油氣管道大型河流定向鉆與隧道穿越技術(shù)分析

周劍琴，楊國暉，王 巍

1.國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司，四川成都 610000

2.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

中衛(wèi)-貴陽聯(lián)絡(luò)線工程干線（以下簡稱中貴線）起自寧夏中衛(wèi)，止于貴州貴陽，全長約1 613 km，其中約三分之一在川渝兩省市境內(nèi)。川渝地區(qū)水資源較為豐富，境內(nèi)河流分布密集，其中大型河流有長江、嘉陵江、岷江等，中貴線穿越該地區(qū)各類大中型河流達(dá)14次之多，全部采用定向鉆與隧道穿越技術(shù)[1]。本文以中貴線川渝境內(nèi)幾條大型河流穿越為案例，總結(jié)穿越工程建設(shè)、施工、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，分析其實(shí)際運(yùn)用的優(yōu)缺點(diǎn)，為今后類似工程在穿越技術(shù)的應(yīng)用上提供參考。

1 穿越技術(shù)對(duì)比

1.1 定向鉆穿越技術(shù)

定向鉆技術(shù)最早出現(xiàn)在上世紀(jì)70年代，是傳統(tǒng)公路打孔和油田定向鉆井技術(shù)的結(jié)合。目前主要以非開挖施工的水平定向鉆穿越技術(shù)為主，施工工具為水平定向鉆機(jī)，由鉆機(jī)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、鉆具及輔助機(jī)具組成。水平定向鉆穿越施工一般分為兩個(gè)階段：第一階段為按照設(shè)計(jì)曲線鉆導(dǎo)向孔；第二階段是對(duì)導(dǎo)向孔進(jìn)行擴(kuò)孔，并將管道沿著擴(kuò)大了的導(dǎo)向孔回拖到導(dǎo)向孔中，完成管道穿越工作[2-3]。定向鉆穿越施工工藝流程見圖1。

圖1 定向鉆穿越施工工藝流程

1.2 隧道穿越技術(shù)

隧道工程是一種修建在地下，兩端有出入口，供車輛、行人、水流及管道等通行的工程建筑。施工方法有明挖法、盾構(gòu)法、掘進(jìn)法等。隧道縱斷面一般采用“斜井+平巷+斜井（+豎井）”的穿越方式，由高壓旋噴樁防滲墻注漿、超前勘探、掘進(jìn)、初期支護(hù)和二次支護(hù)等五大重點(diǎn)施工環(huán)節(jié)構(gòu)成。隧道施工一般根據(jù)隧道長度及現(xiàn)場(chǎng)自然交通條件，確定單邊或雙邊掘進(jìn)開挖、初期支護(hù)施工，貫通后再實(shí)施永久支護(hù)。

2 嘉陵江定向鉆、隧道穿越對(duì)比

中貴線在四川省廣元市、南充市境內(nèi)先后采用定向鉆、隧道方式連續(xù)兩次穿越嘉陵江，兩處穿越斷面相距不足120 km，穿越長度相差僅12 m，主要穿越地層均為粉砂質(zhì)泥巖，這兩處穿越有著極為接近的地理、地質(zhì)條件，兩處穿越對(duì)比介紹如下。

2.1 廣元嘉陵江定向鉆穿越

廣元嘉陵江定向鉆穿越位于廣元市境內(nèi)，穿越段江面寬度約500 m，右岸有綿廣高速工程通過斷面，左岸為砂石場(chǎng)。穿越管道規(guī)格為D 1 016 mm×26.2 mm、材質(zhì)為X70的三層PE防腐直縫埋弧焊鋼管，定向鉆穿越段水平長度為996.15 m，實(shí)長1 002.5 m。管道補(bǔ)口采用定向鉆專用熱收縮套。穿越管道設(shè)計(jì)入土角為12°，出土角為6.5°，曲率半徑取1 532 m，穿越深度約45.03 m（相對(duì)于入土點(diǎn)）。

2.2 南充閬中嘉陵江隧道穿越

南充閬中嘉陵江隧道穿越位于南充市閬中市保寧鎮(zhèn)，屬嘉陵江中游流域。隧道軸線投影為直線形，水平投影長度954 m，實(shí)長1 014.9 m，隧道縱斷面形式為“斜巷（入口，北岸）-平巷-斜巷+豎井（出口，南岸）”。北岸斜巷段長242.8 m，坡度為25°。水平段長度為599.6 m，平巷設(shè)計(jì)為人字坡，由中間向兩岸降低，坡度均為3‰，以利排水。南岸斜巷長148.2 m，坡度為25°，南岸豎井凈空直徑8 000 mm，壁厚800 mm，深度24.3 m。整個(gè)隧道橫斷面為直墻圓弧拱形，凈寬3.0 m，凈高3.0 m（其中墻高1.7 m、拱高1.3 m）。

