水平定向鉆進技術在城鎮(zhèn)燃氣管道的應用

摘 要

摘要：結合工程實例，介紹水平定向鉆進技術的施工工藝和在城鎮(zhèn)燃氣管道(PE管)工程中的應用，探討了施工的技術措施。關鍵詞：水平定向鉆進；PE管；燃氣管道穿越Application of Horizonta
摘要：結合工程實例，介紹水平定向鉆進技術的施工工藝和在城鎮(zhèn)燃氣管道(PE管)工程中的應用，探討了施工的技術措施。
關鍵詞：水平定向鉆進；PE管；燃氣管道穿越
Application of Horizontal Directional Drilling Technology to City Gas Pipeline Project
SU Qi
Abstract：Combined with an engineering example，the construction process of horizontal directional drilling technology and its application to city gas pipeline(PE pipe)project are introduced.and the technical measures of the construction are discussed.
Key words：horizontal directional drilling；PE pipe；gas pipeline crossing
   始于20世紀70年代的水平定向鉆進管道敷設技術，綜合了傳統(tǒng)的道路鉆孔、地質鉆探和油氣井定向鉆進技術，已成為一種完善的施工方法。它應用于穿越河流、水渠、街道、公路、鐵路、海灘、島嶼、建筑群來進行燃氣、石油、自來水、污水及其他管道敷設。
1 工程概況
   本項目為廣西南寧燃氣管道工程，位于南寧市主干道民族大道與城市內河竹排沖的交叉處，為民族大道燃氣管道工程的咽喉部位，需要穿越內河竹排沖。穿越的管道為Ø355mm、SDR11的PE燃氣管道，管道水平長度為189m，其中穿越竹排沖河面寬度為81m。施工現(xiàn)場屬于城市主干道，車流量大，施工場地狹小，人行道寬度僅有4m?，F(xiàn)場已經敷設的管線有電信、供電、排水、雨水、有線電視等管線。
2 施工設備
   非開挖導向孔鉆機：GBS-25型，最大輸出拉力為250kN，回轉速度為0～80r/min，動力頭扭矩為12kN·m；
   高壓泥漿泵：BW-250/50型；
   導航儀：TRAK Ⅲ型；
   導向鉆頭：Ø155mm斜拉式高壓噴射鉆頭；
   鉆桿：Ø73mm×3000mm高彈性摩擦鉆桿；
   擠壓式擴孔器：Ø110、210、310、410、610mm；
   擼孔鉆頭：Ø650mm；
   泥漿攪拌機：KLS2000型。
3 導向孔設計[1～3]
    竹排沖水平定向鉆工程導向孔軌跡剖面示意圖見圖1(圖中尺寸單位為m)。
    根據(jù)工程地質勘探資料，穿越竹排沖處的河道下有少量流沙層，為保證工程順利實施，需減小河床段導向孔的坡度。具體設計原則如下：
    ① 根據(jù)資料，河底有0.5～1.0m厚的淤泥層，且由于該內河在2年前城市美化改造的時候將河床東移了43.6m，因此河西側淤泥較深。以竹排沖橋面處地面作為基準面，標高定為±0.000(本文中的標高均以此作為基準面)，確定水平定向鉆在河西側為最低點，標高控制在-17.000～-18.000m范圍內。
 
② 由于河床地層為淤泥質粘沙層，鉆孔孔壁承受能力較弱，因此在河下段須以較小的入射角度和較大的彎曲半徑鉆孔，有利于導向孔施工和減小回擴孔鋪管的阻力。入射角度控制在0～+5°范圍內。
    ③ 由于穿越施工現(xiàn)場為南寧市的主要景觀道路，政府不允許施工作業(yè)時間過長，因此導向孔在河床段設計為接近直線。這就需要在河西側進入河水面以前就使導向鉆頭達到最低埋深，并保持接近水平狀態(tài)直線向河東側延伸，盡量減少在水面下的施工距離和時間。
