定向鉆在天然氣管道穿越永定河工程的應用

摘 要

比較了圍堰法、頂管法和定向鉆法穿越河流的施工工藝及優缺點，探討了天然氣管道穿越永定河方案的比較及選擇、對GB 50286—98《堤防工程設計規范》相關條文的理解，提出了為進一步提高安全性采取的技術措施。
摘要：比較了圍堰法、頂管法和定向鉆法穿越河流的施工工藝及優缺點，探討了天然氣管道穿越永定河方案的比較及選擇、對GB 50286—98《堤防工程設計規范》相關條文的理解，提出了為進一步提高安全性采取的技術措施。
關鍵詞：定向鉆；非開挖；天然氣管道；穿越河流；圍堰法；頂管法
Application of Directional Drilling Technology to Natural Gas Pipeline Project Crossing Yongding River
GONG Ming，LI Yongwei，SUN Mingye，GAO Huiming
Abstract：The construction technology as well as advantages and disadvantages of cofferdam method，pipe jacking method and directional drilling method for crossing rivers are compared.The comparison and selection of natural gas pipeline crossing Yongding River schemes as well as the understanding on the relevant articles in Code for Design of Levee Project(GB/T 50286—98)are discussed.The technical measures for further improving safety are put forward.
Key words：directional drilling；trenchless；natural gas pipeline；crossing river； cofferdam method；pipe jacking method
1 概述
    水平定向鉆技術[1～2]是在不開挖地表面的情況下，敷設、修復和更換地下管道的一種施工工藝，廣泛應用于天然氣、煤氣、供水、電力、電信、石油等管線的敷設施工中，適用于沙土、粘土、粉土等多種地質情況。我國大部分非硬巖地區都可采用這種技術，具有施工速度快、精度高、成本低、對環境影響小等優點。
    本文對某天然氣管道工程穿越永定河方案的比較、選擇、論證實施進行探討，并分析定向鉆技術在該工程的適應性及采取的技術措施。
2 天然氣管道穿越河流的主要方法
    天然氣管道穿越河流按照敷設方式可以分為開挖穿越和非開挖穿越[3]。開挖穿越即溝埋穿越，在河床上采用各種方式成溝、敷設、回填，根據成溝方式分為圍堰法、爆破法、挖泥船挖溝法、氣舉法、液化法。非開挖穿越主要包括定向鉆穿越和隧道穿越，隧道穿越通常有頂管法、盾構法、鉆爆法等[4]。幾種穿越方式的施工工藝、優缺點比較如下。
    ① 圍堰法
    施工工藝：在待穿越河流管道的兩側，堆筑臨時堤壩阻擋水流，選擇合適的導流方法。然后開挖溝槽，敷設管道，回填土。最后拆除圍堰。
    優點：成溝容易，能保證埋深，不需牽引設備，適用于穿越小型和季節性河流。
    缺點：需要圍堰，工程量大，對河道擾動大，不適用于水流量大、通航的河流。
    ② 頂管法
    施工工藝：采用超長距離頂管，運用中繼裝置接力頂進，套管可以是鋼套管或鋼筋混凝土套管，管卡固定、注砂、注水泥漿固管。
    優點：工藝技術成熟，截面小，造價相對較低，頂進速度快。
    缺點：適用于1km以內的穿越，不適用于軸向彎曲的穿越。
   ③ 定向鉆法
   施工工藝：定向鉆機在河底鉆導向孔，當鉆頭在對岸出土后，在出土段連接擴孔器。擴孔器轉動，配以高壓泥漿沖切。同時，鉆臺上的活動卡盤向上移動，拉動擴孔器前行，多次擴孔，使鉆孔略大于穿越管段外徑。最后將穿越管段連接在擴孔器后，拉動擴孔器和穿越管段，使管段敷設在鉆出的孔中。
    優點：工期短，造價低，施工對航行無影響，不受季節限制，管道不受水流沖刷，兩岸占地少。
    缺點：不易檢修，不適用于卵石河床、堅硬巖石河床、地質結構復雜、不具備彈性敷設條件且無回拖場地的河流。
3 在天然氣管道穿越永定河的應用
   ① 工程概況
   北京市某天然氣管道的設計壓力為4.0MPa.管徑為DN 1000mm，需穿越永定河，穿越段寬約2.6km。
    ② 永定河概況及地質條件
    永定河是全國重點防洪江河之一，防洪地位與淮河、黃河、長江并列。雖然永定河在天然氣管道穿越段的河道長年斷流，河道兩側土地沙化嚴重，加之近些年砂石采挖猖獗，河道內溝壑遍布，河床裸露，但穿越方案仍得到管理部門的重視。
    根據地勘報告可知，穿越永定河段的地層分為4個主要工程地質層，自上而下分別為粉砂-細砂層，砂質粉土、粉質粉土-粉質粘土層，中砂-細砂層，粉質粘土-粉質粉土層。
③ 穿越工程的限制條件
    a. 場地限制。永定河左堤穿越點位于兩條道路中間，寬度僅為25m，施工場地狹小，開挖無法保證道路通行安全。
    b. 穿越段永定河河道寬約2.6km，穿越距離太長，現有非開挖方式無法一次性穿越整條河道。
    c. 施工工期短。需在汛期前完成穿越及河道恢復工作，工期僅為2個月。
    ④ 穿越方案的比較及選擇
    現行國家標準GB 50286—98《堤防工程設計規范》(以下簡稱《堤規》)第9.2.1條規定“壓力管道和各類熱力管道需要穿過堤防時，必須在設計洪水位以上通過”。永定河堤頂僅比設計洪水位高1m，按該條規定，燃氣管道在穿堤處將露出堤頂。同時.為避免洪水發生時可能產生滲漏和管涌，《堤規》第9.2.9條要求“修建穿堤工程，不宜采用頂管法施工”，故頂管方案被主管部門首先否定。
    考零到上述因素，并借鑒其他穿越河流工程實例經驗[5～6]，從地勘情況、場地情況、施工工期和難度、對周邊環境的影響等方面綜合考慮并分析，提出了開挖、定向鉆、開挖和定向鉆相結合3種穿越方案。這3種穿越方案的優缺點比較如下。
   a. 開挖方案
    優點：不需牽引設備，河道內無水，不需修建圍堰。
    缺點：場地制約因素多，施工開口線距橋樁較近，施工安全保障度低；工程量大，對河堤擾動大，堤防回填要求高；拆遷恢復工作量大，拆遷費用高；工期無法滿足。
    b. 定向鉆方案
    優點：工藝技術成熟，施工簡便，工期短，對自然環境影響小，占地少，伐樹量小，費用低，施工不受季節限制。
    缺點：不能一次穿越，無拖管場地；至少需要分成5段進行定向鉆穿越，且要求導向軌跡準確；各段連接處需設置很深的豎井，豎井內彎管焊接施工難度大，難以保證焊接質量。
    c. 開挖與定向鉆相結合方案
    優點：根據地勘報告，定向鉆穿越管道主要經過粉質粘土-粉質粉土層，滿足定向鉆施工的條件；兩種穿越方式揚長避短，將拖管場地與河道內開挖部分合用，干涸的河道不需要進行圍堰和導流，滿足開挖場地要求，減小了拆遷量，采用定向鉆穿越河堤狹窄地段不會影響周邊環境和交通，保證施工安全，減小施工難度；可同時施工，滿足工期要求，造價相對較低；可保證堤防完整，對河堤的擾動小，安全保障度高。
    缺點：施工組織設計、工序銜接要求很高。
    經過專家評審，最終確定采用開挖和定向鉆相結合的方案，即永定河河堤采用定向鉆穿越，主河道采用開挖方式施工。定向鉆穿越永定河左堤、右堤的長度分別為845m、767m，部分河道及漫灘開挖長度為940m。穿越永定河左堤岸入土點位于左堤岸東側，出土點位于左堤岸西側，穿越永定河右堤岸入土點位于右堤岸西側，出土點位于右堤岸東側，設計定向鉆入土角為9°，出土角為5°。
    天然氣管道穿越永定河的平面及縱斷面見圖1、2。
 
