同濟(jì)大學(xué) 阿迪拉·木依都力 馮 良 王會(huì)祥中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 夏星星

高壓輸氣管道穿越工程方案設(shè)計(jì)

同濟(jì)大學(xué) 阿迪拉·木依都力 馮 良 王會(huì)祥中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 夏星星

天然氣長(zhǎng)輸管道通常需要采用非開(kāi)挖的方式穿越湖泊、河流、鐵路、高速公路、建筑物等各種障礙物。非開(kāi)挖的方式主要有水平定向鉆穿越、盾構(gòu)穿越、頂管穿越等。文章以某段DN700高壓輸氣管道穿越南水北調(diào)工程為例，介紹了水平定向鉆技術(shù)的具體設(shè)計(jì)方案。

天然氣長(zhǎng)輸管道 水平定向鉆穿越 穿越軌跡設(shè)計(jì)

0 前言

在當(dāng)今社會(huì)天然氣已經(jīng)成為人們生活所必需的能源，往往經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途輸送才能到達(dá)終端用戶，天然氣的長(zhǎng)輸管道通常需要穿越湖泊、河流、鐵路、高速公路、建筑物等各種障礙物。自1970年在美國(guó)加州率先使用水平定向鉆穿越河流鋪設(shè)管道后，這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在電網(wǎng)、水網(wǎng)、石油及天然氣等各領(lǐng)域?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)水平定向鉆技術(shù)也在逐步地普及，小到小區(qū)燃?xì)夤艿栏脑旃こ蹋蟮綆浊椎拇┰胶恿鞯娜細(xì)廨斔凸こ?，都有使用水平定向鉆技術(shù)。

1 高壓輸氣管道水平定向鉆穿越

本文以某段DN700高壓輸氣管道穿越南水北調(diào)工程為例，介紹水平定向鉆技術(shù)具體設(shè)計(jì)方案。

1.1 工程概況

本工程的輸氣管道水平全長(zhǎng)為247.66 km，本段穿越水平全長(zhǎng)631.37 m，管道設(shè)計(jì)壓力6.30 MPa，管徑DN700，輸送介質(zhì)為天然氣。本工程輸氣管道穿越南水北調(diào)中線干線潮河段工程的位置：位于鄭州市碾盧村北，鄭民高速和G4京港澳高速交叉西南側(cè)。

1.2 穿越方式的選擇

輸氣管道穿越河流可以采取開(kāi)挖的和非開(kāi)挖的方式，非開(kāi)挖的方式主要有水平定向鉆穿越、盾構(gòu)穿越、頂管穿越等。

開(kāi)挖方式是先采用人工或機(jī)械器具對(duì)現(xiàn)有地貌采取挖掘、爆破等方式形成管溝，再將管道敷設(shè)到地下。因其土方量大，施工占地寬，較大面積的破壞施工場(chǎng)內(nèi)農(nóng)作物、道路等，一般情況下適于埋設(shè)較淺的場(chǎng)合。由于目前穿越位置處于南水北調(diào)干渠已基本建成，因此不適合采用開(kāi)挖方式。

盾構(gòu)法是暗挖法施工中的一種全機(jī)械化施工方法。盾構(gòu)施工工藝安全、高效、無(wú)公害，適用地質(zhì)條件廣泛。但是盾構(gòu)穿越施工周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，故本工程不采用。

頂管施工是繼盾構(gòu)施工之后而發(fā)展起來(lái)的一種地下管道施工方法，不需要開(kāi)挖面層，適合于穿越土質(zhì)較軟的河床。受頂進(jìn)力和鋼管強(qiáng)度、剛度的限制，穿越長(zhǎng)度和管徑一般不宜太長(zhǎng)。本工程穿越深度較大，頂管長(zhǎng)度較長(zhǎng)，以至于作業(yè)井較深、較大，施工難度較大。

定向鉆穿越是一種先進(jìn)的非開(kāi)挖施工方法，施工時(shí)完全在水域兩岸陸地上進(jìn)行。它具有不開(kāi)挖地面、不破壞地層結(jié)構(gòu)、不損壞河堤、不擾動(dòng)河床、不影響通航、施工周期短、施工占地少、施工人員少、效率高、不受季節(jié)和天氣及自然環(huán)境影響、管道運(yùn)營(yíng)安全、綜合造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用已非常普遍，是一項(xiàng)比較成熟的管道穿越施工技術(shù)。這種方法極適合于河流、溝壑、鐵路、公路、綠化帶等障礙物的地下穿越工程的施工，且在施工過(guò)程中地表物不受任何影響。定向鉆施工適用粉土、粉質(zhì)粘土、粘土、粉砂、中砂、淤泥、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等多種地質(zhì)條件。

