申 粵, 喬 珩， 喬志國， 黃 儉

(1.杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)設(shè)計(jì)院股份有限公司，浙江杭州310004；2.杭州天然氣有限公司，浙江杭州310017；3.中油昆侖管道工程有限公司，河北廊坊065000)

1 工程概況

天然氣高壓管道水平定向鉆穿越錢塘江水平長(zhǎng)度2 452 m，穿越管道位于跨江大橋下游約350 m，設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa，公稱管徑600 mm。

結(jié)合地質(zhì)條件，穿越工程采用導(dǎo)向孔對(duì)穿工藝穿越主航道，利用現(xiàn)狀市政道路場(chǎng)地一次性組焊。工程難點(diǎn)在于：江底導(dǎo)向孔長(zhǎng)距離穿越粉質(zhì)粘土層，出入土段較長(zhǎng)距離穿越砂質(zhì)粉土層，容易發(fā)生塌孔、鉆桿失穩(wěn)、抱鉆、鉆頭方位難以控制等問題；穿越入土側(cè)還須避讓5條重要的油氣管道，穿越位置上游平行50 m處還有一條現(xiàn)狀定向鉆穿越的輸氣管道。

2 水文地質(zhì)條件

穿越水域?qū)俑谐毙秃恿?，呈不?guī)則半日潮型，水位直接受潮汐影響，變化較大。場(chǎng)地地層均為第四系地層，按地質(zhì)時(shí)代、成因類型及工程特性，分為6個(gè)工程地質(zhì)層、9個(gè)亞層，自上而下分別為：①層素填土，②-1層砂質(zhì)粉土，②-2層砂質(zhì)粉土，③-1層砂質(zhì)粉土，③-2層粉砂夾粉土，④-1層砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)土，④-2層粉質(zhì)粘土夾粉土，⑤層粉質(zhì)粘土，⑥層粉質(zhì)粘土。

3 設(shè)計(jì)參數(shù)

依據(jù)GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱GB 50423—2013)第3.3.3條規(guī)定，并結(jié)合水利部門要求，工程設(shè)計(jì)洪水頻率采用0.33%,即300年一遇。參照SY/T 6968—2013《油氣輸送管道工程水平定向鉆穿越設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.0.5條規(guī)定，工程重要性類別為一類。設(shè)計(jì)選用直縫雙面埋弧焊鋼管，材質(zhì)L360M，鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》，產(chǎn)品規(guī)范水平為PLS2級(jí)，采用3PE加強(qiáng)級(jí)防腐并輔以強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，補(bǔ)口采用進(jìn)口定向鉆專用熱收縮帶。設(shè)計(jì)穿越入土角12°，出土角7°，入土角和出土角處均設(shè)置為豎向弧形管道，水平穿越處設(shè)置為平面弧形管道，弧形管道的曲率半徑為915 m(即1 500 倍鋼管外直徑)。水平段穿越土層主要為⑤層粉質(zhì)粘土層。管底設(shè)計(jì)標(biāo)高約為-25 m，管頂距現(xiàn)狀江底最小距離為22 m，距設(shè)計(jì)洪水沖刷線間距約12.5～15.2 m。

4 前期審批

天然氣管道輸送介質(zhì)具有易燃易爆的危險(xiǎn)特性，本案例設(shè)計(jì)前期與沿線地方規(guī)劃、水利部門收集穿越設(shè)計(jì)所需的技術(shù)數(shù)據(jù)及相關(guān)管理要求。委托專業(yè)機(jī)構(gòu)建立水域沖刷模型，確定穿越?jīng)_刷線技術(shù)指標(biāo)，依據(jù)《中華人民共和國航道法》要求對(duì)航道通航條件影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，編制通航標(biāo)志方案提交航道主管部門審批備案。依據(jù)《水利工程安全管理?xiàng)l例》要求進(jìn)行防洪評(píng)價(jià)，編制岸堤交叉處沉降觀測(cè)方案提交水利部門審批備案。依據(jù)《中華人民共和國石油天然氣管道保護(hù)法》要求對(duì)相鄰油氣管道影響進(jìn)行評(píng)估，編制施工保護(hù)方案提交地方油氣管道主管部門備案。在明確規(guī)劃路由后，與屬地交通部門確認(rèn)交通組織方案，以保障管道順利回拖前的組焊、試壓、清管等各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。對(duì)于沿線其他市政設(shè)施通過前期物探進(jìn)一步核實(shí)管位及埋深，與產(chǎn)權(quán)單位簽署安全協(xié)議并由對(duì)方派駐人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)，必要時(shí)開挖驗(yàn)證以保證設(shè)施安全。

