非開挖長(zhǎng)距離大管徑穿越南水北調(diào)配套工程設(shè)計(jì)與施工

□楊子婷

近年來，非開挖技術(shù)發(fā)展迅速，其中水平定向鉆成為廣泛應(yīng)用的施工技術(shù)。定向鉆穿越適用于河流、道路、渠道、管道多種場(chǎng)景。具備適用范圍廣，工期短，不受季節(jié)限制等多方面優(yōu)點(diǎn)。

1.工程概況

中俄東線天然氣管道（以下簡(jiǎn)稱天然氣管道）是中俄之間第二條陸上能源運(yùn)輸大通道，干線全長(zhǎng)約3340 km，總體走向自北向南，南水北調(diào)配套工程石津干渠總退水渠（武強(qiáng)干渠）（以下簡(jiǎn)稱石津干渠）呈東西走向，天然氣管道工程與石津干渠必然交叉。

天然氣管道設(shè)計(jì)壓力為10 MPa，管徑1219 mm，穿越段材質(zhì)為直縫埋弧焊鋼管。根據(jù)天然氣管道工程線路總體走向，在河北省深州市大馮營(yíng)鄉(xiāng)大田莊村東側(cè)約400 m 處，距上游S282 公路橋130 m，穿越石津干渠。穿越位置見圖1。天然氣管道與石津干渠交點(diǎn)樁號(hào)0+773.97，交叉角度89°，穿越工程水平投影長(zhǎng)度為1390 m。

圖1 天然氣管道穿越石津干渠位置

石津干渠工程為Ⅰ等工程，下穿段石津干渠總退水渠為4 級(jí)渠道。渠道以全斷面混凝土襯砌作為主要防滲減糙措施，抗?jié)B等級(jí)W6，抗凍等級(jí)F150，采用現(xiàn)澆C25 混凝土襯砌?；炷涟搴?20 mm，下鋪30 mm 厚保溫板，沿石津干渠長(zhǎng)度方向設(shè)置伸縮縫，每隔4 m 在內(nèi)部填充聚乙烯閉孔泡沫板，填充深度30 mm，外封單組份聚氨酯密封膠。

2.穿越方案設(shè)計(jì)

2.1 線路及穿越位置選定

交叉位置與線路總體走向基本一致，“選在水流平緩的順直渠段上，施工現(xiàn)場(chǎng)交通條件良好，可以滿足場(chǎng)地要求”。

天然氣管道工程整體線路走向?yàn)槟媳弊呦?，綜合考慮線路走向及沿線周圍村莊及附近的建筑物分布情況，選定從S282 公路橋東側(cè)130 m 處穿越石津干渠。天然氣管道線路應(yīng)避開居民區(qū)，否則管線較長(zhǎng)會(huì)有安全隱患。

2.2 穿越方案選擇

2.2.1 開挖穿越

開挖穿越，通常適用于不通航、枯水季節(jié)流量小、水深淺、導(dǎo)流方便、沖刷深度小的季節(jié)性河流。但石津干渠下游供水目標(biāo)多任務(wù)重，不能停止供水。高速公路也需要車輛運(yùn)行，不能阻斷交通進(jìn)行施工，故此工程不適合采用開挖穿越。

2.2.2 頂管穿越

頂管穿越，地層適應(yīng)性較廣，基本適應(yīng)所有地層，設(shè)備少、工序簡(jiǎn)單。但開挖工作量大，施工工期較長(zhǎng)，投資大。此工程穿越長(zhǎng)度約1400 m，受頂管機(jī)能力限制，頂管長(zhǎng)度不宜太長(zhǎng)，故此工程不適合采用頂管穿越。

2.2.3 定向鉆穿越

定向鉆穿越對(duì)環(huán)境影響小，不會(huì)破壞其土體結(jié)構(gòu)，不開挖地面，不會(huì)受到季節(jié)天氣影響。在投資、環(huán)保、施工周期等方面相對(duì)于開挖和頂管穿越有很大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，管道地上焊接方便快捷，且安全可靠性高。