2.3 嘉陵江定向鉆與隧道穿越方案對(duì)比

2.3.1 穿越方式

（1）廣元嘉陵江定向鉆：根據(jù)地形地貌、地層巖性和工程地質(zhì)勘察結(jié)果，廣元嘉陵江定向鉆穿越段具備定向鉆、隧道施工條件，考慮到隧道施工時(shí)間與蘭渝鐵路大橋建設(shè)同步，隧道爆破可能會(huì)對(duì)大橋施工有影響[4]，而定向鉆方案在工期、投資上均較隧道方案略有節(jié)約，且基本上能規(guī)避對(duì)蘭渝鐵路大橋施工的影響，故此穿越設(shè)計(jì)選用定向鉆方案。

（2）南充閬中嘉陵江隧道穿越：根據(jù)南充閬中嘉陵江隧道穿越斷面勘察結(jié)果等資料，定向鉆穿越、隧道穿越均可，但右岸為大煙山山包，且民房密集，左岸地勢(shì)起伏較大，兩岸均無定向鉆施工場(chǎng)地條件[4]，而隧道穿越入、出口端交通條件便利，有較為平整的場(chǎng)地作為供料場(chǎng)，隧道施工條件成熟，因此選擇了隧道穿越方式。

從嘉陵江兩次穿越方式選擇來看，同樣的地質(zhì)條件下，定向鉆穿越對(duì)地形要求較高，隧道穿越更為靈活方便。

2.3.2 資源投入

廣元嘉陵江定向鉆施工，高峰期投入施工人員42人，投入水平定向鉆機(jī)、吊車等主要設(shè)備8臺(tái)套。南充閬中嘉陵江隧道施工，高峰期投入施工人員120人，投入發(fā)電機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、空壓機(jī)等主要設(shè)備51臺(tái)套。

單從資源投入的數(shù)量上對(duì)比，定向鉆穿越無論是人力資源還是設(shè)備資源的投入較隧道穿越均占有較大優(yōu)勢(shì)，但對(duì)所需人力與設(shè)備等資源還需進(jìn)行具體分析：

（1）在人力資源投入方面：定向鉆需配備控向工程師、泥漿工程師、鉆機(jī)操作人員、專業(yè)的起重工等高級(jí)技術(shù)人員，且在出現(xiàn)鉆具脫落、鉆桿斷裂等事件時(shí)，還需聘請(qǐng)專家、熟練的高級(jí)技工研討方案，開展施救工作。而隧道施工因工藝成熟，作業(yè)過程簡單，因此雖投入的人員數(shù)量多，但大多為力工、架子工、混凝土工等普通工人。另外，由于定向鉆作業(yè)所需的測(cè)量控向、泥漿配置等，有經(jīng)驗(yàn)、熟練又能切實(shí)解決問題的技術(shù)人員較少，且聘請(qǐng)困難，因此在人力資源投入上，隧道施工反而占有綜合優(yōu)勢(shì)。

（2）在設(shè)備資源投入方面：定向鉆施工需投入鉆機(jī)、泥漿系統(tǒng)、控向系統(tǒng)、吊車等專業(yè)性強(qiáng)、價(jià)格昂貴的特種設(shè)備，而隧道施工僅需小型空壓機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、注漿機(jī)、混凝土輸送泵、風(fēng)鎬等小型常用設(shè)備，因此在設(shè)備資源投入上，隧道施工也具有優(yōu)勢(shì)。

2.3.3 施工工期

廣元嘉陵江定向鉆穿越施工自2011年2月25日開工，至2012年4月26日完成管道回拖，實(shí)際工期420 d。

南充閬中嘉陵江隧道施工自2011年2月28日開工，至2012年4月17日管道、光纜安裝完工，若扣除土建、工藝交接以及春節(jié)假日影響約3個(gè)月時(shí)間，實(shí)際工期約320 d。

嘉陵江兩次不同穿越方式的實(shí)際工期相差約100 d，隧道施工用時(shí)相對(duì)較短。主要原因是定向鉆施工過程中出現(xiàn)了4次較為嚴(yán)重的事故，共計(jì)影響約130 d工期，導(dǎo)致整體工期大大延長。

