韓 鑫

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335)

唐山樂(lè)亭菩提島海上風(fēng)電場(chǎng)300 MW示范工程是我國(guó)進(jìn)入北方地區(qū)的第一個(gè)大型海上風(fēng)電工程項(xiàng)目，本風(fēng)電工程的場(chǎng)址位于我國(guó)河北省唐山市兩港(京唐港、曹妃甸港)之間樂(lè)亭縣的海域，該場(chǎng)址南北長(zhǎng)約11.2 km，東西長(zhǎng)約6.8 km，場(chǎng)址中心距離岸線約16 km。本風(fēng)電工程總裝機(jī)容量等級(jí)為300 MW，共安裝75臺(tái)4 MW風(fēng)電機(jī)組，采用11回電壓等級(jí)為35 kV的海底電纜匯流后接至220 kV海上升壓平臺(tái)，再由海上升壓平臺(tái)匯流至海纜登陸點(diǎn)，在登陸點(diǎn)處轉(zhuǎn)換成陸纜，采用地埋陸纜的方式匯集至陸上集控中心。

陸用電纜登陸后緊挨著濱海大道北側(cè)向西布置，220 kV電纜除需要水平穿越濱海大道(南排淡溝中橋西側(cè))粉煤灰路基外，還要穿越濱海大道途經(jīng)的涵洞底部，其中涵洞底部下方為碎石樁。如果該段采用開(kāi)挖直埋電纜的方法進(jìn)行施工，不僅會(huì)大大增加施工難度和費(fèi)用，而且對(duì)整個(gè)項(xiàng)目工期產(chǎn)生不利影響；因此施工應(yīng)盡量減小穿堤對(duì)濱海大道防洪安全和正常運(yùn)行的不利影響，綜合考慮在途徑涵洞的5處地點(diǎn)，均采用水平定向鉆施工。

1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在進(jìn)行定向鉆施工設(shè)計(jì)之前，首先要掌握本工程電纜布置穿越路徑中的養(yǎng)殖池、排水管線的布置、以及途徑濱海大道兩側(cè)的地勘等相關(guān)資料，并要及時(shí)探測(cè)穿越路徑可能存在的障礙物，設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合工程的實(shí)際工況、后期施工過(guò)程中可能存在的民生性問(wèn)題、安全性問(wèn)題，復(fù)審電纜敷設(shè)采用定向鉆的方案，并進(jìn)行方案改進(jìn)并最終敲定，設(shè)計(jì)方案初步成型后應(yīng)與實(shí)際施工單位溝通，討論后期具體施工中可能會(huì)存在的問(wèn)題并加以改進(jìn)方案。

對(duì)于本工程中開(kāi)挖直埋法與定向鉆穿越法優(yōu)劣見(jiàn)表1。

表1 兩種方法優(yōu)劣對(duì)比表

綜合考慮之后，該工段決定采用非開(kāi)挖定向鉆方法施工，考慮到海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行周期較長(zhǎng)，一般為25年，水平定向鉆施工段無(wú)法設(shè)置檢修工作井，為盡量減少后期維修成本，應(yīng)選擇MPP管作為施工管材。MPP管材與PE管材相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①?gòu)?qiáng)度高，偏于施工過(guò)程中拖拉；②具有較高的熱變形溫度；③表面電阻系數(shù)大，不導(dǎo)電；④綠色環(huán)保建材。

當(dāng)工程采用定向鉆技術(shù)進(jìn)行施工時(shí)，根據(jù)以往電力工程經(jīng)驗(yàn)，為方便定向鉆施工，選擇的敷設(shè)管道外徑通常不會(huì)超過(guò)100 cm。本工程進(jìn)行嚴(yán)密地比選，以及綜合考慮管材除了要考能管道本身所要承受管內(nèi)的壓強(qiáng)、管外的動(dòng)荷載和靜荷載之外，還需要能夠承受后期過(guò)程中存在的回拖力。選擇柔性管材作為本海上風(fēng)電工程中使用的定向鉆管材，管材的性能比較見(jiàn)表2。

2 實(shí)際參數(shù)

考慮到施工成本和工程實(shí)際，本文選取5段水平定向鉆施工中環(huán)境最?lèi)毫拥囊欢芜M(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算說(shuō)明，該段定向鉆入土點(diǎn)和出土點(diǎn)高程均為1.0 m，平直段高程分別為1.73 m和1.97 m，水平定向鉆最深入土高程為-6.0 m，導(dǎo)向軌跡一般是由“平直段(入土點(diǎn)側(cè))—過(guò)渡段—直線段—曲線段—直線段—曲線段—直線段—過(guò)渡段—平直段(出土點(diǎn)側(cè))”，軌跡圖如圖1所示。

