周劍琴，楊國(guó)暉，王 巍

1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司，四川成都 610000

2.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

中衛(wèi)-貴陽(yáng)聯(lián)絡(luò)線工程干線（以下簡(jiǎn)稱中貴線）起自寧夏中衛(wèi)，止于貴州貴陽(yáng)，全長(zhǎng)約1 613 km，其中約三分之一在川渝兩省市境內(nèi)。川渝地區(qū)水資源較為豐富，境內(nèi)河流分布密集，其中大型河流有長(zhǎng)江、嘉陵江、岷江等，中貴線穿越該地區(qū)各類大中型河流達(dá)14次之多，全部采用定向鉆與隧道穿越技術(shù)[1]。本文以中貴線川渝境內(nèi)幾條大型河流穿越為案例，總結(jié)穿越工程建設(shè)、施工、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，分析其實(shí)際運(yùn)用的優(yōu)缺點(diǎn)，為今后類似工程在穿越技術(shù)的應(yīng)用上提供參考。

1 穿越技術(shù)對(duì)比

1.1 定向鉆穿越技術(shù)

定向鉆技術(shù)最早出現(xiàn)在上世紀(jì)70年代，是傳統(tǒng)公路打孔和油田定向鉆井技術(shù)的結(jié)合。目前主要以非開(kāi)挖施工的水平定向鉆穿越技術(shù)為主，施工工具為水平定向鉆機(jī)，由鉆機(jī)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、鉆具及輔助機(jī)具組成。水平定向鉆穿越施工一般分為兩個(gè)階段：第一階段為按照設(shè)計(jì)曲線鉆導(dǎo)向孔；第二階段是對(duì)導(dǎo)向孔進(jìn)行擴(kuò)孔，并將管道沿著擴(kuò)大了的導(dǎo)向孔回拖到導(dǎo)向孔中，完成管道穿越工作[2-3]。定向鉆穿越施工工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 定向鉆穿越施工工藝流程

1.2 隧道穿越技術(shù)

隧道工程是一種修建在地下，兩端有出入口，供車輛、行人、水流及管道等通行的工程建筑。施工方法有明挖法、盾構(gòu)法、掘進(jìn)法等。隧道縱斷面一般采用“斜井+平巷+斜井（+豎井）”的穿越方式，由高壓旋噴樁防滲墻注漿、超前勘探、掘進(jìn)、初期支護(hù)和二次支護(hù)等五大重點(diǎn)施工環(huán)節(jié)構(gòu)成。隧道施工一般根據(jù)隧道長(zhǎng)度及現(xiàn)場(chǎng)自然交通條件，確定單邊或雙邊掘進(jìn)開(kāi)挖、初期支護(hù)施工，貫通后再實(shí)施永久支護(hù)。

2 嘉陵江定向鉆、隧道穿越對(duì)比

中貴線在四川省廣元市、南充市境內(nèi)先后采用定向鉆、隧道方式連續(xù)兩次穿越嘉陵江，兩處穿越斷面相距不足120 km，穿越長(zhǎng)度相差僅12 m，主要穿越地層均為粉砂質(zhì)泥巖，這兩處穿越有著極為接近的地理、地質(zhì)條件，兩處穿越對(duì)比介紹如下。

2.1 廣元嘉陵江定向鉆穿越

廣元嘉陵江定向鉆穿越位于廣元市境內(nèi)，穿越段江面寬度約500 m，右岸有綿廣高速工程通過(guò)斷面，左岸為砂石場(chǎng)。穿越管道規(guī)格為D 1 016 mm×26.2 mm、材質(zhì)為X70的三層PE防腐直縫埋弧焊鋼管，定向鉆穿越段水平長(zhǎng)度為996.15 m，實(shí)長(zhǎng)1 002.5 m。管道補(bǔ)口采用定向鉆專用熱收縮套。穿越管道設(shè)計(jì)入土角為12°，出土角為6.5°，曲率半徑取1 532 m，穿越深度約45.03 m（相對(duì)于入土點(diǎn)）。