4 定向鉆在本工程應用的探討
    ① 正確理解《堤規》對壓力管道位置的要求
    要正確理解《堤規》中壓力管道在設計洪水位以上通過的要求。
    首先，定向鉆技術是近幾年快速發展的非開挖施工技術，《堤規》制定時，定向鉆技術尚未大規模應用。河道主管部門不應以本本主義態度看待定向鉆技術，而應持科學實際的工作態度，在現有技術水平條件下，對具體問題進行具體分析。
    其次，定向鉆技術已經在燃氣管道穿越長江、黃河、遼河、嫩江等大型河流及北京市域內涼水河、運潮減河等河流中成功運用。定向鉆在堤基及河底以下較深處穿越，不占用河道及堤頂，不破壞河堤結構。管道建成后，堤頂交通及防汛搶險不受影響，施工期對河道行洪安全無影響，不需要增設施工導流設施。目前尚無因定向鉆穿越造成河道防洪損害的報道。
    再次，采用定向鉆穿越河堤和主河道開挖相結合的方案，實質上是通過開挖方式將穿越河堤的兩段定向鉆相連接，與采用定向鉆方式一次性穿越河流并無本質區別。
    總之，《堤規》的要求是以不影響河堤及行洪安全為目的，定向鉆技術完全可以滿足《堤規》的要求。
    ② 定向鉆穿越河堤采取的技術措施
    定向鉆是在河堤壩體底部以下20m處進行穿越，不會破壞河堤整體結構，管道均敷設在河道沖刷線以下，且管道運行中不會發生振動。鑒于永定河的重要性，為進一步確保河堤安全，根據《堤規》第10.1.5條“當堤身存在較大范圍裂縫、孔洞、松土層或堤與穿堤建筑物結合部出現貫穿裂縫時，應開挖并回填密實，對難以開挖部分宜采用充填灌漿進行加固。高度5m以上且填筑質量普遍不好的土堤，宜采用劈裂灌漿進行加固。灌漿的主要技術參數宜通過現場試驗確定”及第10.1.8.1款“堤基兩側地面的天然粘性土層因近堤取土遭受破壞，應采用粘性土回填加固”的要求，結合宋新江[7]在西氣東輸管道工程穿越淮河段堤防時，采用水泥粘土灌漿法進行加固處理的經驗，本工程定向鉆穿越完成后還采取了以下技術措施：
    a. 灌注水泥混合漿液置換定向鉆泥漿，同時進行注漿監測。
    b. 在入土點、出土點兩端人工開挖三合土換填。
    c. 在入土點、出土點設置止水環。管道回拖完成后，在孔口向著管道方向開挖，直到孔口周圍穩定的原土層露出為止。將直徑大于孔洞的鋼質止水環套在管道上，堵住定向鉆孔口，并回填三合土進行封堵固定，防止管涌現象發生。
參考文獻：
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[5] 王春海，吳醒龍，鄭桂友.天然氣輸氣管道穿越河流設計方案比選[J].煤氣與熱力，2009，29(7)：A24-A27.
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[7] 宋新江.西氣東輸管道穿淮堤防除險加固對策研究(碩士學位論文)[D].南京：河海大學，2004：25-66.
 
(本文作者：龔明 李永威2 孫明燁1 高慧明1 1.北京市煤氣熱力工程設計院有限公司 北京 100032；2.北京市燃氣集團研究院 北京 100011)