川氣東送管道工程青弋江定向鉆穿越工程施工技術(shù)淺析

中石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司華東管道設(shè)計(jì)研究院 胡登輝

0 工程概況

青弋江是安徽省較大的長(zhǎng)江支流，屬雨性河流，水位、流量隨降雨量變化而變化。川氣東送管道主干線在蕪湖市弋江鎮(zhèn)和宣城市文昌鎮(zhèn)境內(nèi)原計(jì)劃定向鉆穿越青弋江。施工期間青弋江水面寬約210~340 m，水深一般2.0~9.0 m，河床質(zhì)為卵石。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，穿越地層自上而下為沖積粉質(zhì)粘土(厚0~1.6 m)、砂土(厚1.9~6.7 m)、砂夾20%~25%卵石(厚2.0~5.0 m，粒徑2~6 cm)、卵石(厚2.0~9.6 m，粒徑3~15 cm)、殘積土(厚0.6~1.4 m)、白堊系泥質(zhì)粉砂巖(厚度6.9~15.4 m)。

青弋江定向鉆穿越長(zhǎng)度830 m，入土角為10°、出土角為8°、最小曲率半徑R=1 500DN(DN為管道外徑)，穿越深度均為河床下4~9 m。西岸入土端地形較開闊，施工條件較好；東岸出土端民房密集，出土點(diǎn)距最近的民房只有十幾米，環(huán)境保護(hù)的責(zé)任重大。

定向鉆機(jī)采用 2008年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的土行孫DDW-3500型鉆機(jī)和美國(guó)2005年生產(chǎn)的D200型鉆機(jī)，DDW-3500水平定向鉆機(jī)拖拉力3 500 kN用于管道回拖；D200型鉆機(jī)額定功率135 kW用于鉆孔和擴(kuò)孔。

穿越段主干線管徑1 016 mm，管壁厚21 mm，材質(zhì)為X70，設(shè)計(jì)工作壓力10 MPa，高溫型三層PE加強(qiáng)級(jí)防腐，雙組分液體環(huán)氧內(nèi)減阻涂層。光纜管穿越長(zhǎng)度同主管線相同，管徑D114×6.3 mm，壁厚6.3 mm，材質(zhì)為X20。光纜線路敷設(shè)于輸氣管線介質(zhì)流向的右側(cè)，與主管線定向鉆凈距離20 m。

該工程于2008年12月25日正式開工，先后經(jīng)歷了3次穿越，3次變更施工方案和施工單位，于2009年9月12日貫通，歷時(shí)260天。

1 定向鉆穿越施工

1.1 施工工藝

定向鉆穿越施工工藝流程詳見圖1。

圖1 定向鉆穿越施工工藝流程

1.2 施工方法

1.2.1 鉆機(jī)組裝調(diào)試

鉆機(jī)錨固采用D178的6根6 m長(zhǎng)鋼管組成。根據(jù)測(cè)量點(diǎn)線及入土點(diǎn)位置確定錨固點(diǎn)位置，用打樁機(jī)打入地層，確定導(dǎo)向軌跡后，將鉆機(jī)前端固定在地錨樁上。

組裝完畢并經(jīng)檢驗(yàn)合格后，調(diào)整校正系統(tǒng)并進(jìn)行設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)。鉆機(jī)調(diào)校正常后，按照設(shè)計(jì)曲線鉆進(jìn)，由泥漿馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆導(dǎo)向孔。鉆進(jìn)1~2根鉆桿后檢測(cè)各部分運(yùn)轉(zhuǎn)情況，在穿越曲線上每隔10 m左右設(shè)數(shù)據(jù)控制點(diǎn)，以此控制導(dǎo)向孔不偏離設(shè)計(jì)曲線。

1.2.2 卵石層加固措施

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)地表約7 m以下覆蓋2.0~14.4 m厚的卵石層，考慮卵石層的受力后的不穩(wěn)定性，鉆孔或擴(kuò)孔時(shí)易坍塌。為保證鉆機(jī)鉆進(jìn)中的地層穩(wěn)定和成孔，在入土段106 m，出土段130 m范圍內(nèi)的卵石層進(jìn)行壓密注漿加固，使加固范圍內(nèi)的復(fù)合地層成為一個(gè)完整的整體，加固后預(yù)計(jì)復(fù)合地層承載力達(dá)到100 kPa。

