油氣管道大型河流定向鉆與隧道穿越技術分析

周劍琴，楊國暉，王 巍

1.國家管網集團西南管道有限責任公司，四川成都 610000

2.中國石油集團工程技術研究有限公司，天津 300451

中衛-貴陽聯絡線工程干線（以下簡稱中貴線）起自寧夏中衛，止于貴州貴陽，全長約1 613 km，其中約三分之一在川渝兩省市境內。川渝地區水資源較為豐富，境內河流分布密集，其中大型河流有長江、嘉陵江、岷江等，中貴線穿越該地區各類大中型河流達14次之多，全部采用定向鉆與隧道穿越技術[1]。本文以中貴線川渝境內幾條大型河流穿越為案例，總結穿越工程建設、施工、運行經驗，分析其實際運用的優缺點，為今后類似工程在穿越技術的應用上提供參考。

1 穿越技術對比

1.1 定向鉆穿越技術

定向鉆技術最早出現在上世紀70年代，是傳統公路打孔和油田定向鉆井技術的結合。目前主要以非開挖施工的水平定向鉆穿越技術為主，施工工具為水平定向鉆機，由鉆機系統、動力系統、導向系統、泥漿系統、鉆具及輔助機具組成。水平定向鉆穿越施工一般分為兩個階段：第一階段為按照設計曲線鉆導向孔；第二階段是對導向孔進行擴孔，并將管道沿著擴大了的導向孔回拖到導向孔中，完成管道穿越工作[2-3]。定向鉆穿越施工工藝流程見圖1。

圖1 定向鉆穿越施工工藝流程

1.2 隧道穿越技術

隧道工程是一種修建在地下，兩端有出入口，供車輛、行人、水流及管道等通行的工程建筑。施工方法有明挖法、盾構法、掘進法等。隧道縱斷面一般采用“斜井+平巷+斜井（+豎井）”的穿越方式，由高壓旋噴樁防滲墻注漿、超前勘探、掘進、初期支護和二次支護等五大重點施工環節構成。隧道施工一般根據隧道長度及現場自然交通條件，確定單邊或雙邊掘進開挖、初期支護施工，貫通后再實施永久支護。

2 嘉陵江定向鉆、隧道穿越對比

中貴線在四川省廣元市、南充市境內先后采用定向鉆、隧道方式連續兩次穿越嘉陵江，兩處穿越斷面相距不足120 km，穿越長度相差僅12 m，主要穿越地層均為粉砂質泥巖，這兩處穿越有著極為接近的地理、地質條件，兩處穿越對比介紹如下。

2.1 廣元嘉陵江定向鉆穿越

廣元嘉陵江定向鉆穿越位于廣元市境內，穿越段江面寬度約500 m，右岸有綿廣高速工程通過斷面，左岸為砂石場。穿越管道規格為D 1 016 mm×26.2 mm、材質為X70的三層PE防腐直縫埋弧焊鋼管，定向鉆穿越段水平長度為996.15 m，實長1 002.5 m。管道補口采用定向鉆專用熱收縮套。穿越管道設計入土角為12°，出土角為6.5°，曲率半徑取1 532 m，穿越深度約45.03 m（相對于入土點）。

2.2 南充閬中嘉陵江隧道穿越

南充閬中嘉陵江隧道穿越位于南充市閬中市保寧鎮，屬嘉陵江中游流域。隧道軸線投影為直線形，水平投影長度954 m，實長1 014.9 m，隧道縱斷面形式為“斜巷（入口，北岸）-平巷-斜巷+豎井（出口，南岸）”。北岸斜巷段長242.8 m，坡度為25°。水平段長度為599.6 m，平巷設計為人字坡，由中間向兩岸降低，坡度均為3‰，以利排水。南岸斜巷長148.2 m，坡度為25°，南岸豎井凈空直徑8 000 mm，壁厚800 mm，深度24.3 m。整個隧道橫斷面為直墻圓弧拱形，凈寬3.0 m，凈高3.0 m（其中墻高1.7 m、拱高1.3 m）。

2.3 嘉陵江定向鉆與隧道穿越方案對比

2.3.1 穿越方式

（1）廣元嘉陵江定向鉆：根據地形地貌、地層巖性和工程地質勘察結果，廣元嘉陵江定向鉆穿越段具備定向鉆、隧道施工條件，考慮到隧道施工時間與蘭渝鐵路大橋建設同步，隧道爆破可能會對大橋施工有影響[4]，而定向鉆方案在工期、投資上均較隧道方案略有節約，且基本上能規避對蘭渝鐵路大橋施工的影響，故此穿越設計選用定向鉆方案。

