天然氣管道超長距離連續(xù)定向鉆穿越工程設(shè)計(jì)與施工

程振華，劉曉偉，管榮昌

中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司，河南濮陽 457001

京杭大運(yùn)河、淮河入江水道連續(xù)定向鉆穿越工程是青寧輸氣管道項(xiàng)目控制性工程。青寧管道全長531 km，管徑1 016 mm，設(shè)計(jì)壓力10.0 MPa。輸氣管道在江蘇省高郵市車邏鎮(zhèn)南車邏閥室位置，自東向西需要依次穿越京杭大運(yùn)河和淮河入江水道然后到達(dá)郭集閥室。京杭大運(yùn)河豐水期水面高度為河堤外地面標(biāo)高，淮河入江水道自西向東依次由莊臺(tái)河（東大堤）、大管灘河群、王港河、夾溝河、楊莊河及西大堤組成，穿越長度約6 700 m，該區(qū)域?yàn)槭屑墲竦厣鷳B(tài)保護(hù)區(qū)，水系發(fā)達(dá)，區(qū)域內(nèi)無道路，其中楊莊河寬1 900 m，航運(yùn)及漁業(yè)繁忙?？偞┰介L度約8 000 m，保護(hù)區(qū)環(huán)境保護(hù)、航道運(yùn)輸、汛期泄洪等因素對穿越方式、穿越工程設(shè)計(jì)及施工提出了較高要求。工程建設(shè)模式采用設(shè)計(jì)單位牽頭的“EPC聯(lián)合體+監(jiān)理”的管理模式。

1 穿越路線的確定

1.1 穿越設(shè)計(jì)主要影響因素

穿越設(shè)計(jì)主要影響因素包括：施工窗口期短，水網(wǎng)密布、灘涂地下水位高，鉆機(jī)、管材運(yùn)輸困難，地質(zhì)條件復(fù)雜，大口徑定向鉆連續(xù)穿越長度長，大堤穿越需特殊保護(hù)等。

1.2 穿越位置的選擇

（1）穿越位置的選擇原則。第一，穿越位置選擇與線路總走向一致，線路局部走向應(yīng)服從穿越段位置要求，穿越段位置應(yīng)符合該水域整體規(guī)劃要求，穿越位置、穿越方式和管道敷設(shè)方式必須報(bào)經(jīng)穿越水域主管部門的同意，要有由建設(shè)單位與該部門簽署的具有法律效力的協(xié)議。第二，穿越位置應(yīng)選擇河流兩岸施工場地良好、交通方便的地段[3]；穿越位置應(yīng)選在淮河入江水道河面較窄、水流平緩、河水主流線擺動(dòng)不大的順直河段上；穿越河段兩岸或者一岸外的交通和施工場地條件應(yīng)良好，滿足鉆機(jī)布置、布管及管溝開挖施工的要求；應(yīng)選擇地質(zhì)良好、河床平面平坦、沖淤變化小、地質(zhì)工程較為單一、兩岸漫灘開闊、岸坡宜成傾斜狀且穩(wěn)定耐沖刷的位置。第三，通航河道穿越應(yīng)滿足航道設(shè)計(jì)要求。第四，工程建成后，不應(yīng)降低該水域的防洪標(biāo)準(zhǔn)，不影響抗洪救災(zāi)實(shí)施，同時(shí)不會(huì)引起河勢的變化和影響已規(guī)劃堤防的安全。

（2）具體穿越位置的確定。根據(jù)以上選擇原則，穿越位置選在江蘇省高郵市車邏鎮(zhèn)南新民村車邏閥室位置，該位置河道窄，河床平坦，水流穩(wěn)定，自東向西依次穿越京杭大運(yùn)河和淮河入江水道至郭集閥室，見圖1。

1.3 巖土地質(zhì)條件

地勘報(bào)告揭示，穿越勘察區(qū)所在構(gòu)造的活動(dòng)性不強(qiáng)，距離區(qū)域性活動(dòng)斷裂較遠(yuǎn)，穿越段區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)作用、環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害及異常埋置物，穿越斷面地層分布穩(wěn)定，因此穿越場地穩(wěn)定，適宜定向鉆穿越。地表下35m深度內(nèi)地層均為淤泥質(zhì)黏性土、黏性土及粉土，均適宜進(jìn)行定向鉆穿越。

穿越場地屬?zèng)_積平原地貌單元，穿越河段通過中長期補(bǔ)償平衡，河流仍以淤積作用為主，河床的穩(wěn)定性總體較好。灘涂區(qū)域地形平坦開闊，河流較多，巖性以黏土、粉質(zhì)黏土為主。擬穿越斷面揭露地層為第四系沖洪積（Q4al+pl） 黏土、粉質(zhì)黏土和粉土，根據(jù)穿越斷面地基土的巖性、結(jié)構(gòu)與工程性狀，結(jié)合河道情況、大堤安全深度與場地施工條件，綜合場地條件、地層條件、工期、費(fèi)用及施工工藝與方案的可操作性，確定穿越方式采用定向鉆穿越+大開挖施工方式，選擇合理的深度，對于河床段選擇從黏土B（⑤層）中實(shí)施穿越。京杭大運(yùn)河+深泓河地質(zhì)典型情況見圖2。

