劉玉寶 劉海山中國石化銷售有限公司華北分公司, 天津 300341

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油氣管道連續(xù)穿越多種軌道交通線路研究

劉玉寶 劉海山
中國石化銷售有限公司華北分公司, 天津 300341

油氣管道連續(xù)穿越電氣化鐵路、城市輕軌和城際高鐵,采用單一的定向鉆或頂管施工工藝都無法滿足其安全要求。為確保施工順利完成,對頂管結(jié)合定向鉆穿越施工工藝進行了研究,對施工過程控制進行了梳理。該方案有效降低了施工難度,縮減了施工周期,節(jié)省了工程投資,技術(shù)可靠，具有較高的經(jīng)濟效益和應用推廣價值。

油氣管道；穿越工程；定向鉆；頂管

0 前言

定向鉆和頂管兩種穿越施工工藝,常用于管道穿越鐵路、公路、河流等障礙物。頂管穿越施工工藝是在工作坑內(nèi)借助頂進設備產(chǎn)生的頂力,克服管道與周圍土壤的摩擦力,將套管按設計的方案頂入土中至接收坑,然后在套管內(nèi)敷設管道完成穿越施工。頂管穿越,地面壓力載荷由套管承擔,保護套管內(nèi)的工作管道,不影響穿越區(qū)域的地基承載力,一般情況下超過100m,施工作業(yè)需要增加中繼站,施工難度大,技術(shù)要求高,主管道安裝難度較大。定向鉆穿越施工工藝是利用水平定向鉆機,按照設計軌跡鉆一個導向孔,然后利用擴孔器進行擴孔,擴孔完成后將待敷設的管道拉入鉆孔,完成敷管作業(yè)。定向鉆穿越施工在長距離穿越工程中優(yōu)勢明顯,鄭州—湯陰成品油管道定向鉆穿越黃河主河槽達3 000m,江都—如東天然氣管道工程管道定向鉆穿越長江達3 300m,定向鉆穿越長度不斷刷新紀錄。頂管和定向鉆穿越施工工藝在油氣長輸管道穿越工程中的研究和應用較多,技術(shù)已非常成熟,但結(jié)合兩種穿越技術(shù)完成穿越施工的研究和實踐較少。若在頂管穿越施工完成后,利用定向鉆穿越施工對準頂管套管進行導向鉆孔,然后利用定向鉆回拖管道,完成管道安裝,對降低管道穿越工程施工難度,縮短施工周期和降低施工成本具有積極意義。

1 工程背景

某成品油長輸管道,全長155km,設計輸量400×104t/a,設計壓力9.5MPa,管徑406.4mm,采用L415直縫電阻焊鋼管。該工程在天津市濱海新區(qū)TJI127～TJI128號樁間,從南向北依次穿越津山鐵路、津濱輕軌及京津城際高鐵延長線(規(guī)劃階段)。按照主管部門意見及相關技術(shù)要求,采用在鐵路路基下12.93m,Φ1 550mm套管頂管穿越津山鐵路；穿越京津城際高鐵段(該段是高架橋,下方是魚塘)要求在兩橋墩中間地面下6m通過,套管直徑不大于500mm,防止擾動橋墩,影響橋墩承載力；中間穿越津濱輕軌段應用樁距1m的等腰三角形樁陣加固軟土路基,只能在樁底3m以下,即地面12m以下通過。津山鐵路和津濱輕軌間距約60m,中間有1條水渠、鐵路自閉線及多條國防光纜,京津城際高鐵延長線與津濱輕軌間距約30m,下方為大片魚塘。

經(jīng)過現(xiàn)場多次調(diào)查和反復論證,為了兼顧3條軌道交通線路安全技術(shù)要求,降低施工難度和安全風險,最終確定穿越方案為在津山鐵路南側(cè)路基下12.93m頂管穿越津山鐵路,接收坑設在津山鐵路和津濱輕軌之間；在津山鐵路頂管工作坑南側(cè)應用定向鉆向北經(jīng)頂管發(fā)送坑—水泥套管—頂管接收坑后,依次穿越津濱輕軌和京津城際高鐵延長線,出土點設在京津城際高鐵延長線下方魚塘岸邊,主管道回拖至頂管工作坑,然后利用2個90°彎頭和一段直管段在發(fā)送坑內(nèi)連頭,完成管道安裝，見圖1。

