特殊地貌條件下定向鉆與頂管技術(shù)結(jié)合穿越鐵路的實踐

劉玉寶

中石化銷售華北分公司，天津300384

特殊地貌條件下定向鉆與頂管技術(shù)結(jié)合穿越鐵路的實踐

劉玉寶

中石化銷售華北分公司，天津300384

在特殊地形地貌條件下，利用定向鉆和頂管施工工藝二者的結(jié)合，穿越鐵路、河流、公路等障礙物，可以降低對地面附著物的破壞和減少開挖工作量。文章結(jié)合某成品油長輸管道穿越鐵路、河流的工程實際，從主要作業(yè)任務(wù)、管道預(yù)制、試壓清管、定向鉆機(jī)組鉆孔至頂管工作井、主管道回拖、接收井管道連接、HSE保障措施等，介紹了聯(lián)合應(yīng)用該兩項技術(shù)成功解決工程問題的過程。

成品油管道；穿越工程；定向鉆；頂管

1 概述

某成品油長輸管道全長155 km，設(shè)計壓力輸量400萬t/a，設(shè)計壓力9.5 MPa，管道為L415直縫電阻焊鋼管，規(guī)格為D 406.4 mm×7.9 mm，采用三層PE加強(qiáng)級防腐。該工程在天津市濱海新區(qū)TJⅠ014～TJⅠ016號樁范圍穿越臨港鐵路及大沽排污河，穿越總長度為346 m。

鐵路主管部門批復(fù)的鐵路穿越方式為頂管穿越，穿越位置位于臨港鐵路專用線K3+713.2處，與鐵路斜交84°，緊鄰大沽排污河。采用泥水平衡法頂管施工工藝，工作坑（8 m×6 m）在臨港鐵路南側(cè)，工作坑中心距離鐵軌中心沿頂管方向37.4 m，接收坑（D3.6m）位于臨港鐵路北側(cè)，距臨港鐵路中心145.6m。工作坑、接收坑屬于深挖基坑（14 m），采用材質(zhì)為T12（12CrMo）、直徑1 550 mm的管節(jié)，長度3 m/節(jié)，頂進(jìn)總長度為183 m，套管接口為雙插口式，接縫為頂壓橡膠墊。

臨港鐵路及大沽排污河頂管穿越完成后，面臨接收井作業(yè)區(qū)受現(xiàn)場空間限制的問題：臨港鐵路位于大沽排污河南側(cè)，大沽排污河北側(cè)地面主要附著物為蘆葦叢，臨港鐵路南側(cè)為待建區(qū)域，堆放有建筑垃圾，因此沒有足夠的管道預(yù)制場地，也無法直接采用鉆機(jī)回拖。

經(jīng)過現(xiàn)場的實際勘查，決定采用如下施工方案：管道地面預(yù)制（在鐵路南側(cè)），單邊定向鉆鉆孔連通至頂管穿越鐵路的工作坑（入土點在鐵路南側(cè)），鉆孔水平段與頂管套管形成軸線，在頂管接收坑利用卷揚(yáng)機(jī)及滑輪組回拖主管道，然后利用2個彎頭及一段直管在接收井井底和穿越段主管道連通，完成主管道安裝的施工。見圖1、圖2。

圖1 管道穿越安裝示意

圖2 定向鉆導(dǎo)向示意

2 主要作業(yè)任務(wù)及分工

根據(jù)現(xiàn)場實際情況和批準(zhǔn)的施工組織方案，為確保主管道穿越的順利實施，對主要作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化分解，劃分為安裝、定向鉆穿越、回拖三個施工專業(yè)機(jī)組，并分配了相應(yīng)的專業(yè)人員力量，細(xì)化了責(zé)任分工。

2.1 安裝機(jī)組人員責(zé)任

穿越主管道的組對、焊接、試壓、防腐補(bǔ)口，回拖完成后嚴(yán)密性試壓、通球、測徑，接收井內(nèi)管道連接作業(yè)，回拖主管時的絕緣支架的安裝，回拖完成后水泥套管兩端封堵、防水以及為以上工作所采取的技術(shù)措施等。

