潘月宇

中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營(yíng) 257000

因地形復(fù)雜，油氣輸送管道工程在設(shè)計(jì)施工中不可避免地要穿跨越河流、溝谷及各種復(fù)雜地段，管道穿跨越工程是制約工期的控制性工程[1-3]。穿跨越方案的選擇受地質(zhì)條件、水文條件、周?chē)h(huán)境、防洪規(guī)劃等諸多因素影響[4-6]，直接關(guān)系到工程的進(jìn)度。

1 甬臺(tái)溫輸氣管道穿越工程概況

甬臺(tái)溫天然氣輸送管道工程是浙江省天然氣管網(wǎng)的重要組成部分，輸氣管道全長(zhǎng)463.6 km，設(shè)計(jì)輸氣規(guī)模95 億m3/a，設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa，包括2 條干線(xiàn)、2 條支線(xiàn)。其中干線(xiàn)二的龍灣段甌江路段穿越工程是向溫州市供氣的瓶頸工程，線(xiàn)路路由受制于規(guī)劃中的甌江路、海堤、廠房等地面的建構(gòu)筑物，同時(shí)與甌江南口大橋、溫州市域鐵路S2 線(xiàn)交叉，與同期施工的麗水36-1 天然氣管道及城市燃?xì)夤艿涝趯捠嗝椎耐ǖ纼?nèi)并行敷設(shè)。該通道內(nèi)有4 條管道并行敷設(shè)，分別為：甬臺(tái)溫天然氣干線(xiàn)進(jìn)、出龍灣分輸站的DN800 管道各1 條，麗水36-1 天然氣管道在龍灣登陸的DN300 管道1 條，溫州市城市門(mén)站至龍灣分輸站聯(lián)絡(luò)管道穿越藍(lán)蒲河的DN600 管道1條，龍灣分輸站至城東水閘段長(zhǎng)約2.4 km。

2 穿越路由的選擇

按照溫州市規(guī)劃要求，4 條天然氣管道采取最小間距、對(duì)兩側(cè)環(huán)境破壞最小、最有可能實(shí)施的方式施工。為滿(mǎn)足各方面要求，考慮海上和陸上兩個(gè)路由方案。海上路由方案可以考慮采取海底管道方式，或采用定向鉆方式穿越。由于受潮差及沖刷較深影響，管溝挖溝較易發(fā)生回淤，海底管道成溝方式實(shí)施困難；而海上定向鉆中，線(xiàn)路路由連接時(shí)連頭處埋深較深，施工較為困難。另外，海底管道挖溝方式及海上定向鉆方式的施工工期較陸上方案長(zhǎng)且施工費(fèi)用較陸上方案高，因此排除海上路由方案，僅考慮陸上路由方案。

受當(dāng)?shù)匾?guī)劃影響，管道應(yīng)在陸上避開(kāi)工業(yè)園區(qū)，同時(shí)不得影響規(guī)劃中的甌江路的建設(shè)，陸上路由方案中，施工作業(yè)帶被局限于沿海堤與工廠之間的空地，局部寬度不足10 m，直至藍(lán)蒲河。穿越藍(lán)蒲河后，施工作業(yè)帶位于海堤與廠房間約30 m寬的堤塘新開(kāi)河河底。該路由在穿越藍(lán)蒲河時(shí)，由于受廠房限制，與規(guī)劃的甌江路有兩次交叉。為減小規(guī)劃中的甌江路后期沉降對(duì)管道造成影響，規(guī)劃中的甌江路在交叉位置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)形式調(diào)整。

3 穿越方案的選擇

為減少臺(tái)風(fēng)等極端天氣對(duì)管道施工造成影響，避免影響規(guī)劃中的甌江路的建設(shè)，本方案排除跨越方案，僅考慮穿越方案。由于施工場(chǎng)地受限，盾構(gòu)及長(zhǎng)距離頂管隧道方案可實(shí)施性不大，且施工工期較長(zhǎng)、投資較高，所以不予考慮。本次穿越方案只對(duì)長(zhǎng)距離定向鉆穿越、定向鉆+挖溝法穿越、兩次定向鉆穿越等方案進(jìn)行比選。

