大口徑管道單邊定向鉆穿越黃土沖溝的關(guān)鍵問題及解決措施

中圖分類號(hào)：TE973 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）21-0149-（

Abstract：Intheloessarea，ravinesarecriscrossedandsteepslopesareeverywhere.Whenoilandgaspipelinespass throughheloessarea，itisinevitabletorossthesteepslopeandscarpsection.Traditionaltrenchexcavation，backfillngand subsequentlandformrestorationarethekeyanddificultpointsoflong-distancepipelineconstruction.Inordertoensurethatthe soilerosionandenvironmentalproblemsarecontroledandtheprojectiseconomicalandreasonableduringtheconstructionperiod，thetrenchlessmethodcanbeusedforcrosing.ThispaperintroducesthewholeprocessofsendingD1219largediameter pipelineintheformofunilateraldirectionaldrillngtakingtheprojetofthethirdlineofwest-eastgaspipeline（Shanxisection）crossingloessgullyasanexample.Throughon-sitetestanalysis，，itwasdeterminedthattheanticorosivecoatingwaspro tectedintheformofafullwrappedpipelinewithaheatshrinkablebelt，anditwasweldedinsectionsandsenttothereservedhole.Afterthepipelineisinstalldinplace，thedeploymentmudisusedtofllandplugtheholes.Theengineeringeffect is good，which can provide reference for other similar projects.

Keywords：D1219pipeline；unilateraldirectionaldrillng；gllyrossing;pipelinetransmisson；hatshrinkabletapeprotection；mud ratio

西氣東輸三線（陜西段）是我國(guó)具有戰(zhàn)略意義的能源運(yùn)輸大動(dòng)脈，途徑陜西黃土高原、關(guān)中斷陷盆地、秦嶺山地等。管溝開挖是油氣管道工程施工的重要工序，對(duì)工程建設(shè)、環(huán)境保護(hù)等方面有重要影響。大口徑管道經(jīng)過陡坡段時(shí)，常采用大開挖或修筑“之\"字路方案進(jìn)行放坡，對(duì)原始地貌和環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，棄土工程量大，水土流失嚴(yán)重，管道安裝就位后地貌恢復(fù)，水工防護(hù)工程量巨大，整體費(fèi)用較高[2-3]。

定向鉆技術(shù)起源于石油鉆井工業(yè)，是指在不開挖地表面的條件下，鋪設(shè)管道、線纜設(shè)施的施工方法，其廣泛應(yīng)用于天然氣、石油等管道鋪設(shè)施工中，適用于砂土、黏土、巖石等地質(zhì)條件4-5。單邊定向鉆斜井穿越技術(shù)是利用水平定向鉆成孔技術(shù)形成斜井，是水平定向鉆穿越和斜井穿越技術(shù)的組合，具有穿越距離長(zhǎng)、高差大、施工效率高、坡體干擾小等優(yōu)點(diǎn)，適合于單次較長(zhǎng)距離的斜井穿越[6-8]。

西三線管道在穿越黃土沖溝時(shí)，采用單邊斜井定向鉆工藝，形成一道滿足管道發(fā)送的孔洞，首次在大口徑管道分段焊接發(fā)送時(shí)提出熱收縮帶全包裹防護(hù)，使管道安裝就位后，再采用泥槳對(duì)孔洞進(jìn)行有效封堵，取得較好的效果。這種方式克服了以往大開挖施工的各種缺點(diǎn)，高效經(jīng)濟(jì)地完成了穿越黃土沖溝管道的安裝，極大減少了土石方及水工保護(hù)工程量，對(duì)環(huán)境較為友好，具有較大的推廣優(yōu)勢(shì)。

1 工程概況

管道穿越場(chǎng)地主要為黃土臺(tái)塬，勘探深度內(nèi)地層主要為第四紀(jì)全新世沖洪積 （Q₄^al+pl） 黃土狀土、晚更新世風(fēng)積（ ）馬蘭黃土、古土壤層及中更新世風(fēng)積（ 離石黃土。沖溝深度約 100m ，坡角約 35^° ，坡頂黃土臺(tái)地較為平坦，地表主要為農(nóng)田，種植小麥間或玉米。沖溝呈\"V\"型，溝底寬度約 10m ，上開口約 260m 。坡體陡立，局部破碎，坡壁主要為灌木及雜草，坡腳局部可見崩塌體。穿越斷面處溝道較為順直，管道由西北向東南近垂直穿溝道，穿越場(chǎng)區(qū)概況及物理力學(xué)性質(zhì)詳見圖1和表1。