2.2 南充閬中嘉陵江隧道穿越

南充閬中嘉陵江隧道穿越位于南充市閬中市保寧鎮(zhèn)，屬嘉陵江中游流域。隧道軸線投影為直線形，水平投影長(zhǎng)度954 m，實(shí)長(zhǎng)1 014.9 m，隧道縱斷面形式為“斜巷（入口，北岸）-平巷-斜巷+豎井（出口，南岸）”。北岸斜巷段長(zhǎng)242.8 m，坡度為25°。水平段長(zhǎng)度為599.6 m，平巷設(shè)計(jì)為人字坡，由中間向兩岸降低，坡度均為3‰，以利排水。南岸斜巷長(zhǎng)148.2 m，坡度為25°，南岸豎井凈空直徑8 000 mm，壁厚800 mm，深度24.3 m。整個(gè)隧道橫斷面為直墻圓弧拱形，凈寬3.0 m，凈高3.0 m（其中墻高1.7 m、拱高1.3 m）。

2.3 嘉陵江定向鉆與隧道穿越方案對(duì)比

2.3.1 穿越方式

（1）廣元嘉陵江定向鉆：根據(jù)地形地貌、地層巖性和工程地質(zhì)勘察結(jié)果，廣元嘉陵江定向鉆穿越段具備定向鉆、隧道施工條件，考慮到隧道施工時(shí)間與蘭渝鐵路大橋建設(shè)同步，隧道爆破可能會(huì)對(duì)大橋施工有影響[4]，而定向鉆方案在工期、投資上均較隧道方案略有節(jié)約，且基本上能規(guī)避對(duì)蘭渝鐵路大橋施工的影響，故此穿越設(shè)計(jì)選用定向鉆方案。

（2）南充閬中嘉陵江隧道穿越：根據(jù)南充閬中嘉陵江隧道穿越斷面勘察結(jié)果等資料，定向鉆穿越、隧道穿越均可，但右岸為大煙山山包，且民房密集，左岸地勢(shì)起伏較大，兩岸均無(wú)定向鉆施工場(chǎng)地條件[4]，而隧道穿越入、出口端交通條件便利，有較為平整的場(chǎng)地作為供料場(chǎng)，隧道施工條件成熟，因此選擇了隧道穿越方式。

從嘉陵江兩次穿越方式選擇來(lái)看，同樣的地質(zhì)條件下，定向鉆穿越對(duì)地形要求較高，隧道穿越更為靈活方便。

2.3.2 資源投入

廣元嘉陵江定向鉆施工，高峰期投入施工人員42人，投入水平定向鉆機(jī)、吊車等主要設(shè)備8臺(tái)套。南充閬中嘉陵江隧道施工，高峰期投入施工人員120人，投入發(fā)電機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、空壓機(jī)等主要設(shè)備51臺(tái)套。

單從資源投入的數(shù)量上對(duì)比，定向鉆穿越無(wú)論是人力資源還是設(shè)備資源的投入較隧道穿越均占有較大優(yōu)勢(shì)，但對(duì)所需人力與設(shè)備等資源還需進(jìn)行具體分析：

（1）在人力資源投入方面：定向鉆需配備控向工程師、泥漿工程師、鉆機(jī)操作人員、專業(yè)的起重工等高級(jí)技術(shù)人員，且在出現(xiàn)鉆具脫落、鉆桿斷裂等事件時(shí)，還需聘請(qǐng)專家、熟練的高級(jí)技工研討方案，開(kāi)展施救工作。而隧道施工因工藝成熟，作業(yè)過(guò)程簡(jiǎn)單，因此雖投入的人員數(shù)量多，但大多為力工、架子工、混凝土工等普通工人。另外，由于定向鉆作業(yè)所需的測(cè)量控向、泥漿配置等，有經(jīng)驗(yàn)、熟練又能切實(shí)解決問(wèn)題的技術(shù)人員較少，且聘請(qǐng)困難，因此在人力資源投入上，隧道施工反而占有綜合優(yōu)勢(shì)。