表2 MPP管材相關(guān)性能表

圖1 水平定向鉆軌跡圖

1)入(出)土角度確定。為保證MPP回拖以及后期電纜的拖拽順利進(jìn)行，角度不易過(guò)大，結(jié)合管材性質(zhì)取入土點(diǎn)角度為15°，出土點(diǎn)角度為20°。

2)MPP管最小曲率半徑。取值應(yīng)大于等于75D，D為管徑，曲率半徑定為20 m。

3)鉆孔軌跡的運(yùn)動(dòng)曲線半徑跟施工時(shí)所采用的鉆桿直徑有關(guān)，應(yīng)滿足R≥1 200D，工程實(shí)際采用直徑為80 mm的鉆桿，設(shè)計(jì)的曲線半徑為100 m。

4)回拖力的估算，針對(duì)定向鉆運(yùn)動(dòng)軌跡分為四段計(jì)算回拖力[1]。

TA=efgβfgwp(L1+L2+L3+L4)

(1)

TB=efhβ(TA+fh|wf|L2+wfH-fgwpL2efgβ)

(2)

TC=TB+fh|wf|L3-efhβ(fgwpL3efgβ)

(3)

TD=efhα[TC+fh|wf|L4-wfH-efhβ(fgwpL4efgβ)]

(4)

式中：TA、TB、TC、TD為A、B、C、D點(diǎn)處管道所受回拖力，kN；L1為由于管道焊接和熱收縮而額外增加的管段長(zhǎng)度，m；L2為管道入土側(cè)曲線段所對(duì)應(yīng)的水平長(zhǎng)度，m；L3為路徑最大埋深處水平延伸距離，m；L4為路徑出土側(cè)曲線段所對(duì)應(yīng)的水平長(zhǎng)度，m；H為路徑最深埋深，m；α為入土角，°；β為出土角，°；fg為管道與地面之間的摩擦系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值0.5；wp為單位長(zhǎng)度管道重力，MPP管取0.428 kN/m；wf為單位長(zhǎng)度管道所受凈浮力，該工程中取0.063 kN/m。

經(jīng)計(jì)算TA=3.09 kN；TB=9.83 kN；TC=14.11 kN；TD=18.15 kN。

5)工作坑的設(shè)置。為保證水平定向鉆的施工順利進(jìn)行，應(yīng)在定向鉆的入土點(diǎn)和出土點(diǎn)設(shè)置工作坑，應(yīng)該確保能夠放置施工機(jī)械并能進(jìn)行正常的施工操作。

6)擴(kuò)孔。主要目的是為了在已有的軌跡路線放大至管道直徑大小以便于后期MPP管后期回拖，擴(kuò)孔時(shí)一般采用逐級(jí)擴(kuò)孔，最終形成孔徑約為管徑的120%～150%。本工程采用150 mm，300 mm擴(kuò)孔器進(jìn)行擴(kuò)孔。擴(kuò)孔結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行清孔，避免后期拖管過(guò)程中孔內(nèi)尖銳物體對(duì)MPP管造成劃傷。

7)管道回拖。擴(kuò)孔結(jié)束后為避免孔道崩塌應(yīng)立即進(jìn)行管道回拖，首先對(duì)孔內(nèi)注水，為MPP管提供浮力，減少摩擦阻力。

管道回拖過(guò)程中，回拖時(shí)的角度應(yīng)盡量與之前定向鉆的出土角度一致，應(yīng)保持回拖軌跡與定向鉆軌跡吻合，在沒(méi)有特殊情況的前提下，避免塌孔的現(xiàn)象出現(xiàn)，MPP管要一次性完成回拖。在等待電纜穿管之前，為了避免管內(nèi)落入異物，擴(kuò)孔結(jié)束后應(yīng)及時(shí)封堵管道的兩端，并對(duì)管內(nèi)采用注漿加固；同時(shí)要測(cè)得實(shí)際的路徑并作好記錄，便于運(yùn)營(yíng)單位日后的維護(hù)及管理。在MPP管道回拉完成后，考慮到管道在回拖時(shí)受力作用下會(huì)有一定程度的拉長(zhǎng)，同時(shí)工程所在地的溫差會(huì)對(duì)HDPE材質(zhì)的管道長(zhǎng)度會(huì)有一定的不利影響，管材與附近土壤需要間隔一段時(shí)間后才能趨于一個(gè)熱平衡狀態(tài)[2]，這樣才能防止管道的回縮，不會(huì)影響管道連接的穩(wěn)定性。因此，MPP管敷設(shè)完成后，應(yīng)等待24 h后再進(jìn)行切割、連接操作。

