油氣管道連續(xù)穿越多種軌道交通線(xiàn)路研究

劉玉寶 劉海山中國(guó)石化銷(xiāo)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(xiàn)路研究

劉玉寶 劉海山
中國(guó)石化銷(xiāo)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(wú)法滿(mǎn)足其安全要求。為確保施工順利完成,對(duì)頂管結(jié)合定向鉆穿越施工工藝進(jìn)行了研究,對(duì)施工過(guò)程控制進(jìn)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(jì)效益和應(yīng)用推廣價(jià)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(jìn)設(shè)備產(chǎn)生的頂力,克服管道與周?chē)寥赖哪Σ亮?將套管按設(shè)計(jì)的方案頂入土中至接收坑,然后在套管內(nèi)敷設(shè)管道完成穿越施工。頂管穿越,地面壓力載荷由套管承擔(dān),保護(hù)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(guò)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(jī),按照設(shè)計(jì)軌跡鉆一個(gè)導(dǎo)向孔,然后利用擴(kuò)孔器進(jìn)行擴(kuò)孔,擴(kuò)孔完成后將待敷設(shè)的管道拉入鉆孔,完成敷管作業(yè)。定向鉆穿越施工在長(zhǎng)距離穿越工程中優(yōu)勢(shì)明顯,鄭州—湯陰成品油管道定向鉆穿越黃河主河槽達(dá)3 000m,江都—如東天然氣管道工程管道定向鉆穿越長(zhǎng)江達(dá)3 300m,定向鉆穿越長(zhǎng)度不斷刷新紀(jì)錄。頂管和定向鉆穿越施工工藝在油氣長(zhǎng)輸管道穿越工程中的研究和應(yīng)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(shí)踐較少。若在頂管穿越施工完成后,利用定向鉆穿越施工對(duì)準(zhǔn)頂管套管進(jìn)行導(dǎo)向鉆孔,然后利用定向鉆回拖管道,完成管道安裝,對(duì)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(zhǎng)輸管道,全長(zhǎng)155km,設(shè)計(jì)輸量400×104t/a,設(shè)計(jì)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(hào)樁間,從南向北依次穿越津山鐵路、津?yàn)I輕軌及京津城際高鐵延長(zhǎng)線(xiàn)(規(guī)劃階段)。按照主管部門(mén)意見(jiàn)及相關(guān)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(yú)塘)要求在兩橋墩中間地面下6m通過(guò),套管直徑不大于500mm,防止擾動(dòng)橋墩,影響橋墩承載力；中間穿越津?yàn)I輕軌段應(yīng)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(guò)。津山鐵路和津?yàn)I輕軌間距約60m,中間有1條水渠、鐵路自閉線(xiàn)及多條國(guó)防光纜,京津城際高鐵延長(zhǎng)線(xiàn)與津?yàn)I輕軌間距約30m,下方為大片魚(yú)塘。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次調(diào)查和反復(fù)論證,為了兼顧3條軌道交通線(xiàn)路安全技術(shù)要求,降低施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn),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(shè)在津山鐵路和津?yàn)I輕軌之間；在津山鐵路頂管工作坑南側(cè)應(yīng)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?yàn)I輕軌和京津城際高鐵延長(zhǎng)線(xiàn),出土點(diǎn)設(shè)在京津城際高鐵延長(zhǎng)線(xiàn)下方魚(yú)塘岸邊,主管道回拖至頂管工作坑,然后利用2個(gè)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(jiàn)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(yù)制、定向鉆施工、井下連頭4部分,主要施工作業(yè)工序見(jiàn)圖2。

圖2 主要施工作業(yè)工序示意圖

2 施工過(guò)程控制

2.1 頂管穿越津山鐵路

津山鐵路是雙線(xiàn)電氣化無(wú)縫鐵路,穿越位置位于直線(xiàn)段k172+139.14m處,穿越中心線(xiàn)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(hào)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(zhǔn)備工作

辦理鐵路頂管相關(guān)審批手續(xù)和慢行計(jì)劃申請(qǐng),簽訂施工安全協(xié)議,得到鐵路主管部門(mén)批復(fù)后進(jìn)場(chǎng)施工；和鐵路有關(guān)單位現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接供電、通信、電務(wù)等管線(xiàn)設(shè)施位置和標(biāo)高；對(duì)頂管工作坑、接收坑、頂管的方向進(jìn)行測(cè)量放線(xiàn),確保管線(xiàn)中心線(xiàn)準(zhǔn)確無(wú)誤,工作坑上架空自閉線(xiàn)進(jìn)行落地處理。

2.1.2 工作坑、接收坑支護(hù)

基坑內(nèi)設(shè)4道雙拼40b工字鋼圍梁和斜支撐,加強(qiáng)整體性。當(dāng)機(jī)械開(kāi)挖距離設(shè)計(jì)基底標(biāo)高200mm以上時(shí),停止機(jī)械開(kāi)挖,采用人工開(kāi)挖,避免擾動(dòng)基底應(yīng)力。