   ④ 根據(jù)GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》[4]中6.3.11條的要求，導向孔設計水平長度為189m，其中入口段為45m，河床緩坡段為81m，出口段為63m，最低點為竹排沖西側，其相對標高為-17.600m。這是南寧燃氣管道工程一次性穿越敷設管道最長的工程。
4 導向孔施工
    該工程一次敷設管道水平長度189m，導向孔施工至關重要，直接影響到拉管的難易程度和工程的成敗。根據(jù)設計，結合實際導向鉆進情況及同類地層施工的經驗，選擇定向控制能力大的導向鉆頭，即斜掌面大的鉆頭，并加大噴嘴口徑，使泥漿在有一定的射流壓力的同時，又保證有足夠的流量，且使用優(yōu)質泥漿，保證定向鉆進時只需要提供較小的頂力。
    ① 導向孔入口段
    在入口工作坑相對標高為-1.200m的點4以入射角為-18°開始入射施工，當鉆頭在水平方向前進9m后開始逐步緩慢增加鉆頭上翹角，并保持與設計軌跡一致。當?shù)竭_水平距離為45m的點B時，相對標高為-17.600m，此時導向鉆頭已處于水平狀態(tài)，入射角為0°，以較圓滑的曲線完成了入口段導向孔。
   ② 過河底的緩坡段
由于河床地層為淤泥質粘沙層，施工時不僅要保持泥漿射流的高壓力和大流量，鉆桿還需要以60～70r/min的轉速均勻地給鉆頭輸出頂進壓力，并使鉆頭以較小的入射角度狀態(tài)快速前進。此時導航儀在水面木船上，快速跟蹤讀出數(shù)據(jù)，判斷出鉆進基本為水平狀態(tài)，入射角控制在0～4°，以3°居多。當鉆到河東岸邊水平距離到達126m的點C時，相對標高為-13.100m，向右偏出水平設計線的距離為0.23m。完全達到設計預期要求。
    ③ 導向孔施工出口段
    當出口段開始施工5m后遇到堅硬的巖石層，經過咨詢發(fā)現(xiàn)是廢棄的防空洞頂部，現(xiàn)場分析核算后為了避開防空洞，修改施工方案為：鉆頭后退回到點C加大入射角度(控制在13～15°)，繞開舊防空洞頂部以后，再調整入射角度為8～100繼續(xù)施工；施工采用緩慢頂進，并提高泥漿射流壓力和流量配合鉆頭施工，保證施工質量。當鉆頭水平距離到達189m的出口工作坑時，出口點D的入射角度為9.4°，相對標高為-1.300m。
5 擴孔、擼孔
    導向孔完成后，分4級即Ø210、310、410、610mm進行擴孔。擴孔過程中需要不停補充泥漿以保持泥漿的壓力，保持鉆孔孔徑均勻和孔壁穩(wěn)定，以滿足回拉鋪管的要求。
    在施工中使用孔徑為Ø650mm的擼孔鉆頭，比要拉入的PE管的直徑大，這是因為水平鉆孔只能把孔打出，部分土壓向孔壁，還有部分土在孔內無法排出，不把孔擴大，就沒有足夠的空間穿入管道，也會大大增加回拉鋪管的拉力。
6 回拉鋪管
    回拉鋪管是非開挖管道施工的最后一道工序，若操作不當容易造成整個工程的報廢。應對所敷設的燃氣管道的抗拉強度及焊口抗拉強度分別進行力學實驗，要求實驗結果大于施工過程中理論拉應力最大值的2倍。在回拉施工過程中帶上擼孔鉆頭，邊回拉邊回轉鉆頭及燃氣管道，保持鋪管前方的鉆孔暢通，減少摩擦阻力。為了保證工程順利安全進行，需要控制拉管速度以保持適當?shù)睦?，鉆機輸出拉力應保持在設計最大理論拉力的2/3以下。
7 施工技術措施
    ① 泥漿在施工中的作用
    在水平定向鉆進施工過程中，通常需要用泥漿泵通過鉆桿中心孔(輸漿管)向導向孔內注入膨潤土和水的混合泥漿。泥漿的作用如下：冷卻、潤滑鉆頭、軟化地層、輔助破碎地層、調整鉆進方向、穩(wěn)定孔壁、回擴和回拉時潤滑管道、填充導向孔與管道之間的空隙以防止地面塌陷。拖管過程中，由于封閉的管道進入導向孔后占據(jù)大量的空間，導向孔內的泥漿壓力急劇增加，部分泥漿從進出口外泄，大部分的泥漿在壓力作用下向四周土層的縫隙滲透，此時四周的土層就如同一層又一層的濾網，泥漿中的大部分的水和顆粒較小的膨潤土可以滲透到導向孔外的土層里，泥漿中大部分的膨潤土留在導向孔內，在壓力作用下以較密實的狀態(tài)進行填充，達到防止導向孔塌陷的作用。
   ② 防止燃氣管道表面劃傷
