特殊地質(zhì)地形下定向鉆穿江工程設(shè)計探討

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計研究有限公司 詹佩卿

定向鉆穿越技術(shù)廣泛用于天然氣管道江河穿越工程，常規(guī)的成功案例已經(jīng)很多。在遇到特殊地質(zhì)地形時，定向鉆工程經(jīng)常會因鉆機或管道布置等現(xiàn)場條件限制而無法實施，這也是城市天然氣工程施工中的主要難點。浙江省衢州市天然氣利用工程中，存在兩處重要穿越工程，分別是常山港和江山港穿越。常山港是錢塘江水系最長的支流，是浙江省常山縣的主要河流，具有亞熱帶地區(qū)典型的河谷地貌。江山港亦屬錢塘江水系，貫穿江山市境中部，由西南向東北穿行于山地丘陵之中。在衢州市雙港口，常山港與江山港匯合而成衢江。

在常山港與江山港穿江工程中，天然氣管道穿越長度分別為800 m和775 m，均選用L290直縫電阻焊鋼管，口徑為DN400，壁厚為11.9 mm，設(shè)計壓力4.0 MPa。

1 地勘概況

1.1 地勘要求

工程實踐中不乏因基礎(chǔ)資料未能如實反映地質(zhì)情況而導(dǎo)致的工程事故，曾發(fā)生因地勘結(jié)果與實際偏差過大，導(dǎo)致入土點位置選取不當(dāng)，進而導(dǎo)致卵石層預(yù)設(shè)套管夯擊入土長度遠(yuǎn)超理論值仍無法觸及巖層的情況。為確保工程設(shè)計科學(xué)合理，基礎(chǔ)資料務(wù)必詳實可靠。

結(jié)合規(guī)范要求和實踐經(jīng)驗，建議特殊地質(zhì)、地形條件下的定向鉆工程地勘要求應(yīng)包括：管線兩側(cè)鉆孔與穿越管線中線距離為15~30 m，交叉布置在穿越管道中線兩側(cè)，鉆孔點間距建議為20~100 m。若探孔中發(fā)現(xiàn)地質(zhì)情況難以判斷土質(zhì)變化，還應(yīng)酌情增加探孔密度，以降低地勘偏差導(dǎo)致的工程風(fēng)險?？碧缴疃冉ㄗh為穿越設(shè)計深度向下10~20 m，以便對穿越參數(shù)進行靈活調(diào)整，滿足工程需要，避免反復(fù)地勘。

1.2 地勘結(jié)果

根據(jù)巖土工程勘察報告，常山港和江山港兩岸地基土按成因和物理力學(xué)特征自上而下分為耕表土層、粉土層、卵石層和砂巖層等4個工程地質(zhì)層，其中第四層砂巖層又可細(xì)分為強風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖和微風(fēng)化砂巖等3個工程地質(zhì)亞層，各巖土層的結(jié)構(gòu)組成及主要特征描述見表1。

由此得知，該穿江工程的最大風(fēng)險在于天然氣管道穿越軌跡中必需經(jīng)過卵石層，該層中的卵(礫)石易塌陷，進而容易破壞已成形的穿越孔洞，可能導(dǎo)致穿越失敗。此外，施工時正值雨季，會造成大量地表水聚集。受地表水埋深較淺影響，穿過地表水含量較大的粉土層、卵石層時，易產(chǎn)生塌孔、縮頸和流砂現(xiàn)象。

表1 巖土層結(jié)構(gòu)組成及特征

2 設(shè)計參數(shù)的確定

2.1 定向穿越深度

根據(jù)地勘報告，耕表土層、粉土層、卵石層和強風(fēng)化砂巖層，均不宜作為定向穿越水平段的土層。中風(fēng)化砂巖層和微風(fēng)化砂巖層巖體整體好，不易塌孔，密閉性好，適宜作為定向穿越水平段的巖層。

根據(jù)防洪評價報告，常山港設(shè)計洪水沖刷線按地勘斷面河床下4.58 m計(1956黃海高程約53.0 m)；江山港定向鉆設(shè)計洪水沖刷線按地勘斷面河床下3.00 m計(1956黃海高程約56.7 m)。根據(jù)GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》要求，水域穿越管段管頂埋深不宜小于設(shè)計洪水沖刷線以下6 m。

本穿江工程管線穿越段埋深除根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖中的地質(zhì)條件與沖刷深度確定外，還需考慮鉆孔泥漿不外冒，及通航河流的疏浚及投錨深度。基于以上因素，兼顧工程經(jīng)濟性，設(shè)計選擇中風(fēng)化砂巖層作為定向鉆水平段所在的地質(zhì)層(深度約為河床以下12 m)，既能滿足以上各項要求，又便于鉆進(相對微風(fēng)化砂巖層)。另外，由于卵石層存在于中風(fēng)化砂巖上層，定向鉆兩側(cè)斜線段將不可避免地經(jīng)過卵石層，需采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。

