江西贛江特大型河流定向穿越施工概述

上海煤氣第二管線工程有限公司 張帆

0 前言

江西南昌英雄大橋段贛江穿越工程是上海煤氣第二管線工程有限公司于2009年承建的一個(gè)特大型河流穿越工程。該工程于2010年2月開工，2011年2月竣工。對于這樣一個(gè)典型的城鎮(zhèn)燃?xì)馓卮笮投ㄏ虼┰焦こ?，因其地質(zhì)復(fù)雜，該工程使用了斜夯套管、地質(zhì)改良、控向?qū)拥汝P(guān)鍵技術(shù)，最終確保了天然氣管道成功穿越贛江。

1 工程簡介

南昌英雄大橋段贛江穿越工程是南昌市天然氣利用工程(引進(jìn)川氣東輸氣源)的關(guān)鍵控制性工程，建設(shè)單位為南昌市燃?xì)庥邢薰?。天然氣鋼管設(shè)計(jì)采用D508×10 mm，X52 直縫雙面埋弧焊鋼管，鋼管采用加強(qiáng)級3PE 防腐，設(shè)計(jì)壓力0.4 MPa，穿越總長度1 374 m。

穿越地質(zhì)由上至下分別是：雜填土、粉土夾粉質(zhì)粘土、含淤泥質(zhì)粘土細(xì)砂、細(xì)砂、中砂、礫砂圓礫、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

贛江穿越西起鳳凰洲東至揚(yáng)子洲，整個(gè)穿越水平段在中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層、微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層中通過。

由于巖石層之上有圓礫、卵石層，卵石在孔道內(nèi)容易造成卡鉆。為了把穿越風(fēng)險(xiǎn)降到最小，設(shè)計(jì)在入土及出土兩側(cè)即贛江兩岸各夯擊D1 016 直縫鋼管套管126.1 m 和103.4 m，隔離礫石、卵石層。

圖1 定向鉆對接穿越示意

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 斜夯套管技術(shù)

2.1.1 夯管設(shè)備

本工程斜夯套管采用德國TT 公司TAURUS 600 夯管錘。該設(shè)備主要參數(shù)見表1。

表1 TAURUS 600 夯管錘主要參數(shù)

2.1.2 操作流程

2.1.2.1 測量放線

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場交樁放出穿越管段的中心線和夯管操作坑的位置，打上控制樁。穿越軌跡應(yīng)注意避讓其它地下管線等障礙物。

2.1.2.2 工作坑開挖和安裝導(dǎo)軌

由于夯擊的角度是固定的，故工作坑開挖越深，實(shí)際需要夯擊的套管就越短，當(dāng)然工作坑的深度同時(shí)也要考慮作業(yè)點(diǎn)的地下水位以及工作坑的圍附成本。根據(jù)測量放線開挖工作坑并支護(hù)到底后，用水準(zhǔn)儀定出管軸線位置，同時(shí)對坑底進(jìn)行超平，并做好標(biāo)記。

對于長距離的夯管，安裝導(dǎo)軌是非常必要的，而導(dǎo)軌基礎(chǔ)的穩(wěn)固性以及導(dǎo)軌方向正確性是最關(guān)鍵的。導(dǎo)軌的穩(wěn)固應(yīng)引起足夠的重視。

當(dāng)夯管錘以高頻率運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋼管和夯管錘的自重很容易造成導(dǎo)軌下沉。因此，對于硬基底，可填碎石，并搗實(shí)，對軟地層基底可澆注混凝土墊層，確保在夯管過程中導(dǎo)軌的穩(wěn)定性。

本工程采用工字鋼作為導(dǎo)向軌道，工字鋼自身平直無彎曲。用全站儀等測量儀器多點(diǎn)測量并調(diào)節(jié)導(dǎo)軌的方向、傾角，確保每根鋼套管入土角度以及方向的正確性。