3.1 長(zhǎng)距離定向鉆穿越方案

3.1.1 管道空間布置

為了減小天然氣管道對(duì)規(guī)劃中的甌江路的影響，4 條天然氣管道布置在兩條軸線(xiàn)上（見(jiàn)圖1），兩軸線(xiàn)水平間距為10 m，在單條軸線(xiàn)上管道垂直間距為6 m。城市門(mén)站至龍灣分輸站聯(lián)絡(luò)管道穿越藍(lán)蒲河后在堤塘新開(kāi)河內(nèi)出土，其余3 條管道在城東水閘附近出土。為了增加管道中心線(xiàn)間距，將4 條管道在空間布置成菱形分布，每層管道間距約3 m。

圖1 管道布置

3.1.2 出入土點(diǎn)選擇

根據(jù)穿越地形、地質(zhì)條件和穿越管徑的大小，管道在上層穿越管段的入土角控制在10°，下層穿越管段入土角控制在14°，定向鉆的出土角均取7°，穿越管段的曲率半徑均取1 220 m。4個(gè)穿越入土點(diǎn)放在兩條軸線(xiàn)上，通過(guò)調(diào)整出、入土角的角度，出、入土點(diǎn)的前、后位置及適當(dāng)改變穿越層位，避開(kāi)地面上管廊較窄的地段，以減小對(duì)規(guī)劃中甌江路的影響。

3.1.3 平面布置

輸氣管道定向鉆穿越水平長(zhǎng)度約為2 300 m，穿越距離較長(zhǎng)，穿越構(gòu)/建筑物較多。穿越路由兩側(cè)地面構(gòu)/建筑物主要有廠房、規(guī)劃中的甌江路橋墩、在建市域鐵路S2 線(xiàn)橋墩、規(guī)劃的南口大橋橋墩，現(xiàn)有及規(guī)劃的大堤、規(guī)劃工業(yè)園區(qū)等。為減少管道穿越對(duì)地面構(gòu)/建筑物的影響，管道在平面上有4 次水平彈性敷設(shè)，且曲率半徑均≥1 500 D（D 為管道外徑），水平防線(xiàn)疊加角度約28°。管道彈性敷設(shè)位置及路由布置如圖2 所示。

圖2 管道彈性敷設(shè)平面布置示意/m

3.1.4 對(duì)穿工藝

由于此次工程穿越距離較長(zhǎng)，地質(zhì)相對(duì)復(fù)雜，鉆進(jìn)阻力較大，鉆頭直接鉆到出土點(diǎn)較為困難，易引起穿越失敗，所以擬采用對(duì)穿施工工藝，鉆頭采用握手對(duì)接的方式，連成一體，由鉆機(jī)牽引到另一端出土，確保導(dǎo)向孔的成功穿越。

3.2 定向鉆+挖溝法穿越方案

定向鉆+挖溝法穿越方案為：穿越藍(lán)蒲河采用定向鉆施工，穿越堤塘新開(kāi)河采用挖溝法施工。

3.2.1 定向鉆穿越

本方案定向鉆穿越空間布置、入土點(diǎn)與方案一（長(zhǎng)距離定向鉆穿越方案）相同，穿越長(zhǎng)度調(diào)整為1 100 m，定向鉆穿越部分水平彈性敷設(shè)次數(shù)減少為2 次，出、入土角與方案一相同，但出土點(diǎn)在堤塘新開(kāi)河內(nèi)，施工時(shí)需對(duì)出土場(chǎng)地進(jìn)行整理。

3.2.2 挖溝法穿越

堤塘新開(kāi)河穿越管段均位于堤塘新開(kāi)河內(nèi)，該河流下部地層為含砂淤泥質(zhì)黏土，屬于流塑狀、高壓縮性土層，采用挖溝法穿越將管道埋置于河床穩(wěn)定層內(nèi)的穿越敷設(shè)方式。但挖溝法穿越因管道較多、開(kāi)挖面較大，如不采取支護(hù)措施將對(duì)兩側(cè)建/構(gòu)筑物產(chǎn)生不良影響，所以本挖溝法穿越方案在穿越路由兩側(cè)采取打鋼板樁的方式對(duì)兩側(cè)土體進(jìn)行支護(hù)，并對(duì)大堤一側(cè)加一排連續(xù)粉噴樁帷幕進(jìn)行止水，防止土體產(chǎn)生滑移或沉降對(duì)大堤產(chǎn)生影響。3 條管道同溝敷設(shè)，采取溝下焊的施工方式進(jìn)行焊接。管道敷設(shè)后將鋼板樁拆除，同時(shí)清除草袋圍堰，恢復(fù)地貌。開(kāi)挖及圍堰護(hù)樁斷面如圖3 所示。