而隧道工程施工實(shí)際進(jìn)度穩(wěn)定、可控，基本上按計(jì)劃完成，計(jì)劃符合性較好，整個(gè)工程工期處于受控狀態(tài)。

2.3.4 投資費(fèi)用

廣元嘉陵江定向鉆鉆孔、擴(kuò)孔、管道焊接、回拖等費(fèi)用投資共計(jì)約1 400萬元，平均每米投資約1.4萬元；南充閬中嘉陵江隧道洞口及渣場(chǎng)征地、掘進(jìn)、二襯、管道安裝等投資共計(jì)約1 900萬元，每米投資約1.87萬元。因此，定向鉆穿越施工投資單價(jià)較隧道穿越施工低。

2.3.5 風(fēng)險(xiǎn)管控

廣元嘉陵江定向鉆穿越與南充閬中嘉陵江隧道穿越在施工過程中均出現(xiàn)了大小不等的事故，對(duì)工程的安全管控、按期完工構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)，影響了整體工期，增加了成本?？傮w上廣元嘉陵江定向鉆穿越發(fā)生了4次嚴(yán)重事故，閬中嘉陵江隧道施工過程中僅發(fā)生混凝土泵送出現(xiàn)堵管、部分地段少量滲水等較小事故，因此在工程風(fēng)險(xiǎn)管控難度上，隧道施工較定向鉆有一定優(yōu)勢(shì)。

3 瓊江河定向鉆、隧道穿越對(duì)比

3.1 瓊江河定向鉆穿越

瓊江河定向鉆穿越斷面位于重慶市銅梁縣境內(nèi)，穿越入土端和出土端均為水稻田。該穿越曲線經(jīng)過地層主要為砂巖和泥巖地層，泥巖與砂巖成互層狀結(jié)構(gòu)。定向鉆穿越段水平長度1 008.7 m，實(shí)長1016m；穿越管道直徑1016mm，管道壁厚22mm；設(shè)計(jì)壓力10 MPa，曲率半徑1 500 D。D1 016 mm主管穿越采用12級(jí)擴(kuò)孔，選用鉆桿尺寸為5-1/2 in（1 in=25.4 mm）。原計(jì)劃工期從2011年10月13日開始，至2012年4月30日完成主管道回拖，歷時(shí)200 d；實(shí)際用時(shí)從2011年10月13日開始，經(jīng)歷了卡鉆、施救等一系列問題及處理后，2012年9月1日才完成主管道回拖，歷時(shí)323 d。

3.2 瓊江河備選隧道方案

由于在瓊江河定向鉆穿越實(shí)施過程中，鉆桿已多次被塌孔卡死，特別是在第十級(jí)擴(kuò)孔中出現(xiàn)擴(kuò)孔器卡鉆事故，解卡施救耗時(shí)約1個(gè)半月，嚴(yán)重影響工程整體工期。考慮到余下的更大孔徑兩級(jí)擴(kuò)孔更易發(fā)生卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，緊急啟動(dòng)了設(shè)計(jì)隧道穿越方式的備選方案，但后期定向鉆卡鉆解除，隧道方案未正式實(shí)施。

備選方案：隧道平面位置位于定向鉆穿越軸線上游約80 m，水平長度390 m，實(shí)際長度421.15 m。左岸進(jìn)口位于原定向鉆入土口西南約140 m處，出口位于定向鉆出土口西北約500 m處，距水位線約145 m。隧道縱斷面采用“斜井+平巷+斜井”，左岸斜井水平長151.19 m，實(shí)際長度166.82 m；右岸斜井水平長162.98 m，實(shí)際長度179.83 m；平巷長75.83 m，位于河底約40 m處。瓊江河隧道位置示意見圖2。

圖2 瓊江河隧道位置示意/m

3.3 瓊江河定向鉆與備選隧道方案對(duì)比

3.3.1 穿越方式

根據(jù)初勘、詳勘以及現(xiàn)場(chǎng)地形地貌情況，該處穿越定向鉆、隧道穿越均可實(shí)施。本著節(jié)約投資、節(jié)約工期的原則，首選定向鉆方式。

但從地勘資料上已經(jīng)明確反映定向鉆穿越曲線經(jīng)過的地層有破碎段，根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，破碎段地層成孔較為困難，易發(fā)生塌孔。然而設(shè)計(jì)上只考慮到泥漿能起到固壁作用，未考慮到破碎地層的漏漿問題，仍采用了定向鉆穿越方案，結(jié)果導(dǎo)致因泥漿漏失造成鉆桿多次被卡死的事故。

從緊急啟動(dòng)的設(shè)計(jì)隧道穿越方式備選方案來看，由于隧道井口位置能更靠近河床設(shè)置，隧道穿越總長度還不及定向鉆穿越的一半，在經(jīng)濟(jì)和工期上定向鉆穿越并沒有較多優(yōu)勢(shì)。