綜合比較，定向鉆穿越最為合適。

2.3 穿越工程方案設(shè)計(jì)

定向鉆曲率半徑取1500D，入土角為8°，穿越入土點(diǎn)選擇在距離北岸渠邊534 m 處，出土角為6°。出入土角、曲率半徑滿足《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50423-2013）的規(guī)定。穿越出土點(diǎn)選擇在距離南岸G1811 黃石高速路基邊752 m 處，距G307 路基邊419 m，出入土點(diǎn)距離石津干渠兩岸皆超過500 m。穿越處主要地層為粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、黏土和粉土，水平穿越段管頂設(shè)計(jì)高程為-6.64 m。下穿位置石津干渠渠底高程為16.06 m，定向鉆穿越水平段管頂距離石津干渠渠底為22.7 m。下穿段管道埋深滿足《其他工程跨越下穿鄰接河北省南水北調(diào)配套工程設(shè)計(jì)及安全評(píng)價(jià)技術(shù)要求(試行)》（河北水務(wù)集團(tuán)2016 年10月）的規(guī)定。

3.穿越管道設(shè)計(jì)

3.1 管道壁厚

由于南水北調(diào)工程的重要性，石津干渠等級(jí)為大型，且出入土點(diǎn)位于河北平原河湖濱岸帶敏感生態(tài)保護(hù)紅線二級(jí)保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，為了保證工程的安全性，設(shè)計(jì)系數(shù)需要提高一個(gè)等級(jí)，管道壁厚加厚。經(jīng)計(jì)算一般段管道壁厚選用22 mm，此次穿越工程計(jì)算壁厚為27.45 mm，穿越段設(shè)計(jì)管道壁厚選擇32 mm。管道壁厚計(jì)算見表1。

表1 管道壁厚計(jì)算

3.2 定向鉆回拖力

根據(jù)《油氣輸送管道工程水平定向鉆穿越設(shè)計(jì)規(guī)范》（SY/T6968-2013）技術(shù)規(guī)定及工程經(jīng)驗(yàn)，“不充氣回拖時(shí)，回拖力按計(jì)算值的3 倍選取，取最大值驗(yàn)證”。

式中：

FL―穿越管段回拖力（拉力）（kN）；

L―穿越管段長(zhǎng)度（m）；

f―摩擦系數(shù)，取0.3；

D―鋼管的外徑（m）；

γm―泥漿重度kN/m3，可取10.5～12.0，取11；

γs―鋼管重度kN/m3，可取78.5；

δ―鋼管壁厚（m）；

Wf―回拖過程中管道單位長(zhǎng)度配重（kN/m），按主管道規(guī)格計(jì)算；

K―黏滯系數(shù)（kN/m2），一般取0.18。

經(jīng)計(jì)算FL=1358 KN。按最不利影響計(jì)算，取3 倍的回拖力，為4074 kN，選取回拖力大于4074 kN 的鉆機(jī)即可進(jìn)行穿越施工。

3.3 注漿壓力分析

正常情況下，定向鉆孔洞會(huì)受到孔壁內(nèi)壓力Pa 和上覆土體自重應(yīng)力土的共同作用。定向鉆孔壁受力公析示意如圖2所示。其中，Pa 為泥漿浮力（σ液=γ液×h液）和泥漿壓力Pc 之和；土層自重應(yīng)力σ土=γ土×h土，h土是定向鉆孔洞的上覆土層厚度。

圖2 定向鉆孔壁受力分析示意

當(dāng)孔壁內(nèi)壓力Pa 較小時(shí)，孔洞四周土體全部處于彈性形變。當(dāng)孔壁內(nèi)壓力增大到一定數(shù)值時(shí)，孔壁土體進(jìn)入塑性區(qū)，四周處于屈服狀態(tài)?！半S著孔壁內(nèi)壓力的持續(xù)增大，孔壁四周彈性區(qū)會(huì)不斷減小，形成環(huán)狀塑性區(qū)Rp，塑性區(qū)持續(xù)擴(kuò)大，孔壁四周土體依舊是彈性狀態(tài)”。當(dāng)環(huán)狀塑性區(qū)達(dá)到定向鉆孔洞上覆土層厚度時(shí)，土層會(huì)發(fā)生劈裂冒漿。

