管道分別獨立地連接在U形環(huán)上,防止2根管道在回拖過程中相互刮擦、擠壓和纏繞。在回拖主管的過程中,用擴孔器向管孔內(nèi)補入泥漿,確保管內(nèi)有足夠的泥漿潤滑,減少孔內(nèi)阻力。管道回拖150m時,對兩段主管道進行焊接、無損檢測和防腐補口,繼續(xù)回拖至露出工作井內(nèi)套管端口50cm。

2.3.9 絕緣支架安裝

用泥漿泵將井內(nèi)的水全部排出,主管由土袋支撐,卸下擴孔器,對主管道每2m安裝絕緣支架,距離套管兩端1m處安裝2個絕緣支架。

2.4 工作井管道連頭

用土袋覆蓋工作坑內(nèi)水泥套管端口和主管道,在頂管工作坑后背墻深2m處對井壁開鑿出2m×1m的孔洞,碎石用卷揚機運出井內(nèi),將管道回拖耳鼻切割,對管端進行打磨和制作焊接坡口。

嚴格控制碰死口管道組對錯邊量，最大錯邊量不大于1.6mm,且沿周長均勻分布,對口間隙控制在0.8～2.4mm,鋼管對接偏差不大于3°,管口100mm內(nèi)雜物清除干凈。采用低氫堿性焊條手工電弧焊,焊前應(yīng)做到焊條烘干、管口預(yù)熱、防風防潮等關(guān)鍵措施,以保證焊接質(zhì)量。

根據(jù)實際尺寸將2個90°熱煨彎頭和直管段焊接,進行X射線檢測、超聲波檢測和防腐補口,用吊車吊入工作坑,用土袋支撐,用外對口器進行組對,井下焊接,焊縫外觀檢測合格后采用X射線和超聲波無損檢測,然后進行防腐補口和電火花檢測。

為了便于管道試壓,避免在彎頭上焊接和切割試壓封頭,在工作坑后背墻側(cè)開挖15m×1.5m×2m的管溝,用直管段和井口彎頭焊接,并安裝試壓封頭,進行嚴密性試壓[8]。

2.5 基坑回填

將定向鉆光纜套管沿連頭管段敷設(shè)至工作坑井口,并用防水木塞封堵,用紅磚、瀝青麻刀對頂管兩端水泥套管進行封堵。對工作坑、接收坑進行分層回填、夯實,并根據(jù)回填進度,逐步拆除工字鋼圍梁、斜支撐、爬梯和水泥樁后，進行地貌恢復(fù)[9]。

3 HSE措施

本工程在基坑內(nèi)進行安裝作業(yè),風險高、難度大,必須制定詳細的HSE保障措施和應(yīng)急預(yù)案,落實安全防護措施，重點確保作業(yè)環(huán)境、施工人員用電安全。

4 結(jié)論

工程順利實施的關(guān)鍵是定向鉆入土導向控制準確,保證定向鉆導向水平段和水泥套管軸線重合；工程難點是水泥套管內(nèi)支架安裝和鋼套管焊接組裝；井下作業(yè)條件差,人員容易疲勞,必須做好安全防護措施；利用定向鉆精準導向,工作管道穿過水泥套管,回拖至頂管工作坑,降低了施工難度和施工成本,縮短了施工周期,充分證明了頂管技術(shù)和定向鉆穿越技術(shù)相結(jié)合的可行性及技術(shù)優(yōu)勢。

[1] 曾 強,秦政先,廖 雍.四川地區(qū)河流定向鉆穿越設(shè)計施工探討[J].天然氣與石油,2010,28(4)：15-17.ZengQiang,QinZhengxian,LiaoYong.DiscussiononDirectionalDrillingRiverCrossingDesignandConstructioninSichuanRegion[J].NaturalGasandOil,2010,28(4)：15-17.

[2] 李 浩.杭甬線輸氣管道工程防腐專業(yè)的設(shè)計與施工[J].天然氣與石油,2008,26(2)：1-3.LiHao.SummarizationonDesignandConstructionofCorrosionControlSysteminHang—YongGasPipeline[J].NaturalGasandOil,2008,26(2)：1-3.

[3] 張 偉,蔡青青,張 勇,等.鋼制管道清管經(jīng)驗及清管器卡堵的應(yīng)急處理[J].天然氣與石油,2010,28(6)：14-16.ZhangWei,CaiQingqing,ZhangYong,etal.SteelPipelinePiggingExperienceandEmergencyTreatmentinPigBlocking[J].NaturalGasandOil,2010,28(6)：14-16.

[4] 陳 杰,楊 華,沈選忠,等.輸氣管道大中型河流穿越設(shè)計要點[J].天然氣與石油,2007,25(3)：4-7.ChenJie,YangHua,ShenXuanzhong,etal.DescriptionofLargeandMiddleRiverCrossingOptionsandDesignOutline[J].NaturalGasandOil,2007,25(3)：4-7.

[5] 曾 強,陳彬源,劉海祿,等,淺談定向鉆穿越中管道外防腐層的保護[J].天然氣與石油,2008,26(4)：24-26.ZengQiang,ChenBinyuan,LiuHailu,etal.ProtectionofAnticorrosiveCoatinginGasPipelineduringDirectionalDrillingCrossing[J].NaturalGasandOil,2008,26(4)：24-26.

[6] 沈 平.不同地質(zhì)水平定向鉆泥漿配比的研究[C]//中國地質(zhì)學會非開挖技術(shù)專業(yè)委員會.2013年非開挖技術(shù)會議論文集.2013年非開挖技術(shù)會議，2013-04-19，蘇州，中國.北京：中國地質(zhì)學會非開挖技術(shù)專業(yè)委員會，2013.ShenPing.TheResearchaboutHorizontalDirectionalDrillingMudonDifferentGeologicalCondition[C]//CSTT.ConferenceProceedingsof2013TrenchlessTechnologyConference.2013TrenchlessTechnologyConference,2013-04-19,Suzhou,China.Beijing:CSTT,2013.

[7] 侯學瑞.洛陽駐馬店成品油管道黃河定向鉆穿越技術(shù)[J].天然氣與石油,2010,28(1)：1-3.HouXuerui.Luoyang-ZhumadianOilProductPipelineCrossingYellowRiverbyHorizontalDirectionalDrilling[J].NaturalGasandOil,2010,28(1)：1-3.

[8]GB50423-2013,油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范[S].GB50423-2013,CodeforDesignofOilandGasTransportationPipelineCrossingEngineering[S].

[9]GB50369-2014,油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范[S].GB50369-2014,CodeforConstructionandAcceptanceofOil&GasTransmissionPipelineEngineering[S].

2015-01-04

劉玉寶(1979-),男,河北安平人,工程師,碩士,從事成品油管道工程建設(shè)管理工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.004