圖1 穿越工程方案示意圖

該穿越工程主要工作分為鐵路頂管施工、主管道預制、定向鉆施工、井下連頭4部分,主要施工作業(yè)工序見圖2。

圖2 主要施工作業(yè)工序示意圖

2 施工過程控制

2.1 頂管穿越津山鐵路

津山鐵路是雙線電氣化無縫鐵路,穿越位置位于直線段k172+139.14m處,穿越中心線與津山鐵路成90°15′,水泥套管為3m×24節(jié),管頂至軌底覆土12.93m,自然地面下深度11m,Φ1.55m,型號T16鋼筋混凝土涵管,管口為承插式套環(huán),管口接縫處為頂管橡膠墊。

2.1.1 準備工作

辦理鐵路頂管相關審批手續(xù)和慢行計劃申請,簽訂施工安全協(xié)議,得到鐵路主管部門批復后進場施工；和鐵路有關單位現(xiàn)場對接供電、通信、電務等管線設施位置和標高；對頂管工作坑、接收坑、頂管的方向進行測量放線,確保管線中心線準確無誤,工作坑上架空自閉線進行落地處理。

2.1.2 工作坑、接收坑支護

基坑內(nèi)設4道雙拼40b工字鋼圍梁和斜支撐,加強整體性。當機械開挖距離設計基底標高200mm以上時,停止機械開挖,采用人工開挖,避免擾動基底應力。

2.1.3 導軌安裝

后背墻采用c25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(6m×2m×1m),后背墻與頂鎬之間加300mm厚鋼后背梁；工作坑內(nèi)鋪設300mm厚碎石墊層,平整夯實,澆筑c20混凝土,厚度500mm；底板上預埋錨栓與導軌進行焊接,底板底部設3道地錨梁,間隔2m。

2.1.4 頂進施工

基坑內(nèi)水平布置4臺500t千斤頂,采用0.5m厚頂靴,確保套管管端受力均勻。套管外壁均勻涂刷潤滑劑,將套管放置在導軌上,對涵管前端和后端的高程及管節(jié)的中心線測量合格后方可頂進。在首節(jié)涵管前安裝導向機頭,導向機頭內(nèi)安裝4臺50t液壓千斤頂,隨時調(diào)整頂進方向，頂管機頭千斤頂布局見圖3。采用機頭切土頂進方式,當機頭入土400～600mm后,只開挖機頭內(nèi)的土方確保路基穩(wěn)定。首節(jié)涵管每頂進200～300mm就對中心線及高程測量一次,后續(xù)套管每頂進400～600mm測量一次。涵管承口端與插口端有環(huán)形間隙,在管靠近承口端的內(nèi)壁上沿周向均勻分布3個泥漿孔Φ22mm,兩節(jié)涵管中間加設承壓鋼套環(huán)。

圖3 頂管機頭千斤頂布局

2.1.5 路基加固

2.2 主管道預制

2.3 定向鉆穿越施工

2.3.1 水泥套管內(nèi)支架及鋼套管安裝

定向鉆導向套管選用Φ219mm×6mm鋼管焊接；等腰三角形套管支架用工字鋼300mm×126mm×9mm制作,梁尺寸為套管內(nèi)徑1.5m,底邊及兩斜邊與Φ219mm×6mm鋼管(定向鉆導向套管)相切；在支架支撐的3個末端用厚20mm弧形鋼板進行過度焊接。

頂管完成后,在水泥套管內(nèi)每5m安裝1個支架,用膨脹螺栓固定。定向鉆導向套管井下焊接,并與套管支架三邊接觸處焊接牢固,水泥套管兩端端口支架與井內(nèi)護臂支架焊接固定,確保定向鉆導向套管穩(wěn)定牢固,在定向鉆鉆孔、擴孔過程中起到支撐作用。水泥套管內(nèi)支架及鋼套管安裝,見圖4。

a)水泥厭管內(nèi)支架

b)鋼套管安裝圖4 水泥套管內(nèi)支架及鋼套管安裝示意圖

2.3.2 頂管靠背拆除

待頂管完成后,將頂管用的鋼筋混凝土靠背和立柱進行人工拆除。

2.3.3 測量放線

根據(jù)設計平面圖坐標并結(jié)合現(xiàn)場,用全站儀測出線路走向的中心位置,確定定向鉆入土點和出土點位置。入土點距離頂管工作坑162m,穿越軸線和頂管軸線重合。出土點在京津城際延長線及魚塘以北,距離頂管接收坑290m。定向鉆導向全長536m,管道擴孔、回拖366m。