因此，計(jì)算分析定向鉆擴(kuò)孔、回拖過程中上覆土體所能承受的最大孔壁內(nèi)壓力至關(guān)重要，是影響定向鉆施工的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

式中：

Pf—第一次出現(xiàn)塑性形變時(shí)的泥漿壓力（kPa）；

φ—土體的內(nèi)摩擦角；

σ0—鉆孔頂部σ 土與σ 水之和；

c—土體的內(nèi)聚力（kPa）；

r0—鉆孔孔徑（m）；

Rp—塑性區(qū)半徑（m）；

G—土體的切變模量（MPa）；

E—土層的彈性模量（MPa）；

μ—泊松比（取值為0.3）。

環(huán)空壓力應(yīng)小于孔壁能承受的最大內(nèi)壓力Pa,max，才能確保定向鉆擴(kuò)孔、回拖期間不會(huì)發(fā)生劈裂冒漿現(xiàn)象。環(huán)空壓力控制在孔壁能承受的最大內(nèi)壓力Pa,max以下，不會(huì)發(fā)生因泥漿壓力過大，而引起渠道隆起變形。

考慮實(shí)際情況，穿越處地層巖性的不均勻性，應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果取合適的安全系數(shù)。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，一般在鉆孔、擴(kuò)孔和回拖過程中，將孔內(nèi)泥漿壓力控制在0.8Pa,max以內(nèi)較為合理。

4.施工難點(diǎn)

在定向鉆施工期間，如果控制不好各項(xiàng)指標(biāo)，容易發(fā)生冒漿，沙土地層穿越容易塌孔，黏性土地層穿越容易抱鉆桿，且該工程由于管徑較大穿越長(zhǎng)度較長(zhǎng)，不易控制，可能導(dǎo)致穿越困難。

4.1 地面沉降

定向鉆擴(kuò)孔及管道回拖過程中，孔道內(nèi)應(yīng)一直布滿泥漿，定向鉆泥漿作用之一就是孔道護(hù)壁穩(wěn)定孔道的作用，且管道回拖后，孔道內(nèi)泥漿用微膨脹水泥砂漿進(jìn)行置換，固結(jié)后，定向鉆孔道內(nèi)不存在空隙，控制好泥漿壓力，不會(huì)造成石津干渠的沉降，但為保證施工的安全性，施工期間應(yīng)對(duì)地面沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

預(yù)防措施：選擇合適的擴(kuò)孔設(shè)備，擴(kuò)孔時(shí)盡量減少管道之間的空隙，管道回拖后立即對(duì)孔道內(nèi)泥漿用注漿機(jī)采用水泥凈漿進(jìn)行置換。

對(duì)養(yǎng)老地產(chǎn)所應(yīng)提供的養(yǎng)老服務(wù)，目前我國(guó)尚未建立標(biāo)準(zhǔn)管理體系，養(yǎng)老服務(wù)的相關(guān)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)和養(yǎng)老服務(wù)評(píng)估制度均有待建立。在養(yǎng)老地產(chǎn)項(xiàng)目中，單純依靠開發(fā)商建造、開拓醫(yī)療資源還不太現(xiàn)實(shí)，人才、資金和平臺(tái)都是無法克服的障礙[13]。

4.2 塌孔

建立高質(zhì)量的泥漿體系，縮短泥漿浸泡時(shí)間，加入高分子添加劑支撐護(hù)壁，使其性能穩(wěn)定，起到懸浮穩(wěn)固的作用，同時(shí)還會(huì)大大降低巖屑床的形成。在鉆進(jìn)過程中，要特別注意，開泵下鉆速度不要太快，否則鉆具的機(jī)械會(huì)對(duì)孔壁造成巨大的壓力撞擊，因此要保證泥漿和鉆進(jìn)工藝的質(zhì)量。