穿越場(chǎng)地所在地區(qū)等級(jí)為二級(jí)地區(qū)，直管采用D1219×22.0mm 的直縫埋弧焊鋼管，熱煨彎管采用3LPE（三層聚乙烯）加強(qiáng)級(jí)防腐的 D1219×26.4mm 直縫埋弧焊鋼管，鋼材等級(jí) L555M（X80M） 。兩側(cè)沖溝坡面均采用單邊定向鉆穿越，如圖1（b）所示，小樁號(hào)AA1側(cè)水平穿越長(zhǎng)度為 158m ，大樁號(hào)AA2側(cè)水平穿越長(zhǎng)度為 154m ，斜井內(nèi)管道埋深 20～30m 。溝底大開挖后采用2個(gè) 30^° 熱煨彎管進(jìn)行連頭返平，溝底管道平均埋深為 4.6m 。

2單邊定向鉆實(shí)施方案

2.1 穿越地層及線形選擇

在初選的定向鉆入土點(diǎn)和出土點(diǎn)間作直線，如果該直線位于坡體穩(wěn)定土層以內(nèi)，管道達(dá)到設(shè)計(jì)埋深要求，線路傾角滿足鉆機(jī)作業(yè)參數(shù)，則該直線可以作為單邊定向鉆穿越線路軌跡。在揭露深度范圍內(nèi)，定向鉆穿越層主要為離石黃土，抗剪強(qiáng)度較高，適宜定向鉆施工。因此，定向鉆選擇在離石黃土層鉆進(jìn)，采用直線形，定向鉆穿越段入土角設(shè)置為 30^° ，穿越完成后在溝底及兩側(cè)坡頂連頭返平。

2.2 入土點(diǎn)場(chǎng)地布置

如圖2（a）及圖2（b）所示，斜井定向鉆的入土端考慮擺放鉆機(jī)設(shè)備、鉆桿設(shè)備等，出土點(diǎn)需挖操作坑，安裝擴(kuò)孔器。操作坑開挖長(zhǎng)度 8m ，底寬 4m 。當(dāng)斜井角度較大鉆機(jī)調(diào)整角度不能滿足要求時(shí)，通過鉆機(jī)自身角度調(diào)整來滿足斜井角度的需要。

2.3 孔洞擴(kuò)孔及發(fā)送過程

完成導(dǎo)向孔后，安裝擴(kuò)孔器進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔完成后形成直徑為 1.8m 的雞蛋型孔洞。首先使用吊管機(jī)將預(yù)制好的第一節(jié)（三接一）管段吊放到斜井內(nèi)，而后在預(yù)制若干節(jié)二接一管段。如圖2（c）和圖2（d）所示，在作業(yè)坑內(nèi)將預(yù)制完成的管段進(jìn)行分段焊接，經(jīng)檢測(cè)、防腐合格后，在吊管機(jī)的配合下，緩慢往孔洞發(fā)送至預(yù)定位置。沖溝兩側(cè)完成穿越后，溝底采用2個(gè)熱煨和直管段進(jìn)行連頭（圖2（e））。

2.4 牽引力計(jì)算

由于發(fā)送孔洞較陡，D1219管材自重較大，考慮發(fā)送時(shí)的安全問題需增加牽引設(shè)備。單根管材規(guī)格為D1219mm×22mm ，長(zhǎng)度 L=12m ，單根管材質(zhì)量 W 可表示為

W=W 鋼管十W 防腐層

式中： W_#N×N 鋼管和 ρ 鋼管分別為單根管材鋼管質(zhì)量、體積和密度， ρ_#ME^#S 取 7.8t/m³ W 防腐層 ?^V 防腐層和 ρ 防腐層分別為單根管材防腐層質(zhì)量、體積和密度， ρ 防腐層取0.95t/m³;D 為管材外徑，取 1219mm;δ 為管材壁厚，取 22mm;d 為防腐層厚度，取 4mm 。