圖2 施工現(xiàn)場

2.1.2.3 套管夯擊

將第一根前端已安裝好切削環(huán)的鋼套管和夯管錘安放在軌道上，用張緊器將夯管錘通過錐套與鋼管連為整體。送風(fēng)后夯管錘即開始工作。第一根管操作時(shí)應(yīng)緩慢開啟注油器、控制空氣量，采用“輕錘慢進(jìn)”，防止鋼管和夯管錘一起往復(fù)串動(dòng)。鋼管夯進(jìn)土層30～50 cm 后，停錘校核鋼管位置，校核無誤后，再繼續(xù)輕錘夯進(jìn)2～3 m，再次校核鋼管位置，繼續(xù)采用“輕錘慢進(jìn)”參數(shù)將第一根鋼管夯入土層。

校核導(dǎo)軌位置無誤后，吊裝第二根鋼管，鋼管之間采焊接連接。焊接前，應(yīng)檢查兩鋼管的斜度以及兩管的同軸情況。鋼管焊接好后，夯擊第二根管進(jìn)入土層，校核導(dǎo)軌位置，吊裝第三根管，如此循環(huán)，直至鋼管前端全部進(jìn)入巖層。

2.1.3 掏土

由于本工程夯管長度較長，因此在夯管中間要及時(shí)清除套管內(nèi)余土，減少內(nèi)摩擦力，以確保夯管最后夯擊到位。

本工程采用人工掏土。為確保在管內(nèi)作業(yè)工人呼吸暢通，采用空壓機(jī)往管底部送風(fēng)。

2.2 地質(zhì)改良技術(shù)

本工程出土側(cè)的夯管非常順利，而入土側(cè)的夯管碰到問題：鋼套管穿過砂層、卵石層到達(dá)巖層后就無法入巖。經(jīng)勘察，發(fā)現(xiàn)鋼套管入巖處幾乎沒有強(qiáng)風(fēng)化巖，且中風(fēng)化巖層抗壓強(qiáng)度大，套管端部無法滿管入巖無法閉水，造成后續(xù)的掏土無法進(jìn)行。

經(jīng)過權(quán)衡比較、反復(fù)論證，我們采取了一種注漿的地質(zhì)改良方法，即對圍繞套管端部長11.1 m×寬3.5 m×高5 m的區(qū)域內(nèi)的砂石、卵石層進(jìn)行注漿(見圖3)，從而達(dá)到兩個(gè)目的：一方面能夠使套管閉水，使得后續(xù)掏土工作能繼續(xù)進(jìn)行；另一方面固化套管前端的砂石、卵石，使得在回?cái)U(kuò)、回拖中孔道能夠穩(wěn)定。從最終結(jié)果看，地質(zhì)改良成功了。

圖3 地質(zhì)改良示意

2.3 控向?qū)蛹夹g(shù)

由于本工程穿越軌跡需經(jīng)過卵礫石層，因此根據(jù)設(shè)計(jì)要求在出、入土點(diǎn)同時(shí)夯設(shè)鋼套管，這就要求鉆頭在進(jìn)入出土點(diǎn)套管時(shí)必須精確位于套管中心，否則在回?cái)U(kuò)、回拖時(shí)回?cái)U(kuò)器或鋼管很有可能卡在套管上，造成工程失敗。

定向穿越兩側(cè)下套管的控向難題可以通過對接技術(shù)來解決。水平定向?qū)哟┰接擅绹腜rime Horizontal Ltd.公司與Vector Magnetics公司于1999年聯(lián)合開發(fā)成功，并于2001年首次將該技術(shù)應(yīng)用到穿越工程中。

水平定向?qū)哟┰绞鞘褂脙膳_(tái)鉆機(jī)在入土點(diǎn)和出土點(diǎn)兩側(cè)分別進(jìn)行單向穿越，然后在兩側(cè)鉆頭按照預(yù)定軌跡到達(dá)對接區(qū)域時(shí)，通過導(dǎo)向系統(tǒng)完成兩側(cè)鉆頭的定位和導(dǎo)向孔對接，進(jìn)而出土點(diǎn)側(cè)鉆桿從導(dǎo)向孔中退出，同時(shí)入土點(diǎn)側(cè)鉆桿進(jìn)入出土點(diǎn)導(dǎo)向孔至出土點(diǎn)，從而完成整個(gè)穿越作業(yè)。