綜上所述，考慮到定向鉆穿越施工相對(duì)其他穿越方式，具有施工周期短、對(duì)河道影響較小、施工難度較小、投資省等特點(diǎn)，本工程采用定向鉆穿越方案穿越南水北調(diào)中線干線潮河段。

2 穿越工程方案設(shè)計(jì)的前期資料準(zhǔn)備

采用水平定向鉆施工，外界的不確定因素主要來(lái)自以下兩個(gè)方面：一方面，地質(zhì)條件多變，土層松散易塌，軟硬不一，可能遇到巖石、卵礫石或其它的障礙物；另一方面，城市下方已有的管線縱橫交錯(cuò)，形成人為的地下障礙。為此，施工前必須充分做好難備工作，弄清地下土層的變化和已有管線的分布情況，精心設(shè)計(jì)鉆孔軌跡，并制訂合理的工藝和技術(shù)措施，以便安全順利鉆進(jìn)。水平定向鉆穿越中需注意以下幾點(diǎn)：

2.1 施工前的測(cè)量

施工前的測(cè)量主要有兩步：

(1)測(cè)量穿越路段的地質(zhì)成分，探明該路段巖土成分；

(2)測(cè)量及探明地下管線的分布情況和巖土層的變化，是該穿越成敗的關(guān)鍵。

查明地下管線和巖土層分布的方法通常有：向市政管理部門咨詢，根據(jù)地上已有的標(biāo)志請(qǐng)相關(guān)單位到現(xiàn)場(chǎng)指認(rèn)各種管線的實(shí)際位置和提供竣工圖紙，采用電子儀器實(shí)地探測(cè)和真空挖土揭露以及委托專業(yè)單位提供巖土工程勘察報(bào)告等。

2.2 穿越軌跡的掌控

在定向鉆導(dǎo)向完成后，有關(guān)人員(含施工方、監(jiān)理方以及業(yè)主)一定要重新核實(shí)該穿越軌跡與原設(shè)計(jì)有無(wú)偏差。

2.3 穿越管線場(chǎng)地的選擇

為便于預(yù)制成品管道，管道一側(cè)要有足夠長(zhǎng)度的施工現(xiàn)場(chǎng)，這是施工設(shè)計(jì)前要重點(diǎn)考慮的事情。

水平定向鉆適合用于粘土、沙土以及硬度不高的巖石，應(yīng)盡量避免在卵石層等硬度較大的巖石中進(jìn)行水平定向鉆技術(shù)。如果不能避免的，就應(yīng)當(dāng)立即采取有效的措施。如對(duì)硬度較大的卵石層等可以對(duì)其進(jìn)行精確的控制和導(dǎo)向，同時(shí)加強(qiáng)泥漿配置，在入土位置采用相應(yīng)的開(kāi)挖技術(shù)。一般要求物探的范圍是穿越管段四周50~100 m范圍。地下管道物探主要了解有關(guān)地下已有管道和其他埋設(shè)物的位置，為設(shè)計(jì)鉆進(jìn)軌跡提供依據(jù)。

本次穿越工程位置周邊屬于平原地區(qū)，地勢(shì)平坦開(kāi)闊。南水北調(diào)工程北側(cè)穿越位置基本為莊稼地，南水北調(diào)工程南側(cè)穿越位置基本為荒地。管線穿越場(chǎng)區(qū)地貌單元為沖洪積平原，場(chǎng)區(qū)地形整體平坦，局部起伏較大，施工較易。本段工程管道沿線交通較便利，方便施工和今后的管理。經(jīng)勘察，該管道線路地形較為平坦，未發(fā)現(xiàn)崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降、地裂縫等不良地質(zhì)現(xiàn)象。根據(jù)野外鉆探、原位測(cè)試及室內(nèi)土工試驗(yàn)成果的綜合分析，本次勘察揭露30 m深度范圍內(nèi)的地層為：表層為人工填土層，其下為一般第四紀(jì)沖洪積成因的粉土、黏性土及砂土層。根據(jù)鉆探結(jié)果及區(qū)域地質(zhì)資料，本次勘探深度范圍內(nèi)地層屬第四系全新統(tǒng)人工成因的耕土、沖積成因的粉質(zhì)粘土、中砂。按勘察所揭露的地層時(shí)代、成因及各土層的巖性特征和物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合不同場(chǎng)地，分別描述見(jiàn)表1所示：