圖3 開(kāi)挖及圍堰護(hù)樁斷面示意

3.3 兩次定向鉆穿越方案

該方案根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況將路由分為兩段施工。第一段長(zhǎng)1 100 m，先穿越海堤，然后沿海堤與工廠之間的空地敷設(shè)，此處空地寬度不足10 m，直到穿越藍(lán)蒲河，海堤外側(cè)為沙堆及碼頭。因穿越地段地面建筑物較多，無(wú)法采用開(kāi)挖穿越，只能采用定向鉆穿越施工。第二段長(zhǎng)1 300 m，順著海堤及工廠間的堤塘新開(kāi)河河底敷設(shè)，此處管道距離海堤約30 m，且緊鄰規(guī)劃中的甌江路，也采用定向鉆穿越方案。

兩次定向鉆穿越的出、入土點(diǎn)位于堤塘新開(kāi)河內(nèi)，堤塘新開(kāi)河一側(cè)為海堤、一側(cè)為廠房，所以在河道內(nèi)開(kāi)挖出作為兩條定向鉆連頭的作業(yè)場(chǎng)地，需對(duì)開(kāi)挖基坑進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)對(duì)堤塘新開(kāi)河進(jìn)行地基處理，作為堤塘新開(kāi)河定向鉆穿越的鉆機(jī)操作平臺(tái)。

根據(jù)定向鉆穿越時(shí)管道出土點(diǎn)及入土點(diǎn)的施工難易程度，在施工平臺(tái)垂直管道方向設(shè)置圍堰隔水，并設(shè)置懸臂拉森鋼板樁支護(hù)。在施工平臺(tái)沿管道方向，要控制岸坡海堤及陸上構(gòu)筑物的位移不能超限，則采用拉森鋼板樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，拉森鋼板樁可以止水。同時(shí)考慮基坑內(nèi)穿越設(shè)備的安放及地基承載力要求，設(shè)置70 m×20 m 的工作面，采用攪拌樁進(jìn)行地基處理。

3.3.1 止水圍堰

圍堰迎水面坡比1∶3，采用草袋、土工膜、砂袋砌筑；圍堰背水面坡比1∶2，采用草袋砌筑；圍堰頂寬4 m，標(biāo)高4.50 m。

3.3.2 支護(hù)樁

在工作平臺(tái)短邊方向，即止水圍堰（上游圍堰和下游圍堰）背水面坡腳設(shè)懸臂FSP-IV 型拉森鋼板樁，樁長(zhǎng)18 m，分布寬度約35 m；在工作平臺(tái)順管道方向，沿平臺(tái)兩側(cè)設(shè)FSP-IV 型拉森鋼板樁，樁長(zhǎng)18 m[9-10]。

管道經(jīng)過(guò)支護(hù)樁的地方，提前預(yù)留1.5 m 寬的空間供管道通過(guò)，待定向鉆管道完成后，在預(yù)留口處外側(cè)打入3 排水泥攪拌樁，然后再用拉森鋼板樁把缺口封死，確保連頭施工安全。

3.3.3 冠梁、 腰梁

冠梁及腰梁均采用雙拼U 型鋼，U 型鋼為熱軋普通槽鋼，型號(hào)32b。

3.3.4 旋噴錨索

在冠梁、第一排腰梁及第二排腰梁處設(shè)三排旋噴錨索，錨孔直徑110mm，錨固段旋噴直徑600mm。第一排錨索全長(zhǎng)16.5 m，錨固段長(zhǎng)10 m；第二排錨索全長(zhǎng)15 m，錨固段長(zhǎng)10 m；第三排錨索全長(zhǎng)11 m，錨固段長(zhǎng)6 m。

3.3.5 被動(dòng)區(qū)加固

在基坑內(nèi)側(cè)沿支護(hù)樁四周設(shè)寬5 m、深10 m 雙軸攪拌樁加固坑底裙邊，再向內(nèi)設(shè)寬5 m、深5 m 雙軸攪拌樁聯(lián)合裙邊作為坑底暗梁，并在短邊方向每10 m 設(shè)寬5 m、深5 m 的雙軸攪拌樁作為坑底暗撐。雙軸攪拌樁為φ700 mm@550 mm，搭接150 mm。

