定向鉆在天然氣管道穿越永定河工程的應(yīng)用

摘 要

比較了圍堰法、頂管法和定向鉆法穿越河流的施工工藝及優(yōu)缺點(diǎn)，探討了天然氣管道穿越永定河方案的比較及選擇、對GB 50286—98《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)條文的理解，提出了為進(jìn)一步提高安全性采取的技術(shù)措施。
摘要：比較了圍堰法、頂管法和定向鉆法穿越河流的施工工藝及優(yōu)缺點(diǎn)，探討了天然氣管道穿越永定河方案的比較及選擇、對GB 50286—98《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)條文的理解，提出了為進(jìn)一步提高安全性采取的技術(shù)措施。
關(guān)鍵詞：定向鉆；非開挖；天然氣管道；穿越河流；圍堰法；頂管法
Application of Directional Drilling Technology to Natural Gas Pipeline Project Crossing Yongding River
GONG Ming，LI Yongwei，SUN Mingye，GAO Huiming
Abstract：The construction technology as well as advantages and disadvantages of cofferdam method，pipe jacking method and directional drilling method for crossing rivers are compared.The comparison and selection of natural gas pipeline crossing Yongding River schemes as well as the understanding on the relevant articles in Code for Design of Levee Project(GB/T 50286—98)are discussed.The technical measures for further improving safety are put forward.
Key words：directional drilling；trenchless；natural gas pipeline；crossing river； cofferdam method；pipe jacking method
1 概述
    水平定向鉆技術(shù)[1～2]是在不開挖地表面的情況下，敷設(shè)、修復(fù)和更換地下管道的一種施工工藝，廣泛應(yīng)用于天然氣、煤氣、供水、電力、電信、石油等管線的敷設(shè)施工中，適用于沙土、粘土、粉土等多種地質(zhì)情況。我國大部分非硬巖地區(qū)都可采用這種技術(shù)，具有施工速度快、精度高、成本低、對環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。
    本文對某天然氣管道工程穿越永定河方案的比較、選擇、論證實(shí)施進(jìn)行探討，并分析定向鉆技術(shù)在該工程的適應(yīng)性及采取的技術(shù)措施。
2 天然氣管道穿越河流的主要方法
    天然氣管道穿越河流按照敷設(shè)方式可以分為開挖穿越和非開挖穿越[3]。開挖穿越即溝埋穿越，在河床上采用各種方式成溝、敷設(shè)、回填，根據(jù)成溝方式分為圍堰法、爆破法、挖泥船挖溝法、氣舉法、液化法。非開挖穿越主要包括定向鉆穿越和隧道穿越，隧道穿越通常有頂管法、盾構(gòu)法、鉆爆法等[4]。幾種穿越方式的施工工藝、優(yōu)缺點(diǎn)比較如下。
    ① 圍堰法
    施工工藝：在待穿越河流管道的兩側(cè)，堆筑臨時(shí)堤壩阻擋水流，選擇合適的導(dǎo)流方法。然后開挖溝槽，敷設(shè)管道，回填土。最后拆除圍堰。
    優(yōu)點(diǎn)：成溝容易，能保證埋深，不需牽引設(shè)備，適用于穿越小型和季節(jié)性河流。
    缺點(diǎn)：需要圍堰，工程量大，對河道擾動大，不適用于水流量大、通航的河流。
    ② 頂管法
    施工工藝：采用超長距離頂管，運(yùn)用中繼裝置接力頂進(jìn)，套管可以是鋼套管或鋼筋混凝土套管，管卡固定、注砂、注水泥漿固管。
    優(yōu)點(diǎn)：工藝技術(shù)成熟，截面小，造價(jià)相對較低，頂進(jìn)速度快。
    缺點(diǎn)：適用于1km以內(nèi)的穿越，不適用于軸向彎曲的穿越。
   ③ 定向鉆法