2.2 定向穿越參數(shù)

2.2.1 穿越曲率半徑

穿越管段的出、入土角應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求、穿越地形、地質(zhì)條件和穿越管徑的大小等來確定。本穿江工程中，常山港出、入土角均取為10°，江山港出、入土角均取為8°。穿越管段的曲率半徑應(yīng)為1 200D~1 500D(D為穿越管段外徑)，為保證鉆孔、擴孔和管道回拖順利能進行，本工程的最小曲率半徑取為1 500D。

2.2.2 鉆機回拖力

根據(jù)穿越勘測資料及GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，最大回拖力按計算值的1.5~3倍考慮，理論預(yù)測定向鉆施工時的管段不充水回拖力(實際與施工選用發(fā)送方式、水力漂浮狀態(tài)、泥漿性能和管道在洞中位置有關(guān))按式(1)計算：

式中：F——穿越管段回拖力，kN；

L——穿越管段長度，m；

f——摩擦系數(shù)，取0.3；

D——穿越管段的管身外徑，m；

Ds——管段的鋼管外徑，m；

ds——穿越管段的鋼管內(nèi)徑，m；

γ1——泥漿重度，kN/m3，取12；

γs——鋼材重度，kN/m3，取78；

δ——鋼管壁厚，m，取0.0119；

K——粘滯系數(shù)，取0.03m。

本工程中，取穿越管段的管身外徑為0.609 m，鋼管外徑為0.406 m和內(nèi)徑為0.382 m代入式(1)，得出的回拖力和所選用的鉆機回拖力，見表2。

表2 計算回拖力與選用鉆機回拖力

3 管材比選與應(yīng)力分析

3.1 管材比選

3.1.1 焊接方式

管材的焊接方式主要有電阻焊和埋弧焊兩種。電阻焊不需填充金屬，并且加熱速度快，焊接熱影響區(qū)小，外形尺寸精度高等優(yōu)點，在國內(nèi)外油氣管道工程中被廣泛使用。由于彎管一般只能由直縫管制造，若選用埋弧焊管，則工程需由直縫管(用于彎管)和螺旋縫管(用于直管段)搭配使用，考慮到衢州高壓管道工程用管總量較少(總長僅約10 km)，鋼管類型分散將不便于訂貨采購，而且兩種制管型式價格接近，因此推薦采用直縫電阻焊作為本工程線路用管的焊接方式。

3.1.2 材質(zhì)

為保證輸氣管道的安全運行，要求管道所使用材質(zhì)應(yīng)具有較高的強度、良好的焊接性能及韌性，其化學(xué)成分、力學(xué)性能及主要質(zhì)量指標(biāo)等應(yīng)滿足GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》中有關(guān)規(guī)定及鋼管技術(shù)規(guī)格書的要求，考慮到本工程天然氣管道所經(jīng)區(qū)域的性質(zhì)，在兼顧安全性和經(jīng)濟性的條件下，本工程管道選用鋼管，且選用L290鋼管。

工程設(shè)計中，綜合考慮以上兩個因素，工程用管材選用L290直縫電阻焊鋼管，規(guī)格為D406.4×11.9 mm，設(shè)計壓力4.0 MPa。

3.2 鋼管壁厚的確定

3.2.1 壁厚計算

根據(jù)GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》，(以下簡稱設(shè)計規(guī)范)，直管壁厚可按式(2)計算：

式中：δ——鋼管計算壁厚，mm；

p——設(shè)計壓力，取4.0 MPa；

D——鋼管外徑，mm；

σs——鋼管屈服強度，MPa；

F——強度設(shè)計系數(shù)；

φ——焊縫系數(shù)，取1.0；

t——溫度折減系數(shù)，取1.0。

為確保安全，定向鉆工程按四級地區(qū)確定強度設(shè)計系數(shù)，即取0.3，結(jié)合選定的管徑及管材，得出直管段壁厚為9.3 mm。

根據(jù)設(shè)計規(guī)范中規(guī)定，若管徑≥11.9 mm，地下燃?xì)夤艿琅c建筑物間的水平凈距最小。根據(jù)以上壁厚計算結(jié)果，充分考慮高壓管道沿線存在城市規(guī)劃區(qū)，未來發(fā)展空間較大；為盡量減少管道對周圍地區(qū)影響，減少拆遷量，本工程中天然氣管道壁厚取11.9 mm。

3.3 強度校核

根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：在埋地直管段中可產(chǎn)生因泊松效應(yīng)應(yīng)力，溫度應(yīng)力以及由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力引起的軸向應(yīng)力，必須進行當(dāng)量應(yīng)力校核，受約束的埋地直管段軸向應(yīng)力計算和當(dāng)量應(yīng)力校核。