（2）南充閬中嘉陵江隧道穿越：根據南充閬中嘉陵江隧道穿越斷面勘察結果等資料，定向鉆穿越、隧道穿越均可，但右岸為大煙山山包，且民房密集，左岸地勢起伏較大，兩岸均無定向鉆施工場地條件[4]，而隧道穿越入、出口端交通條件便利，有較為平整的場地作為供料場，隧道施工條件成熟，因此選擇了隧道穿越方式。

從嘉陵江兩次穿越方式選擇來看，同樣的地質條件下，定向鉆穿越對地形要求較高，隧道穿越更為靈活方便。

2.3.2 資源投入

廣元嘉陵江定向鉆施工，高峰期投入施工人員42人，投入水平定向鉆機、吊車等主要設備8臺套。南充閬中嘉陵江隧道施工，高峰期投入施工人員120人，投入發電機、卷揚機、空壓機等主要設備51臺套。

單從資源投入的數量上對比，定向鉆穿越無論是人力資源還是設備資源的投入較隧道穿越均占有較大優勢，但對所需人力與設備等資源還需進行具體分析：

（1）在人力資源投入方面：定向鉆需配備控向工程師、泥漿工程師、鉆機操作人員、專業的起重工等高級技術人員，且在出現鉆具脫落、鉆桿斷裂等事件時，還需聘請專家、熟練的高級技工研討方案，開展施救工作。而隧道施工因工藝成熟，作業過程簡單，因此雖投入的人員數量多，但大多為力工、架子工、混凝土工等普通工人。另外，由于定向鉆作業所需的測量控向、泥漿配置等，有經驗、熟練又能切實解決問題的技術人員較少，且聘請困難，因此在人力資源投入上，隧道施工反而占有綜合優勢。

（2）在設備資源投入方面：定向鉆施工需投入鉆機、泥漿系統、控向系統、吊車等專業性強、價格昂貴的特種設備，而隧道施工僅需小型空壓機、卷揚機、注漿機、混凝土輸送泵、風鎬等小型常用設備，因此在設備資源投入上，隧道施工也具有優勢。

2.3.3 施工工期

廣元嘉陵江定向鉆穿越施工自2011年2月25日開工，至2012年4月26日完成管道回拖，實際工期420 d。

南充閬中嘉陵江隧道施工自2011年2月28日開工，至2012年4月17日管道、光纜安裝完工，若扣除土建、工藝交接以及春節假日影響約3個月時間，實際工期約320 d。

嘉陵江兩次不同穿越方式的實際工期相差約100 d，隧道施工用時相對較短。主要原因是定向鉆施工過程中出現了4次較為嚴重的事故，共計影響約130 d工期，導致整體工期大大延長。

而隧道工程施工實際進度穩定、可控，基本上按計劃完成，計劃符合性較好，整個工程工期處于受控狀態。

2.3.4 投資費用

廣元嘉陵江定向鉆鉆孔、擴孔、管道焊接、回拖等費用投資共計約1 400萬元，平均每米投資約1.4萬元；南充閬中嘉陵江隧道洞口及渣場征地、掘進、二襯、管道安裝等投資共計約1 900萬元，每米投資約1.87萬元。因此，定向鉆穿越施工投資單價較隧道穿越施工低。

2.3.5 風險管控

廣元嘉陵江定向鉆穿越與南充閬中嘉陵江隧道穿越在施工過程中均出現了大小不等的事故，對工程的安全管控、按期完工構成風險，影響了整體工期，增加了成本。總體上廣元嘉陵江定向鉆穿越發生了4次嚴重事故，閬中嘉陵江隧道施工過程中僅發生混凝土泵送出現堵管、部分地段少量滲水等較小事故，因此在工程風險管控難度上，隧道施工較定向鉆有一定優勢。

3 瓊江河定向鉆、隧道穿越對比

3.1 瓊江河定向鉆穿越

瓊江河定向鉆穿越斷面位于重慶市銅梁縣境內，穿越入土端和出土端均為水稻田。該穿越曲線經過地層主要為砂巖和泥巖地層，泥巖與砂巖成互層狀結構。定向鉆穿越段水平長度1 008.7 m，實長1016m；穿越管道直徑1016mm，管道壁厚22mm；設計壓力10 MPa，曲率半徑1 500 D。D1 016 mm主管穿越采用12級擴孔，選用鉆桿尺寸為5-1/2 in（1 in=25.4 mm）。原計劃工期從2011年10月13日開始，至2012年4月30日完成主管道回拖，歷時200 d；實際用時從2011年10月13日開始，經歷了卡鉆、施救等一系列問題及處理后，2012年9月1日才完成主管道回拖，歷時323 d。