2.2 定向鉆穿越機(jī)組人員責(zé)任

定向鉆鉆機(jī)及巖石鉆具的配置、導(dǎo)向、擴(kuò)孔，泥漿的回收和回拖過程中向鉆孔內(nèi)注漿，工作井內(nèi)套管管口臨時封堵，接收井內(nèi)鉆桿的安裝及套管內(nèi)鉆桿的拆卸，泥漿的處理，施工過程中所采取的安全防護(hù)措施等。

2.3 回拖機(jī)組人員責(zé)任

滑輪組支架的制作、安裝、固定，卷揚(yáng)機(jī)的固定、鋼絲繩的配置，滑輪組的調(diào)試，回拖過程中滾動管托的安裝及回拖完成后滾動管托的拆卸，回拖完成后滑輪組及支架的拆卸，施工過程中所采取的安全防護(hù)措施等。

3 施工過程控制

3.1 管道預(yù)制

3.1.1 預(yù)制場地清理

本次穿越需主管道直管長346 m，冷纏帶防腐熱煨彎頭2個（90°），豎直管段8 m。管道預(yù)制帶選在TJⅠ015～TJⅠ017號樁沿河邊范圍內(nèi)。因受場地限制，分兩段進(jìn)行焊接、預(yù)制，試壓。提前清理影響管道預(yù)制帶約50 m范圍內(nèi)的建筑垃圾帶（約4.5 m高），清理出底寬10 m的作業(yè)帶。

3.1.2 管道焊接、檢測

管材在拉運(yùn)過程中嚴(yán)格執(zhí)行管材拉運(yùn)防護(hù)措施，防止對成品管防腐層的破壞。管材驗收合格后進(jìn)行布管、組對、焊接。預(yù)制管段進(jìn)行100%射線檢測和100%超聲波檢測，無損檢測合格及試壓完成后進(jìn)行防腐補(bǔ)口、補(bǔ)傷。

3.2 試壓、清管

試壓采用潔凈水作為試壓介質(zhì)。為了減少試壓工序，用D76 mm×10 mm無縫鋼管連接兩段焊接完成的管道，進(jìn)行一次試壓。清管、試壓使用橢圓形封頭。

3.2.1 注水

為盡快排盡管道內(nèi)的空氣，采用先裝入雙向清管器后注水的方法，用水推動清管器，將整個管段注滿水，24 h后開始升壓。

3.2.2 強(qiáng)度試壓

強(qiáng)度試驗壓力為設(shè)計壓力的1.5倍。首先升壓至強(qiáng)度試驗壓力的30%，穩(wěn)壓15 min；再升至強(qiáng)度試驗壓力的60%，穩(wěn)壓15 min；穩(wěn)壓期間對管道進(jìn)行檢查，若無異?，F(xiàn)象，繼續(xù)升壓至強(qiáng)度試驗壓力的70%，進(jìn)行雙減壓操作，測試管道內(nèi)空氣含量，若空氣含量不超過2%則為合格；繼續(xù)升壓至強(qiáng)度試驗壓力，穩(wěn)壓4 h為合格。

3.2.3 嚴(yán)密性試壓

嚴(yán)密性試驗壓力為設(shè)計壓力的1.1倍。強(qiáng)度試壓合格后，緩慢開啟泄壓閥，緩慢降壓至嚴(yán)密性試驗壓力，進(jìn)行嚴(yán)密性試驗，管道兩端壓力平衡后穩(wěn)壓24 h為合格。

3.2.4 排水

試壓完成后，通過泄壓閥卸除管道壓力，利用壓縮空氣推動管道內(nèi)原有雙向清管器進(jìn)行排水吹掃，無游離水排除為合格，然后采用盲板對管道進(jìn)行臨時封堵。

3.2.5 回拖耳鼻安裝

在管道回拖端焊接回拖耳鼻，用X射線檢查，確認(rèn)沒有焊接缺陷后方可連接鉆孔內(nèi)鉆桿進(jìn)行回拖。

3.2.6 開挖發(fā)送溝

為了在回拖過程中減少摩擦力，保護(hù)好管道防腐層，沿管道預(yù)制帶開挖發(fā)送溝，溝深1 m、寬1.5 m，溝內(nèi)不能有石塊、樹根等雜物。管道回拖前，在溝內(nèi)放水，在管道回拖過程中起到潤滑作用。

