大型水平定向鉆穿越錢塘江工程案例分析

申 粵, 喬 珩， 喬志國， 黃 儉

(1.杭州市城鄉(xiāng)建設設計院股份有限公司，浙江杭州310004；2.杭州天然氣有限公司，浙江杭州310017；3.中油昆侖管道工程有限公司，河北廊坊065000)

1 工程概況

天然氣高壓管道水平定向鉆穿越錢塘江水平長度2 452 m，穿越管道位于跨江大橋下游約350 m，設計壓力4.0 MPa，公稱管徑600 mm。

結(jié)合地質(zhì)條件，穿越工程采用導向孔對穿工藝穿越主航道，利用現(xiàn)狀市政道路場地一次性組焊。工程難點在于：江底導向孔長距離穿越粉質(zhì)粘土層，出入土段較長距離穿越砂質(zhì)粉土層，容易發(fā)生塌孔、鉆桿失穩(wěn)、抱鉆、鉆頭方位難以控制等問題；穿越入土側(cè)還須避讓5條重要的油氣管道，穿越位置上游平行50 m處還有一條現(xiàn)狀定向鉆穿越的輸氣管道。

2 水文地質(zhì)條件

穿越水域?qū)俑谐毙秃恿?，呈不?guī)則半日潮型，水位直接受潮汐影響，變化較大。場地地層均為第四系地層，按地質(zhì)時代、成因類型及工程特性，分為6個工程地質(zhì)層、9個亞層，自上而下分別為：①層素填土，②-1層砂質(zhì)粉土，②-2層砂質(zhì)粉土，③-1層砂質(zhì)粉土，③-2層粉砂夾粉土，④-1層砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)土，④-2層粉質(zhì)粘土夾粉土，⑤層粉質(zhì)粘土，⑥層粉質(zhì)粘土。

3 設計參數(shù)

依據(jù)GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設計規(guī)范》(以下簡稱GB 50423—2013)第3.3.3條規(guī)定，并結(jié)合水利部門要求，工程設計洪水頻率采用0.33%,即300年一遇。參照SY/T 6968—2013《油氣輸送管道工程水平定向鉆穿越設計規(guī)范》第3.0.5條規(guī)定，工程重要性類別為一類。設計選用直縫雙面埋弧焊鋼管，材質(zhì)L360M，鋼管制造標準為GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》，產(chǎn)品規(guī)范水平為PLS2級，采用3PE加強級防腐并輔以強制電流陰極保護，補口采用進口定向鉆專用熱收縮帶。設計穿越入土角12°，出土角7°，入土角和出土角處均設置為豎向弧形管道，水平穿越處設置為平面弧形管道，弧形管道的曲率半徑為915 m(即1 500 倍鋼管外直徑)。水平段穿越土層主要為⑤層粉質(zhì)粘土層。管底設計標高約為-25 m，管頂距現(xiàn)狀江底最小距離為22 m，距設計洪水沖刷線間距約12.5～15.2 m。

4 前期審批

天然氣管道輸送介質(zhì)具有易燃易爆的危險特性，本案例設計前期與沿線地方規(guī)劃、水利部門收集穿越設計所需的技術(shù)數(shù)據(jù)及相關(guān)管理要求。委托專業(yè)機構(gòu)建立水域沖刷模型，確定穿越?jīng)_刷線技術(shù)指標，依據(jù)《中華人民共和國航道法》要求對航道通航條件影響進行評價，編制通航標志方案提交航道主管部門審批備案。依據(jù)《水利工程安全管理條例》要求進行防洪評價，編制岸堤交叉處沉降觀測方案提交水利部門審批備案。依據(jù)《中華人民共和國石油天然氣管道保護法》要求對相鄰油氣管道影響進行評估，編制施工保護方案提交地方油氣管道主管部門備案。在明確規(guī)劃路由后，與屬地交通部門確認交通組織方案，以保障管道順利回拖前的組焊、試壓、清管等各項準備工作。對于沿線其他市政設施通過前期物探進一步核實管位及埋深，與產(chǎn)權(quán)單位簽署安全協(xié)議并由對方派駐人員現(xiàn)場監(jiān)護，必要時開挖驗證以保證設施安全。

5 施工組織

5.1 施工工藝選擇

根據(jù)GB 50423—2013第5.2.3條公式(5.2.3)進行管道回拖力計算(管段內(nèi)不充水回拖)。經(jīng)計算得到穿越管道回拖力為2 020 kN，根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗，一般鉆機回拖力取值為計算回拖力的1.5～3倍，本工程選取2倍的安全系數(shù)[1-2]。由于穿越距離長，導向孔施工采用對穿工藝，使用2臺鉆機從出、入土點兩側(cè)同時進行導向孔施工作業(yè)。入土點主鉆機選用FDP-550鉆機(回拖力5 500 kN)，出土點輔助鉆機選用GD-300鉆機(回拖力3 000 kN)，安全系數(shù)能夠滿足穿越施工要求。