3.2 瓊江河備選隧道方案

由于在瓊江河定向鉆穿越實施過程中，鉆桿已多次被塌孔卡死，特別是在第十級擴孔中出現擴孔器卡鉆事故，解卡施救耗時約1個半月，嚴重影響工程整體工期。考慮到余下的更大孔徑兩級擴孔更易發生卡鉆風險，緊急啟動了設計隧道穿越方式的備選方案，但后期定向鉆卡鉆解除，隧道方案未正式實施。

備選方案：隧道平面位置位于定向鉆穿越軸線上游約80 m，水平長度390 m，實際長度421.15 m。左岸進口位于原定向鉆入土口西南約140 m處，出口位于定向鉆出土口西北約500 m處，距水位線約145 m。隧道縱斷面采用“斜井+平巷+斜井”，左岸斜井水平長151.19 m，實際長度166.82 m；右岸斜井水平長162.98 m，實際長度179.83 m；平巷長75.83 m，位于河底約40 m處。瓊江河隧道位置示意見圖2。

圖2 瓊江河隧道位置示意/m

3.3 瓊江河定向鉆與備選隧道方案對比

3.3.1 穿越方式

根據初勘、詳勘以及現場地形地貌情況，該處穿越定向鉆、隧道穿越均可實施。本著節約投資、節約工期的原則，首選定向鉆方式。

但從地勘資料上已經明確反映定向鉆穿越曲線經過的地層有破碎段，根據以往項目經驗，破碎段地層成孔較為困難，易發生塌孔。然而設計上只考慮到泥漿能起到固壁作用，未考慮到破碎地層的漏漿問題，仍采用了定向鉆穿越方案，結果導致因泥漿漏失造成鉆桿多次被卡死的事故。

從緊急啟動的設計隧道穿越方式備選方案來看，由于隧道井口位置能更靠近河床設置，隧道穿越總長度還不及定向鉆穿越的一半，在經濟和工期上定向鉆穿越并沒有較多優勢。

3.3.2 資源投入

瓊江河定向鉆施工，高峰期投入施工人員49人，投入水平定向鉆機、吊車等主要設備11臺套。對于隧道施工，根據南充閬中嘉陵江隧道施工資源投入情況來看，高峰期預計投入施工資源的數量大于定向鉆投入，但對高素質技術人員的需求要遠小于定向鉆。

3.3.3 施工難度

瓊江河定向鉆穿越全長1 016 m。由于鉆孔取芯只能推測、估計地層構造，不能清晰判斷是否存在斷層、裂隙等情況。雖然施工中先后多次采取了堵漏、解卡等施救措施，仍然出現了施救過程中鉆桿斷裂事故。定向鉆施工難度較大、最終失敗的風險極高。

瓊江河隧道全長421 m。對于Ⅳ、Ⅴ級圍巖的破碎地段采取帷幕注漿堵漏、掘進、初支、二支等方式施工，工藝成熟，工期推進穩定；采用超前鉆探，能有效應對地下不明地質構造。故隧道施工的難度小于定向鉆。

3.3.4 后期維護

采取定向鉆穿越在回拖完成后，防腐層損壞情況不明，且不能對穿越段管道進行后期維護。特別是在2013年7月2日，當地村民報告瓊江河定向鉆入口處有氣泡冒出，疑是管道泄漏。經建設單位及運行單位多次研討后決定對瓊江河定向鉆穿越段管道進行開挖重新試壓驗證。前后歷經3個月時間，兩次試壓檢驗合格，管道無泄漏。在這個過程中，采取天然氣放空、注氮置換、設備重新進場、二次試壓干燥、二次連頭、重新注氮升壓等一系列措施，經濟損失較大。

假如采用隧道方案，在施工完成后可以通過目視或儀器檢測對防腐層進行修補，對管道出現的問題可較為方便地直接處理，如懷疑管道存在泄漏等情況，可抽干洞內水后直接進行檢測驗證，實施費用較低。

4 長江隧道穿越

長江水下隧道是中國石油天然氣集團公司已建管道工程中較長的江底隧道，穿越段位于重慶市江津區。隧道采用“斜井+平巷+斜井”的穿越方式，實際長度2089m，溫度補償段長度86m，總共長度2 175 m。斜井和平巷段為直墻半圓拱型斷面，凈斷面為3.0m×3.0m，隧道內為一條D1016mm天然氣管道，管道材質X80。