3.3.6 地基處理（定向鉆施工平臺(tái)）

在支護(hù)樁內(nèi)，設(shè)置單軸水泥攪拌樁φ500 mm@1 200 mm×1 200 mm，樁長(zhǎng)15 m，正方形布置，樁的布置范圍為70 m×20 m[11]，樁頂灌砂碎石拌和物300 mm 厚。

3.4 各方案綜合比較（見(jiàn)表1）

表1 各方案綜合對(duì)比

從周邊環(huán)境、當(dāng)?shù)匾?guī)劃、水文條件、地質(zhì)條件、工程投資、施工工期等諸多因素進(jìn)行比選，考慮減少對(duì)廠房、海堤及周邊建/構(gòu)筑物的影響，且滿(mǎn)足麗水36-1 氣田陸管工程順利投產(chǎn)的要求，最終選擇一次定向鉆穿越方案，穿越長(zhǎng)度約2 300 m。

3.5 應(yīng)力計(jì)算

為避開(kāi)甌江路、南口大橋、市域鐵路等地面建/構(gòu)筑物，定向鉆穿越曲線(xiàn)采用4 次水平彈敷，對(duì)管道應(yīng)力較為不利，因此需對(duì)管道重新進(jìn)行應(yīng)力分析，管道的應(yīng)力采用CAESAR II 軟件進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)計(jì)算，持續(xù)工況（OPE）最大應(yīng)力占許用應(yīng)力的39.5%，操作工況（SUS）最大應(yīng)力占許用應(yīng)力的38.7%，見(jiàn)圖4。操作工況應(yīng)力和持續(xù)工況應(yīng)力均滿(mǎn)足要求。

圖4 持續(xù)工況、操作工況最大點(diǎn)

4 實(shí)際應(yīng)用

此次甌江路長(zhǎng)距離、松軟淤泥地質(zhì)疊加曲線(xiàn)多管道立體穿越是國(guó)內(nèi)高難度的定向鉆穿越工程，幾乎沒(méi)有可參考的施工經(jīng)驗(yàn)。為克服長(zhǎng)距離、大口徑管道鉆桿抗扭能力不足的問(wèn)題，工程采用鉆頭“拉手對(duì)接”（見(jiàn)圖5）的導(dǎo)向孔對(duì)穿工藝，由一端鉆頭牽引另一端鉆頭出土，同時(shí)也避免了主鉆機(jī)鉆頭無(wú)法沿著輔助鉆機(jī)鉆出的導(dǎo)向孔前進(jìn)而另鉆出新孔的問(wèn)題。

圖5 拉手對(duì)接現(xiàn)場(chǎng)照片

控向是本工程施工中的關(guān)鍵，為保證工程的精度，確保在有限的空間內(nèi)完成4 條管道的穿越施工，在穿越場(chǎng)地設(shè)置交流磁靶，提供人工磁場(chǎng)強(qiáng)度，使用P2 控向系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)向作業(yè)，對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭精確進(jìn)行定位。本次穿越施工從2015年4月16日開(kāi)鉆，到11月10日最后一條管道回拖成功，共歷時(shí)208個(gè)日夜，甌江路段4 條定向鉆穿越工程獲得一次成功。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）本文結(jié)合甬臺(tái)溫天然氣輸氣管道工程，對(duì)復(fù)雜地段的大中型管道穿越方案從路由選擇到方案的確定進(jìn)行了深入分析，從周邊環(huán)境、當(dāng)?shù)匾?guī)劃、水文條件、地質(zhì)條件、工程投資、施工工期等諸多因素方面進(jìn)行比選，考慮減少對(duì)廠房、海堤及周邊建/構(gòu)筑物的影響，選擇一次定向鉆穿越方案。

（2）因管道穿越距離較長(zhǎng)，為避開(kāi)甌江路、南口大橋、市域鐵路等地面建/構(gòu)筑物，采用多次水平彈性敷設(shè)；而且4 條管道上下并行穿越，給施工帶來(lái)諸多不確定因素，加大了施工風(fēng)險(xiǎn)，因此在施工過(guò)程中應(yīng)用了對(duì)穿施工工藝，并使用了精確的控向系統(tǒng)，取得了較好的效果。

（3）該控制性工程的成功實(shí)施，為同行在今后穿跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。