2.3.4 干擾源排查

施工作業(yè)現(xiàn)場有高壓電線、鐵軌等信號干擾源,降低信號干擾強度,保證導向的準確度,定向鉆鉆孔導向采取有線制導。

2.3.5 泥漿控制

泥漿貫穿導向鉆孔、擴孔、洗孔、管道回拖施工全過程,具有傳遞切削動力，攜帶和懸浮鉆屑,穩(wěn)定孔壁,冷卻和沖洗鉆頭,防止塌孔、卡鉆和冒漿及潤滑作用。該定向鉆為單邊定向鉆,泥漿粘度低易導致鉆孔內(nèi)泥漿流大量涌入鐵路頂管基坑和套管內(nèi),無法發(fā)揮作用。為了保證鉆孔內(nèi)泥漿充足,防止泥漿流失過快,結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件和以往施工經(jīng)驗,將泥漿的漏斗粘度初步定為80s[6]。

為了控制泥漿失水、增加泥漿的懸浮和攜帶碎屑能力,在提高泥漿粘度的同時增大泥漿中降濾失劑比例。在導向、擴孔、洗孔、回拖各階段中控制好泥漿的壓力和流量,保證入土側(cè)一直有泥漿回流。

2.3.6 鉆孔導向控制

該工程順利實施的關鍵是精確控制導向,確保鉆頭在導向水平段進入工作坑,并且鉆頭軌跡與導向套管軸線重合,確保導向鉆頭能夠順利進入導向套管。本次穿越施工使用150t鉆機,采用巖石動力鉆具,以入土角為6°,曲率半徑為1 200d鉆導向孔[4]，逐漸縮小鉆進角度,導向鉆進106.7m后為水平段，隨時監(jiān)控和調(diào)整鉆桿位置,確保導向水平段和導向套管軸線重合。鉆桿進入頂管工作坑,距離坑底約1m,經(jīng)套管內(nèi)的鋼套穿過頂管接收坑后,繼續(xù)向前鉆進至出土點。

2.3.6.1 坐標定位

用全站儀定入土點、出土點及水泥套管外側(cè)坐標,并測出工作坑后壁中心位置2根鋼筋混凝土灌注樁中間的坐標,連同其余位置設計曲線坐標一同輸入鉆機控向系統(tǒng)。

2.3.6.2 鉆機安裝

根據(jù)管道穿越中心線,調(diào)整鉆機左右位置,使鉆機中心線與管道穿越中心線重合。根據(jù)設計圖紙?zhí)峁┑娜胪两钦{(diào)整鉆機高度,使鉆機行走軌道和水平面的夾角符合設計要求。

2.3.6.3 磁方位角測量

在導向孔開鉆前,測量穿越中心線的磁方位角,這一數(shù)值是導向孔控向的原始依據(jù)數(shù)值,必須準確。采用全站儀在穿越中心線上的地表進行多點測量(通常出、入土側(cè)各取2個點),然后將各組數(shù)據(jù)進行分析對比,排除由于磁干擾導致的錯誤數(shù)據(jù),確定正確的磁方位角數(shù)值。如果各組數(shù)據(jù)相差較大(0.2°以上),則增加測量點2～4個,直到確定正確的數(shù)值。磁方位角作為定向鉆穿越工程最重要的控向數(shù)據(jù),是確保鉆孔導向精度的基礎。

2.3.6.4 精確控向

為了使導向孔嚴格按設計曲線鉆進,開鉆前對每1根鉆桿的鉆進要求都提前在圖紙上作好標注,重點控制單根鉆桿的鉆進質(zhì)量和整體曲線的質(zhì)量,每5m校正1次鉆頭位置,使施工曲線與設計曲線重合?？叵蛉藛T應嚴格按照設計曲線計算每次傾角的調(diào)整度數(shù),通過軌跡變化確定控向方向的變化；施鉆人員嚴格執(zhí)行控向人員的指令,按照指令進行操作,防止人為操作導致鉆孔偏移設計曲線。