2.1.3 導(dǎo)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(shè)300mm厚碎石墊層,平整夯實(shí),澆筑c20混凝土,厚度500mm；底板上預(yù)埋錨栓與導(dǎo)軌進(jìn)行焊接,底板底部設(shè)3道地錨梁,間隔2m。

2.1.4 頂進(jìn)施工

基坑內(nèi)水平布置4臺(tái)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(rùn)滑劑,將套管放置在導(dǎo)軌上,對(duì)涵管前端和后端的高程及管節(jié)的中心線(xiàn)測(cè)量合格后方可頂進(jìn)。在首節(jié)涵管前安裝導(dǎo)向機(jī)頭,導(dǎo)向機(jī)頭內(nèi)安裝4臺(tái)50t液壓千斤頂,隨時(shí)調(diào)整頂進(jìn)方向，頂管機(jī)頭千斤頂布局見(jiàn)圖3。采用機(jī)頭切土頂進(jìn)方式,當(dāng)機(jī)頭入土400～600mm后,只開(kāi)挖機(jī)頭內(nèi)的土方確保路基穩(wěn)定。首節(jié)涵管每頂進(jìn)200～300mm就對(duì)中心線(xiàn)及高程測(cè)量一次,后續(xù)套管每頂進(jìn)400～600mm測(cè)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(gè)泥漿孔Φ22mm,兩節(jié)涵管中間加設(shè)承壓鋼套環(huán)。

圖3 頂管機(jī)頭千斤頂布局

2.1.5 路基加固

2.2 主管道預(yù)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(dǎo)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(dǎo)向套管)相切；在支架支撐的3個(gè)末端用厚20mm弧形鋼板進(jìn)行過(guò)度焊接。

頂管完成后,在水泥套管內(nèi)每5m安裝1個(gè)支架,用膨脹螺栓固定。定向鉆導(dǎo)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(hù)臂支架焊接固定,確保定向鉆導(dǎo)向套管穩(wěn)定牢固,在定向鉆鉆孔、擴(kuò)孔過(guò)程中起到支撐作用。水泥套管內(nèi)支架及鋼套管安裝,見(jiàn)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(jìn)行人工拆除。

2.3.3 測(cè)量放線(xiàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)平面圖坐標(biāo)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng),用全站儀測(cè)出線(xiàn)路走向的中心位置,確定定向鉆入土點(diǎn)和出土點(diǎn)位置。入土點(diǎn)距離頂管工作坑162m,穿越軸線(xiàn)和頂管軸線(xiàn)重合。出土點(diǎn)在京津城際延長(zhǎng)線(xiàn)及魚(yú)塘以北,距離頂管接收坑290m。定向鉆導(dǎo)向全長(zhǎng)536m,管道擴(kuò)孔、回拖366m。

2.3.4 干擾源排查

施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有高壓電線(xiàn)、鐵軌等信號(hào)干擾源,降低信號(hào)干擾強(qiáng)度,保證導(dǎo)向的準(zhǔn)確度,定向鉆鉆孔導(dǎo)向采取有線(xiàn)制導(dǎo)。

2.3.5 泥漿控制

泥漿貫穿導(dǎo)向鉆孔、擴(kuò)孔、洗孔、管道回拖施工全過(guò)程,具有傳遞切削動(dòng)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(rùn)滑作用。該定向鉆為單邊定向鉆,泥漿粘度低易導(dǎo)致鉆孔內(nèi)泥漿流大量涌入鐵路頂管基坑和套管內(nèi),無(wú)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(guò)快,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和以往施工經(jīng)驗(yàn),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(shí)增大泥漿中降濾失劑比例。在導(dǎo)向、擴(kuò)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(dǎo)向控制

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

2.3.6.1 坐標(biāo)定位

用全站儀定入土點(diǎn)、出土點(diǎn)及水泥套管外側(cè)坐標(biāo),并測(cè)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(biāo),連同其余位置設(shè)計(jì)曲線(xiàn)坐標(biāo)一同輸入鉆機(jī)控向系統(tǒng)。

2.3.6.2 鉆機(jī)安裝

根據(jù)管道穿越中心線(xiàn),調(diào)整鉆機(jī)左右位置,使鉆機(jī)中心線(xiàn)與管道穿越中心線(xiàn)重合。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑娜胪两钦{(diào)整鉆機(jī)高度,使鉆機(jī)行走軌道和水平面的夾角符合設(shè)計(jì)要求。

2.3.6.3 磁方位角測(cè)量

在導(dǎo)向孔開(kāi)鉆前,測(cè)量穿越中心線(xiàn)的磁方位角,這一數(shù)值是導(dǎo)向孔控向的原始依據(jù)數(shù)值,必須準(zhǔn)確。采用全站儀在穿越中心線(xiàn)上的地表進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量(通常出、入土側(cè)各取2個(gè)點(diǎn)),然后將各組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比,排除由于磁干擾導(dǎo)致的錯(cuò)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(cè)量點(diǎn)2～4個(gè),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(dǎo)向精度的基礎(chǔ)。