2.3.1 控向?qū)硬僮髁鞒?/p>

(1)入土點(diǎn)側(cè)主鉆機(jī)和出土點(diǎn)側(cè)輔助鉆機(jī)分別啟動(dòng)控向鉆進(jìn)至設(shè)定的對接區(qū)域時(shí)，輔助鉆機(jī)停止鉆進(jìn)，主鉆機(jī)繼續(xù)鉆進(jìn)進(jìn)入對接區(qū)域，同時(shí)采集輔助鉆機(jī)的目標(biāo)磁鐵發(fā)出的磁信號，在其引導(dǎo)下朝著輔助鉆機(jī)鉆頭逼近(見圖4)。

圖4 在磁信號引導(dǎo)下主鉆機(jī)繼續(xù)鉆進(jìn)

(2)由輔助鉆機(jī)回抽鉆桿，主鉆機(jī)根據(jù)輔助鉆機(jī)上目標(biāo)磁鐵的磁信號，做方向調(diào)整并繼續(xù)跟進(jìn)，直至主鉆機(jī)的鉆頭進(jìn)入到輔助鉆機(jī)的導(dǎo)向孔中，兩個(gè)鉆機(jī)的穿越曲線完全合二為一，完成對接(見圖5)。

圖5 主鉆機(jī)的鉆頭進(jìn)入到輔助鉆機(jī)的導(dǎo)向孔對接完成

3 工程實(shí)施

3.1 管道地面安裝

鋼管焊接采用手工下向焊，根焊采用高纖維素鈉型E6010焊條，熱焊采用高纖維素鈉型E8010焊條，填充焊和蓋面焊采用鐵粉低氫型E8018焊條。

受施工場地限制，地面布管采用二接一方式?，F(xiàn)場無條件做發(fā)送溝，故鋼管布設(shè)采用滾輪架加土堆組合，確保在回拖過程中不損傷鋼管外防腐。

3.2 控向?qū)?/h3>

根據(jù)現(xiàn)場條件，為了方便人工磁場的布設(shè)，對接區(qū)域放置在距離入土點(diǎn)400 m以外的鳳凰洲沙灘上。為了提高效率，計(jì)劃把主鉆機(jī)放在出土點(diǎn)，輔助鉆機(jī)放在入土點(diǎn)分別打?qū)?，待對接控向完成后，再把主鉆機(jī)轉(zhuǎn)移到入土點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)的回?cái)U(kuò)、回拖。

3.3 開鉆

2010年10月1日開鉆，12日DDW6000主鉆機(jī)從揚(yáng)子洲出土點(diǎn)導(dǎo)向900多米到達(dá)鳳凰洲沙灘，偏差量在左右2 m內(nèi)，達(dá)到對接的要求。11月9日15:30英雄大橋段贛江穿越控向?qū)右淮纬晒Γ?/p>

3.4 回?cái)U(kuò)及回拖

2010年11月11日～12月31日開始使用高強(qiáng)度牙輪巖石擴(kuò)孔器分別進(jìn)行了350 mm、450 mm、600 mm 和750 mm 五級擴(kuò)孔，并及時(shí)清孔。

2011年1月1日～4日進(jìn)行最后的清孔及試拖；在擴(kuò)孔過程中，精心配置泥漿黏度，以便泥漿能夠把切削下來的巖屑帶出。

2011年1月6日回拖成功。

4 總結(jié)

(1)斜夯套管的工藝把定向穿越卵礫石層的風(fēng)險(xiǎn)降低到最小。一旦斜夯套管成功，那么長距離定向穿越最后回拖鋼管的風(fēng)險(xiǎn)就非常小。

(2)長距離、大口徑的斜夯套管存在一定風(fēng)險(xiǎn)，正確的地質(zhì)改良方法可以成為有效的補(bǔ)救措施。

(3)控向?qū)蛹夹g(shù)在本工程中主要應(yīng)用于解決定向鉆兩側(cè)下套管而產(chǎn)生的控向問題，而該工藝的成功運(yùn)用說明我們同樣有能力解決超長距離定向鉆的控向難題。

(4)贛江穿越工程的成功實(shí)施是我們在大口徑、長距離定向穿越領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展，我們有信心迎接更新的挑戰(zhàn)。