管道環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力可按式(3)和式(4)進行計算：

式中： σ ——管道的軸向應(yīng)力，MPa，（拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)），取68.7；

μ——泊桑比，0.3；

σh——由內(nèi)壓產(chǎn)生的管道環(huán)向應(yīng)力，MPa；

p——管道設(shè)計內(nèi)壓力，MPa，取0.4；

d——管子內(nèi)徑，mm，取382.6；

δn——管子公稱壁厚，mm，取11.9；

E——鋼材彈性模量，MPa，碳鋼取2.06×105；

α——鋼材的線膨脹系數(shù)，/℃，碳鋼取1.2×10-5；

t1——管道下溝回填時溫度，℃，本工程取30；

t2——管道的工作溫度，℃，本工程取10。

由計算可得，在本工程中管道環(huán)向σh=6.43 MPa，軸向應(yīng)力σL=68.7 MPa。

受約束熱脹直管段，可按最大剪應(yīng)力強度理論計算其當(dāng)量應(yīng)力，并應(yīng)符合式(5)的要求：

式中： σe——當(dāng)量應(yīng)力，MPa；

σs——管子的最低屈服強度，MPa；

根據(jù)式(5)計算的強度校核結(jié)果見表3。

表3 鋼管強度校核計算

3.4 穩(wěn)定性校核

3.4.1 管道剛度校核

國內(nèi)外管道工程應(yīng)用中一般認(rèn)為管道的D/δ值不大于140時，在正常情況下不會出現(xiàn)圓截面失穩(wěn)等剛度問題。按本工程相應(yīng)數(shù)據(jù)計算得出：D/δ=34.2，因此管道剛度校核合格。

3.4.2 管道徑向校核

根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》，管道的徑向穩(wěn)定性應(yīng)按式(6)進行計算校核，即鋼管水平方向最大變形量ΔX不應(yīng)大于鋼管平均直徑的0.03倍。

式中：ΔX——鋼管水平方向最大變形量，m；

Dm——鋼管平均直徑，取0.394 5m；

w——鋼管豎向永久荷載，N/m，取11 704.32；

K——基床系數(shù)，取0.108(按最不利情況考慮)；

E——管材彈性模量，N/m2，碳鋼取2.06×1011；

ES——土壤變形模量，N/m2，取1.0；

I——單位管長截面慣性矩，m4/m， I=δ3n/12；

δn——鋼管公稱壁厚，m，取0.011 9。

本工程中的管道一般均敷設(shè)于農(nóng)田、林地、道路綠化等地段，則豎向荷載僅需考慮土壤的重力?？紤]到管頂埋深平均為1.2 m，則豎向荷載W的計算值為11 704.32，代入式(6)，得出 ΔX=0.000 503 m，該數(shù)值滿足鋼管穩(wěn)定性校核要求：ΔX≤0.03 Dm，即管道穩(wěn)定性能滿足要求。

3.5 管道外防腐層

經(jīng)比選，本工程天然氣管道的外防腐采用擠出聚乙烯三層復(fù)合結(jié)構(gòu)(加強級)，由工廠預(yù)制完成，按照GB/T 23257—2009《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》執(zhí)行。對于定向鉆管段，設(shè)計建議考慮采用光固化套包覆等措施保護外防腐層不受損傷，實際施工中，考慮工程經(jīng)濟性，建設(shè)單位選擇了犧牲帶的替代保護方案，即定向鉆管道補口應(yīng)采用定向鉆專用熱縮帶：先采用兩條熱收縮帶進行雙層包覆防腐，再采用1條熱收縮帶作為犧牲帶，設(shè)置于補口的前端(靠近回拖鉆機端)，與補口帶搭接1/3，與3PE防腐層搭接2/3，并在回拖整段管道前，先試拖了一段管道，觀察其外防腐層的劃損情況，結(jié)果外防腐層保護較為完整，隨即實施整段回拖，最終防腐層未見嚴(yán)重劃損，滿足驗收要求。

4 施工設(shè)計關(guān)鍵點

4.1 預(yù)設(shè)套管

為保證管道回拖前的順利成孔，阻隔卵(礫)石塌陷而破壞已成形的導(dǎo)向孔或預(yù)擴后的孔洞，一般施工時須在入、出土軸線方向上開挖工作坑。

江山港西岸卵石層下沿距離地表較淺(≤7m)，地下水位不高、土質(zhì)穩(wěn)定性較好，故設(shè)計時將卵(礫)石、粗砂開挖外運，回填粘土或其他利于定向鉆施工的土質(zhì)。常山港西岸卵石層距離地表較深(約12m)，地下水位較高，無法進行深度基坑開挖，故設(shè)計時在開挖工作坑的基礎(chǔ)上，進一步采取斜夯套管方式隔離卵(礫)石。該兩處穿越入、出土段采用的處理方法見表5。其中采用斜夯套管時開挖工作坑是為了縮短套管長度、節(jié)省造價并降低掏土作業(yè)可能產(chǎn)生的風(fēng)險。根據(jù)經(jīng)驗測算，基坑開挖后，預(yù)設(shè)的套管長度一般可縮短10~40 m。