3.3 定向鉆機(jī)組鉆孔至頂管工作井

3.3.1 測量放線

根據(jù)設(shè)計平面圖結(jié)合現(xiàn)場接收井和工作井的位置，用全站儀測出線路走向的中心位置，然后確定鉆機(jī)的擺放的位置（鉆機(jī)擺放位置距離工作井約160 m，最大夾角為17°）。

3.3.2 現(xiàn)場干擾源排查

根據(jù)現(xiàn)場情況，由于高壓電線、管道較多，會直接干擾測量信號，為了降低信號干擾，保證導(dǎo)向的準(zhǔn)確度，采用了有線制導(dǎo)。

3.3.3 頂管套管保護(hù)

在導(dǎo)向孔施工前，用土袋裝土，用吊車將土袋運(yùn)送至井內(nèi)，將工作井內(nèi)套管管口封堵?。ǚ舛赂叨葹? m），防止泥漿流入套管內(nèi)，影響施工。待擴(kuò)孔完成后，再將土袋用吊車運(yùn)出井外。

3.3.4 挖設(shè)泥漿坑

用土對現(xiàn)場垃圾坑進(jìn)行圍堰（20 m×20 m），將坑內(nèi)垃圾清理干凈，將坑內(nèi)的水抽完（深0.5 m），然后鋪設(shè)三層防水塑料布，作為泥漿坑使用。

3.3.5 鉆導(dǎo)向孔

該穿越施工為單邊定向鉆穿越，穿越距離較短（160 m），出土點在頂管穿越鐵路的工作井里面，在150 m處需要穿過工作井外圍的水泥砂漿防水層（厚度為1.5 m）。為了保證導(dǎo)向孔一次鉆穿成功，采用150 t鉆機(jī)以7°的入土角進(jìn)行入土穿越，采用巖石動力鉆具，且采用3組巖石擴(kuò)孔器，進(jìn)行逐級擴(kuò)孔。為了保證穿越角度，以1 200 D（D為穿越管道外徑）作為穿越曲線的曲率半徑，然后逐漸的縮小鉆進(jìn)角度，保證鉆進(jìn)113～160 m之間為水平段，進(jìn)入工作井時，保證出土點距離工作井底側(cè)約1 m，見圖2。

3.3.6 泥漿配置

由于是單邊定向鉆，泥漿很容易流失，為了保證鉆孔內(nèi)有足夠泥漿，適當(dāng)提高泥漿的稠度，初步設(shè)定為80 s，然后根據(jù)現(xiàn)場泥漿實際流失情況，逐步調(diào)整泥漿配比。

3.3.7 擴(kuò)孔

單邊定向鉆鉆孔內(nèi)泥漿流失較快，固孔困難。為了確保管孔成形和主管順利回拖，將孔徑擴(kuò)大到700 mm。在擴(kuò)孔的過程中，采用兩臺泥漿泵將流進(jìn)工作坑內(nèi)的泥漿及時抽回泥漿池內(nèi)。

3.4 主管道回拖

3.4.1 回拖壓力計算

按照最大管道回拖力計算公式

式中FL——計算的拉力/kN；

f——摩擦系數(shù)，取0.3；

D——鋼管外徑/m，取0.406 4；

L——穿越管道長度/m，取346；

γm——泥漿重度/（kN/m3），取10.5；

γs——鋼管重度/（kN/m3），取78.5；

δ——鋼管壁厚/m，取0.007 9；

Wf——回拖管道單位長度配重/（kN/m），取0；

K——黏滯系數(shù)/（kN/m2），取0.18。

通過計算得出回拖拉力為138.6 kN，選取1.5倍系數(shù)，確定回拖最大拉力為208 kN，根據(jù)所計算的回拖力選擇所需要的卷揚(yáng)機(jī)、滑輪組、鋼絲繩等設(shè)備及材料。

3.4.2 回拖系統(tǒng)安裝

根據(jù)接收井的實際尺寸將接收井內(nèi)的支架和定滑輪在井上完成預(yù)制；將預(yù)制好的支架用吊車吊入井內(nèi)并調(diào)整好方向，然后將卷揚(yáng)機(jī)固定在支架工字鋼上；纏繞鋼絲繩從卷揚(yáng)機(jī)到滑輪組再到定滑輪最后通過水泥套管到達(dá)工作井；在定向鉆機(jī)組完成最后一次洗孔前，將分動器連接在擴(kuò)孔器的后面并接上鉆桿。

