上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司 詹佩卿

定向鉆穿越技術(shù)廣泛用于天然氣管道江河穿越工程，常規(guī)的成功案例已經(jīng)很多。在遇到特殊地質(zhì)地形時(shí)，定向鉆工程經(jīng)常會(huì)因鉆機(jī)或管道布置等現(xiàn)場(chǎng)條件限制而無(wú)法實(shí)施，這也是城市天然氣工程施工中的主要難點(diǎn)。浙江省衢州市天然氣利用工程中，存在兩處重要穿越工程，分別是常山港和江山港穿越。常山港是錢塘江水系最長(zhǎng)的支流，是浙江省常山縣的主要河流，具有亞熱帶地區(qū)典型的河谷地貌。江山港亦屬錢塘江水系，貫穿江山市境中部，由西南向東北穿行于山地丘陵之中。在衢州市雙港口，常山港與江山港匯合而成衢江。

在常山港與江山港穿江工程中，天然氣管道穿越長(zhǎng)度分別為800 m和775 m，均選用L290直縫電阻焊鋼管，口徑為DN400，壁厚為11.9 mm，設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa。

1 地勘概況

1.1 地勘要求

工程實(shí)踐中不乏因基礎(chǔ)資料未能如實(shí)反映地質(zhì)情況而導(dǎo)致的工程事故，曾發(fā)生因地勘結(jié)果與實(shí)際偏差過(guò)大，導(dǎo)致入土點(diǎn)位置選取不當(dāng)，進(jìn)而導(dǎo)致卵石層預(yù)設(shè)套管夯擊入土長(zhǎng)度遠(yuǎn)超理論值仍無(wú)法觸及巖層的情況。為確保工程設(shè)計(jì)科學(xué)合理，基礎(chǔ)資料務(wù)必詳實(shí)可靠。

結(jié)合規(guī)范要求和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議特殊地質(zhì)、地形條件下的定向鉆工程地勘要求應(yīng)包括：管線兩側(cè)鉆孔與穿越管線中線距離為15~30 m，交叉布置在穿越管道中線兩側(cè)，鉆孔點(diǎn)間距建議為20~100 m。若探孔中發(fā)現(xiàn)地質(zhì)情況難以判斷土質(zhì)變化，還應(yīng)酌情增加探孔密度，以降低地勘偏差導(dǎo)致的工程風(fēng)險(xiǎn)。勘探深度建議為穿越設(shè)計(jì)深度向下10~20 m，以便對(duì)穿越參數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)整，滿足工程需要，避免反復(fù)地勘。

1.2 地勘結(jié)果

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，常山港和江山港兩岸地基土按成因和物理力學(xué)特征自上而下分為耕表土層、粉土層、卵石層和砂巖層等4個(gè)工程地質(zhì)層，其中第四層砂巖層又可細(xì)分為強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖和微風(fēng)化砂巖等3個(gè)工程地質(zhì)亞層，各巖土層的結(jié)構(gòu)組成及主要特征描述見(jiàn)表1。

由此得知，該穿江工程的最大風(fēng)險(xiǎn)在于天然氣管道穿越軌跡中必需經(jīng)過(guò)卵石層，該層中的卵(礫)石易塌陷，進(jìn)而容易破壞已成形的穿越孔洞，可能導(dǎo)致穿越失敗。此外，施工時(shí)正值雨季，會(huì)造成大量地表水聚集。受地表水埋深較淺影響，穿過(guò)地表水含量較大的粉土層、卵石層時(shí)，易產(chǎn)生塌孔、縮頸和流砂現(xiàn)象。

表1 巖土層結(jié)構(gòu)組成及特征

2 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

2.1 定向穿越深度

根據(jù)地勘報(bào)告，耕表土層、粉土層、卵石層和強(qiáng)風(fēng)化砂巖層，均不宜作為定向穿越水平段的土層。中風(fēng)化砂巖層和微風(fēng)化砂巖層巖體整體好，不易塌孔，密閉性好，適宜作為定向穿越水平段的巖層。