表1 本次穿越工程地質(zhì)資料

3 方案設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1 鉆孔軌跡的設(shè)計(jì)

穿越曲線的確定極為重要。水平定向鉆施工圖線路的設(shè)計(jì)是根據(jù)工程要求、工程地質(zhì)報(bào)告的結(jié)果、地下障礙物的具體位置，設(shè)計(jì)出鉆桿最佳鉆孔路線。如圖1所示，水平定向鉆地下施工的鉆孔軌跡一般形式為斜直線段—曲線段—水平直線段—曲線段—斜直線段，曲線段也稱為過(guò)渡段。

圖1 水平定向鉆地下施工的鉆孔軌跡

在遵循設(shè)計(jì)的一般原則的基礎(chǔ)上，鉆孔軌跡設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)：

(1)確定鉆孔類型和鉆孔軌跡形式：鉆孔類型和鉆孔軌跡形式取決于管線的性質(zhì)、目的、材料和鋪設(shè)要求，鉆孔地質(zhì)條件，施工單位的設(shè)備和施工手段的性能，工人操作水平，現(xiàn)有地下管線的分布，地上、地下障礙物的分布，水域覆蓋面積和深度，施工的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

(2)確定造斜點(diǎn)：造斜點(diǎn)是指同一孔身中由直線段變?yōu)榍€段的起點(diǎn)。造斜點(diǎn)宜選擇在較硬土層或中硬完整的巖層中的孔段，同時(shí)要使后續(xù)軌跡避開(kāi)現(xiàn)有管線和地下障礙物。

(3)確定曲線段的曲率半徑：曲率段的曲率半徑取決于巖土層的造斜能力，造斜工具的造斜能力或兩者綜合作用所能達(dá)到的造斜強(qiáng)度。造斜強(qiáng)度越大，曲率半徑越小，在一定彎曲角的情況下，曲線段的長(zhǎng)度也越小，有利于節(jié)省造斜進(jìn)尺。但是，造斜強(qiáng)度太大，則會(huì)產(chǎn)生一系列的負(fù)面影響。

(4)確定鉆孔孔身軌跡參數(shù)：要確定的鉆孔孔身軌跡參數(shù)包括各孔段的長(zhǎng)度，各孔段起點(diǎn)和終點(diǎn)的頂角、方位角，各孔段起點(diǎn)和終點(diǎn)的垂直深度和水平位移。確定鉆孔孔身軌跡參數(shù)時(shí)，可采用圖解法，也可采用計(jì)算法。計(jì)算法較準(zhǔn)確，但數(shù)學(xué)模型有時(shí)較繁瑣。圖解法直觀，但當(dāng)鉆孔曲率半徑遠(yuǎn)比鉆孔本身長(zhǎng)度大或鉆孔頂角變化小時(shí)，圖解困難，精度低?，F(xiàn)在一般采用計(jì)算法。

3.2 穿越曲線的相關(guān)參數(shù)的確定

影響定向鉆穿越曲線的因素有很多，各因素之間的相互關(guān)系也非常復(fù)雜，綜合大量定向鉆穿越工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，主要有10大要素：穿越長(zhǎng)度、管道特性、穿越深度、出入土點(diǎn)場(chǎng)地及地面標(biāo)高、入土角、出土角、管道曲率半徑、管道與障礙物的安全間距、穿越曲線經(jīng)過(guò)的土質(zhì)分布情況、鉆桿允許長(zhǎng)度。

本段定向鉆穿越工程的出入土點(diǎn)間水平全長(zhǎng)631.37 m，定向鉆穿越段管道實(shí)長(zhǎng)660.74 m。管道設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa，管徑DN700。定向鉆入土點(diǎn)在南水北調(diào)運(yùn)河北側(cè)，穿越入土點(diǎn)坐標(biāo)為：X=3832737.438，Y=480205.965。入土角一般控制在9°~12°，最大不超過(guò)18°，取9°。定向鉆出土點(diǎn)在南水北調(diào)運(yùn)河南側(cè)，穿越出土點(diǎn)坐標(biāo)為：X=3832076.859，Y=480205.813。出土角一般控制在4°~8°，取6°。本坐標(biāo)為北京54坐標(biāo)系，3度帶坐標(biāo)，中央子午線114，黃海85高程系。其他相關(guān)參數(shù)的規(guī)定如下：