3.3.2 資源投入

瓊江河定向鉆施工，高峰期投入施工人員49人，投入水平定向鉆機(jī)、吊車等主要設(shè)備11臺(tái)套。對(duì)于隧道施工，根據(jù)南充閬中嘉陵江隧道施工資源投入情況來看，高峰期預(yù)計(jì)投入施工資源的數(shù)量大于定向鉆投入，但對(duì)高素質(zhì)技術(shù)人員的需求要遠(yuǎn)小于定向鉆。

3.3.3 施工難度

瓊江河定向鉆穿越全長1 016 m。由于鉆孔取芯只能推測(cè)、估計(jì)地層構(gòu)造，不能清晰判斷是否存在斷層、裂隙等情況。雖然施工中先后多次采取了堵漏、解卡等施救措施，仍然出現(xiàn)了施救過程中鉆桿斷裂事故。定向鉆施工難度較大、最終失敗的風(fēng)險(xiǎn)極高。

瓊江河隧道全長421 m。對(duì)于Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖的破碎地段采取帷幕注漿堵漏、掘進(jìn)、初支、二支等方式施工，工藝成熟，工期推進(jìn)穩(wěn)定；采用超前鉆探，能有效應(yīng)對(duì)地下不明地質(zhì)構(gòu)造。故隧道施工的難度小于定向鉆。

3.3.4 后期維護(hù)

采取定向鉆穿越在回拖完成后，防腐層損壞情況不明，且不能對(duì)穿越段管道進(jìn)行后期維護(hù)。特別是在2013年7月2日，當(dāng)?shù)卮迕駡?bào)告瓊江河定向鉆入口處有氣泡冒出，疑是管道泄漏。經(jīng)建設(shè)單位及運(yùn)行單位多次研討后決定對(duì)瓊江河定向鉆穿越段管道進(jìn)行開挖重新試壓驗(yàn)證。前后歷經(jīng)3個(gè)月時(shí)間，兩次試壓檢驗(yàn)合格，管道無泄漏。在這個(gè)過程中，采取天然氣放空、注氮置換、設(shè)備重新進(jìn)場(chǎng)、二次試壓干燥、二次連頭、重新注氮升壓等一系列措施，經(jīng)濟(jì)損失較大。

假如采用隧道方案，在施工完成后可以通過目視或儀器檢測(cè)對(duì)防腐層進(jìn)行修補(bǔ)，對(duì)管道出現(xiàn)的問題可較為方便地直接處理，如懷疑管道存在泄漏等情況，可抽干洞內(nèi)水后直接進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證，實(shí)施費(fèi)用較低。

4 長江隧道穿越

長江水下隧道是中國石油天然氣集團(tuán)公司已建管道工程中較長的江底隧道，穿越段位于重慶市江津區(qū)。隧道采用“斜井+平巷+斜井”的穿越方式，實(shí)際長度2089m，溫度補(bǔ)償段長度86m，總共長度2 175 m。斜井和平巷段為直墻半圓拱型斷面，凈斷面為3.0m×3.0m，隧道內(nèi)為一條D1016mm天然氣管道，管道材質(zhì)X80。

4.1 穿越方式選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地貌及地質(zhì)勘查結(jié)論以及重慶市農(nóng)委對(duì)長江上游珍稀魚類自然保護(hù)區(qū)評(píng)估報(bào)告的評(píng)審意見，本穿越只能采用非開挖方式，以盡量減小穿越施工及管道運(yùn)行對(duì)珍稀魚類的影響。對(duì)于定向鉆方案，由于兩岸高差達(dá)100 m以上，泥漿返流難度大，同時(shí)由于左岸地形與江底高差極大，穿越長度很長，因此選用了隧道穿越方案[5]。

4.2 實(shí)施過程

長江隧道進(jìn)口端于2012年3月2日開始掘進(jìn)施工，出口端3月15日開始掘進(jìn)施工，2012年12月22日隧道貫通，隧道掘進(jìn)日均進(jìn)度達(dá)到7.1 m。2013年5月1日完成二襯施工交付管道安裝，8月5日管道焊接完成，8月12日完成洞內(nèi)管道清管試壓，8月20日洞內(nèi)所有支墩澆筑完成，9月10日隧道全部整改完成，具備投產(chǎn)條件，總工期558 d。項(xiàng)目實(shí)施全過程未出現(xiàn)影響工期和安全的事件，實(shí)施過程順利。