根據(jù)防洪評(píng)價(jià)報(bào)告，常山港設(shè)計(jì)洪水沖刷線按地勘斷面河床下4.58 m計(jì)(1956黃海高程約53.0 m)；江山港定向鉆設(shè)計(jì)洪水沖刷線按地勘斷面河床下3.00 m計(jì)(1956黃海高程約56.7 m)。根據(jù)GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，水域穿越管段管頂埋深不宜小于設(shè)計(jì)洪水沖刷線以下6 m。

本穿江工程管線穿越段埋深除根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖中的地質(zhì)條件與沖刷深度確定外，還需考慮鉆孔泥漿不外冒，及通航河流的疏浚及投錨深度?；谝陨弦蛩?，兼顧工程經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)選擇中風(fēng)化砂巖層作為定向鉆水平段所在的地質(zhì)層(深度約為河床以下12 m)，既能滿足以上各項(xiàng)要求，又便于鉆進(jìn)(相對(duì)微風(fēng)化砂巖層)。另外，由于卵石層存在于中風(fēng)化砂巖上層，定向鉆兩側(cè)斜線段將不可避免地經(jīng)過(guò)卵石層，需采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

2.2 定向穿越參數(shù)

2.2.1 穿越曲率半徑

穿越管段的出、入土角應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求、穿越地形、地質(zhì)條件和穿越管徑的大小等來(lái)確定。本穿江工程中，常山港出、入土角均取為10°，江山港出、入土角均取為8°。穿越管段的曲率半徑應(yīng)為1 200D~1 500D(D為穿越管段外徑)，為保證鉆孔、擴(kuò)孔和管道回拖順利能進(jìn)行，本工程的最小曲率半徑取為1 500D。

2.2.2 鉆機(jī)回拖力

根據(jù)穿越勘測(cè)資料及GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，最大回拖力按計(jì)算值的1.5~3倍考慮，理論預(yù)測(cè)定向鉆施工時(shí)的管段不充水回拖力(實(shí)際與施工選用發(fā)送方式、水力漂浮狀態(tài)、泥漿性能和管道在洞中位置有關(guān))按式(1)計(jì)算：

式中：F——穿越管段回拖力，kN；

L——穿越管段長(zhǎng)度，m；

f——摩擦系數(shù)，取0.3；

D——穿越管段的管身外徑，m；

Ds——管段的鋼管外徑，m；

ds——穿越管段的鋼管內(nèi)徑，m；

γ1——泥漿重度，kN/m3，取12；

γs——鋼材重度，kN/m3，取78；

δ——鋼管壁厚，m，取0.0119；

K——粘滯系數(shù)，取0.03m。

本工程中，取穿越管段的管身外徑為0.609 m，鋼管外徑為0.406 m和內(nèi)徑為0.382 m代入式(1)，得出的回拖力和所選用的鉆機(jī)回拖力，見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算回拖力與選用鉆機(jī)回拖力

3 管材比選與應(yīng)力分析

3.1 管材比選

3.1.1 焊接方式

管材的焊接方式主要有電阻焊和埋弧焊兩種。電阻焊不需填充金屬，并且加熱速度快，焊接熱影響區(qū)小，外形尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外油氣管道工程中被廣泛使用。由于彎管一般只能由直縫管制造，若選用埋弧焊管，則工程需由直縫管(用于彎管)和螺旋縫管(用于直管段)搭配使用，考慮到衢州高壓管道工程用管總量較少(總長(zhǎng)僅約10 km)，鋼管類型分散將不便于訂貨采購(gòu)，而且兩種制管型式價(jià)格接近，因此推薦采用直縫電阻焊作為本工程線路用管的焊接方式。

3.1.2 材質(zhì)

為保證輸氣管道的安全運(yùn)行，要求管道所使用材質(zhì)應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、良好的焊接性能及韌性，其化學(xué)成分、力學(xué)性能及主要質(zhì)量指標(biāo)等應(yīng)滿足GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》中有關(guān)規(guī)定及鋼管技術(shù)規(guī)格書的要求，考慮到本工程天然氣管道所經(jīng)區(qū)域的性質(zhì)，在兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性的條件下，本工程管道選用鋼管，且選用L290鋼管。

工程設(shè)計(jì)中，綜合考慮以上兩個(gè)因素，工程用管材選用L290直縫電阻焊鋼管，規(guī)格為D406.4×11.9 mm，設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa。