壓密注漿步驟：

(1)按照設(shè)計(jì)定位放孔，以入、出土點(diǎn)為中心圓形布孔，布孔位置與入、出土點(diǎn)中心距2.0 m，孔間距0.5 m，布孔14只。

(2)在鉆孔作業(yè)區(qū)內(nèi)開挖作業(yè)坑長(zhǎng)、寬、高分別為2.5 m×2.5 m×2.0 m，便于施工和保護(hù)農(nóng)田。

(3)先用D200鉆機(jī)鉆孔，其中入土點(diǎn)沿10°成孔，出土點(diǎn)沿8°成孔，攪松土層。

(4)利用ZT25鉆機(jī)沿原孔鉆進(jìn)，到位后再開始注漿依次后退直至注滿為止；采用跳注法，間隔作業(yè)，注漿長(zhǎng)度為入土段106 m，出土段130 m。

(5)注漿時(shí)加大泵量進(jìn)行加固，終壓力＜1.5 MPa，預(yù)計(jì)滲透凝固距離為距注漿點(diǎn)3 m范圍。

1.2.3 泥漿質(zhì)量控制

泥漿主要用于鉆導(dǎo)向孔的固壁，防止孔壁塌落，同時(shí)對(duì)鉆頭起到潤(rùn)滑作用，是決定定向鉆穿越施工成敗的重要重要因素之一。泥漿的主要成分是一級(jí)膨潤(rùn)土加泥漿添加劑和水。泥漿添加劑有：改性淀粉(降濾失)、聚丙烯酰氨、NH2—PAN、改性聚丙烯酰氨(PHPA)(提粘)、防塌降濾失劑(KH—931)等，以保證泥漿具有高粘度、高攜砂性、固孔和潤(rùn)滑等作用。

為了增大環(huán)形空間的有效尺寸，減小回拖拉力，確?；赝铣晒?，采用D500~D1 500擴(kuò)孔器11級(jí)擴(kuò)孔(每級(jí)直徑增加100 mm)，采用D1 500筒式擴(kuò)孔器洗孔，完成洗孔后采用D1 500板式擴(kuò)孔器帶工作管線進(jìn)行回拖，最終使管線回拖的環(huán)型空間達(dá)到D1 500。針對(duì)不同的導(dǎo)向和擴(kuò)孔及地質(zhì)情況，泥漿的配制方案也隨之改變：

(1)鉆導(dǎo)向孔階段要求盡可能將孔內(nèi)的物質(zhì)攜帶出孔外，同時(shí)維持孔壁的穩(wěn)定，其基本配方是：7%~8%預(yù)水化膨潤(rùn)土加0.2%~0.4%增添劑和0.3%降濾失劑。

(2)預(yù)擴(kuò)孔階段要求泥漿具有很好的護(hù)壁效果，防止地層坍塌，提高泥漿攜帶能力，其基本配方為：7%~8%預(yù)水化鈉基膨潤(rùn)土加0.3%~0.5%提粘劑和0.4%降濾失劑。

(3)擴(kuò)孔回拖階段要求泥漿具有很好的護(hù)壁、攜帶能力；同時(shí)還有很好的潤(rùn)滑能力，減少摩阻和力矩；其基本配方如下：7%~8%預(yù)水化鈉基膨潤(rùn)土加0.3%~0.5%提粘劑、0.4%降濾失劑和 2%~3%的潤(rùn)滑劑(RT—988)。

1.2.4 泥漿處理

由于本工程為大管徑、長(zhǎng)距離穿越工程，泥漿的需求量非常大，對(duì)泥漿處理要求較高。根據(jù)HSE管理目標(biāo)必須設(shè)置泥漿凈化回收裝置，實(shí)現(xiàn)泥漿的循環(huán)使用。

泥漿處理流程：用注砂泵將廢泥漿經(jīng)鉆桿輸送到泥漿池，再將泥漿池中的泥漿泵送到振動(dòng)篩，除去大顆粒鉆屑；然后經(jīng)除砂器除砂；最后由除泥器除泥。經(jīng)上述3級(jí)處理后泥漿便可循環(huán)使用。泥漿回收利用可減少環(huán)境污染、降低泥漿材料消耗、保證泥漿供給量。

1.2.5 鉆孔施工

鉆導(dǎo)向孔選用241.3 mm鉆頭、127 mm加強(qiáng)鉆桿鉆導(dǎo)向孔。調(diào)整校正后組裝地下儀表單元，連接鉆頭、鉆桿、泥漿馬達(dá)與無磁鉆鋌，試噴泥漿檢查鉆頭泥漿噴射孔，同時(shí)檢查控向信號(hào)。一切正常后，按設(shè)計(jì)曲線采用射流法鉆導(dǎo)向孔，詳見圖2。

