銀川都市圈供水工程電纜鉆越黃河設計與施工

1 引言

銀川都市圈供水工程是推進銀川都市圈建設的重大建設與民生工程，對實現城鄉供水一體化、促進鄉村振興與生態文明建設有重大意義[1]。 根據廣泛的調研，長距離管道穿越河流的施工難度較大，所涉及定向鉆穿越黃河、長距離拉管、長距離電纜穿管敷設等關鍵技術方案，是此工程施工的難點所在。本穿越工程線路全長11.922 km，定向鉆穿越長度為1 140 m，拉管規格為D704 mm×12 mm。根據定向鉆直徑范圍與穿越距離劃分，本工程屬于大口徑長距離水平定向鉆穿越項目[2]。 導向孔鉆進是整個定向鉆施工的關鍵。 由于穿越距離較長，導向施工難度增大，本項目使用泥漿馬達穿越砂巖層，出入土點相差23 m， 穿越深度41.6 m， 穿越采用螺旋鋼管作為套管的方案；在導向施工時采用人工磁場精確定位，設計專業信號線；回拖時開挖發送溝，溝內注水漂管進行整體回拖；光電纜敷設利用人工、機械牽引。采用本方案，成功實現1 140 m 的定向鉆穿越，且回拖了同孔DN720 直縫鋼管，為類似定向鉆穿越積累了一定的寶貴經驗。

2 地形地貌與地質條件

沿線地形平坦、穩定性較好。 黃河河床之下的砂巖，呈不膠結狀態，下部砂質泥巖層、泥質粉砂巖層具有一定強度，天然抗壓強度0.72~1.75 MPa。 通過對擬建場地地質的勘察，確定場地巖性屬于第四系全新統粉土、粉質黏土及粉細砂，新近系中新統砂巖、砂質泥巖及泥質砂巖。

綜合分析，巖土整體一般，砂巖層承載力較好，不易坍塌，故穿越層選擇砂巖層，鉆孔的位置于河床下11.5~15.6 m。

3 管道設計

拉管套管選用L360 級DN720 mm 壁厚12 mm 的直縫鋼管。 本段電纜線路保護管采用7 根PE 管，其中1 回PE 管內穿2 根24 芯ADSS 光纜， 預留1 根保護管 （提前穿入牽引繩預留），5 回內穿電纜， 其中3 根由45#接至黃沙古渡泵站35 kV配電室內高壓進線柜，其余2 根電纜于兩端電纜井內預留，管道斷面詳圖如圖1 所示。

圖1 管道斷面詳圖

4 設計方案

4.1 穿越曲線設計

根據穿越處地形等特點， 定向鉆穿越的入鉆點位于黃河西側約240 m， 入土角為5.5°出土點位于黃河東側約387 m，出土角6°。 水平定向鉆穿越水平長度為1 140 m，拉管與黃河主河道夾角約82°，根據套管的屈服強度、撓度以及非開挖水平定向鉆曲線要求大于或等于1 500D（D 為管徑），現場調查出入鉆點場地坐標、高程及平面位置。

4.2 管道回拖力計算

根據GB 50423—2013 《油氣輸送管道穿越工程設計規范》，鉆機最大回拖力可按式（1）計算值的1.5~3.0 倍選取。

回拖力計算：

式中，F拉為計算的拉力，kN；L 為穿越管段的長度，m；f 為摩擦系數， 取0.3；D 為鋼管的外徑，m；δ 為鋼管的壁厚，m；γs為鋼管重度，kN/m3，取78.5；γm為 泥漿重度，kN/m3，取10.5~12.0；Wf為回拖管道單位長度配重，kN/m；K 為黏滯系數，取0.18。

本工程中L=1 140 m，D=0.72，δ=0.012，K 取值0.18，γm取值11.5，Wf取1.76 kN/m， 計算可得回拖力F=1 112.58 kN，安全系數取3，回拖力大于或等于3 337.74 kN 即可。故本工程采用回拖力為360 t 的3 600 型主鉆機。

5 定向鉆穿越施工

5.1 穿越施工流程

本工程參照一般定向鉆穿越施工過程， 文中主要介紹鉆機就位調試、泥漿配置、導向孔鉆進、擴孔、洗孔、管道回拖及試通、光電纜敷設施工過程。

總穿越施工流程圖見圖2。

圖2 穿越施工流程圖

5.2 穿越施工

5.2.1 鉆機就位與調試

將鉆機錨固在穿越中心線位置上， 黃河西岸作為出土點，泵站電纜井位置作為引鉆點，經一路東約130 m 處作為入鉆點。 其中關鍵要點為：（1）鉆機導軌與水平面的夾角由原來的5.5°調整為6.5°。 因在鉆孔過程中，鉆桿來回抽動致使其出現下沉，故在施工前預留1°的余量。 （2）鉆機錨固平穩后進行檢驗、試運轉，調整拖拉力；保證控向技術參數，至少測3 次并采用平均值作為有效值。 （3）準確校核控向系統至完全準確。

各種裝置準備完成后，開始系統連接、試運轉，保證設備可以正常工作。

5.2.2 泥漿配置

水平定向鉆施工中最重要的輔助之一為泥漿。 擴孔、回拖時減小摩擦阻力、增加潤滑效果都離不開泥漿[3]。

施工場地地下水等水質未達到配置要求， 本次施工所用水源采用外運經檢驗合格的淡水；為了保持泥漿性能，另外配備2 臺泥漿泵，2 個24 m3的泥漿儲存罐； 因地質原因及穿越距離過長，鉆桿在鉆進過程中的扭矩與推力很有可能會增大，故添加水平定向鉆提攜劑SDX（加量0.03%~0.1%）和水平定向鉆增黏降失水劑（加量為0.05%~0.3%）增加泥漿的潤滑性與長距離流動性與攜帶性[4]。