   在水平定向鉆施工過程中，由于地下地質條件復雜，在回拖管道時經常出現(xiàn)管道表面劃傷超過規(guī)范允許范圍的情況。國內部分城市采用外加套管的做法，套管直徑比燃氣管大2號(至少大100mm)以上，并以套管外徑確定擴孔直徑。這樣的做法不僅增加工程施工難度，還增加工程造價，延長施工工期。根據(jù)南寧市大量的定向鉆工程的施工經驗，導向孔直徑大于管道外徑1.5倍以上，并在回拖管道時保證導向孔內充滿泥漿的情況下，在回拖管道時泥漿不僅可以潤滑管道，直徑大的導向孔還可以充分避免孔壁對管道的劃傷。南寧市的水平定向鉆工程完成后，通常對管頭表面劃傷深度進行檢測，結果都小于壁厚的10%。
   ③ 施工過程中塌孔的處理
   在河的西側擴孔時出現(xiàn)塌孔。經分析，造成塌孔的原因是該部位為原來河床的最低點，淤泥堆積最深，土質條件最差，成孔較難。塌孔以后，重新進行擴孔，并將泥漿用量和壓力加大。擴孔完成后，一直保持較高的泥漿壓力，以保證孔的完整性，并馬上開始拖管施工。
    ④ 燃氣管道的保護
    考慮到竹排沖附近將來可能進行大規(guī)模道路景觀改造或者其他管線施工，如施工現(xiàn)場無法精確判斷燃氣管道實際位置，將可能出現(xiàn)因野蠻施工破壞燃氣管道的事故。通常保證燃氣管道不被破壞的做法是：在燃氣管道附近水平間距5m范圍內采用人工開挖，暴露出燃氣管道后再進行下一步施工。這種施工辦法比較保守，既增加燃氣管道保護成本，又影響施工進度。經過長期工作實踐，通過以下措施，不僅提高了管道的安全性，還可降低工程成本，縮短施工工期。
    a. 整理施工過程中的數(shù)據(jù)報表，在繪制竣工圖時按每2m標注一個水平定位尺寸和一個埋深，并在竣工圖中標示詳細的原始數(shù)據(jù)。
    b. 隨管道敷設8mm2銅示蹤線4根(避免施工過程中被扯斷)，并在入、出口坑引出地面作為運行過程中外加信號的接入點。在城市道路改造和其他管線施工需要尋找PE燃氣管道時，通過詳細的竣工圖，配合儀器外加信號，精確定位管道具體位置。
   ⑤ 其他技術措施
   a. 對用于水平定向鉆進管材設專用倉庫，進庫前對管材按批次根據(jù)CJJ 63—2008《聚乙烯燃氣管道工程技術規(guī)程》[5]的3.1.3條規(guī)定進行抽樣性能檢驗，并規(guī)定庫存期不得超過半年。
    b. 采用PE管自動焊機，選擇最優(yōu)秀的PE管焊工作為水平定向鉆進管道施工專用焊工，并每2個月對焊工按照CJJ 33—2005[6]中9.1.2條要求進行考核。
    c. 拖管前對接焊口按照CJJ 63—2008《聚乙烯燃氣管道工程技術規(guī)程》中5.2.4條要求進行100%翻邊切除檢查，并按CJJ 33—2005《城鎮(zhèn)燃氣輸配工程施工及驗收規(guī)范》[6]第12章要求進行強度、氣密性試驗。
8 結語
    本工程施工控制全過程，從設備選型、就位到完成撤場，完全按照預期計劃實施，達到安全、優(yōu)質、高效。
   ① 本次敷設的PE燃氣管道管徑大、長度長、管道自重大，拖動阻力大，一般小型鉆機無法滿足工程需要。選擇大型的動力頭扭矩大、輸出拉力大、動力行程大的鉆機是工程順利完成的前提。
    ② 在實地認真勘察的基礎上，充分利用現(xiàn)有資料，精心設計導向孔軌跡，為工程順利完成提供技術保障；在出現(xiàn)塌孔的時候，能及時調整施工方案，為工程按期完成掃清障礙。事前預見及施工過程遇到的問題因準備充分而順利解決，是工程順利完成的基礎。
    ③ 施工過程中根據(jù)實際需要合理控制泥漿用量及壓力是工程順利完成的關鍵。
    隨著水平定向鉆進管道敷設施工技術的不斷發(fā)展，各行業(yè)對水平定向鉆進管道敷設施工技術的利用也越來越廣泛，該技術不僅對環(huán)境和城市交通的影響小，且修復費用少，工期短。
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(本文作者：蘇琪 中石油昆侖天然氣利用有限公司南寧分公司 廣西南寧 530022)