由于穿越地層自上而下主要經(jīng)過粉質(zhì)粘土層、砂土層、砂夾卵石層、卵石層層、中風(fēng)化層，其中施工難度主要在于入土和出土的造斜階段，要穿越砂夾卵石層、卵石層。其中砂夾卵石層卵石擠壓中密，卵石含量為20%~25%，而卵石層卵石擠壓緊密，卵石含量為80%，入土點(diǎn)側(cè)卵石層深為12 m，出土點(diǎn)側(cè)卵石層深為14.4 m。定向鉆穿越過程中卵石不穩(wěn)定，地層不易成孔，導(dǎo)向孔鉆進(jìn)入土卵石層后發(fā)生鉆頭漂移而失敗。

圖2 導(dǎo)向孔鉆進(jìn)示意

為穩(wěn)定出入土段的卵石層，采用自上而下壓密注漿加固卵石層后實(shí)施導(dǎo)向孔鉆進(jìn)；在鉆進(jìn)到出土段穿越中心線民房區(qū)時(shí)，由于地下卵石層的振動(dòng)，致使個(gè)別民房墻體造成不同程度的開裂，導(dǎo)致穿越施工被迫中斷。江的位置在原定向鉆穿越斷面附近，通過局部調(diào)整管道路由避開民房作為穿越路徑。開挖施工采用挖泥船水下開挖管溝、岸邊挖掘機(jī)配合方式進(jìn)行，管道由軌道車發(fā)送，牽引過河、浮筒漂浮和沉管下溝的工藝來進(jìn)行。

青弋江爬堤開挖穿越長(zhǎng)度530 m，穿越斷面處主汛期平均水深約6.5 m，最大水深約9 m，水面約340 m寬，兩岸防洪堤之間的寬度約500 m。川氣東送管道工程主干線自爬堤越過蕪湖市南陵縣弋江鎮(zhèn)境內(nèi)的沿河圩后，開挖穿越青弋江河道進(jìn)入宣城市宣州區(qū)文昌鎮(zhèn)爬越新灘圩。

通過運(yùn)用改善思路、尋覓方法、靈活機(jī)動(dòng)、全力以赴的工作策略，在短短的14 d完成了青弋江兩市一區(qū)一縣和兩鎮(zhèn)的地方報(bào)建工作，為川氣東送管道主干線在主汛期穿越青弋江提供了合法性和安全性，在不到兩個(gè)月完成了青弋江爬堤開挖穿越貫通，為投產(chǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)爭(zhēng)取了一個(gè)半月的寶貴時(shí)間。爬堤開挖穿越施工完成后，經(jīng)過儀器檢測(cè)穿越深度，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，可保證管道安全運(yùn)行。

為穿越卵石層，采用頂管處理出、入土段的卵石層，即在出、入土段挖去粘土層和砂土層，在穿越中心線上通過頂入混凝土套管，挖去套管內(nèi)的卵石，使定向鉆穿越卵石層可在套管內(nèi)的進(jìn)行。在實(shí)施中由于卵石層的反作用力太大，導(dǎo)致頂管基礎(chǔ)開裂和后移，經(jīng)對(duì)頂管基礎(chǔ)進(jìn)行打樁及地錨加固處理后仍無法控制頂管基礎(chǔ)的開裂和后移。為減少頂管施工阻力，將原混凝土套管改為鋼套管后實(shí)施頂管作業(yè)，因頂管阻力隨著頂入的深度而增加，在分別頂入入土和出土段卵石層的五分之二時(shí)因頂管阻力太大而被迫中止。同時(shí)實(shí)施導(dǎo)向孔作業(yè)，當(dāng)導(dǎo)向孔作業(yè)進(jìn)入卵石層后其鉆進(jìn)角度很難控制，先后多次發(fā)生鉆桿上漂的現(xiàn)象，使鉆進(jìn)再次中止。

1.2.6 爬堤開挖穿越施工

由于原采用的定向鉆穿越卵石層方案，在實(shí)施導(dǎo)向孔作業(yè)中，發(fā)生鉆桿上漂現(xiàn)象，難以按照設(shè)計(jì)曲線鉆進(jìn)，導(dǎo)致定向鉆穿越實(shí)施無果。青弋江穿越已成為制約川氣東送管道工程按期投產(chǎn)的“瓶頸”工程之一。為保證國(guó)家投產(chǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，經(jīng)研究啟動(dòng)青弋江爬堤開挖穿越設(shè)計(jì)方案。即爬堤穿越青弋

