大口徑長距離S形鋪管軌跡定向穿越工程施工難點及對策

李 峻

(福建六建集團有限公司 福建福州 350014)

0 引言

目前，國內外已穿越成功的定向鉆工程，普遍以長距離小管徑或大管徑短距離組合。其中，國內最大口徑管道穿越工程為管道口徑1800 mm，穿越長度為300 m的2011年北京通州東堡熱力管道定向鉆穿越工程[1]；最長穿越距離為2015年1月西氣東輸海門-崇明島支線的長江穿越工程，穿越長度3500 m，穿越管道直徑為610 mm[2]。關于水平定向鉆研究所依托的工程項目，也主要以單方向大口徑穿越工程或長距離穿越工程為主。穿越距離既長(大于2000 m)，穿越管徑又大(大于DN1000以上)的定向鉆項目，較為少見。

近年來，一些重要的重點工程穿越地質條件越趨復雜，水平定向鉆穿越的管徑和長度逐漸增大，回拖卡鉆、鉆桿斷裂、癟管、管外劃傷等事故，在管道穿越過程中時有發生[2-4]。大口徑長距離管道穿越工程需要施工技術的不斷發展創新，目前，已有部分學者在此方面做了部分研究。趙杰[4]以陜京四線輸氣管道工程黃河定向鉆穿越為例，分析管線穿越軌跡設計、定向鉆選型、導向鉆桿管理、管線回拖等方面存在的問題，提出相應的解決措施；徐果[5]通過對大口徑定向鉆擴孔作業階段擴孔器的下沉規律，以及引起孔壁穩定性的主要影響因素展開研究，得出擴孔器自重大和地層承載力低，是引起擴孔器下沉的主要原因；江勇等[1]通過研究分析出現長距離導向鉆進鉆頭鉆壓難以有效傳遞、大口徑擴孔孔壁穩定差、管線回拖過程釋放拉力時出現鉆桿回彈等施工現象的主要原因，并提出了相應的技術措施；肖守金[6]等綜合考慮穿越地層地質條件、管道拉力、孔壁摩擦力和流體阻力等因素，對回拖力計算方法進行了改進。以上研究成果為定向鉆穿越工程的穿越施工，提供了一定的參考價值。

基于此，本文依托塘坂引水閩江入海口段定向鉆輸水線路穿越工程，通過分析大口徑長距離S形鋪管軌跡，定向穿越工程的施工技術難點，并結合工程實際情況提出相應的解決方案。

1 工程現狀分析

塘坂引水工程閩江入海口段水平定向鉆輸水線路穿越工程，項目拉管管線為管徑DN1200(Φ1220×22 mm)的鋼管，穿越長度2005 m，河床區域標高為-25 m，覆土深度最淺處為10 m，管道入土角為9°，出土角為9°，穿越地層為(含砂)淤泥質土，且零星夾有凸起強風化基巖面。如圖1所示，由于項目河道中部設有長安錨地2#及3#浮筒，為避免管道工程穿越時與之發生碰撞，故而形成避讓采用曲率半徑1830 m且水平方向為S形的管道穿越路徑，圖2所示為管道穿越軌跡與地層三維模型圖。綜上分析，案例項目屬于大口徑長距離且鋪管軌跡為S形的定向鉆穿越工程，國內外相關類似規模工程還較為少見，項目施工難度高，存在未知施工風險大。

圖1 管道穿越軌跡平面圖

圖2 管道穿越軌跡與地層三維模型圖

項目施工工藝流程如圖3所示，其中重點施工工序為鉆導向孔-分級擴孔-分級洗孔-試回拖-回拖管段，其中泥漿循環處理貫穿于鉆導向孔和擴孔階段，對導向鉆孔和擴孔兩階段起著重要作用。

圖3 水平定向鉆穿越工藝流程圖

2 施工重難點分析

2.1 S形鋪管軌跡，回拖力計算難度大

由于案例項目采用規程[7-8]中沒有相關規定的鋪管平面線形為S形的鋪管軌跡，其管道回拖力的計算，若直接參考鋪管平面為直線形的管道回拖力計算公式，計算結果所產生的誤差較大，不利于水平定向鉆選型。同時，在回拖拉管過程中，需保證鉆具輸出的回拖力在管材所能承受的最大抗拉承載力范圍內，避免管材在回拉過程中發生斷裂破壞。