5 施工組織

5.1 施工工藝選擇

根據(jù)GB 50423—2013第5.2.3條公式(5.2.3)進(jìn)行管道回拖力計(jì)算(管段內(nèi)不充水回拖)。經(jīng)計(jì)算得到穿越管道回拖力為2 020 kN，根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，一般鉆機(jī)回拖力取值為計(jì)算回拖力的1.5～3倍，本工程選取2倍的安全系數(shù)[1-2]。由于穿越距離長(zhǎng)，導(dǎo)向孔施工采用對(duì)穿工藝，使用2臺(tái)鉆機(jī)從出、入土點(diǎn)兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行導(dǎo)向孔施工作業(yè)。入土點(diǎn)主鉆機(jī)選用FDP-550鉆機(jī)(回拖力5 500 kN)，出土點(diǎn)輔助鉆機(jī)選用GD-300鉆機(jī)(回拖力3 000 kN)，安全系數(shù)能夠滿足穿越施工要求。

5.2 施工組織方案

① 穿越施工流程

穿越施工流程見圖1。

圖1 穿越施工流程

② 穿越施工方案

穿越采用導(dǎo)向孔對(duì)穿工藝施工，其原理是施工主鉆機(jī)側(cè)的鉆頭找到輔助鉆機(jī)側(cè)的鉆頭后，在鉆好的導(dǎo)向孔內(nèi)跟隨輔助鉆機(jī)側(cè)的鉆頭出土，避免單次穿越鉆桿長(zhǎng)距離受力發(fā)生彎曲變形從而易斷裂，提高施工安全程度。對(duì)接穿越需用2臺(tái)鉆機(jī)協(xié)同作業(yè)完成，主鉆機(jī)單鉆鉆進(jìn)長(zhǎng)度控制在1 600～2 000 m,輔助鉆機(jī)單鉆鉆進(jìn)長(zhǎng)度根據(jù)主鉆機(jī)情況選擇400～800 m。為將穿越風(fēng)險(xiǎn)降到最低，另配置夯管錘現(xiàn)場(chǎng)全程應(yīng)急備用[3]，其作用是在管道回拖過程中，回拖受阻、拉力增大時(shí)，從管尾施加夯力，一方面推進(jìn)管道前進(jìn)，另一方面使管體產(chǎn)生振動(dòng)波，將管體表面塌方或縮孔泥土液化，減小摩擦力。主鉆機(jī)作業(yè)區(qū)位于錢塘江東岸，作業(yè)面積4 260 m2。輔助鉆機(jī)作業(yè)區(qū)位于錢塘江西岸，作業(yè)面積3 500 m2。采用直徑為168 mm鉆桿完成導(dǎo)向孔、擴(kuò)孔和回拖施工。鉆具組合方案為專用鉆頭+直徑為178 mm的造斜短節(jié)+無磁鉆挺+直徑為168 mm的鉆桿。控向系統(tǒng)單邊鉆進(jìn)時(shí)采用SHARWELL導(dǎo)向系統(tǒng)，兩鉆頭碰頭后采用對(duì)接系統(tǒng)對(duì)接。

穿越曲線在水平段實(shí)施對(duì)接。當(dāng)兩鉆頭鉆進(jìn)至預(yù)定對(duì)接位置后，開啟鉆頭對(duì)接系統(tǒng)，入土點(diǎn)主鉆機(jī)的鉆頭中安裝有對(duì)接導(dǎo)向系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)射裝置，出土點(diǎn)輔助鉆機(jī)的鉆頭中安裝對(duì)接導(dǎo)向系統(tǒng)的信號(hào)接收裝置。通過對(duì)信號(hào)的處理、分析，計(jì)算兩鉆頭的相對(duì)位置，得出結(jié)果后，主鉆機(jī)鉆頭調(diào)向鉆進(jìn)，輔助鉆機(jī)鉆頭追蹤主鉆機(jī)鉆頭，最后兩個(gè)鉆頭扣合在一起，由輔助鉆機(jī)鉆頭將主鉆機(jī)鉆頭牽引出土，完成長(zhǎng)距離導(dǎo)向孔穿越。

穿越管道管徑為DN 600 mm，根據(jù)穿越擴(kuò)孔的要求，最小擴(kuò)孔直徑應(yīng)達(dá)到管徑的1.5倍，最終擴(kuò)孔直徑應(yīng)≥915 mm。因此，導(dǎo)向孔完成后，使用直徑為400 mm、600 mm、800 mm、950 mm的4級(jí)擴(kuò)孔器擴(kuò)孔施工。穿越管道在出土點(diǎn)后50 m的位置開始布設(shè)，彈性布置在西岸市政道路上。管道回拖時(shí)采用滾輪發(fā)送器發(fā)送，每隔15 m設(shè)置1個(gè)滾輪發(fā)送器。擴(kuò)孔洗孔完成后一次性連續(xù)回拖。由于穿越管道長(zhǎng)距離穿越砂質(zhì)粉土層、粉質(zhì)粘土層，施工過程中通過采用自來水配置泥漿，在泥漿中添加正電膠、羧甲基纖維素添加劑等，控制泥漿性能，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