2 青弋江穿越過程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)

在對(duì)青弋江定向鉆穿越入、出土段的卵石層進(jìn)行壓密注漿加固過程中，由于采用的是以入、出土點(diǎn)為中心圓形布孔中心距2.0 m，孔間距0.5 m，布孔14只的壓密注漿加固方案。在入土段106 m和出土段 130 m范圍內(nèi)的卵石層實(shí)施鉆進(jìn)注漿過程中，難以確保 14個(gè)注漿孔按照管道設(shè)計(jì)曲線中心軌跡周邊成孔。一旦鉆孔偏移或注漿參數(shù)失控，卵石層的壓密注漿加固效果將受到嚴(yán)重影響。這也是導(dǎo)向孔鉆進(jìn)失敗的重要因素。

在采用頂管處理出入土段的卵石層中，由于入、出土段卵石層已進(jìn)行過壓密注漿加固，雖然加固效果對(duì)鉆進(jìn)卵石層的整體穩(wěn)定要求不夠，重新形成卵石和卵石加固體不規(guī)則分布的地質(zhì)結(jié)構(gòu)體。采用頂管頂進(jìn)分離注漿加固過的卵石層，實(shí)施中由于卵石加固體頂進(jìn)分離阻力遠(yuǎn)大于原卵石層，按照原卵石層頂管方案修筑頂管基礎(chǔ)，勢(shì)必導(dǎo)致頂管基礎(chǔ)開裂和后移，使頂管作業(yè)失敗。

針對(duì)青弋江穿越中出現(xiàn)的一些問題體會(huì)如下：

(1)能否成功進(jìn)行定向鉆穿越工程取決于地質(zhì)條件。目前，進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)定向鉆機(jī)主要適用于粘土層、砂層、強(qiáng)風(fēng)化巖石和卵石(礫石)粒徑、含量較小的地質(zhì)條件。遇到弱風(fēng)化砂巖，鉆具磨損太大難以通過；如果卵石(礫石)粒徑、含量超過一定值后并采用壓密注漿加固效果不理想也難以成孔。

青弋江采用定向鉆穿越大粒徑、大含量和大厚度卵石層實(shí)施無果后，采用爬堤開挖河道穿越方案獲得成功，這是解決穿越大粒徑、大含量和大厚度、大跨度卵石層中型河流最佳選擇，具有一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

(2)工程施工前應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地校核，對(duì)校核結(jié)果進(jìn)行分析、比對(duì)、研究。此次穿越施工前就已經(jīng)知道穿越段卵石層是大粒徑、大含量和大厚度、大跨度，但沒有采取科學(xué)的方法和手段，是造成穿越失敗的重要原因。

在充分吸取定向鉆穿越教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，開工前應(yīng)經(jīng)詳細(xì)地質(zhì)調(diào)查，確定科學(xué)的穿越方案。采用爬堤開挖河道穿越方案，從開挖管溝到沉管下溝回填連頭貫通，歷時(shí)僅48 d，充分展示了爬堤開挖河道穿越技術(shù)所具有的安全、環(huán)保、高效的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)語

長(zhǎng)距離管道輸送作為現(xiàn)代社會(huì)第五大運(yùn)輸行業(yè)，在我國(guó)已經(jīng)有近 40年的發(fā)展歷史，主要用于輸送各種液體和氣體等流動(dòng)介質(zhì)。在其建設(shè)過程中，不可避免地要穿過高山、公路、鐵路以及各種構(gòu)筑物。定向鉆穿越方式與傳統(tǒng)大開挖、隧道方式比較具有不影響河流、公路、鐵路及構(gòu)筑物正常運(yùn)行、安全、可靠的優(yōu)勢(shì)。鑒于青弋江定向鉆穿越在大粒徑、大含量、大厚度、大跨度卵石層失敗的教訓(xùn)，采用爬堤開挖河道穿越方案的成功，充分體現(xiàn)了對(duì)穿越大粒徑、大含量、大厚度、大跨度卵石層河流，采用爬堤開挖河道穿越技術(shù)具備快速、安全、環(huán)保的特點(diǎn)，為類似工程積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。