1.4 具體穿越路線的最終確定

定向鉆作為非開挖的一種施工工法已在天然氣管道穿越工程中得到了廣泛應(yīng)用。定向鉆穿越一般適用于航運(yùn)繁忙、水域較寬、流量與流速較大、沖刷較深、河流變遷劇烈，以及地質(zhì)條件允許（如黏土、粉砂、中砂層及強(qiáng)度不高巖石等地層）的水域穿越[4]。

在穿越方案的選擇上，要根據(jù)本工程管道穿越江河的水面寬度、流量、流速、通航等級、河岸堤防等級等情況，并依據(jù)河流形態(tài)、水文參數(shù)、工程地質(zhì)等條件確定合理的穿越方式[5]。參照國內(nèi)近幾年建設(shè)的較大口徑天然氣管道的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)京杭大運(yùn)河、淮河入江水道區(qū)域內(nèi)的地形、地貌及地質(zhì)條件，結(jié)合區(qū)域內(nèi)以往管道的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，參照防洪評價(jià)專家評審意見，對于青寧管道京杭大運(yùn)河、淮河入江水道穿越，擬在高郵市境內(nèi)的車邏鎮(zhèn)南側(cè)處，采用連續(xù)定向鉆方式穿越京杭大運(yùn)河、淮河入江水道，定向鉆自東向西依次穿越京杭大運(yùn)河、深弘河、新民灘上港汊河道（莊臺(tái)河、二橋河、小港子河、大管灘河、王港河、夾溝河及楊莊河）；定向鉆之間灘地采用大開挖連續(xù)配重溝埋敷設(shè)方式穿越，最終在淮河入江水道（楊莊河）西側(cè)灘地采用定向鉆方式穿越湖西大堤至揚(yáng)州市高郵境內(nèi)的送橋鎮(zhèn)盤塘村。

2 穿越方案比較

根據(jù)穿越區(qū)域內(nèi)河道寬度、深度及地質(zhì)等情況，同時(shí)按照防洪評價(jià)報(bào)告及淮河水利委員會(huì)（以下簡稱淮委會(huì)）要求，結(jié)合目前國內(nèi)類似工程定向鉆穿越業(yè)績，為確保在非汛期施工窗口期內(nèi)完成整個(gè)穿越工程，提出兩種穿越方案。

2.1 方案一：連續(xù)7處定向鉆+大開挖方式

本方案在滿足淮委會(huì)5月至10月汛期禁止施工的要求和管徑1 016 mm定向鉆穿越曲線的前提下，盡量減少灘區(qū)開挖施工長度，避免長距離灘區(qū)作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，適當(dāng)增加單鉆穿越長度，并根據(jù)穿越處地質(zhì)多為粉質(zhì)黏土的情況，結(jié)合目前施工技術(shù)水平，確定合理的穿越長度。方案一示意見圖3。

圖3 穿越方案一示意

2.2 方案二：連續(xù)4處定向鉆+大開挖方式

在滿足淮委會(huì)5月至10月汛期禁止施工的要求和管徑1 016 mm定向鉆穿越曲線前提下，結(jié)合內(nèi)審會(huì)專家意見，根據(jù)地質(zhì)情況和定向鉆穿越能力，對部分河道進(jìn)行合并穿越，以減少灘區(qū)大面積開挖施工，減少定向鉆穿越數(shù)量，控制施工人員和設(shè)備數(shù)量。穿越方案二示意見圖4。

圖4 穿越方案二示意

2.3 方案對比與選擇

2.3.1 方案對比分析的原則

其一，工期分析：定向鉆施工是關(guān)鍵工序，施工窗口期內(nèi)定向鉆單鉆施工周期較短則風(fēng)險(xiǎn)較小；其二，成本分析：由于定向鉆長度的增長，造成定向鉆工程造價(jià)的提高；其三，風(fēng)險(xiǎn)分析：隨著定向鉆穿越長度的增加，施工風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加，就該地區(qū)的地質(zhì)條件而言，主要風(fēng)險(xiǎn)為泥包抱死鉆桿和擴(kuò)孔器、斷鉆桿、回拖不成功等。

2.3.2 方案對比

（1）在施工窗口期受限的前提下風(fēng)險(xiǎn)對比分析。方案二中定向鉆穿越長度均在1 200 m以上，施工周期均在50 d以上，若自2019年3月開始施工，則在第一窗口期內(nèi)完成穿越施工的難度較大，若全放在第二窗口期施工，則對本項(xiàng)目2020年10月投產(chǎn)的總工期目標(biāo)綜合影響大。