2.3.7 擴孔

采用推拉式擴孔方式進行逐級擴孔,將孔擴大到Φ700mm。在擴孔器被拉進350m時,沿著導向孔洞推出,逐級擴孔。單邊鉆孔內(nèi)泥漿流失較快,在導向、擴孔、回拖過程中,用泥漿泵將流進基坑內(nèi)的泥漿及時稀釋、回收和處理。

2.3.8 管道回拖

將基坑及水泥套管內(nèi)泥漿清理干凈,拆除支架和鋼套管；水泥套管內(nèi)每5m放置砂袋,高度約20cm(便于絕緣支架的安裝)。向井內(nèi)注水至水泥套管的1/2高度(確保主管進入套管時處于漂浮狀態(tài))。在入土點后側(cè)開挖1條長約150m,深 1m的發(fā)送溝,并注滿水[7]。光纜套管和主管道分別獨立地連接在U形環(huán)上,防止2根管道在回拖過程中相互刮擦、擠壓和纏繞。在回拖主管的過程中,用擴孔器向管孔內(nèi)補入泥漿,確保管內(nèi)有足夠的泥漿潤滑,減少孔內(nèi)阻力。管道回拖150m時,對兩段主管道進行焊接、無損檢測和防腐補口,繼續(xù)回拖至露出工作井內(nèi)套管端口50cm。

2.3.9 絕緣支架安裝

用泥漿泵將井內(nèi)的水全部排出,主管由土袋支撐,卸下擴孔器,對主管道每2m安裝絕緣支架,距離套管兩端1m處安裝2個絕緣支架。

2.4 工作井管道連頭

用土袋覆蓋工作坑內(nèi)水泥套管端口和主管道,在頂管工作坑后背墻深2m處對井壁開鑿出2m×1m的孔洞,碎石用卷揚機運出井內(nèi),將管道回拖耳鼻切割,對管端進行打磨和制作焊接坡口。

嚴格控制碰死口管道組對錯邊量，最大錯邊量不大于1.6mm,且沿周長均勻分布,對口間隙控制在0.8～2.4mm,鋼管對接偏差不大于3°,管口100mm內(nèi)雜物清除干凈。采用低氫堿性焊條手工電弧焊,焊前應做到焊條烘干、管口預熱、防風防潮等關鍵措施,以保證焊接質(zhì)量。

根據(jù)實際尺寸將2個90°熱煨彎頭和直管段焊接,進行X射線檢測、超聲波檢測和防腐補口,用吊車吊入工作坑,用土袋支撐,用外對口器進行組對,井下焊接,焊縫外觀檢測合格后采用X射線和超聲波無損檢測,然后進行防腐補口和電火花檢測。

為了便于管道試壓,避免在彎頭上焊接和切割試壓封頭,在工作坑后背墻側(cè)開挖15m×1.5m×2m的管溝,用直管段和井口彎頭焊接,并安裝試壓封頭,進行嚴密性試壓[8]。

2.5 基坑回填

將定向鉆光纜套管沿連頭管段敷設至工作坑井口,并用防水木塞封堵,用紅磚、瀝青麻刀對頂管兩端水泥套管進行封堵。對工作坑、接收坑進行分層回填、夯實,并根據(jù)回填進度,逐步拆除工字鋼圍梁、斜支撐、爬梯和水泥樁后，進行地貌恢復[9]。

3 HSE措施

本工程在基坑內(nèi)進行安裝作業(yè),風險高、難度大,必須制定詳細的HSE保障措施和應急預案,落實安全防護措施，重點確保作業(yè)環(huán)境、施工人員用電安全。

4 結(jié)論

工程順利實施的關鍵是定向鉆入土導向控制準確,保證定向鉆導向水平段和水泥套管軸線重合；工程難點是水泥套管內(nèi)支架安裝和鋼套管焊接組裝；井下作業(yè)條件差,人員容易疲勞,必須做好安全防護措施；利用定向鉆精準導向,工作管道穿過水泥套管,回拖至頂管工作坑,降低了施工難度和施工成本,縮短了施工周期,充分證明了頂管技術(shù)和定向鉆穿越技術(shù)相結(jié)合的可行性及技術(shù)優(yōu)勢。

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[9]GB50369-2014,油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范[S].GB50369-2014,CodeforConstructionandAcceptanceofOil&GasTransmissionPipelineEngineering[S].

2015-01-04

劉玉寶(1979-),男,河北安平人,工程師,碩士,從事成品油管道工程建設管理工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.004