（2）在設(shè)備資源投入方面：定向鉆施工需投入鉆機(jī)、泥漿系統(tǒng)、控向系統(tǒng)、吊車等專業(yè)性強(qiáng)、價(jià)格昂貴的特種設(shè)備，而隧道施工僅需小型空壓機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、注漿機(jī)、混凝土輸送泵、風(fēng)鎬等小型常用設(shè)備，因此在設(shè)備資源投入上，隧道施工也具有優(yōu)勢(shì)。

2.3.3 施工工期

廣元嘉陵江定向鉆穿越施工自2011年2月25日開(kāi)工，至2012年4月26日完成管道回拖，實(shí)際工期420 d。

南充閬中嘉陵江隧道施工自2011年2月28日開(kāi)工，至2012年4月17日管道、光纜安裝完工，若扣除土建、工藝交接以及春節(jié)假日影響約3個(gè)月時(shí)間，實(shí)際工期約320 d。

嘉陵江兩次不同穿越方式的實(shí)際工期相差約100 d，隧道施工用時(shí)相對(duì)較短。主要原因是定向鉆施工過(guò)程中出現(xiàn)了4次較為嚴(yán)重的事故，共計(jì)影響約130 d工期，導(dǎo)致整體工期大大延長(zhǎng)。

而隧道工程施工實(shí)際進(jìn)度穩(wěn)定、可控，基本上按計(jì)劃完成，計(jì)劃符合性較好，整個(gè)工程工期處于受控狀態(tài)。

2.3.4 投資費(fèi)用

廣元嘉陵江定向鉆鉆孔、擴(kuò)孔、管道焊接、回拖等費(fèi)用投資共計(jì)約1 400萬(wàn)元，平均每米投資約1.4萬(wàn)元；南充閬中嘉陵江隧道洞口及渣場(chǎng)征地、掘進(jìn)、二襯、管道安裝等投資共計(jì)約1 900萬(wàn)元，每米投資約1.87萬(wàn)元。因此，定向鉆穿越施工投資單價(jià)較隧道穿越施工低。

2.3.5 風(fēng)險(xiǎn)管控

廣元嘉陵江定向鉆穿越與南充閬中嘉陵江隧道穿越在施工過(guò)程中均出現(xiàn)了大小不等的事故，對(duì)工程的安全管控、按期完工構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)，影響了整體工期，增加了成本?？傮w上廣元嘉陵江定向鉆穿越發(fā)生了4次嚴(yán)重事故，閬中嘉陵江隧道施工過(guò)程中僅發(fā)生混凝土泵送出現(xiàn)堵管、部分地段少量滲水等較小事故，因此在工程風(fēng)險(xiǎn)管控難度上，隧道施工較定向鉆有一定優(yōu)勢(shì)。

3 瓊江河定向鉆、隧道穿越對(duì)比

3.1 瓊江河定向鉆穿越

瓊江河定向鉆穿越斷面位于重慶市銅梁縣境內(nèi)，穿越入土端和出土端均為水稻田。該穿越曲線經(jīng)過(guò)地層主要為砂巖和泥巖地層，泥巖與砂巖成互層狀結(jié)構(gòu)。定向鉆穿越段水平長(zhǎng)度1 008.7 m，實(shí)長(zhǎng)1016m；穿越管道直徑1016mm，管道壁厚22mm；設(shè)計(jì)壓力10 MPa，曲率半徑1 500 D。D1 016 mm主管穿越采用12級(jí)擴(kuò)孔，選用鉆桿尺寸為5-1/2 in（1 in=25.4 mm）。原計(jì)劃工期從2011年10月13日開(kāi)始，至2012年4月30日完成主管道回拖，歷時(shí)200 d；實(shí)際用時(shí)從2011年10月13日開(kāi)始，經(jīng)歷了卡鉆、施救等一系列問(wèn)題及處理后，2012年9月1日才完成主管道回拖，歷時(shí)323 d。

