銀川都市圈供水工程電纜鉆越黃河設(shè)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(shè)的重大建設(shè)與民生工程，對實現(xiàn)城鄉(xiāng)供水一體化、促進鄉(xiāng)村振興與生態(tài)文明建設(shè)有重大意義[1]。 根據(jù)廣泛的調(diào)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(shè)等關(guān)鍵技術(shù)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(guī)格為D704 mm×12 mm。根據(jù)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(guān)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(shè)計專業(yè)信號線；回拖時開挖發(fā)送溝，溝內(nèi)注水漂管進行整體回拖；光電纜敷設(shè)利用人工、機械牽引。采用本方案，成功實現(xiàn)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(jīng)驗。

2 地形地貌與地質(zhì)條件

沿線地形平坦、穩(wěn)定性較好。 黃河河床之下的砂巖，呈不膠結(jié)狀態(tài)，下部砂質(zhì)泥巖層、泥質(zhì)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(zhì)的勘察，確定場地巖性屬于第四系全新統(tǒng)粉土、粉質(zhì)黏土及粉細砂，新近系中新統(tǒng)砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)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(shè)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(nèi)穿2 根24 芯ADSS 光纜， 預(yù)留1 根保護管 （提前穿入牽引繩預(yù)留），5 回內(nèi)穿電纜， 其中3 根由45#接至黃沙古渡泵站35 kV配電室內(nèi)高壓進線柜，其余2 根電纜于兩端電纜井內(nèi)預(yù)留，管道斷面詳圖如圖1 所示。

圖1 管道斷面詳圖

4 設(shè)計方案

4.1 穿越曲線設(shè)計

根據(jù)穿越處地形等特點， 定向鉆穿越的入鉆點位于黃河西側(cè)約240 m， 入土角為5.5°出土點位于黃河東側(cè)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(jù)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(xiàn)場調(diào)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(jù)GB 50423—2013 《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)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(xiàn)拉為計算的拉力，kN；L 為穿越管段的長度，m；f 為摩擦系數(shù)， 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(shù)，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(shù)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(diào)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(shè)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(diào)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(jīng)一路東約130 m 處作為入鉆點。 其中關(guān)鍵要點為：（1）鉆機導軌與水平面的夾角由原來的5.5°調(diào)整為6.5°。 因在鉆孔過程中，鉆桿來回抽動致使其出現(xiàn)下沉，故在施工前預(yù)留1°的余量。 （2）鉆機錨固平穩(wěn)后進行檢驗、試運轉(zhuǎn)，調(diào)整拖拉力；保證控向技術(shù)參數(shù)，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(tǒng)至完全準確。

各種裝置準備完成后，開始系統(tǒng)連接、試運轉(zhuǎn)，保證設(shè)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(zhì)未達到配置要求， 本次施工所用水源采用外運經(jīng)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(zhì)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(guān)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(shù)據(jù)信號的傳輸且防止其短路， 專門設(shè)計特殊加厚雙層絕緣信號線，并在導向施工中鉆桿內(nèi)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(yīng)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(jié)，保證泥漿處于流動狀態(tài)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(jié)束后， 按照φ32 mm+φ38 mm、φ38 mm+φ43 mm 擴孔方式繼續(xù)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(nèi)， 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(zhì)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(shù)； 質(zhì)量遵循自檢數(shù)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(jié)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(nèi)注入一定重量的水，保障鋼套管上浮可控。

采用開挖發(fā)送溝與溝內(nèi)漂管的方式進行回拖， 設(shè)置合理發(fā)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(shè)備；連接前用泥漿沖洗鉆桿， 向鋼套管內(nèi)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(cè)涂抹潤滑劑，以降低管道摩擦力；旋轉(zhuǎn)接頭萬向節(jié)內(nèi)注滿油，使旋轉(zhuǎn)良好；回拖作業(yè)時，增加高潤滑泥漿，減小回拖阻力。

5.2.6 光、電纜敷設(shè)

管道回拖及試通結(jié)束后進行光電纜敷設(shè)， 本工程電纜型號采用YJV72-26/35-1×300 單芯交聯(lián)聚氯乙烯非磁性鎧裝銅芯電纜（特制海纜）。 電纜敷設(shè)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(shè)前，進行絕緣測試與耐壓等測試；電纜敷設(shè)采用10 t 絞磨機牽引，每次牽引1 根；電纜敷設(shè)牽引完成后，進行光纜牽引；光、電纜敷設(shè)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(jù)地質(zhì)材料勘察各個穿越點的巖土性質(zhì)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(yīng)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(nèi)的通暢，避免冒漿。

6.2 卡鉆、鉆具斷裂應(yīng)急措施

在擴孔及回拖階段，由于穿越距離較長，孔洞狀態(tài)不好時容易出現(xiàn)卡鉆、抱鉆現(xiàn)象。 在擴孔時若發(fā)現(xiàn)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(nèi)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(nèi)，帶來重大損失，為此通過科技創(chuàng)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(jīng)濟損失與孔洞報廢[10]。

7 結(jié)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(shè)計、穿越曲線設(shè)計方案和回拖力計算、定向鉆穿越施工等關(guān)鍵技術(shù)并給出了項目中所遇到問題的解決措施。 主要結(jié)論如下。

1）在長距離定向鉆穿越河流工程中前期地質(zhì)勘察等在整個工程中至關(guān)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?jīng)Q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。