將上述參數(shù)代入式（1），可得單根管材質(zhì)量 W=7.92t

定向鉆穿越管長(zhǎng) L₁=170m ，孔洞傾斜角度 α=30^° 管土摩擦系數(shù) μ 可考慮為 0.5^[10-11] □

因此，穿越管段沿孔洞方向的下滑力

F=（sinα-μcosα）WL₁/12=7.51t

通常情況下，5倍安全系數(shù)下的鋼絲繩許用拉力的經(jīng)驗(yàn)公式 P=0.1×D₁ ²，7 分 22mm 鋼絲繩許用拉力P=0.1×7²=4.9tc ，因此向孔洞發(fā)送時(shí)，利用卷?yè)P(yáng)機(jī)搭載2根 22mm 的鋼絲繩對(duì)管道進(jìn)行牽引固定。

3單邊定向鉆管道防護(hù)層保護(hù)試驗(yàn)探究

傳統(tǒng)水平定向鉆穿越碎石土、礫砂、中粗砂、破碎巖體，以及單軸飽和抗壓強(qiáng)度大于 15MPa 的巖體時(shí)，宜采用玻璃鋼和改性耐磨環(huán)氧類液態(tài)涂料作為防護(hù)層[2]，且水平定向鉆穿越回拖時(shí)孔洞內(nèi)填充泥漿，一般情況下外防腐層不易發(fā)生損傷。而鑒于單邊定向鉆穿越施工的技術(shù)特點(diǎn)和防腐措施的使用，鋼管回拖過程中防腐層極易發(fā)生機(jī)械損傷，進(jìn)而影響工程施工質(zhì)量。據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，中小口徑管道單邊定向鉆施工時(shí)，通常發(fā)送之前在管道上整體包覆一層 8mm 厚的膠皮，采用包裝帶捆扎牢固后，外層再包覆一層竹皮。

如圖3（a所示，在正式發(fā)送前，在廢棄管段前放置相機(jī)向孔洞發(fā)送，檢查孔洞內(nèi)地層情況。由返回?cái)?shù)據(jù)及圖3（b）可知，在距離坡頂約 80m 和 140m 處存在料姜石層，會(huì)對(duì)防腐層產(chǎn)生一定程度的損傷。

限于施工工期及流程問題，采用玻璃鋼防護(hù)層可能延誤工期，而膠皮加竹片的防護(hù)型式未曾在D1219及以上管徑單邊定向鉆上應(yīng)用過。因此，結(jié)合各參建方意見及工期原因，擬采用一周時(shí)間，使用自制回拖頭接一根直管進(jìn)行4次回拖試驗(yàn)，去探索大口徑管道發(fā)送時(shí)適宜的管道防腐層保護(hù)形式。

3.1第一次試驗(yàn)過程及結(jié)果

由圖4（a）所示，第一次試驗(yàn)采用2個(gè)未設(shè)置擋板的自制回拖頭，焊接在3LPE加強(qiáng)級(jí)防腐的直管段兩端，發(fā)送至孔洞內(nèi)。由圖4（b）可知，回拖上返的管道防腐層劃傷嚴(yán)重，管道順氣流3至6點(diǎn)位3LPE防腐層局部漏底漆

3.2第二次試驗(yàn)過程及結(jié)果

如圖5（a）所示，第一次回拖后，對(duì)自制回拖頭進(jìn)行改造，在回拖頭一周增設(shè) 5cm 高的鋼質(zhì)擋板，在第二次試驗(yàn)之前進(jìn)行多次拉拖清孔，利用擋板盡可能磨平2處料姜石層。拖拉清孔完成后，在直管段上進(jìn)行3LPE加強(qiáng)級(jí)防腐，發(fā)送至孔洞內(nèi)。

如圖5（b所示，回拖管道防腐層在順氣流3點(diǎn)至6點(diǎn)位出現(xiàn)最大深度為 1mm 的劃痕，經(jīng)多次回拖清孔后，防腐層損傷較第一次試驗(yàn)有較大改善。