3.2 鋼管壁厚的確定

3.2.1 壁厚計(jì)算

根據(jù)GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》，(以下簡(jiǎn)稱設(shè)計(jì)規(guī)范)，直管壁厚可按式(2)計(jì)算：

式中：δ——鋼管計(jì)算壁厚，mm；

p——設(shè)計(jì)壓力，取4.0 MPa；

D——鋼管外徑，mm；

σs——鋼管屈服強(qiáng)度，MPa；

F——強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)；

φ——焊縫系數(shù)，取1.0；

t——溫度折減系數(shù)，取1.0。

為確保安全，定向鉆工程按四級(jí)地區(qū)確定強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，即取0.3，結(jié)合選定的管徑及管材，得出直管段壁厚為9.3 mm。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，若管徑≥11.9 mm，地下燃?xì)夤艿琅c建筑物間的水平凈距最小。根據(jù)以上壁厚計(jì)算結(jié)果，充分考慮高壓管道沿線存在城市規(guī)劃區(qū)，未來(lái)發(fā)展空間較大；為盡量減少管道對(duì)周圍地區(qū)影響，減少拆遷量，本工程中天然氣管道壁厚取11.9 mm。

3.3 強(qiáng)度校核

根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：在埋地直管段中可產(chǎn)生因泊松效應(yīng)應(yīng)力，溫度應(yīng)力以及由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力引起的軸向應(yīng)力，必須進(jìn)行當(dāng)量應(yīng)力校核，受約束的埋地直管段軸向應(yīng)力計(jì)算和當(dāng)量應(yīng)力校核。

管道環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力可按式(3)和式(4)進(jìn)行計(jì)算：

式中： σ ——管道的軸向應(yīng)力，MPa，（拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)），取68.7；

μ——泊桑比，0.3；

σh——由內(nèi)壓產(chǎn)生的管道環(huán)向應(yīng)力，MPa；

p——管道設(shè)計(jì)內(nèi)壓力，MPa，取0.4；

d——管子內(nèi)徑，mm，取382.6；

δn——管子公稱壁厚，mm，取11.9；

E——鋼材彈性模量，MPa，碳鋼取2.06×105；

α——鋼材的線膨脹系數(shù)，/℃，碳鋼取1.2×10-5；

t1——管道下溝回填時(shí)溫度，℃，本工程取30；

t2——管道的工作溫度，℃，本工程取10。

由計(jì)算可得，在本工程中管道環(huán)向σh=6.43 MPa，軸向應(yīng)力σL=68.7 MPa。

受約束熱脹直管段，可按最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論計(jì)算其當(dāng)量應(yīng)力，并應(yīng)符合式(5)的要求：

式中： σe——當(dāng)量應(yīng)力，MPa；

σs——管子的最低屈服強(qiáng)度，MPa；

根據(jù)式(5)計(jì)算的強(qiáng)度校核結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鋼管強(qiáng)度校核計(jì)算

3.4 穩(wěn)定性校核

3.4.1 管道剛度校核

國(guó)內(nèi)外管道工程應(yīng)用中一般認(rèn)為管道的D/δ值不大于140時(shí)，在正常情況下不會(huì)出現(xiàn)圓截面失穩(wěn)等剛度問(wèn)題。按本工程相應(yīng)數(shù)據(jù)計(jì)算得出：D/δ=34.2，因此管道剛度校核合格。

3.4.2 管道徑向校核

根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，管道的徑向穩(wěn)定性應(yīng)按式(6)進(jìn)行計(jì)算校核，即鋼管水平方向最大變形量ΔX不應(yīng)大于鋼管平均直徑的0.03倍。

式中：ΔX——鋼管水平方向最大變形量，m；

Dm——鋼管平均直徑，取0.394 5m；

w——鋼管豎向永久荷載，N/m，取11 704.32；

K——基床系數(shù)，取0.108(按最不利情況考慮)；

E——管材彈性模量，N/m2，碳鋼取2.06×1011；

ES——土壤變形模量，N/m2，取1.0；

I——單位管長(zhǎng)截面慣性矩，m4/m， I=δ3n/12；

δn——鋼管公稱壁厚，m，取0.011 9。

本工程中的管道一般均敷設(shè)于農(nóng)田、林地、道路綠化等地段，則豎向荷載僅需考慮土壤的重力。考慮到管頂埋深平均為1.2 m，則豎向荷載W的計(jì)算值為11 704.32，代入式(6)，得出 ΔX=0.000 503 m，該數(shù)值滿足鋼管穩(wěn)定性校核要求：ΔX≤0.03 Dm，即管道穩(wěn)定性能滿足要求。