   施工工藝：定向鉆機(jī)在河底鉆導(dǎo)向孔，當(dāng)鉆頭在對岸出土后，在出土段連接擴(kuò)孔器。擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)動，配以高壓泥漿沖切。同時(shí)，鉆臺上的活動卡盤向上移動，拉動擴(kuò)孔器前行，多次擴(kuò)孔，使鉆孔略大于穿越管段外徑。最后將穿越管段連接在擴(kuò)孔器后，拉動擴(kuò)孔器和穿越管段，使管段敷設(shè)在鉆出的孔中。
    優(yōu)點(diǎn)：工期短，造價(jià)低，施工對航行無影響，不受季節(jié)限制，管道不受水流沖刷，兩岸占地少。
    缺點(diǎn)：不易檢修，不適用于卵石河床、堅(jiān)硬巖石河床、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不具備彈性敷設(shè)條件且無回拖場地的河流。
3 在天然氣管道穿越永定河的應(yīng)用
   ① 工程概況
   北京市某天然氣管道的設(shè)計(jì)壓力為4.0MPa.管徑為DN 1000mm，需穿越永定河，穿越段寬約2.6km。
    ② 永定河概況及地質(zhì)條件
    永定河是全國重點(diǎn)防洪江河之一，防洪地位與淮河、黃河、長江并列。雖然永定河在天然氣管道穿越段的河道長年斷流，河道兩側(cè)土地沙化嚴(yán)重，加之近些年砂石采挖猖獗，河道內(nèi)溝壑遍布，河床裸露，但穿越方案仍得到管理部門的重視。
    根據(jù)地勘報(bào)告可知，穿越永定河段的地層分為4個(gè)主要工程地質(zhì)層，自上而下分別為粉砂-細(xì)砂層，砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)粉土-粉質(zhì)粘土層，中砂-細(xì)砂層，粉質(zhì)粘土-粉質(zhì)粉土層。
③ 穿越工程的限制條件
    a. 場地限制。永定河左堤穿越點(diǎn)位于兩條道路中間，寬度僅為25m，施工場地狹小，開挖無法保證道路通行安全。
    b. 穿越段永定河河道寬約2.6km，穿越距離太長，現(xiàn)有非開挖方式無法一次性穿越整條河道。
    c. 施工工期短。需在汛期前完成穿越及河道恢復(fù)工作，工期僅為2個(gè)月。
    ④ 穿越方案的比較及選擇
    現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50286—98《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱《堤規(guī)》)第9.2.1條規(guī)定“壓力管道和各類熱力管道需要穿過堤防時(shí)，必須在設(shè)計(jì)洪水位以上通過”。永定河堤頂僅比設(shè)計(jì)洪水位高1m，按該條規(guī)定，燃?xì)夤艿涝诖┑烫帉⒙冻龅添敗Ｍ瑫r(shí).為避免洪水發(fā)生時(shí)可能產(chǎn)生滲漏和管涌，《堤規(guī)》第9.2.9條要求“修建穿堤工程，不宜采用頂管法施工”，故頂管方案被主管部門首先否定。
    考零到上述因素，并借鑒其他穿越河流工程實(shí)例經(jīng)驗(yàn)[5～6]，從地勘情況、場地情況、施工工期和難度、對周邊環(huán)境的影響等方面綜合考慮并分析，提出了開挖、定向鉆、開挖和定向鉆相結(jié)合3種穿越方案。這3種穿越方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較如下。
   a. 開挖方案
    優(yōu)點(diǎn)：不需牽引設(shè)備，河道內(nèi)無水，不需修建圍堰。
    缺點(diǎn)：場地制約因素多，施工開口線距橋樁較近，施工安全保障度低；工程量大，對河堤擾動大，堤防回填要求高；拆遷恢復(fù)工作量大，拆遷費(fèi)用高；工期無法滿足。
    b. 定向鉆方案
    優(yōu)點(diǎn)：工藝技術(shù)成熟，施工簡便，工期短，對自然環(huán)境影響小，占地少，伐樹量小，費(fèi)用低，施工不受季節(jié)限制。
    缺點(diǎn)：不能一次穿越，無拖管場地；至少需要分成5段進(jìn)行定向鉆穿越，且要求導(dǎo)向軌跡準(zhǔn)確；各段連接處需設(shè)置很深的豎井，豎井內(nèi)彎管焊接施工難度大，難以保證焊接質(zhì)量。
    c. 開挖與定向鉆相結(jié)合方案
    優(yōu)點(diǎn)：根據(jù)地勘報(bào)告，定向鉆穿越管道主要經(jīng)過粉質(zhì)粘土-粉質(zhì)粉土層，滿足定向鉆施工的條件；兩種穿越方式揚(yáng)長避短，將拖管場地與河道內(nèi)開挖部分合用，干涸的河道不需要進(jìn)行圍堰和導(dǎo)流，滿足開挖場地要求，減小了拆遷量，采用定向鉆穿越河堤狹窄地段不會影響周邊環(huán)境和交通，保證施工安全，減小施工難度；可同時(shí)施工，滿足工期要求，造價(jià)相對較低；可保證堤防完整，對河堤的擾動小，安全保障度高。