5 結(jié)論及建議

通過對(duì)比分析中貴聯(lián)絡(luò)線在嘉陵江、瓊江河及長江的定向鉆、隧道施工過程及結(jié)果，得到以下結(jié)論：

（1）定向鉆穿越對(duì)地下地層地質(zhì)構(gòu)造的判斷，只能從各個(gè)鉆孔取芯的地質(zhì)構(gòu)造來推測(cè)估計(jì)；隧道是采取明挖方式施工，可根據(jù)不同的地質(zhì)條件采取超前鉆探等方式來獲取準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，從而針對(duì)性采用不同的施工方法。從嘉陵江、瓊江河、長江的幾條穿越工程實(shí)施過程得出：實(shí)際地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)鉆孔的初、詳勘資料均存在不同程度的差異，定向鉆施工面對(duì)地質(zhì)差異時(shí)，其主動(dòng)控制能力較弱，采取削減風(fēng)險(xiǎn)的措施可靠性較差；隧道施工則可直觀發(fā)現(xiàn)問題，能夠有效制訂可行的解決措施。

（2）定向鉆在擴(kuò)孔作業(yè)中，破碎段地層容易出現(xiàn)塌孔、卡鉆現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可造成鉆桿斷裂；而隧道在破碎段掘進(jìn)時(shí)，采取的是超前探水地質(zhì)預(yù)報(bào)，帷幕注漿+小管棚支護(hù)，人工或鑿巖機(jī)進(jìn)行鉆眼爆破開挖，采用格柵+拱架+錨網(wǎng)支護(hù)，出現(xiàn)片幫、冒頂、垮塌等意外情況相對(duì)較少，工期更有保障。

（3）定向鉆施工主要受地質(zhì)情況和地形環(huán)境限制，決定了是否能進(jìn)行定向鉆施工；隧道施工主要受地質(zhì)情況的限制，只要地質(zhì)情況允許，理論上都可以開展隧道施工。故從限制條件分析，隧道施工的限制性較定向鉆較小。

（4）定向鉆采用一次回拖管道就位，如果出現(xiàn)斷桿現(xiàn)象，一切將前功盡棄；隧道施工采取洞內(nèi)組焊，可進(jìn)行返修等措施，無風(fēng)險(xiǎn)。

（5）在工程總投資方面，設(shè)計(jì)概算每米工程造價(jià)：隧道約為定向鉆的2倍，但在實(shí)際實(shí)施過程中，由于定向鉆出現(xiàn)卡鉆、鉆桿斷裂等風(fēng)險(xiǎn)較大，一旦出現(xiàn)問題，需大量的施救設(shè)備投入、大量的人力資源研討解決問題，實(shí)際費(fèi)用相對(duì)隧道施工也沒有較多優(yōu)勢(shì)。

（6）定向鉆穿越施工不會(huì)破壞植被，不會(huì)影響居民正常生活和工作秩序；隧道施工因需長期爆破作業(yè)，易引起施工糾紛。

（7）定向鉆和隧道施工完畢后進(jìn)行專項(xiàng)恢復(fù)、治理，均可滿足環(huán)保要求。

（8）定向鉆為一次性工程，深埋于河床幾十米下，運(yùn)行人員無法對(duì)管道進(jìn)行巡檢、維修；隧道工程一般有較大富?？臻g，可對(duì)管道進(jìn)行例行檢修，還可利用隧道重新?lián)Q管或新增管道。因此從運(yùn)行使用角度考慮，隧道穿越有一定優(yōu)勢(shì)。

定向鉆與隧道兩種穿越技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，而建設(shè)業(yè)主必須考慮的兩個(gè)重要指標(biāo)是工程可實(shí)現(xiàn)的功能及工程造價(jià)。在工程可實(shí)現(xiàn)的功能方面，隧道穿越技術(shù)大大優(yōu)于定向鉆穿越；在工程造價(jià)方面，隧道穿越每米工程造價(jià)是定向鉆穿越的2倍[6]。從同一穿越位置進(jìn)行定向鉆穿越與隧道穿越對(duì)比，可以看出定向鉆穿越長度受穿越曲率半徑制約，其穿越長度要比隧道穿越長度長約2倍，綜合比較工程總體造價(jià)，定向鉆穿越不具有明顯優(yōu)勢(shì)。

因此，在目前國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)條件下，對(duì)于大型河流穿越，推薦選擇隧道穿越技術(shù)，其工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)較小，工期可控，能夠滿足后期運(yùn)行及維護(hù)要求，同時(shí)可以通過縮短隧道穿越長度降低工程造價(jià)。