5.2.3 導向孔鉆進

導向孔的鉆進是整個定向鉆進施工的關鍵。 本次采取單穿方式進行導向孔的鉆進，由于穿越距離較長，為保證導向定位精確，選擇ABS 地磁有線控向儀并建立人工磁場；為保證數據信號的傳輸且防止其短路， 專門設計特殊加厚雙層絕緣信號線，并在導向施工中鉆桿內增加線卡子，防止信號線被泥漿沖刷纏繞。

工程使用的鉆進鉆具組合為：9-5/8″牙輪鉆頭、8″泥漿馬達、直徑140 mm 的5-1/2″鉆桿。 鉆進過程應注意控制鉆進鉆桿的扭矩；在導向孔施工時加1~2 個補漿短節，保證泥漿處于流動狀態攜帶渣屑，潤滑鉆桿，使鉆具扭矩減小。

5.2.4 擴孔、洗孔施工

本工程擴孔分為4 級（φ24 mm、φ32 mm、φ38 mm、φ43 mm）逐級擴孔， 當φ32 mm 擴孔結束后， 按照φ32 mm+φ38 mm、φ38 mm+φ43 mm 擴孔方式繼續擴孔。 在擴孔施工中，認真觀察擴孔情況并把扭矩控制在適宜的范圍內， 保證擴孔回擴時的順利進行；若擴孔不順暢，立即采用φ30 mm 擠擴式回孔器洗孔；若返漿不正常時及時洗孔[5]。

5.2.5 管道回拖

1）管道熔接與鋼套管焊接

考慮到穿越距離較長且對管道材質及接口強度要求過高， 選用長16 m 工廠定制SDR11 De200 壁厚22.4 mm 的PE管材，拉管套管選用L360 級DN720 壁厚12 mm 的直縫鋼管；PE 管的連接方式為熱熔技術； 質量遵循自檢數量100%，接口合格率100%；采用電弧焊焊接，焊縫接口為U 形，坡口角度10°。

2）管道回拖及試通

擴孔、洗孔結束后進行回拖，但在鋼套管回拖前，為減少鋼套管上浮與孔洞之間的摩擦力， 向鋼套管內注入一定重量的水，保障鋼套管上浮可控。

采用開挖發送溝與溝內漂管的方式進行回拖， 設置合理發送溝角度，使穿越孔洞圓滑平緩。 管材回拖前，先將管口封堵，避免雜物進入管道、檢查所有的施工設備；連接前用泥漿沖洗鉆桿， 向鋼套管內注入一定重量的水以減少鋼套管上浮與孔洞之間的摩擦力、在PE 管外側涂抹潤滑劑，以降低管道摩擦力；旋轉接頭萬向節內注滿油，使旋轉良好；回拖作業時，增加高潤滑泥漿，減小回拖阻力。

5.2.6 光、電纜敷設

管道回拖及試通結束后進行光電纜敷設， 本工程電纜型號采用YJV72-26/35-1×300 單芯交聯聚氯乙烯非磁性鎧裝銅芯電纜（特制海纜）。 電纜敷設通常有直接牽引法與間接牽引法（移動電纜抱箍固定電纜然后進行牽引[6]），本工程采用直接牽引法。 電纜牽引前，利用人工、機械牽引的方法將電纜擺放到位，兩端均固定好牽引繩。

電纜敷設前，進行絕緣測試與耐壓等測試；電纜敷設采用10 t 絞磨機牽引，每次牽引1 根；電纜敷設牽引完成后，進行光纜牽引；光、電纜敷設完成后，再進行電纜井施工。

6 解決問題措施

6.1 防冒漿措施

根據地質材料勘察各個穿越點的巖土性質及計算其臨界破壞力，確定合適的泥漿壓力與鉆機鉆進速度，防止冒漿[7]；在地面薄弱部位堆載均勻的重物，增加土壤應力，提高抗冒漿能力[8]；對施工中扭矩較大的地方、返漿不暢的部位進行洗孔，保證孔內的通暢，避免冒漿。

6.2 卡鉆、鉆具斷裂應急措施

在擴孔及回拖階段，由于穿越距離較長，孔洞狀態不好時容易出現卡鉆、抱鉆現象。 在擴孔時若發現卡鉆，抱鉆時，及時安裝動滑輪組，將其連在回拖管道尾部往外拽，避免管道存留在孔洞內時間過長而導致更大的解卡阻力[9]；在施工中鉆具疲勞斷裂時導致鉆具卡在孔內，帶來重大損失，為此通過科技創新專門研究了鉆具打撈裝置，將掉落的鉆具及時打撈，避免經濟損失與孔洞報廢[10]。

7 結論

本文介紹了銀川都市圈供水工程電纜鉆越黃河項目管道設計、穿越曲線設計方案和回拖力計算、定向鉆穿越施工等關鍵技術并給出了項目中所遇到問題的解決措施。 主要結論如下。

1）在長距離定向鉆穿越河流工程中前期地質勘察等在整個工程中至關重要，其對施工過程中遇到卡鉆、鉆具斷裂、漏漿等問題的解決，確保定向鉆成功穿越起到決定性作用。

2）在長距離穿越導向施工過程中，可采用ABS 地磁有線控向儀進行導向施工，建立人工磁場對其精確定位，選擇特殊加厚雙層絕緣信號線進行信號傳輸。