4.3 冒漿預(yù)防

定向鉆施工期間很容易發(fā)生冒漿情況，特別是定向鉆曲線鉆進(jìn)過程中，受地層巖性復(fù)雜程度、施工設(shè)備參數(shù)以及泥漿配比等多方面因素，導(dǎo)致施工進(jìn)度受阻，還會(huì)對(duì)南水北調(diào)水質(zhì)造成嚴(yán)重污染。因此，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制，從曲線設(shè)計(jì)、地層選擇、施工參數(shù)控制、泵壓控制及泥漿配比幾方面避開管道的冒漿。

定向鉆施工過程中，泥漿泵壓是引起地面冒漿的最直接原因，但是泥漿泵壓與鉆進(jìn)推進(jìn)壓力、鉆進(jìn)速度及泵量均成正比，即相同情況下推進(jìn)壓力越大、鉆機(jī)速度越快、泥漿泵量越大則環(huán)空壓力越大，越有可能造成對(duì)地層承載體造成破壞從而發(fā)生冒漿。

因此，把泥漿泵的出口壓力Pc 控制在合理數(shù)值時(shí)，發(fā)生冒漿的可能性會(huì)減小。

定向鉆各階段防止冒漿的控制措施有3 種。

4.3.1 導(dǎo)向孔階段

4.3.2 擴(kuò)孔階段

擴(kuò)孔期間前半段的準(zhǔn)備，要利用泥漿的流動(dòng)特性把管道內(nèi)的碎渣排出，因此要加入較大的泥漿含量。施工期間，如果發(fā)現(xiàn)擴(kuò)孔中斷，要立即減少泥漿含量，使泥漿從原位置排出，等到距離入土點(diǎn)較近時(shí)再提高泥漿含量。

4.3.3 回拖階段

管道回拖過程中，速度不能太快，穿越管道孔內(nèi)要布滿泥漿，管道慢慢進(jìn)入定向鉆孔洞，孔內(nèi)的泥漿被管道擠出。防止孔壁阻塞，引起冒漿憋壓，要根據(jù)擴(kuò)孔的實(shí)際情況適當(dāng)增加洗孔次數(shù)，讓泥渣順利排出。

4.4 泥漿工藝

定向鉆穿越工程至關(guān)重要的因素是維持孔壁的穩(wěn)定，不發(fā)生塌孔現(xiàn)象。因此鉆進(jìn)過程中泥漿需要順利將孔壁內(nèi)渣屑攜帶排出鉆孔外，形成完好的孔壁。如果鉆進(jìn)過程中，鉆屑沒有及時(shí)排出發(fā)生塌孔現(xiàn)象，會(huì)使機(jī)械卡斷，形成巨大的回拖力，導(dǎo)致管線拖不過去，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致穿越鉆進(jìn)工程的失敗。

因此，在泥漿配比過程中，要加大用量，使泥漿黏著在孔壁四周，保證不塌孔。注意中、粗砂地層成孔能力弱，在擴(kuò)孔時(shí)要多注入泥漿用量，泥漿循環(huán)使用不超過24h，超過24h 泥漿成分會(huì)被分散、失效，達(dá)不到最佳效果，超過時(shí)泥漿應(yīng)進(jìn)行置換處理。按照規(guī)定泥漿配比增加泥漿含量，以達(dá)到規(guī)定配比。泥漿性能指標(biāo)按表2 進(jìn)行選擇。

表2 泥漿性能指標(biāo)

該工程地層巖性為細(xì)砂和粉土，泥漿性能按照表3 進(jìn)行配置。

表3 泥漿性能配置

4.5 封孔

定向鉆回拖時(shí)，管壁和孔壁間的泥漿收縮，很容易導(dǎo)致地面產(chǎn)生沉降。因此，應(yīng)采用多管拖頭將天然氣管道和加管塞注漿管一同拖入定向鉆孔中。注漿管為20#無縫鋼管，管徑DN25，長(zhǎng)度為天然氣管道的一半，回拖完成之后注漿管的另一端剛好位于天然氣管道的中間位置，確保二次注漿時(shí)注入的水泥漿液從定向鉆底部向鉆孔兩端返漿，逐步替換環(huán)形空間內(nèi)的泥漿。