2.3.6.4 精確控向

為了使導(dǎo)向孔嚴(yán)格按設(shè)計(jì)曲線(xiàn)鉆進(jìn),開(kāi)鉆前對(duì)每1根鉆桿的鉆進(jìn)要求都提前在圖紙上作好標(biāo)注,重點(diǎn)控制單根鉆桿的鉆進(jìn)質(zhì)量和整體曲線(xiàn)的質(zhì)量,每5m校正1次鉆頭位置,使施工曲線(xiàn)與設(shè)計(jì)曲線(xiàn)重合。控向人員應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)曲線(xiàn)計(jì)算每次傾角的調(diào)整度數(shù),通過(guò)軌跡變化確定控向方向的變化；施鉆人員嚴(yán)格執(zhí)行控向人員的指令,按照指令進(jìn)行操作,防止人為操作導(dǎo)致鉆孔偏移設(shè)計(jì)曲線(xiàn)。

2.3.7 擴(kuò)孔

采用推拉式擴(kuò)孔方式進(jìn)行逐級(jí)擴(kuò)孔,將孔擴(kuò)大到Φ700mm。在擴(kuò)孔器被拉進(jìn)350m時(shí),沿著導(dǎo)向孔洞推出,逐級(jí)擴(kuò)孔。單邊鉆孔內(nèi)泥漿流失較快,在導(dǎo)向、擴(kuò)孔、回拖過(guò)程中,用泥漿泵將流進(jìn)基坑內(nèi)的泥漿及時(shí)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(jìn)入套管時(shí)處于漂浮狀態(tài))。在入土點(diǎn)后側(cè)開(kāi)挖1條長(zhǎng)約150m,深 1m的發(fā)送溝,并注滿(mǎn)水[7]。光纜套管和主管道分別獨(dú)立地連接在U形環(huán)上,防止2根管道在回拖過(guò)程中相互刮擦、擠壓和纏繞。在回拖主管的過(guò)程中,用擴(kuò)孔器向管孔內(nèi)補(bǔ)入泥漿,確保管內(nèi)有足夠的泥漿潤(rùn)滑,減少孔內(nèi)阻力。管道回拖150m時(shí),對(duì)兩段主管道進(jìn)行焊接、無(wú)損檢測(cè)和防腐補(bǔ)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(kuò)孔器,對(duì)主管道每2m安裝絕緣支架,距離套管兩端1m處安裝2個(gè)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(duì)井壁開(kāi)鑿出2m×1m的孔洞,碎石用卷?yè)P(yáng)機(jī)運(yùn)出井內(nèi),將管道回拖耳鼻切割,對(duì)管端進(jìn)行打磨和制作焊接坡口。

嚴(yán)格控制碰死口管道組對(duì)錯(cuò)邊量，最大錯(cuò)邊量不大于1.6mm,且沿周長(zhǎng)均勻分布,對(duì)口間隙控制在0.8～2.4mm,鋼管對(duì)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(yīng)做到焊條烘干、管口預(yù)熱、防風(fēng)防潮等關(guān)鍵措施,以保證焊接質(zhì)量。

根據(jù)實(shí)際尺寸將2個(gè)90°熱煨彎頭和直管段焊接,進(jìn)行X射線(xiàn)檢測(cè)、超聲波檢測(cè)和防腐補(bǔ)口,用吊車(chē)吊入工作坑,用土袋支撐,用外對(duì)口器進(jìn)行組對(duì),井下焊接,焊縫外觀檢測(cè)合格后采用X射線(xiàn)和超聲波無(wú)損檢測(cè),然后進(jìn)行防腐補(bǔ)口和電火花檢測(cè)。

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(kāi)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(jìn)行嚴(yán)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(shè)至工作坑井口,并用防水木塞封堵,用紅磚、瀝青麻刀對(duì)頂管兩端水泥套管進(jìn)行封堵。對(duì)工作坑、接收坑進(jìn)行分層回填、夯實(shí),并根據(jù)回填進(jìn)度,逐步拆除工字鋼圍梁、斜支撐、爬梯和水泥樁后，進(jìn)行地貌恢復(fù)[9]。

3 HSE措施

本工程在基坑內(nèi)進(jìn)行安裝作業(yè),風(fēng)險(xiǎn)高、難度大,必須制定詳細(xì)的HSE保障措施和應(yīng)急預(yù)案,落實(shí)安全防護(hù)措施，重點(diǎn)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(shí)施的關(guān)鍵是定向鉆入土導(dǎo)向控制準(zhǔn)確,保證定向鉆導(dǎo)向水平段和水泥套管軸線(xiàn)重合；工程難點(diǎn)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(hù)措施；利用定向鉆精準(zhǔn)導(dǎo)向,工作管道穿過(guò)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(shì)。

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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(shè)管理工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.004