2.2 雙曲線導向，施工難度高

導向孔鉆進是整個穿越工程鉆進路線順利實施的基礎，本案例項目的平面線型為S形曲線，相較于平面線型為直線段的穿越工程，在施工導向過程中，鉆頭鉆進位置的確認和角度調整更不易控制，使實際鉆進軌跡與理論設計軌跡保持在較高的符合度上的難度較大。若出現角度偏差較大或鉆進位置偏離情況，對后續擴孔和管道回拖階段影響較大。且由于本案例項目穿越距離較遠，在水平鉆桿鉆進過程中，隨著導向長度的加大，鉆桿的剛度逐漸減小，其受到鉆具扭矩的影響也隨之增大，影響著鉆壓(推力)的有效傳遞，鉆頭的有效鉆壓難以保證，影響施工效率。

2.3 擴孔級差選擇難度大，成孔困難

案例項目穿越管道直徑較大無法一次擴孔完成，需按照規程[8]要求，進行由小到大的逐級擴孔。隨著擴孔級數的增多，對孔洞內的擾動影響也隨著增大[7]；且案例項目擴孔長度長達2005 m，擴孔級數設置越多，存在卡鉆、鉆桿斷裂等的不確定風險也越大。

此外，案例項目穿越地層為含砂淤泥質土，承載力低、粘度大，局部地層為強風化基巖面硬度較大，導致承載力突變幅度大，容易在擴孔時抱鉆頭與鉆桿造成孔道錯臺，形成不規則不順滑孔道[6]。同時，由于該案例項目位置處于入海口，水質表現為不同的兩相水混合方式，土質鹽堿成分較高，在擴孔作業時，泥漿性能容易受水文地質條件影響發生改變，孔壁穩定性差。若發生泥漿沉淀，容易形成鉆屑床堵塞孔道，發生縮孔、塌孔情況。

2.4 場地受限，管道回拖困難

管線預制場地受限直線長度不夠，無法滿足2005 m管線長度。因此，回拖管線連接采用二接一的方式，即分焊兩道分別為1002 m和1008 m的管線。當管線回拖至1000 m時，管道進入連接區域進行二接一焊接施工，待焊接連接完成后，再進行另一段管線的回拖。由于管線回拖施工應連續進行，若遇特殊情況需要停拖，也需將其時間控制在12 h內，降低因停工過久，造成回拖阻力增大，出現卡鉆現象發生的概率。否則，需要對孔道再進行一次通孔后才可回拖，不僅施工風險增大，且施工成本也隨之增加。

管道在回拖作業時受牽引力拖拉影響，一直在做無規則旋轉拖動，管道受到扭矩、回拖阻力以及水平定向鉆牽引力等影響，受力復雜。管道在回拖作業時，每當回拖一根鉆桿，就要進行一次卸鉆桿，受孔道大及回拖力大的影響，鉆桿在卸扣時，由于釋放鉆桿拉力較大，導致鉆桿產生回彈現象，使鉆機與回縮的鉆桿不能直接進行連接，需要加接一根短接進行過渡，致使每回拖一根鉆桿的距離就要多進行一次裝卸鉆桿，使得現場回拖效率減慢，工期延長。

3 施工對策及應對措施

3.1 回拖力數值仿真模擬，助力設備選型

3.1.1 基本假設

為研究S形平面路徑管道回拖過程的受力狀態，輔助項目設備選型，本案例有限元模擬方法，參考朱清帥提出的水平定向鉆回拖力計算模型進行計算，并作如下假設[6,9]：

(1)不考慮擴孔器等部件受力因素的影響；

(2)管道等效為等截面空心圓柱體，且長度足夠覆蓋彎曲段軌跡；

(3)孔壁等效為剛體，管道穿越曲線由斜直線段與彎曲段組成，各單元光滑連接；

(4)等效先導孔為正圓形；

(5)泥漿阻力產生的荷載采用摩擦系數等效。

3.1.2 幾何參數

采用本項目工程管道穿越模型作為計算基準模型，有限元模型軌跡示意圖如圖4及表1所示，管道回拖過程數值仿真模型，如圖5所示。

(a)平面圖

(b)深度圖圖4 管道穿越軌跡簡化圖

表1 有限元模型軌跡參數表 m

圖5 管道回拖過程數值仿真模型

3.1.3 有限元結果分析

如圖6為管道軸力隨穿越長度變化曲線。圖中虛線表示各段弧長的分界點，各虛線區間分別表示AB、BC、CD、DE、EF、FG段弧長區域內對應圖4所示節點。

圖6 管道軸力隨穿越長度變化曲線

由圖6可知，當管道回拖進入AB造斜段時，徑向軸力呈現緩慢增加的趨勢；當管道進入BC段弧長時，徑向軸力增加速率迅速加快，此時管道進入彎曲段時開始產生一定的夾角，接觸壓力增大。管道除了要保持原有的直線狀態，還要受到彎曲段管道與導向孔的壓迫限制，絞盤效應持續增大，在管道穿越至315 m處時，管道與導向孔之間的接觸力最大，軸力增加百分率達到了最大值。