此工程封堵除正常的填充縫隙之外還要起到防滲的作用，需采用0.55 水灰比的水泥砂漿+膨潤(rùn)土的配方進(jìn)行封堵。

注漿時(shí)為了避免水泥漿對(duì)石津干渠范圍的影響，控制注漿壓力比鉆孔時(shí)的泥漿壓力略低，注漿流速一般控制在5L/ min～10L/ min。注漿時(shí)間的長(zhǎng)短以達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量，且出、入土點(diǎn)兩側(cè)返漿均為水泥漿時(shí)為止，然后穩(wěn)壓5 min～10 min，確?？妆诳障痘靥蠲軐?shí)。

5.應(yīng)急預(yù)案

5.1 影響因素

施工過程中，可能導(dǎo)致定向鉆中斷的影響因素有：導(dǎo)向孔卡鉆、孔內(nèi)孔底沉積物導(dǎo)致回拖受阻、塌孔、冒漿。

5.2 應(yīng)急措施

5.2.1 導(dǎo)向孔卡鉆的應(yīng)急措施

施工過程中，發(fā)現(xiàn)泥漿壓力小于管道設(shè)計(jì)壓力時(shí)，立即停工，降低泥漿壓力，鉆桿往鉆機(jī)方向用力回拉，再慢慢推進(jìn)鉆桿；施工過程中，發(fā)現(xiàn)泥漿的壓力大于管道設(shè)計(jì)壓力時(shí)，以防密閉空間內(nèi)泥漿壓力過大設(shè)備損壞，要立即關(guān)停泥漿泵，鉆桿往鉆機(jī)方向用力回拉。

5.2.2 管線回拖受阻時(shí)的應(yīng)急措施

當(dāng)管道回拖受阻位置距離較短時(shí)，用力往出土點(diǎn)方向拉；當(dāng)管道回拖受阻位置較長(zhǎng)接近出土點(diǎn)時(shí)，用力往鉆機(jī)方向推動(dòng)；管道回拖受阻位置在中間時(shí)，往入土或者出土方向均可考慮。但管道在土層中回拖受阻，應(yīng)用推動(dòng)方法，成功的可能性會(huì)更高。

5.2.3 塌孔應(yīng)急措施

根據(jù)返漿時(shí)攜帶出的殘?jiān)?，推斷出塌孔位置的地質(zhì)條件。根據(jù)鉆桿的長(zhǎng)度推出擴(kuò)孔器的位置，增加洗孔次數(shù)，適當(dāng)增加泥漿壓力和黏性，及時(shí)調(diào)整比例。

5.2.4 冒漿應(yīng)急措施

施工過程中遇到該現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)確?？妆诘耐暾?，減小洞內(nèi)的壓力，起鉆的同時(shí)注漿，小排量灌漿使孔洞內(nèi)更加順暢，達(dá)到預(yù)防效果。對(duì)于泥漿壓力的監(jiān)測(cè)采用定向鉆穿越鉆機(jī)所配置的泥漿表進(jìn)行直接觀測(cè)，可以直接讀取整個(gè)鉆進(jìn)過程中的時(shí)時(shí)泥漿壓力變化。

6.結(jié)語

此文重點(diǎn)分析了在長(zhǎng)距離大管徑穿越中，影響定向鉆的關(guān)鍵因素及指標(biāo)，詳細(xì)描述了施工注意事項(xiàng)、泥漿配置、設(shè)備選擇等，提出了定向鉆卡鉆、回拖受阻、塌孔、冒漿的預(yù)防措施及應(yīng)急預(yù)案，為其他類似工程提供參考性意見，對(duì)管道穿越工程有重大意義，提供了更多可行性。