（2）施工技術(shù)對比分析。方案二最長定向鉆穿越長度2 443 m，在穿越技術(shù)上可行，無論是采取單向穿越還是對穿穿越，都可完成導(dǎo)向穿越，但擴(kuò)孔和回拖工序?qū)︺@機(jī)和鉆具的要求高，灘區(qū)布管場地受限，施工過程中不可控因素增多。

（3）工程量、投資對比分析。方案工程量、投資對比見表1，從表1可見，方案一、二投資差距不大。在定向鉆總穿越長度不變、投資對比差距不大的前提條件下，通過采取增加連續(xù)穿越定向鉆次數(shù)，合理確定向鉆單鉆長度，縮短基坑連頭長度等措施，則可達(dá)到實(shí)現(xiàn)單鉆施工作業(yè)周期較短、安全性高、施工窗口期內(nèi)完工風(fēng)險(xiǎn)低的目的。綜上所述，選擇了方案一。

表1 方案一與方案二工程量、投資對比

3 施工總體安排

3.1 窗口期實(shí)施計(jì)劃

第一窗口期為2019年3月15日至4月30日，計(jì)劃完成莊臺(tái)河、二橋河+小港子河+大管灘河、王港河及夾溝河穿越工程，楊莊河光纜套管定向鉆穿越。其中工期關(guān)鍵線路為二橋河+小港子河+大管灘河管道穿越，工期為40 d。

第二窗口期2019年11月至2020年4月30日，計(jì)劃完成楊莊河主管穿越、高郵湖西大堤及京杭大運(yùn)河+深泓河穿越工程及灘區(qū)開挖連頭工程。其中工期關(guān)鍵線路為楊莊河主管穿越，周期為90d。

3.2 施工組織

主管材臨時(shí)堆管廠及防腐場地設(shè)在淮河入江水道西大堤內(nèi)楊莊河西岸碼頭附近，各定向鉆鉆機(jī)、鉆具及所需管材采取碼頭集散+船舶運(yùn)輸?shù)姆绞?；在楊莊河西岸設(shè)置集散碼頭，用于實(shí)施人員、施工設(shè)備及材料的進(jìn)退場，碼頭常設(shè)置50 t吊車，另設(shè)置4個(gè)臨時(shí)碼頭登陸裝卸點(diǎn)（夾溝河西、夾溝河?xùn)|、王港河?xùn)|及二橋河?xùn)|），各臨時(shí)碼頭登陸裝卸點(diǎn)各設(shè)置1臺(tái)50 t吊車；湖灘內(nèi)預(yù)制段及直埋段作業(yè)帶根據(jù)需要設(shè)置鉆桿排，以保證設(shè)備正常通行。

湖灘內(nèi)需倒入的5 km管材及設(shè)備采用3艘400 t自航駁船，通過楊莊河西岸集散碼頭及湖內(nèi)4個(gè)臨時(shí)碼頭進(jìn)行裝卸作業(yè)，鉆機(jī)采用平板駁船倒入到預(yù)定位置。施工組織示意見圖5。

圖5 施工組織示意

4 項(xiàng)目實(shí)施效果

根據(jù)施工許可及淮河水利委員會(huì)相關(guān)批復(fù)，結(jié)合氣象、河道航運(yùn)及水文等實(shí)際情況實(shí)施過程總優(yōu)化，調(diào)整了窗口期施工計(jì)劃。工程嚴(yán)格按照防洪評價(jià)及淮河水利委員會(huì)行政許可實(shí)施，根據(jù)防洪影響處理工程專項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，對大堤穿越處采取特殊防滲加固保護(hù)措施。連續(xù)定向鉆穿越工程在第一窗口期（2019年3月至4月）完成了莊臺(tái)河、西大堤兩條主管的穿越及楊莊河光纜穿越。在第二窗口期（2019年11月至2020年4月） 完成了夾溝河、王港河、大管灘河、京杭大運(yùn)河和楊莊河5條定向鉆的穿越、經(jīng)過灘區(qū)基坑管道的連頭作業(yè)，2020年4月完成了全部附屬工程退場。

5 結(jié)束語

京杭大運(yùn)河、淮河入江水道連續(xù)定向鉆穿越是青寧輸氣管道工程的控制性工程，在充分考慮施工窗口期、防洪評價(jià)、施工安全、施工能力、地質(zhì)條件等因素后，通過優(yōu)化、完善制定出了切實(shí)可行的方案，為施工組織設(shè)計(jì)和后期實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。施工過程克服了施工時(shí)間受限、管材運(yùn)輸條件受限、布管場地受限的困難，實(shí)現(xiàn)了8 000 m連續(xù)定向鉆7穿的一次性回拖成功，確保了穿越的順利完成，同時(shí)也為類似工程條件的連續(xù)定向鉆穿越設(shè)計(jì)、施工及EPC總承包積累了經(jīng)驗(yàn)。