當管道進入CD段弧長時，徑向軸力增加速率迅速減小，軸力增大不明顯。當管道繼續穿越280 m后，軸力呈階梯式增大，并緩慢減小；當管道進入DE段弧長時，軸力緩慢提高，而當管道繼續穿越360 m后，軸力呈階梯式增大，而后緩慢增加。當管道進入EF段弧長時，管道轉角幾乎保持不變，軸力呈直線緩慢增大；當管道進入FG造斜段時，軸力基本呈穩定狀態。

3.1.4 設備選型與安全性分析

根據有限元計算結果，得出軸力最大值為10551 kN，與根據規程計算得出的回拖力7340 kN相比，偏差為30.4%。為確保所選鉆機型號滿足未來管線回拖拉力需求，從施工安全、施工成本等各方面進行考量，確認采用回拖力最大值為有限元分析數值為1.9倍的IHDD-2000t的水平定向鉆機，是目前國內第一大噸位水平定向鉆機，其主要技術參數如表2所示。

表2 IHDD-2000t 主要技術參數

同時，為確保管材在回拉過程中不發生斷裂破壞，且所選定向鉆機滿足項目回拖力需求，根據規范《水平定向鉆進管線鋪設工程技術規程》(DBJT 13-102-2019)[8]計算得出，DN1200管道最大抗拉承載力約為14561 kN，大于穿越管段所受回拖力為10551 kN，滿足管道回拖安全性要求。

3.2 對穿導向技術保證導向孔作業

導向孔鉆進成功是保證整個工程順利完成的第一步。由于本案例項目水平穿越距離大于2000 m，為保證鉆頭的有效鉆壓，確保項目順利施工，采用了對穿導向技術。通過在河床兩岸分設主鉆機IHDD-2000和輔助鉆機GD3500結合KY-100地磁導向系統，進行對穿導向工藝。

如圖7(a)所示，對穿開始時，地面控制系統根據位置信息，定位主鉆機和輔助鉆機鉆頭的地下位置，在導向最后500 m，通過利用對穿棒旋轉磁鐵，釋放磁場。導向探棒探頭接收此磁場，精確定位鉆進，實現對穿施工。對穿結束后，如圖7(b)所示，輔助鉆機開始逐步平緩地將鉆桿往回退，主鉆機接收到輔助鉆機目標磁鐵的磁信號時，即跟隨輔助鉆機回退的速度與路線，逐步向之前輔助鉆機導向鉆進形成的導向孔導向鉆進，直到整個導向孔穿越完成。以此來縮短單邊導向鉆進距離，保證鉆頭的有效鉆壓，從而提高導向鉆進效率，縮短工期。

(a)對穿開始

(b)對穿結束圖7 對穿導向示意圖

3.3 合理選擇擴孔極差，確保成孔質量

3.3.1 擴孔極差選擇

根據規程[7-8]要求，擴孔孔徑比管徑大300 mm～400 mm即可，即案例項目擴孔終孔孔徑范圍為1520 mm～1620 mm。因此，為確保管道回拖安全，項目終孔孔徑為1600 mm。項目采用逐級擴孔方式進行擴孔作業，各擴孔級差采用等切削面積法進行確認。鑒于案例項目穿越地層主要為(含砂)淤泥質土，且鉆機最大扭矩達300 000 N·M，鉆機能力大，因此確認案例項目采用6級擴孔作業。

3.3.2 成孔質量控制

(1)選用合適的擴孔器

為確保所選用擴孔器能夠有效阻止發生鉆屑積聚或阻流現象，避免含砂淤泥質土粘度大易發生抱頭和抱桿的隱患，故采用適用于軟巖地層及硬土層的銑齒牙輪擴孔器。

同時，在每級擴孔后，根據上一級擴孔過程中采集到的扭矩、拉力及返漿情況對孔內進行判斷。若孔內鉆屑量較多，宜進行洗孔后再進行下一級擴孔。洗孔方式為在擴孔頭后，連上同等級直徑長度30 m修孔浮筒進行修孔，確保擴孔孔道通暢。

(2)適當增大泥漿排量

受項目所在地水文地質影響，為有效預防泥漿性能發生變化，導致憋泵、憋鉆、強行回擴的現象出現，在擴孔作業時，適當增大泥漿排量，加快泥漿循環，使泥漿流速保持攜帶土層碎屑的能力，保證擴孔成功，使成孔質量達到要求。