5.2 施工組織方案

① 穿越施工流程

穿越施工流程見圖1。

圖1 穿越施工流程

② 穿越施工方案

穿越采用導向孔對穿工藝施工，其原理是施工主鉆機側(cè)的鉆頭找到輔助鉆機側(cè)的鉆頭后，在鉆好的導向孔內(nèi)跟隨輔助鉆機側(cè)的鉆頭出土，避免單次穿越鉆桿長距離受力發(fā)生彎曲變形從而易斷裂，提高施工安全程度。對接穿越需用2臺鉆機協(xié)同作業(yè)完成，主鉆機單鉆鉆進長度控制在1 600～2 000 m,輔助鉆機單鉆鉆進長度根據(jù)主鉆機情況選擇400～800 m。為將穿越風險降到最低，另配置夯管錘現(xiàn)場全程應急備用[3]，其作用是在管道回拖過程中，回拖受阻、拉力增大時，從管尾施加夯力，一方面推進管道前進，另一方面使管體產(chǎn)生振動波，將管體表面塌方或縮孔泥土液化，減小摩擦力。主鉆機作業(yè)區(qū)位于錢塘江東岸，作業(yè)面積4 260 m2。輔助鉆機作業(yè)區(qū)位于錢塘江西岸，作業(yè)面積3 500 m2。采用直徑為168 mm鉆桿完成導向孔、擴孔和回拖施工。鉆具組合方案為專用鉆頭+直徑為178 mm的造斜短節(jié)+無磁鉆挺+直徑為168 mm的鉆桿?？叵蛳到y(tǒng)單邊鉆進時采用SHARWELL導向系統(tǒng)，兩鉆頭碰頭后采用對接系統(tǒng)對接。

穿越曲線在水平段實施對接。當兩鉆頭鉆進至預定對接位置后，開啟鉆頭對接系統(tǒng)，入土點主鉆機的鉆頭中安裝有對接導向系統(tǒng)的信號發(fā)射裝置，出土點輔助鉆機的鉆頭中安裝對接導向系統(tǒng)的信號接收裝置。通過對信號的處理、分析，計算兩鉆頭的相對位置，得出結(jié)果后，主鉆機鉆頭調(diào)向鉆進，輔助鉆機鉆頭追蹤主鉆機鉆頭，最后兩個鉆頭扣合在一起，由輔助鉆機鉆頭將主鉆機鉆頭牽引出土，完成長距離導向孔穿越。

穿越管道管徑為DN 600 mm，根據(jù)穿越擴孔的要求，最小擴孔直徑應達到管徑的1.5倍，最終擴孔直徑應≥915 mm。因此，導向孔完成后，使用直徑為400 mm、600 mm、800 mm、950 mm的4級擴孔器擴孔施工。穿越管道在出土點后50 m的位置開始布設，彈性布置在西岸市政道路上。管道回拖時采用滾輪發(fā)送器發(fā)送，每隔15 m設置1個滾輪發(fā)送器。擴孔洗孔完成后一次性連續(xù)回拖。由于穿越管道長距離穿越砂質(zhì)粉土層、粉質(zhì)粘土層，施工過程中通過采用自來水配置泥漿，在泥漿中添加正電膠、羧甲基纖維素添加劑等，控制泥漿性能，降低施工風險。

③ 施工中遇到的問題及解決措施

a.長距離土層穿越過程中，導向孔鉆進選用泥漿動力馬達，為防抱鉆一般需要每間隔400～500 m加一個補漿器，但是泥漿馬達是靠泥漿壓力工作，增加補漿器會造成泥漿馬達泄壓的風險。為此專門制作了一批符合壓力設計要求的補漿器，滿足泥漿馬達的工作需要，配合出、入土點兩端泥漿泵同時注漿，有效地防止抱鉆風險的發(fā)生。

b.地層軟硬交錯，入土、出土段曲線都經(jīng)過淤泥地層，為避免導向施工過程中鉆桿折斷，在出、入土側(cè)兩端設置直徑為273 mm的導向套管，出土端長196 m，入土端長48 m，將鉆桿套在其內(nèi)，確保力的傳遞及返漿通暢。導向過程采用先鉆進后洗孔的方式，由于在長距離粘土層導向過程中，鉆頭返漿量逐漸減少，對后續(xù)鉆桿的潤滑效果下降，容易發(fā)生抱鉆，因此需要盡快完成導向鉆進，確保返漿量符合導向施工要求。待導向孔導通后，要立即進行洗孔，目的是給孔洞注入泥漿潤滑及保護孔壁，防止塌孔抱鉆桿。

c.受預制管場地所限，從出土點開始需彈性布管2 000 m，為此協(xié)調(diào)交通，利用現(xiàn)狀道路條件，管道占用道路一側(cè)機動車道，在出土點起始的一段開挖發(fā)送溝，道路上采用滾輪發(fā)送器發(fā)送，滿足回拖要求。

④ 施工進度

施工分管道安裝、實施穿越、附屬工程3個部分，有些是可以同時進行的，總工期為120 d。其中管道安裝68 d，含測量放線、施工便道修筑、作業(yè)帶清理、管道運輸與布管、主管道坡口加工、管道組對、主管道焊接、主管道補口補傷、主管道試壓、清管、測徑、直管段安裝、管道二次試壓、清管、測徑、設備撤場、地貌恢復。實施穿越111 d，含測量放線、施工便道及作業(yè)區(qū)修筑、鉆機進場安裝調(diào)試、主管道導向孔鉆進、主管道擴孔+清孔、主管道回拖、設備撤場、地貌恢復。附屬工程施工18 d，含防腐層檢測、泥漿合法合規(guī)處理等。

6 經(jīng)驗總結(jié)

① 前期論證、高標準設計、精心協(xié)調(diào)組織發(fā)揮了關(guān)鍵作用。前期設計方案反復論證、航道通航條件影響評價、防洪評價、油氣管道安全評估、施工保護方案評審、施工期間交通組織協(xié)調(diào)等一系列充分的準備工作，是確保工程一次性回拖成功的關(guān)鍵。

② 豐富的施工經(jīng)驗、先進的施工技術(shù)和設備以及管理提供了成功保障。為應對復雜的地質(zhì)條件和苛刻的施工條件，施工單位必須具備豐富的類似工程施工經(jīng)驗，采用先進的施工工藝、機械設備和科學的管理方法，確保水平定向鉆施工一次性成功。