3.4.3 管道回拖

鉆機(jī)擴(kuò)孔完成后，將其撤離，將焊接好的管道放置在管道發(fā)送溝中，在定向鉆入土點連接鉆孔內(nèi)鉆桿和鋼管；在工作井內(nèi)連接水泥套管內(nèi)鋼絲繩和鉆孔內(nèi)鉆桿；連接完成后啟動卷揚(yáng)機(jī)緩慢回拖，同時向管孔內(nèi)補(bǔ)入泥漿，確保管內(nèi)有足夠的泥漿潤滑，減少回拖阻力，并將流入工作坑內(nèi)的泥漿及時回收到泥漿池內(nèi)，形成一個良性循環(huán)系統(tǒng)。

當(dāng)鋼管回拖至工作井時，停止回拖，在工作井內(nèi)拆除鉆桿和鋼管之間的連接，直接用鋼絲繩連接鋼管，按照設(shè)計文件要求，每2 m安裝一個管道絕緣支架，然后繼續(xù)回拖。待鋼管進(jìn)入混凝土套管管口后約1 m長時，利用吊車將管頭吊起，在管道下面放上滾動管托，隨后每間距約10 m，放入一個滾動管拖，直至管道拖至接收井套管管口約0.4 m處。

3.4.4 回拖系統(tǒng)拆除

待回拖完成后，拆除滑輪組和支架，卸下卷揚(yáng)機(jī)；用千斤頂撐起管道，然后用紅磚作為支撐，取出全部的滾動管托；套管兩端用紅磚、水泥進(jìn)行封堵，再用瀝青麻絲封堵防水。

3.5 接收井管道連接

接收井為圓柱形混凝土堅井（直徑為3.6 m，高14 m），管道回拖到位后，管端進(jìn)入接收井約0.4 m，熱煨彎頭從端口至拐彎側(cè)背為3.1 m，因此管道在井內(nèi)只能豎直向上與地面的埋地管道相連，見圖3。

圖3 接收井安裝示意

3.5.1 井內(nèi)管道的地面預(yù)制

在地面進(jìn)行預(yù)制工作，先焊接熱煨彎頭與直管段，采用25 t吊車把預(yù)制好的管件吊裝放入接收井內(nèi)。

3.5.2 爬梯安裝

制作、安裝帶護(hù)籠的豎直爬梯，接收井深14 m，爬梯采用分段、分層形式，共分為3段。

3.5.3 通風(fēng)系統(tǒng)安裝

制作安裝深井通風(fēng)設(shè)備及風(fēng)管，風(fēng)管采用DN100×4 mm的PE管，在井壁上打膨脹螺栓加卡子對PE管進(jìn)行固定。

3.5.4 管道就位后主管道嚴(yán)密性試壓

現(xiàn)場準(zhǔn)備工作就緒，安全措施及監(jiān)護(hù)到位后，在接收井內(nèi)焊接封頭，對穿越就位的主管道再次進(jìn)行嚴(yán)密性試壓；試壓合格后對管道封頭進(jìn)行切割、打磨及通球、測徑。

3.5.5 接收井管道連接

為了增加接收井底部管道焊口連接的穩(wěn)定性，降低重力對焊口的影響，在熱煨彎頭直管段距離焊口0.3 m的位置，混凝土套管與焊口中間的位置設(shè)立鋼支撐。鋼支撐底部為厚8 mm、長0.3 m、寬0.3 m的鋼板；立桿采用D114 mm×8 mm無縫鋼管制作；立桿頂端用厚8 mm鋼板彎制成瓦型，弧長為保護(hù)管道的1/3；鋼支撐和管道間用厚6 mm的橡膠墊保護(hù)管道防腐層。