3.2 瓊江河備選隧道方案

由于在瓊江河定向鉆穿越實(shí)施過(guò)程中，鉆桿已多次被塌孔卡死，特別是在第十級(jí)擴(kuò)孔中出現(xiàn)擴(kuò)孔器卡鉆事故，解卡施救耗時(shí)約1個(gè)半月，嚴(yán)重影響工程整體工期?？紤]到余下的更大孔徑兩級(jí)擴(kuò)孔更易發(fā)生卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，緊急啟動(dòng)了設(shè)計(jì)隧道穿越方式的備選方案，但后期定向鉆卡鉆解除，隧道方案未正式實(shí)施。

備選方案：隧道平面位置位于定向鉆穿越軸線上游約80 m，水平長(zhǎng)度390 m，實(shí)際長(zhǎng)度421.15 m。左岸進(jìn)口位于原定向鉆入土口西南約140 m處，出口位于定向鉆出土口西北約500 m處，距水位線約145 m。隧道縱斷面采用“斜井+平巷+斜井”，左岸斜井水平長(zhǎng)151.19 m，實(shí)際長(zhǎng)度166.82 m；右岸斜井水平長(zhǎng)162.98 m，實(shí)際長(zhǎng)度179.83 m；平巷長(zhǎng)75.83 m，位于河底約40 m處。瓊江河隧道位置示意見(jiàn)圖2。

圖2 瓊江河隧道位置示意/m

3.3 瓊江河定向鉆與備選隧道方案對(duì)比

3.3.1 穿越方式

根據(jù)初勘、詳勘以及現(xiàn)場(chǎng)地形地貌情況，該處穿越定向鉆、隧道穿越均可實(shí)施。本著節(jié)約投資、節(jié)約工期的原則，首選定向鉆方式。

但從地勘資料上已經(jīng)明確反映定向鉆穿越曲線經(jīng)過(guò)的地層有破碎段，根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，破碎段地層成孔較為困難，易發(fā)生塌孔。然而設(shè)計(jì)上只考慮到泥漿能起到固壁作用，未考慮到破碎地層的漏漿問(wèn)題，仍采用了定向鉆穿越方案，結(jié)果導(dǎo)致因泥漿漏失造成鉆桿多次被卡死的事故。

從緊急啟動(dòng)的設(shè)計(jì)隧道穿越方式備選方案來(lái)看，由于隧道井口位置能更靠近河床設(shè)置，隧道穿越總長(zhǎng)度還不及定向鉆穿越的一半，在經(jīng)濟(jì)和工期上定向鉆穿越并沒(méi)有較多優(yōu)勢(shì)。

3.3.2 資源投入

瓊江河定向鉆施工，高峰期投入施工人員49人，投入水平定向鉆機(jī)、吊車等主要設(shè)備11臺(tái)套。對(duì)于隧道施工，根據(jù)南充閬中嘉陵江隧道施工資源投入情況來(lái)看，高峰期預(yù)計(jì)投入施工資源的數(shù)量大于定向鉆投入，但對(duì)高素質(zhì)技術(shù)人員的需求要遠(yuǎn)小于定向鉆。

3.3.3 施工難度

瓊江河定向鉆穿越全長(zhǎng)1 016 m。由于鉆孔取芯只能推測(cè)、估計(jì)地層構(gòu)造，不能清晰判斷是否存在斷層、裂隙等情況。雖然施工中先后多次采取了堵漏、解卡等施救措施，仍然出現(xiàn)了施救過(guò)程中鉆桿斷裂事故。定向鉆施工難度較大、最終失敗的風(fēng)險(xiǎn)極高。

瓊江河隧道全長(zhǎng)421 m。對(duì)于Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖的破碎地段采取帷幕注漿堵漏、掘進(jìn)、初支、二支等方式施工，工藝成熟，工期推進(jìn)穩(wěn)定；采用超前鉆探，能有效應(yīng)對(duì)地下不明地質(zhì)構(gòu)造。故隧道施工的難度小于定向鉆。

3.3.4 后期維護(hù)