3 定向鉆施工工藝

電纜敷設(shè)管道穿越施工時(shí)導(dǎo)向鉆機(jī)器安裝在路邊，從圖1入土點(diǎn)位置開(kāi)始鉆進(jìn)，鉆頭在出土點(diǎn)位置出土，然后在由出土點(diǎn)由外向內(nèi)沿鉆孔路徑回拉擴(kuò)孔，并將管道敷設(shè)到位，具體施工流程如下：

1)鉆孔路徑設(shè)計(jì)。根據(jù)相關(guān)地勘資料設(shè)計(jì)管線路徑，包括關(guān)鍵部位的埋深、轉(zhuǎn)彎半徑，以及各段的長(zhǎng)度。

2)施工前的準(zhǔn)備。將鉆機(jī)工作范圍內(nèi)的地面進(jìn)行整平，盡量不要存在較大的傾角。根據(jù)本工程實(shí)際情況，應(yīng)在鉆入和鉆出口附近均需要開(kāi)挖工作坑，用來(lái)放置鉆機(jī)設(shè)備。

3)設(shè)備進(jìn)場(chǎng)就位安裝。在工程預(yù)算允許的前提下，盡量應(yīng)選用大功率鉆機(jī)，機(jī)器本身具有強(qiáng)大的抗扭矩力，可以有效地避免在遇到回填土或局部障礙時(shí)造成的卡鉆現(xiàn)象的發(fā)生，并且大大地提高了該工段定向鉆施工穿越的成功率。在遇到穿越障礙時(shí)可以改變曲線的曲率來(lái)繞過(guò)障礙物，順利完成MPP管地敷設(shè)。

高壓沖洗必須伴隨整個(gè)定向鉆施工過(guò)程。如果是施工的地層為黏性土壤，可以直接高壓灌入清水進(jìn)行沖洗，其他的土層則需注入定量的化學(xué)泥漿[3]進(jìn)行沖洗，另外，在現(xiàn)場(chǎng)必須提供相應(yīng)的水源。

制作泥漿需要根據(jù)本項(xiàng)目的《巖土工程勘察報(bào)告》，來(lái)確定穿越曲線設(shè)計(jì)參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際土質(zhì)情況，確定泥漿性能參數(shù)。

4)鉆機(jī)的導(dǎo)向鉆頭上裝設(shè)有信號(hào)發(fā)射裝置，可以根據(jù)預(yù)定的軌跡進(jìn)行導(dǎo)向孔施工，整個(gè)過(guò)程，鉆機(jī)操作人員應(yīng)同步對(duì)實(shí)際軌道與預(yù)定軌道監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)鉆頭的位置、深度和水平傾斜角出現(xiàn)偏差時(shí)應(yīng)及時(shí)糾正。

5)導(dǎo)向鉆完成軌道施工后，應(yīng)在軌道的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)孔施工，此時(shí)應(yīng)該將之前的鉆頭換成流線型的擠擴(kuò)鉆頭來(lái)進(jìn)行下一步的擴(kuò)孔施工，當(dāng)逐級(jí)擴(kuò)孔回拉工作進(jìn)行到最后一級(jí)時(shí)，鉆頭應(yīng)與管道鏈接。在回拉擴(kuò)孔的同時(shí)應(yīng)該要把管道牽引進(jìn)入成型的孔道內(nèi)。

6)清理施工現(xiàn)場(chǎng)，施工設(shè)備撤場(chǎng)。

7)使用穿管器引入穿纜線，穿入電纜及光纜。

8)施工過(guò)程中產(chǎn)生的大量泥漿，拉管拉完后，用泥漿專(zhuān)用車(chē)，吸收泥漿，清理現(xiàn)場(chǎng)。

4 工程實(shí)際

采用水平定向鉆施工，施工工期短，一周左右便可完成，工程量小。目前，該海上風(fēng)電工程采用定向鉆方式跨越涵洞、養(yǎng)殖池的工程段已經(jīng)順利完成，并且首臺(tái)風(fēng)機(jī)已經(jīng)運(yùn)行發(fā)電。據(jù)該工程的運(yùn)維部門(mén)及相關(guān)市政部門(mén)的反映，這5段采用定向鉆技術(shù)施工工期不到1個(gè)月的時(shí)間，工期與開(kāi)挖電纜溝敷設(shè)電纜的工期相比明顯縮短；而且在整個(gè)過(guò)程中未對(duì)養(yǎng)殖池及濱海大道兩側(cè)產(chǎn)生原狀破壞，在施工期間濱海大道保持正常通行，未對(duì)當(dāng)?shù)亟煌óa(chǎn)生阻礙；工程范圍內(nèi)所敷設(shè)的其他管道也未受到影響，屬綠色環(huán)保型施工工藝。該海上風(fēng)電工程自首臺(tái)風(fēng)機(jī)發(fā)電運(yùn)行以來(lái)，整條線路運(yùn)行狀態(tài)良好，沒(méi)有出現(xiàn)不利影響。