曲線段的曲率半徑R大于等于l 500倍公稱直徑，且最小曲率半徑不應(yīng)小于300 m，設(shè)定1 067 m。

根據(jù)地質(zhì)條件及河流沖刷深度，管線最小埋深應(yīng)大于設(shè)計(jì)洪水沖刷線以下6 m。管頂至渠底最小距離一般取9~12 m，本工程取值為11.63 m。

入鉆點(diǎn)之后的直線段長(zhǎng)度L≥20 m，為58.6 m。

水平段最小長(zhǎng)度L≥10 m，因?yàn)橐话惚容^大型的定向鉆穿越的鉆桿常用10 m鉆桿，水平長(zhǎng)度取大于等于鉆桿長(zhǎng)度，本工程水平段長(zhǎng)度為146.20 m。

防腐層防腐等級(jí)為加強(qiáng)級(jí)。

采用定向鉆穿越的管段與直埋段的管段連接需采用彎管或彎頭。

這里值得注意的是，該地段的地址耕土為松散，主要為植物根系、粘土組成，所以入土點(diǎn)和出土點(diǎn)均在粉質(zhì)粘土層。圖2為水平定向鉆鉆孔軌跡的設(shè)計(jì)。

圖2 水平定向鉆鉆孔軌跡示意

3.5 管道處理

本段輸氣管道管材等級(jí)為PSL2鋼管，鋼級(jí)L415M，選用直縫埋弧焊鋼管管徑為D711 mm。本段管道壁厚為14.20 mm。本段管道沿線為三級(jí)地區(qū)。直接埋設(shè)段和定向鉆穿越段管道外防腐采用擠塑聚乙烯三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，管道外防腐層由工廠預(yù)制完成。管道抗震校核防腐完成后,應(yīng)去除管端部位的聚乙烯層，使管端部鋼管預(yù)留150 mm接口，且聚乙烯層端面應(yīng)形成小于或等于45°的倒角。彎管、彎頭、三通等管件采用與管體性能指標(biāo)一致的環(huán)氧粉末熱噴涂，外加聚乙烯熱收縮帶(套)的防腐結(jié)構(gòu)。防腐層應(yīng)在工廠加工完成。

防腐材料應(yīng)與管道主體防腐材料相匹配，補(bǔ)口采用環(huán)氧粉末熱噴涂，外加聚乙烯熱收縮帶(套)的防腐結(jié)構(gòu)。補(bǔ)傷針對(duì)損傷大小采用聚乙烯補(bǔ)傷片和熱收縮帶相結(jié)合的方式。防腐等級(jí)與相連接的管道的防腐等級(jí)一致。

管道下溝前，對(duì)防腐層進(jìn)行100%的外觀檢查；管道回填前應(yīng)進(jìn)行100%的電火花檢漏，檢漏電壓為15 kV，發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)立即修補(bǔ)；全線管道施工完成后應(yīng)進(jìn)行地面檢漏，發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行修補(bǔ)。

4 管道計(jì)算及鉆機(jī)的選擇

4.1 管道的計(jì)算

4.1.1 壁厚計(jì)算

穿越段鋼管的直徑與壁厚之比應(yīng)小于100，并應(yīng)滿足各種穿越條件下的管道徑向穩(wěn)定要求。壁厚采用《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50423—2013)中的相應(yīng)公式計(jì)算：

式中：δ——鋼管計(jì)算壁厚，mm；

p——設(shè)計(jì)壓力，MPa；

D——鋼管外徑，mm；

F——強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，取0.4；

σs——鋼管的最小屈服強(qiáng)度，MPa；

Φ——焊縫系數(shù)；

t——溫度折減系數(shù)。當(dāng)溫度小于120℃時(shí)，t值取1.0。

彎頭、彎管的管壁厚按《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50251—2003)中5.3.3計(jì)算。

式中：δb——彎頭或彎管管壁厚度，mm；

δ——彎頭或彎管所連接的直管管段壁厚度，mm；

m——彎頭彎管管壁厚度增大系數(shù)；

R——彎頭或彎管的曲率半徑，mm；

D——彎頭或彎管的外直徑，mm。

輸氣管線統(tǒng)一采用《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》(GB/T 9711—2011)中(PSL2)L415M等級(jí)鋼管，熱煨彎頭均采用R=6D曲率半徑直縫埋弧焊管制作，冷彎管采用相同線路段壁厚的直縫埋弧焊管制作，最小曲率半徑R=40D。經(jīng)對(duì)干線線路用管、熱煨彎頭用管進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，不同地區(qū)等級(jí)的線路用管及對(duì)應(yīng)熱煨彎頭的用管結(jié)果見(jiàn)下表。