采取定向鉆穿越在回拖完成后，防腐層損壞情況不明，且不能對(duì)穿越段管道進(jìn)行后期維護(hù)。特別是在2013年7月2日，當(dāng)?shù)卮迕駡?bào)告瓊江河定向鉆入口處有氣泡冒出，疑是管道泄漏。經(jīng)建設(shè)單位及運(yùn)行單位多次研討后決定對(duì)瓊江河定向鉆穿越段管道進(jìn)行開(kāi)挖重新試壓驗(yàn)證。前后歷經(jīng)3個(gè)月時(shí)間，兩次試壓檢驗(yàn)合格，管道無(wú)泄漏。在這個(gè)過(guò)程中，采取天然氣放空、注氮置換、設(shè)備重新進(jìn)場(chǎng)、二次試壓干燥、二次連頭、重新注氮升壓等一系列措施，經(jīng)濟(jì)損失較大。

假如采用隧道方案，在施工完成后可以通過(guò)目視或儀器檢測(cè)對(duì)防腐層進(jìn)行修補(bǔ)，對(duì)管道出現(xiàn)的問(wèn)題可較為方便地直接處理，如懷疑管道存在泄漏等情況，可抽干洞內(nèi)水后直接進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證，實(shí)施費(fèi)用較低。

4 長(zhǎng)江隧道穿越

長(zhǎng)江水下隧道是中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司已建管道工程中較長(zhǎng)的江底隧道，穿越段位于重慶市江津區(qū)。隧道采用“斜井+平巷+斜井”的穿越方式，實(shí)際長(zhǎng)度2089m，溫度補(bǔ)償段長(zhǎng)度86m，總共長(zhǎng)度2 175 m。斜井和平巷段為直墻半圓拱型斷面，凈斷面為3.0m×3.0m，隧道內(nèi)為一條D1016mm天然氣管道，管道材質(zhì)X80。

4.1 穿越方式選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地貌及地質(zhì)勘查結(jié)論以及重慶市農(nóng)委對(duì)長(zhǎng)江上游珍稀魚(yú)類自然保護(hù)區(qū)評(píng)估報(bào)告的評(píng)審意見(jiàn)，本穿越只能采用非開(kāi)挖方式，以盡量減小穿越施工及管道運(yùn)行對(duì)珍稀魚(yú)類的影響。對(duì)于定向鉆方案，由于兩岸高差達(dá)100 m以上，泥漿返流難度大，同時(shí)由于左岸地形與江底高差極大，穿越長(zhǎng)度很長(zhǎng)，因此選用了隧道穿越方案[5]。

4.2 實(shí)施過(guò)程

長(zhǎng)江隧道進(jìn)口端于2012年3月2日開(kāi)始掘進(jìn)施工，出口端3月15日開(kāi)始掘進(jìn)施工，2012年12月22日隧道貫通，隧道掘進(jìn)日均進(jìn)度達(dá)到7.1 m。2013年5月1日完成二襯施工交付管道安裝，8月5日管道焊接完成，8月12日完成洞內(nèi)管道清管試壓，8月20日洞內(nèi)所有支墩澆筑完成，9月10日隧道全部整改完成，具備投產(chǎn)條件，總工期558 d。項(xiàng)目實(shí)施全過(guò)程未出現(xiàn)影響工期和安全的事件，實(shí)施過(guò)程順利。

5 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)比分析中貴聯(lián)絡(luò)線在嘉陵江、瓊江河及長(zhǎng)江的定向鉆、隧道施工過(guò)程及結(jié)果，得到以下結(jié)論：

（1）定向鉆穿越對(duì)地下地層地質(zhì)構(gòu)造的判斷，只能從各個(gè)鉆孔取芯的地質(zhì)構(gòu)造來(lái)推測(cè)估計(jì)；隧道是采取明挖方式施工，可根據(jù)不同的地質(zhì)條件采取超前鉆探等方式來(lái)獲取準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，從而針對(duì)性采用不同的施工方法。從嘉陵江、瓊江河、長(zhǎng)江的幾條穿越工程實(shí)施過(guò)程得出：實(shí)際地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)鉆孔的初、詳勘資料均存在不同程度的差異，定向鉆施工面對(duì)地質(zhì)差異時(shí)，其主動(dòng)控制能力較弱，采取削減風(fēng)險(xiǎn)的措施可靠性較差；隧道施工則可直觀發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，能夠有效制訂可行的解決措施。