    缺點(diǎn)：施工組織設(shè)計(jì)、工序銜接要求很高。
    經(jīng)過專家評審，最終確定采用開挖和定向鉆相結(jié)合的方案，即永定河河堤采用定向鉆穿越，主河道采用開挖方式施工。定向鉆穿越永定河左堤、右堤的長度分別為845m、767m，部分河道及漫灘開挖長度為940m。穿越永定河左堤岸入土點(diǎn)位于左堤岸東側(cè)，出土點(diǎn)位于左堤岸西側(cè)，穿越永定河右堤岸入土點(diǎn)位于右堤岸西側(cè)，出土點(diǎn)位于右堤岸東側(cè)，設(shè)計(jì)定向鉆入土角為9°，出土角為5°。
    天然氣管道穿越永定河的平面及縱斷面見圖1、2。
 
4 定向鉆在本工程應(yīng)用的探討
    ① 正確理解《堤規(guī)》對壓力管道位置的要求
    要正確理解《堤規(guī)》中壓力管道在設(shè)計(jì)洪水位以上通過的要求。
    首先，定向鉆技術(shù)是近幾年快速發(fā)展的非開挖施工技術(shù)，《堤規(guī)》制定時(shí)，定向鉆技術(shù)尚未大規(guī)模應(yīng)用。河道主管部門不應(yīng)以本本主義態(tài)度看待定向鉆技術(shù)，而應(yīng)持科學(xué)實(shí)際的工作態(tài)度，在現(xiàn)有技術(shù)水平條件下，對具體問題進(jìn)行具體分析。
    其次，定向鉆技術(shù)已經(jīng)在燃?xì)夤艿来┰介L江、黃河、遼河、嫩江等大型河流及北京市域內(nèi)涼水河、運(yùn)潮減河等河流中成功運(yùn)用。定向鉆在堤基及河底以下較深處穿越，不占用河道及堤頂，不破壞河堤結(jié)構(gòu)。管道建成后，堤頂交通及防汛搶險(xiǎn)不受影響，施工期對河道行洪安全無影響，不需要增設(shè)施工導(dǎo)流設(shè)施。目前尚無因定向鉆穿越造成河道防洪損害的報(bào)道。
    再次，采用定向鉆穿越河堤和主河道開挖相結(jié)合的方案，實(shí)質(zhì)上是通過開挖方式將穿越河堤的兩段定向鉆相連接，與采用定向鉆方式一次性穿越河流并無本質(zhì)區(qū)別。
    總之，《堤規(guī)》的要求是以不影響河堤及行洪安全為目的，定向鉆技術(shù)完全可以滿足《堤規(guī)》的要求。
    ② 定向鉆穿越河堤采取的技術(shù)措施
    定向鉆是在河堤壩體底部以下20m處進(jìn)行穿越，不會破壞河堤整體結(jié)構(gòu)，管道均敷設(shè)在河道沖刷線以下，且管道運(yùn)行中不會發(fā)生振動。鑒于永定河的重要性，為進(jìn)一步確保河堤安全，根據(jù)《堤規(guī)》第10.1.5條“當(dāng)?shù)躺泶嬖谳^大范圍裂縫、孔洞、松土層或堤與穿堤建筑物結(jié)合部出現(xiàn)貫穿裂縫時(shí)，應(yīng)開挖并回填密實(shí)，對難以開挖部分宜采用充填灌漿進(jìn)行加固。高度5m以上且填筑質(zhì)量普遍不好的土堤，宜采用劈裂灌漿進(jìn)行加固。灌漿的主要技術(shù)參數(shù)宜通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定”及第10.1.8.1款“堤基兩側(cè)地面的天然粘性土層因近堤取土遭受破壞，應(yīng)采用粘性土回填加固”的要求，結(jié)合宋新江[7]在西氣東輸管道工程穿越淮河段堤防時(shí)，采用水泥粘土灌漿法進(jìn)行加固處理的經(jīng)驗(yàn)，本工程定向鉆穿越完成后還采取了以下技術(shù)措施：
    a. 灌注水泥混合漿液置換定向鉆泥漿，同時(shí)進(jìn)行注漿監(jiān)測。
    b. 在入土點(diǎn)、出土點(diǎn)兩端人工開挖三合土換填。
    c. 在入土點(diǎn)、出土點(diǎn)設(shè)置止水環(huán)。管道回拖完成后，在孔口向著管道方向開挖，直到孔口周圍穩(wěn)定的原土層露出為止。將直徑大于孔洞的鋼質(zhì)止水環(huán)套在管道上，堵住定向鉆孔口，并回填三合土進(jìn)行封堵固定，防止管涌現(xiàn)象發(fā)生。
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(本文作者：龔明 李永威2 孫明燁1 高慧明1 1.北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100032；2.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院 北京 100011)