3.5 管道外防腐層

經(jīng)比選，本工程天然氣管道的外防腐采用擠出聚乙烯三層復(fù)合結(jié)構(gòu)(加強(qiáng)級(jí))，由工廠預(yù)制完成，按照GB/T 23257—2009《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》執(zhí)行。對(duì)于定向鉆管段，設(shè)計(jì)建議考慮采用光固化套包覆等措施保護(hù)外防腐層不受損傷，實(shí)際施工中，考慮工程經(jīng)濟(jì)性，建設(shè)單位選擇了犧牲帶的替代保護(hù)方案，即定向鉆管道補(bǔ)口應(yīng)采用定向鉆專用熱縮帶：先采用兩條熱收縮帶進(jìn)行雙層包覆防腐，再采用1條熱收縮帶作為犧牲帶，設(shè)置于補(bǔ)口的前端(靠近回拖鉆機(jī)端)，與補(bǔ)口帶搭接1/3，與3PE防腐層搭接2/3，并在回拖整段管道前，先試拖了一段管道，觀察其外防腐層的劃損情況，結(jié)果外防腐層保護(hù)較為完整，隨即實(shí)施整段回拖，最終防腐層未見(jiàn)嚴(yán)重劃損，滿足驗(yàn)收要求。

4 施工設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

4.1 預(yù)設(shè)套管

為保證管道回拖前的順利成孔，阻隔卵(礫)石塌陷而破壞已成形的導(dǎo)向孔或預(yù)擴(kuò)后的孔洞，一般施工時(shí)須在入、出土軸線方向上開(kāi)挖工作坑。

江山港西岸卵石層下沿距離地表較淺(≤7m)，地下水位不高、土質(zhì)穩(wěn)定性較好，故設(shè)計(jì)時(shí)將卵(礫)石、粗砂開(kāi)挖外運(yùn)，回填粘土或其他利于定向鉆施工的土質(zhì)。常山港西岸卵石層距離地表較深(約12m)，地下水位較高，無(wú)法進(jìn)行深度基坑開(kāi)挖，故設(shè)計(jì)時(shí)在開(kāi)挖工作坑的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采取斜夯套管方式隔離卵(礫)石。該兩處穿越入、出土段采用的處理方法見(jiàn)表5。其中采用斜夯套管時(shí)開(kāi)挖工作坑是為了縮短套管長(zhǎng)度、節(jié)省造價(jià)并降低掏土作業(yè)可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測(cè)算，基坑開(kāi)挖后，預(yù)設(shè)的套管長(zhǎng)度一般可縮短10~40 m。

表5 衢州定向鉆穿江設(shè)計(jì)卵石層處理方法表

根據(jù)兩岸地形，模擬穿越曲線，為保障出入土點(diǎn)、出入土角、曲率半徑和江底埋深符合規(guī)范，定向鉆最深需達(dá)到中風(fēng)化砂巖層，若采用套管隔離，應(yīng)采用鋼性套管穿過(guò)耕表土層、粉土層、卵石層和強(qiáng)風(fēng)化砂巖層，直至進(jìn)入中風(fēng)化砂巖層。斜夯套管剖面示意見(jiàn)圖1，工程現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖2。

圖1 斜夯套管剖面示意

圖2 斜夯套管工程現(xiàn)場(chǎng)