（2）定向鉆在擴(kuò)孔作業(yè)中，破碎段地層容易出現(xiàn)塌孔、卡鉆現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可造成鉆桿斷裂；而隧道在破碎段掘進(jìn)時(shí)，采取的是超前探水地質(zhì)預(yù)報(bào)，帷幕注漿+小管棚支護(hù)，人工或鑿巖機(jī)進(jìn)行鉆眼爆破開(kāi)挖，采用格柵+拱架+錨網(wǎng)支護(hù)，出現(xiàn)片幫、冒頂、垮塌等意外情況相對(duì)較少，工期更有保障。

（3）定向鉆施工主要受地質(zhì)情況和地形環(huán)境限制，決定了是否能進(jìn)行定向鉆施工；隧道施工主要受地質(zhì)情況的限制，只要地質(zhì)情況允許，理論上都可以開(kāi)展隧道施工。故從限制條件分析，隧道施工的限制性較定向鉆較小。

（4）定向鉆采用一次回拖管道就位，如果出現(xiàn)斷桿現(xiàn)象，一切將前功盡棄；隧道施工采取洞內(nèi)組焊，可進(jìn)行返修等措施，無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。

（5）在工程總投資方面，設(shè)計(jì)概算每米工程造價(jià)：隧道約為定向鉆的2倍，但在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中，由于定向鉆出現(xiàn)卡鉆、鉆桿斷裂等風(fēng)險(xiǎn)較大，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，需大量的施救設(shè)備投入、大量的人力資源研討解決問(wèn)題，實(shí)際費(fèi)用相對(duì)隧道施工也沒(méi)有較多優(yōu)勢(shì)。

（6）定向鉆穿越施工不會(huì)破壞植被，不會(huì)影響居民正常生活和工作秩序；隧道施工因需長(zhǎng)期爆破作業(yè)，易引起施工糾紛。

（7）定向鉆和隧道施工完畢后進(jìn)行專項(xiàng)恢復(fù)、治理，均可滿足環(huán)保要求。

（8）定向鉆為一次性工程，深埋于河床幾十米下，運(yùn)行人員無(wú)法對(duì)管道進(jìn)行巡檢、維修；隧道工程一般有較大富?？臻g，可對(duì)管道進(jìn)行例行檢修，還可利用隧道重新?lián)Q管或新增管道。因此從運(yùn)行使用角度考慮，隧道穿越有一定優(yōu)勢(shì)。

定向鉆與隧道兩種穿越技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，而建設(shè)業(yè)主必須考慮的兩個(gè)重要指標(biāo)是工程可實(shí)現(xiàn)的功能及工程造價(jià)。在工程可實(shí)現(xiàn)的功能方面，隧道穿越技術(shù)大大優(yōu)于定向鉆穿越；在工程造價(jià)方面，隧道穿越每米工程造價(jià)是定向鉆穿越的2倍[6]。從同一穿越位置進(jìn)行定向鉆穿越與隧道穿越對(duì)比，可以看出定向鉆穿越長(zhǎng)度受穿越曲率半徑制約，其穿越長(zhǎng)度要比隧道穿越長(zhǎng)度長(zhǎng)約2倍，綜合比較工程總體造價(jià)，定向鉆穿越不具有明顯優(yōu)勢(shì)。

因此，在目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)條件下，對(duì)于大型河流穿越，推薦選擇隧道穿越技術(shù)，其工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)較小，工期可控，能夠滿足后期運(yùn)行及維護(hù)要求，同時(shí)可以通過(guò)縮短隧道穿越長(zhǎng)度降低工程造價(jià)。