3.5.6 接收井頂端管道連接

接收井內(nèi)管道經(jīng)焊接、無損檢測、防腐補(bǔ)口合格后分層進(jìn)行回填、夯實?；靥罡叨染嚯x地表約5 m，在接收井混凝土井壁上鑿出一個直徑為1 m的圓洞，拆除直立管端口臨時封堵，在其上焊接與頂部熱煨彎頭連接的連頭，經(jīng)無損檢測、防腐補(bǔ)口合格后，對熱煨彎頭水平端口采用鋼板進(jìn)行臨時封堵；對接收井井壁圓洞用紅磚、水泥封堵，然后分層進(jìn)行回填、夯實，恢復(fù)原地貌。

4 HSE保障措施

本工程在井底進(jìn)行安裝作業(yè)，風(fēng)險高，難度大，必須制訂詳細(xì)的HSE保障措施和應(yīng)急預(yù)案，確保施工人員安全、健康。

4.1 作業(yè)環(huán)境安全

作業(yè)前對井內(nèi)空氣環(huán)境進(jìn)行檢測，防止人員缺氧窒息或井內(nèi)用火、焊接時有易燃、易爆氣體聚集；安全監(jiān)護(hù)、現(xiàn)場安全條件、施工前及雷雨天氣過后施工前須進(jìn)行安全條件的確認(rèn)。

4.2 用電安全

焊接、發(fā)電設(shè)備要安全、可靠接地；防觸電、漏電保護(hù)器的設(shè)置應(yīng)一機(jī)一閘一保護(hù)；焊把線垂吊太長時，需將其固定在井頂、井壁上，以減小豎向拉力。

4.3 安全防護(hù)措施

工作井和接收井口四周用方鋼做成護(hù)欄，并安裝防護(hù)網(wǎng)，防止雜物掉進(jìn)井內(nèi)；人員進(jìn)入井內(nèi)操作前戴安全帽、安全帶、防毒面罩；上下爬梯加固，與井內(nèi)部支架焊成一體。

4.4 作業(yè)人員安全保護(hù)

在使用卷揚(yáng)機(jī)回拖的過程中，工作井和接收井內(nèi)禁止有人作業(yè)；盡量減少井內(nèi)工作量和時間，能在井上完成的工作盡量在井上完成；井內(nèi)作業(yè)時，安排專職監(jiān)護(hù)人員在場，每間隔5 min與井下人員進(jìn)行一次通話，詢問感覺是否正常；焊接作業(yè)半小時后到地面休息15 min；在工作井和接收井旁各安排一輛吊車，緊急情況下用安全帶幫助井下人員撤離。

5 結(jié)束語

本工程利用定向鉆單邊鉆孔，在鉆孔水平段和已經(jīng)頂進(jìn)的混凝土套管形成軸線，然后在另外一側(cè)，利用卷揚(yáng)機(jī)完成管道回拖，在受限的地形地貌條件下，完成了管道安裝，減少了對作業(yè)帶的占用和開挖工作量，在一定程度上壓縮了施工周期和降低了施工成本。本工程順利實施的關(guān)鍵是定向鉆鉆進(jìn)中，鉆頭與工作井口之間的定位導(dǎo)向要精準(zhǔn)，導(dǎo)向孔不能出現(xiàn)大的偏差。實踐證明，在特殊地形地貌條件下，利用定向鉆技術(shù)完成頂管穿越工程的主管道安裝，技術(shù)上可行，并且具有一定的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

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Practice of Pipeline Crossing Railway and Riverwith Combined Directional Drilling and Pipe-Jacking TechnologyinSpecialTopographic Condition

LiuYubao
NorthChina Branchof Sinopec Sales Co.，Ltd.，Tianjin300384，China

Using combined directional drilling and pipe-jacking technology to crossing railway，river and highway in special topographic condition can reduce the damage to items attached to ground and decrease excavation workload.This paper describes the successful practice of using the combined method to a certain pipeline crossing railway project in aspects of main operation task，pipeline prefabrication，pressure test and pigging，directional drilling to work shaft for pipe-jacking，main pipeline pullback，pipeline connection in receiving shaft，HSE ensuring measures.

product pipeline；crossing engineering；directionaldrilling；pipe-jacking

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.03.019

劉玉寶（1979-），男，河北安平縣人，工程師，2006年畢業(yè)于天津大學(xué)管理學(xué)院，現(xiàn)從事成品油管道工程建設(shè)工作。

2014-10-23