3.3第三次試驗(yàn)過程及結(jié)果

參照以往中小口徑管道單邊定向鉆防護(hù)型式經(jīng)驗(yàn)，如圖6（a）和圖 6（b） 所示，采用 8mm 膠皮對(duì)管道防腐層進(jìn)行防護(hù)，膠皮相互搭接厚度為 0.1m ，使用鋼綁帶對(duì)搭接處進(jìn)行固定，鋼帶綁扎間距為 1m. 。在回拖頭前段使用熱收縮帶對(duì)膠皮端部進(jìn)行防護(hù)，用以對(duì)比防護(hù)效果。

如圖6（c）和圖6（d）所示，管道與孔洞壁接觸面的膠皮破損嚴(yán)重，且大規(guī)模脫落，數(shù)處鋼帶變形嚴(yán)重接近脫離，熱收縮帶防護(hù)層依然未產(chǎn)生較深劃痕。因此，可推斷大口徑管道進(jìn)行發(fā)送時(shí)，受控于自身重力作用、孔洞彎曲性及地層復(fù)雜性，常規(guī)的鋼帶或竹片綁定膠皮，可能在發(fā)送過程中損傷管道防腐層。

3.4第四次試驗(yàn)過程及結(jié)果

由第二次試驗(yàn)結(jié)果可知，利用增設(shè)的鋼質(zhì)擋板對(duì)孔洞進(jìn)行多次回拖清孔，防腐層損傷有明顯改善。因此，在第四次試驗(yàn)之前又采用改造回拖頭進(jìn)行多次拖拉清孔，進(jìn)一步磨平料姜石層，而后在試驗(yàn)管段頭部、中部、尾部各采用一條熱收縮帶進(jìn)行防護(hù)，用來試驗(yàn)熱收縮帶防護(hù)效果。

如圖7所示，熱收縮帶均未脫離變形，僅表面產(chǎn)生部分深度不足 1mm 的劃痕，管道3LPE防腐層無新增劃痕，熱收縮帶對(duì)管道防腐層保護(hù)效果顯著增加。

由上述4次試驗(yàn)結(jié)果可知，使用帶擋板的回拖頭進(jìn)行多次回拖清孔，可有效消磨孔洞內(nèi)巖石層。因此，無論采取哪種措施保護(hù)防腐層，均應(yīng)先開展回拖清孔，以消磨孔洞內(nèi)巖石層。

采用斜井定向鉆技術(shù)發(fā)送的大口徑管道，不宜采用膠皮包裹防護(hù)。如受限于工期等因素，可采用熱收縮帶全包裹穿越段管道分段焊接發(fā)送。本處沖溝兩側(cè)穿越管道均采用熱收縮帶進(jìn)行包裹防護(hù)，已順利完成敷設(shè)，防護(hù)效果良好。

4孔洞回填及水工保護(hù)方案

4.1填充泥漿試驗(yàn)研究

為滿足主管道與孔洞之間空隙填充率，防止塌孔，采取泵送復(fù)合漿液方案進(jìn)行填充。斜井定向鉆穿越位置黃土具有輕度濕陷性，遇水后強(qiáng)度降低，如果漿液含有大量水分，而且凝膠時(shí)間較長(zhǎng)，將會(huì)有大量的水滲入土體內(nèi)，降低周圍土體強(qiáng)度。鉆孔四周均為黃土，漿液能滲入土體內(nèi)部，與土體顆粒產(chǎn)生黏結(jié)作用，在鉆孔周圍產(chǎn)生一定范圍的漿液和土顆粒固結(jié)體，漿液需要有較好的流動(dòng)性，凝膠時(shí)間不可過短。試驗(yàn)試塊凝固過程如圖8所示。

膨潤(rùn)土價(jià)格低廉、來源廣泛且無毒無污染，自膨潤(rùn)土在1898年被發(fā)現(xiàn)后，隨著研究的深人，發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土具有一定的黏滯能變性和潤(rùn)滑性，有較強(qiáng)的陽(yáng)離子交換能力，是一種較好的助懸浮劑[13-14]，普通水泥漿液為顆粒懸浮型固液兩相流體，膨潤(rùn)土在改性水泥漿液其他性能有較多研究[15]。因此，結(jié)合材料的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，選用采用水泥、膨潤(rùn)土、黃土、水和速凝劑幾種材料探究合適的配比，試驗(yàn)中水質(zhì)量均為 2.5kg 。