③ 施工中遇到的問題及解決措施

a.長(zhǎng)距離土層穿越過程中，導(dǎo)向孔鉆進(jìn)選用泥漿動(dòng)力馬達(dá)，為防抱鉆一般需要每間隔400～500 m加一個(gè)補(bǔ)漿器，但是泥漿馬達(dá)是靠泥漿壓力工作，增加補(bǔ)漿器會(huì)造成泥漿馬達(dá)泄壓的風(fēng)險(xiǎn)。為此專門制作了一批符合壓力設(shè)計(jì)要求的補(bǔ)漿器，滿足泥漿馬達(dá)的工作需要，配合出、入土點(diǎn)兩端泥漿泵同時(shí)注漿，有效地防止抱鉆風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

b.地層軟硬交錯(cuò)，入土、出土段曲線都經(jīng)過淤泥地層，為避免導(dǎo)向施工過程中鉆桿折斷，在出、入土側(cè)兩端設(shè)置直徑為273 mm的導(dǎo)向套管，出土端長(zhǎng)196 m，入土端長(zhǎng)48 m，將鉆桿套在其內(nèi)，確保力的傳遞及返漿通暢。導(dǎo)向過程采用先鉆進(jìn)后洗孔的方式，由于在長(zhǎng)距離粘土層導(dǎo)向過程中，鉆頭返漿量逐漸減少，對(duì)后續(xù)鉆桿的潤(rùn)滑效果下降，容易發(fā)生抱鉆，因此需要盡快完成導(dǎo)向鉆進(jìn)，確保返漿量符合導(dǎo)向施工要求。待導(dǎo)向孔導(dǎo)通后，要立即進(jìn)行洗孔，目的是給孔洞注入泥漿潤(rùn)滑及保護(hù)孔壁，防止塌孔抱鉆桿。

c.受預(yù)制管場(chǎng)地所限，從出土點(diǎn)開始需彈性布管2 000 m，為此協(xié)調(diào)交通，利用現(xiàn)狀道路條件，管道占用道路一側(cè)機(jī)動(dòng)車道，在出土點(diǎn)起始的一段開挖發(fā)送溝，道路上采用滾輪發(fā)送器發(fā)送，滿足回拖要求。

④ 施工進(jìn)度

施工分管道安裝、實(shí)施穿越、附屬工程3個(gè)部分，有些是可以同時(shí)進(jìn)行的，總工期為120 d。其中管道安裝68 d，含測(cè)量放線、施工便道修筑、作業(yè)帶清理、管道運(yùn)輸與布管、主管道坡口加工、管道組對(duì)、主管道焊接、主管道補(bǔ)口補(bǔ)傷、主管道試壓、清管、測(cè)徑、直管段安裝、管道二次試壓、清管、測(cè)徑、設(shè)備撤場(chǎng)、地貌恢復(fù)。實(shí)施穿越111 d，含測(cè)量放線、施工便道及作業(yè)區(qū)修筑、鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)安裝調(diào)試、主管道導(dǎo)向孔鉆進(jìn)、主管道擴(kuò)孔+清孔、主管道回拖、設(shè)備撤場(chǎng)、地貌恢復(fù)。附屬工程施工18 d，含防腐層檢測(cè)、泥漿合法合規(guī)處理等。

6 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

① 前期論證、高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、精心協(xié)調(diào)組織發(fā)揮了關(guān)鍵作用。前期設(shè)計(jì)方案反復(fù)論證、航道通航條件影響評(píng)價(jià)、防洪評(píng)價(jià)、油氣管道安全評(píng)估、施工保護(hù)方案評(píng)審、施工期間交通組織協(xié)調(diào)等一系列充分的準(zhǔn)備工作，是確保工程一次性回拖成功的關(guān)鍵。

② 豐富的施工經(jīng)驗(yàn)、先進(jìn)的施工技術(shù)和設(shè)備以及管理提供了成功保障。為應(yīng)對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)條件和苛刻的施工條件，施工單位必須具備豐富的類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，采用先進(jìn)的施工工藝、機(jī)械設(shè)備和科學(xué)的管理方法，確保水平定向鉆施工一次性成功。