3.4 管線回拖技術措施

3.4.1 浮力控制措施

案例項目穿越管道直徑為1.2 m，大于1.0 m。根據參考文獻[7-8]要求，應在回拖時采用配重措施平衡管道受到的泥漿浮力作用，以減小管道與鉆孔之間的摩擦阻力。通過在回拖前進行浮力計算，得出在進行拉管回拖時，在管道內全長設置1根管徑為De610注滿水的PE管，兩端封堵，形成沿長度的均勻配重，待拉管施工完畢后，再將De610 PE管及時拆除，可以達到降低管線在泥漿中的浮力的作用。

3.4.2 管線二接一接管時間控制

為確保管線回拖順暢，管線二接一焊接停工時間不易過長。案例項目在進行管線二接一施工時，提前安排焊接、防腐、檢測等施工隊伍到達管道二接一施工場地，并做好施工準備，待管道回拖至對接場地時，立即進行對接施工作業，確保在8 h內完成對接施工，減小停工時間過長導致的非必要施工風險。

3.4.3 鉆桿防回彈措施

為防止大口徑管道在回拖施工時，因鉆桿卸扣釋放拉力過大，導致鉆桿回縮影響施工效率問題，項目在鉆機前端安裝了一套鉆桿防回彈裝置，當管線回拖每回拖一根鉆桿，進行卸鉆桿，啟用鉆桿防回彈裝置抱死鉆桿，防止鉆桿卸力過大引起回彈，從而有效減少了裝卸鉆桿時間。

此外，根據規程[7-8]計算，項目回拖管線所需拉力至少達734 t，有限元計算項目回拖管線所需拉力至少達1055 t，僅靠定向鉆機的能力，難以保證項目管線回拖的成功。因此，項目通過在管線入土端架設一臺推管機助力裝置，通過入土端，將管線推入孔內，助力定向鉆機進行管線回拖作業。

3.4.4 質量控制

(1)回拖前準備工作

在管線回拖前，要及時檢查銑齒牙輪擴孔器，保證其各泥漿噴嘴暢通不阻塞，確認合格后再進行連接。連接完畢后，及時檢查設備的連接順序是否按管線-回拖頭(焊接)-萬向節(U型環鏈接)-擴孔器-鉆桿進行連接，并應檢查鉆具等設備連接的可靠度，確保管線在回拖過程中不發生設備連接順序錯誤或連接故障等問題。同時，為降低回拖拉力，在回拖過程中使用的銑齒牙輪擴孔器，為最后一次擴孔作業的擴孔器，其直徑大于穿越管道直徑，并起到保護管道外部防腐層的作用。

(2)回拖過程控制

擴孔器旋轉速度和管線回拖速度控制，是保障管線回拖穩定安全的重要控制因素。在管道回拖過程中，結合有限元受力分析成果，對項目回拖各階段受力狀態、回拖力值及回拖速度進行輔助監控；并時刻觀察接卸設備回拖力數值的變化范圍，使其控制在小于2.5 m/min的速度范圍內，保障管線回拖勻速進行；并確保管線回拖力控制在管道最大抗拉承載力以內，避免管道因回拖力過大，導致管道發生變形或斷裂的情況發生。同時，管線回拖應連貫有序進行，若非必要盡可能不停工，以避免因停工期間發生塌孔或泥漿性能變化阻力增大等情況發生；確保泥漿系統運行正常，盡可能地回收利用泥漿殘物，降低環境污染。

4 結論

(1)通過對S形平面穿越線型的回拖過程進行數值仿真模擬，對管道回拖力進行計算，解決了目前規范[7-8]中暫無關于S形平面穿越線型的管道回拖力計算方法問題，并利用其分析結果對管線回拖過程的拉力值輸出進行參照，輔助項目管線回拖作業。

(2)對于長距離定向穿越工程，通過采用對穿導向技術進行導向孔鉆進，不僅縮短了穿越距離，也高效地解決了項目導向鉆進距離過長、鉆頭鉆壓不足的問題。在保證導向鉆進成功的前提下，大幅提高施工效率，有效縮短了施工工期。

(3)對在粘度大且承載力突變幅度大的地層進行大口徑管道擴孔施工中，結合現場地質情況，選擇合適的擴孔器，對擴孔成功起到事半功倍的作用。同時，應盡可能地選擇大極差擴孔，以降低多級擴孔對孔洞的擾動影響，保障擴孔成孔質量良好，利于管線回拖。

(4)在大口徑與長距離管道回拖施工中，采取有效的降浮措施，可以有效降低摩擦阻力。通過在鉆機前端安裝防回彈裝置，有效避免鉆機釋放拉力，導致鉆桿回彈情況發生。回拖前準備工作充足，與對回拖過程進行有效控制，大大提高了回拖成功率。