由表2試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，水泥：膨潤(rùn)土：黃土：水 2：1：7：10的配比流動(dòng)性較好，但由第8組及第9組試驗(yàn)對(duì)比可知，速凝劑的添加比例對(duì)漿液黏度有較大影響。因此，開展一組僅控制速凝劑比例的試驗(yàn)來探索速凝劑的配比。

由圖9試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)速凝劑添加 50g（ 即 2% ）時(shí)，漿液流動(dòng)性較好。因此，結(jié)合本處穿越地質(zhì)情況和試驗(yàn)結(jié)果，填充泥漿推薦采用水泥、膨潤(rùn)土、黃土、加速凝劑進(jìn)行配比，推薦泥漿比例按照水泥（ 20% ）+膨潤(rùn)土（ 10% ） + 黃土（ 70% ）配比，并加 2% 速凝劑，水固比1：1。

4.2 洞口回填

穿越主管道完成安裝后，首先對(duì)下部洞口采用2：8水泥土夯填進(jìn)行封堵（厚度不小于 2m ，夯填高寬均不小于擴(kuò)孔外邊緣 1m ，然后在斜井上部注漿。按照12m³ 泥漿一個(gè)注漿段，每2次注漿之間間隔 8h 。

以定向鉆人土點(diǎn)洞口為中心，半徑 3m 范圍內(nèi)采用防滲封堵，封堵范圍內(nèi)先鋪土工布，再鋪HDPE防滲膜，上鋪土工布，用2：8水泥土分層夯實(shí)回填，每層厚 200mm ，壓縮系數(shù)不小于0.93。水泥土夯填厚度不小于 0.6m ，夯填的范圍為距離地面 0.6m ，之上應(yīng)采用回填原土，恢復(fù)地貌，滿足施工后土地復(fù)墾的要求。

4.3 溝底水工保護(hù)

如圖10所示，考慮管溝回填及溝底破壞程度，首先在兩側(cè)坡腳處各設(shè)置一道寬為 25m 的漿砌石擋土墻。由于溝底地層主要為黃土狀土，力學(xué)性質(zhì)一般，由表1可知，黃土狀土的地基承載力特征值 100kPa ，兩側(cè)漿砌石擋土墻高度設(shè)置 2.5m 為宜，基礎(chǔ)嵌入至五十年一遇沖正高程以下 1m ，增設(shè)漿砌石防沖墻及過水面。

5結(jié)論

1）油氣管道穿越黃土沖溝或陡坡（坡度 30^° 以上，高差 100m 以上）時(shí)，單邊定向鉆穿越施工效率高，對(duì)原始坡面基本無擾動(dòng)，地貌恢復(fù)及水工保護(hù)工程量較小，具有較大的推廣優(yōu)勢(shì)

2）通過本工程實(shí)例可知，單邊定向鉆方案適用于D1219大口徑管道進(jìn)行分段焊接發(fā)送，發(fā)送前應(yīng)結(jié)合地質(zhì)情況等進(jìn)行受力分析，并采取鋼絲繩等措施進(jìn)行牽引固定；發(fā)送前應(yīng)對(duì)孔洞內(nèi)地質(zhì)情況進(jìn)行復(fù)核，如存在不利地層因素，可進(jìn)行多次拖拉清孔以保證發(fā)送順利。

3）大口徑管道受控于自身重力及孔洞不均質(zhì)性，傳統(tǒng)的鋼帶（竹片）綁膠皮方法對(duì)防腐層保護(hù)適用性較差，因此，在工期緊張情況下，首次提出熱收縮帶全包裹防護(hù)大口徑管道防腐層。由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可知，在孔洞進(jìn)行多次拖拉清孔后，采用熱收縮帶全包裹管道形式進(jìn)行分段焊接發(fā)送，防護(hù)效果良好。

4）填充泥漿比例按水泥（ 20% ） ⁺ 膨潤(rùn)土 （10%）+ 黃王 70% 配比，水固比1：1，并加 2% 速凝劑，流動(dòng)性良好，能有效對(duì)孔洞與管道之間空隙進(jìn)行填充封堵。

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