表5 衢州定向鉆穿江設(shè)計卵石層處理方法表

根據(jù)兩岸地形，模擬穿越曲線，為保障出入土點、出入土角、曲率半徑和江底埋深符合規(guī)范，定向鉆最深需達(dá)到中風(fēng)化砂巖層，若采用套管隔離，應(yīng)采用鋼性套管穿過耕表土層、粉土層、卵石層和強風(fēng)化砂巖層，直至進入中風(fēng)化砂巖層。斜夯套管剖面示意見圖1，工程現(xiàn)場見圖2。

圖1 斜夯套管剖面示意

圖2 斜夯套管工程現(xiàn)場

4.2 分段布管

江山港穿越出土側(cè)整體地勢平坦，但受村莊、道路等阻攔，布管場地受限于城市設(shè)施等各種起伏地形，無法實現(xiàn)一次性回拖，故在弧線段的曲率半徑不小于1 500D的前提下，可對管道進行分段預(yù)制。經(jīng)測算，考慮管段組裝余量，原回拖總長度約800 m，穿越管道分兩段弧線預(yù)制，每段約400 m，回拖過程中必須焊接成整體。采用此法時需注意：為降低因停頓過長而造成回拖阻力增大及塌孔風(fēng)險，根據(jù)常規(guī)定向鉆工程泥漿配比和地質(zhì)情況，結(jié)合工程經(jīng)驗，一般設(shè)計建議此類“二接一”管段的焊接及檢驗完畢時間須控制在四小時以內(nèi)。

4.3 鉆機調(diào)度

常規(guī)定向鉆工程設(shè)計時入土點即為鉆機布置側(cè)，出土點為布管回拖側(cè)，但常山港穿越中，曾遇特殊地質(zhì)地形聯(lián)合影響，西岸為平原，適合布管，但地質(zhì)存在深厚卵(礫)石層需預(yù)設(shè)套管，而長距離定向鉆穿越時為保證軸線與套管中心基本重合，需由預(yù)設(shè)套管側(cè)入土方可滿足精度要求，但是東岸為丘陵，山路崎嶇，無布管條件。國外在相似地形的工程施工中采用了磁場對接穿越技術(shù)，在穿越曲線入、出土點兩端各架設(shè)一臺鉆機，兩臺鉆機分別進行導(dǎo)向孔加工，當(dāng)兩臺鉆機的鉆頭鉆至預(yù)定對接點，并且兩鉆頭距離在合理范圍之內(nèi)時，由入土點鉆機的探頭感應(yīng)出土點鉆機鉆頭短節(jié)內(nèi)安裝的目標(biāo)磁鐵發(fā)出的磁信號，兩臺鉆機協(xié)調(diào)操作，入土點鉆機鉆孔，出土點鉆機回抽鉆桿，直至兩臺鉆機的導(dǎo)向孔完全吻合，如圖3所示。

圖3 磁場對接穿越示意

但該技術(shù)的工程費用十分昂貴，國內(nèi)極少有實踐實例。經(jīng)過多方論證，結(jié)合該穿江工程現(xiàn)場實際，在施工階段采用鉆機調(diào)度法見圖4，即先將鉆機布置在西岸，使鉆頭從預(yù)設(shè)套管側(cè)入土，以便于確保鉆機軸線與套管中心基本重合，滿足精度要求，并初步成孔。而后再將鉆機設(shè)備調(diào)度至東岸，從原軌跡出土側(cè)再次入土，進一步擴孔。此時西岸作為定向穿越的出土側(cè)，可同時進行布管組裝(當(dāng)然也可提前組裝)，待擴孔完成后，穿越管段在西岸也已布置完成，即可實現(xiàn)穿越管道的順利回拖。通過鉆機調(diào)度法，同時解決了西岸無法進行深度基坑開挖和東岸地形崎嶇無法布管的兩大難題。

圖4 鉆機調(diào)度示意

5 結(jié)語

工程實踐中，當(dāng)遇到砂礫地質(zhì)及起伏地形，常規(guī)天然氣管道定向鉆穿越方式可能引發(fā)導(dǎo)向偏離、孔道塌陷、回拖卡管等工程事故，但基于詳實可靠的勘察資料，選用合理的技術(shù)方案后，則能夠有效降低工程風(fēng)險，順利實現(xiàn)管道穿越。本文所探討的常山港和江山港穿越工程是特殊地質(zhì)地形下定向鉆穿江工程的最好實例。