表2 線路用管及對(duì)應(yīng)熱煨彎頭的用管選用值單位：mm

4.1.2 管道強(qiáng)度校核

核算穿越管段的強(qiáng)度應(yīng)分別計(jì)算軸向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，根據(jù)作用組合計(jì)算出的各單項(xiàng)應(yīng)力之和均應(yīng)小于或等于相應(yīng)的鋼管許用應(yīng)力。各應(yīng)力根據(jù)《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50423—2013)中的公式計(jì)算。

內(nèi)壓和溫度引起的軸向應(yīng)力按下式計(jì)算：

內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力為：

彈性敷設(shè)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力為：

式中：σa——軸向應(yīng)力，MPa；

σh——環(huán)向應(yīng)力，MPa；

σb——彎曲應(yīng)力，MPa；

σs——管道規(guī)定最小屈服強(qiáng)度，取415 MPa；

Es——鋼材彈性模量，碳鋼≈2.1×105MPa；

α——鋼材線膨脹系數(shù)，取1.2×10-5[m/(m·℃)]；

t1——管道下溝回填時(shí)的溫度，取-5℃；

t2——管道的工作溫度，取50℃；

p——管道設(shè)計(jì)內(nèi)壓力，取6.3 MPa；

D——管道外徑，取711 mm；

d——管道內(nèi)徑，取682.6 mm；

約束熱脹直管段，按最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力σe，并應(yīng)符合下列表達(dá)式的要求：σe=σh-σa<0.9σs

根據(jù)以上公式進(jìn)行計(jì)算校核，管線當(dāng)量應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。所選的管材和壁厚均符合當(dāng)量應(yīng)力的要求。詳見(jiàn)表3。

表3 管道當(dāng)量應(yīng)力

4.2 回拖力的計(jì)算

理論上鉆進(jìn)壓力視地層巖石硬度、鉆孔直徑、鉆進(jìn)速度、鉆機(jī)、鉆具能力及鉆頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素而定。地層越硬，直徑越大，所需鉆壓也越大。鉆壓越大，鉆進(jìn)速度也越快。但是如果鉆壓太大，滾刀壓入巖石太深，會(huì)導(dǎo)致鉆頭蹩鉆，不能回轉(zhuǎn)，對(duì)鉆機(jī)鉆具及鉆頭造成損壞，引起孔下事故。同時(shí)切削具軸承壽命與鉆壓大小有直接關(guān)系。穿越管段回拖時(shí)，最大回拖力應(yīng)該按下式計(jì)算值的1.5~3.0倍選取。根據(jù)GB 50423-2013中回拖力計(jì)算公式：

式中：FL——穿越管段回拖力，kN；

L——穿越管段長(zhǎng)度，取631.37 m；

f——摩擦系數(shù)，取0.3；

D——鋼管的外徑，取0.711 m；

δ——鋼管壁厚，取14.2 mm；

γm——泥漿的重度，可取10.5~12.0 kN/m3；

γs——鋼材的重度，取78.5 kN/m3；

Wf——回拖管道單位長(zhǎng)度配重，kN/m；

K——粘滯系數(shù)，取0.18；

ρ——管道材料的密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2。

按式(7)計(jì)算，在管段不充水時(shí)，回拖力計(jì)算值為702 kN。最大回拖力取該值的3倍，即2 106 kN。

4.3 鉆機(jī)的選擇

鉆機(jī)通常采用機(jī)械或液壓驅(qū)動(dòng)鉆桿，通過(guò)鉆桿對(duì)孔底的鉆頭施加旋轉(zhuǎn)扭矩，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)和回拖作業(yè)。對(duì)于定向鉆機(jī)而言，旋轉(zhuǎn)扭矩和回拖力是主要性能參數(shù)，也是設(shè)計(jì)中根據(jù)工程規(guī)模大小衡量鉆機(jī)穿越能力的主要依據(jù)。美國(guó)按照鉆機(jī)鋪設(shè)管線的直徑和長(zhǎng)度能力，將用于非開(kāi)挖鋪管的定向鉆機(jī)分為即小型、中型和大型三類。各種類型定向鉆機(jī)的能力和應(yīng)用范圍見(jiàn)表4。