4.1 穿越方式選擇

根據現場地形地貌及地質勘查結論以及重慶市農委對長江上游珍稀魚類自然保護區評估報告的評審意見，本穿越只能采用非開挖方式，以盡量減小穿越施工及管道運行對珍稀魚類的影響。對于定向鉆方案，由于兩岸高差達100 m以上，泥漿返流難度大，同時由于左岸地形與江底高差極大，穿越長度很長，因此選用了隧道穿越方案[5]。

4.2 實施過程

長江隧道進口端于2012年3月2日開始掘進施工，出口端3月15日開始掘進施工，2012年12月22日隧道貫通，隧道掘進日均進度達到7.1 m。2013年5月1日完成二襯施工交付管道安裝，8月5日管道焊接完成，8月12日完成洞內管道清管試壓，8月20日洞內所有支墩澆筑完成，9月10日隧道全部整改完成，具備投產條件，總工期558 d。項目實施全過程未出現影響工期和安全的事件，實施過程順利。

5 結論及建議

通過對比分析中貴聯絡線在嘉陵江、瓊江河及長江的定向鉆、隧道施工過程及結果，得到以下結論：

（1）定向鉆穿越對地下地層地質構造的判斷，只能從各個鉆孔取芯的地質構造來推測估計；隧道是采取明挖方式施工，可根據不同的地質條件采取超前鉆探等方式來獲取準確的地質資料，從而針對性采用不同的施工方法。從嘉陵江、瓊江河、長江的幾條穿越工程實施過程得出：實際地質情況與設計鉆孔的初、詳勘資料均存在不同程度的差異，定向鉆施工面對地質差異時，其主動控制能力較弱，采取削減風險的措施可靠性較差；隧道施工則可直觀發現問題，能夠有效制訂可行的解決措施。

（2）定向鉆在擴孔作業中，破碎段地層容易出現塌孔、卡鉆現象，嚴重時可造成鉆桿斷裂；而隧道在破碎段掘進時，采取的是超前探水地質預報，帷幕注漿+小管棚支護，人工或鑿巖機進行鉆眼爆破開挖，采用格柵+拱架+錨網支護，出現片幫、冒頂、垮塌等意外情況相對較少，工期更有保障。

（3）定向鉆施工主要受地質情況和地形環境限制，決定了是否能進行定向鉆施工；隧道施工主要受地質情況的限制，只要地質情況允許，理論上都可以開展隧道施工。故從限制條件分析，隧道施工的限制性較定向鉆較小。

（4）定向鉆采用一次回拖管道就位，如果出現斷桿現象，一切將前功盡棄；隧道施工采取洞內組焊，可進行返修等措施，無風險。

（5）在工程總投資方面，設計概算每米工程造價：隧道約為定向鉆的2倍，但在實際實施過程中，由于定向鉆出現卡鉆、鉆桿斷裂等風險較大，一旦出現問題，需大量的施救設備投入、大量的人力資源研討解決問題，實際費用相對隧道施工也沒有較多優勢。

（6）定向鉆穿越施工不會破壞植被，不會影響居民正常生活和工作秩序；隧道施工因需長期爆破作業，易引起施工糾紛。

（7）定向鉆和隧道施工完畢后進行專項恢復、治理，均可滿足環保要求。

（8）定向鉆為一次性工程，深埋于河床幾十米下，運行人員無法對管道進行巡檢、維修；隧道工程一般有較大富裕空間，可對管道進行例行檢修，還可利用隧道重新換管或新增管道。因此從運行使用角度考慮，隧道穿越有一定優勢。

定向鉆與隧道兩種穿越技術各有優缺點，而建設業主必須考慮的兩個重要指標是工程可實現的功能及工程造價。在工程可實現的功能方面，隧道穿越技術大大優于定向鉆穿越；在工程造價方面，隧道穿越每米工程造價是定向鉆穿越的2倍[6]。從同一穿越位置進行定向鉆穿越與隧道穿越對比，可以看出定向鉆穿越長度受穿越曲率半徑制約，其穿越長度要比隧道穿越長度長約2倍，綜合比較工程總體造價，定向鉆穿越不具有明顯優勢。

因此，在目前國內現有技術條件下，對于大型河流穿越，推薦選擇隧道穿越技術，其工程建設風險較小，工期可控，能夠滿足后期運行及維護要求，同時可以通過縮短隧道穿越長度降低工程造價。