4.2 分段布管

江山港穿越出土側(cè)整體地勢(shì)平坦，但受村莊、道路等阻攔，布管場(chǎng)地受限于城市設(shè)施等各種起伏地形，無(wú)法實(shí)現(xiàn)一次性回拖，故在弧線段的曲率半徑不小于1 500D的前提下，可對(duì)管道進(jìn)行分段預(yù)制。經(jīng)測(cè)算，考慮管段組裝余量，原回拖總長(zhǎng)度約800 m，穿越管道分兩段弧線預(yù)制，每段約400 m，回拖過(guò)程中必須焊接成整體。采用此法時(shí)需注意：為降低因停頓過(guò)長(zhǎng)而造成回拖阻力增大及塌孔風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)常規(guī)定向鉆工程泥漿配比和地質(zhì)情況，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，一般設(shè)計(jì)建議此類“二接一”管段的焊接及檢驗(yàn)完畢時(shí)間須控制在四小時(shí)以內(nèi)。

4.3 鉆機(jī)調(diào)度

常規(guī)定向鉆工程設(shè)計(jì)時(shí)入土點(diǎn)即為鉆機(jī)布置側(cè)，出土點(diǎn)為布管回拖側(cè)，但常山港穿越中，曾遇特殊地質(zhì)地形聯(lián)合影響，西岸為平原，適合布管，但地質(zhì)存在深厚卵(礫)石層需預(yù)設(shè)套管，而長(zhǎng)距離定向鉆穿越時(shí)為保證軸線與套管中心基本重合，需由預(yù)設(shè)套管側(cè)入土方可滿足精度要求，但是東岸為丘陵，山路崎嶇，無(wú)布管條件。國(guó)外在相似地形的工程施工中采用了磁場(chǎng)對(duì)接穿越技術(shù)，在穿越曲線入、出土點(diǎn)兩端各架設(shè)一臺(tái)鉆機(jī)，兩臺(tái)鉆機(jī)分別進(jìn)行導(dǎo)向孔加工，當(dāng)兩臺(tái)鉆機(jī)的鉆頭鉆至預(yù)定對(duì)接點(diǎn)，并且兩鉆頭距離在合理范圍之內(nèi)時(shí)，由入土點(diǎn)鉆機(jī)的探頭感應(yīng)出土點(diǎn)鉆機(jī)鉆頭短節(jié)內(nèi)安裝的目標(biāo)磁鐵發(fā)出的磁信號(hào)，兩臺(tái)鉆機(jī)協(xié)調(diào)操作，入土點(diǎn)鉆機(jī)鉆孔，出土點(diǎn)鉆機(jī)回抽鉆桿，直至兩臺(tái)鉆機(jī)的導(dǎo)向孔完全吻合，如圖3所示。

圖3 磁場(chǎng)對(duì)接穿越示意

但該技術(shù)的工程費(fèi)用十分昂貴，國(guó)內(nèi)極少有實(shí)踐實(shí)例。經(jīng)過(guò)多方論證，結(jié)合該穿江工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在施工階段采用鉆機(jī)調(diào)度法見(jiàn)圖4，即先將鉆機(jī)布置在西岸，使鉆頭從預(yù)設(shè)套管側(cè)入土，以便于確保鉆機(jī)軸線與套管中心基本重合，滿足精度要求，并初步成孔。而后再將鉆機(jī)設(shè)備調(diào)度至東岸，從原軌跡出土側(cè)再次入土，進(jìn)一步擴(kuò)孔。此時(shí)西岸作為定向穿越的出土側(cè)，可同時(shí)進(jìn)行布管組裝(當(dāng)然也可提前組裝)，待擴(kuò)孔完成后，穿越管段在西岸也已布置完成，即可實(shí)現(xiàn)穿越管道的順利回拖。通過(guò)鉆機(jī)調(diào)度法，同時(shí)解決了西岸無(wú)法進(jìn)行深度基坑開(kāi)挖和東岸地形崎嶇無(wú)法布管的兩大難題。

圖4 鉆機(jī)調(diào)度示意

5 結(jié)語(yǔ)

工程實(shí)踐中，當(dāng)遇到砂礫地質(zhì)及起伏地形，常規(guī)天然氣管道定向鉆穿越方式可能引發(fā)導(dǎo)向偏離、孔道塌陷、回拖卡管等工程事故，但基于詳實(shí)可靠的勘察資料，選用合理的技術(shù)方案后，則能夠有效降低工程風(fēng)險(xiǎn)，順利實(shí)現(xiàn)管道穿越。本文所探討的常山港和江山港穿越工程是特殊地質(zhì)地形下定向鉆穿江工程的最好實(shí)例。