水平定向鉆技術(shù)在天然氣管道穿越工程的應(yīng)用

摘 要

摘要：介紹了水平定向鉆技術(shù)及在天然氣管道穿越沈大高速公路工程中的應(yīng)用，探討了施工技術(shù)要求、施工前期準(zhǔn)備、施工方法及工程質(zhì)量保證措施。關(guān)鍵詞：水平定向鉆；穿越工程；沈大高速
摘要：介紹了水平定向鉆技術(shù)及在天然氣管道穿越沈大高速公路工程中的應(yīng)用，探討了施工技術(shù)要求、施工前期準(zhǔn)備、施工方法及工程質(zhì)量保證措施。
關(guān)鍵詞：水平定向鉆；穿越工程；沈大高速
Application of Horizontal Directional Drilling Technology to Crossing Project of Natural Gas Pipeline
YIN Dong-li，LIU Li-yan
Abstract：The horizontal directional drilling technology and its application to the project of natural gas pipeline crossing Shenyang-Dalian highway are introduced，and the technical requirement for construction，preliminary preparation before construction，construction methods and project quality assurance measures are discussed.
Key words：horizontal directional drilling；crossing project；Shenyang-Dalian highway
   隨著城市建設(shè)飛速發(fā)展，各種市政管道在地下縱橫交錯(cuò)，開(kāi)挖施工使道路質(zhì)量變差，破壞環(huán)境，給人們的生活、工作帶來(lái)諸多不便，且施工成本越來(lái)越高。非開(kāi)挖技術(shù)的應(yīng)用使上述難題迎刃而解，水平定向鉆技術(shù)在非開(kāi)挖技術(shù)領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位并且發(fā)展最快[1]。
1 水平定向鉆技術(shù)簡(jiǎn)介
   ① 定向鉆進(jìn)施工原理
   定向鉆進(jìn)施工是根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的敷管道路，由鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)帶著楔形鉆頭的鉆桿，地表接收機(jī)根據(jù)放在鉆頭的探頭發(fā)出的信號(hào)跟蹤測(cè)出探頭位置、深度、傾角、楔面面向角等參數(shù)。由導(dǎo)向員將導(dǎo)向指令傳遞給鉆機(jī)操作員，鉆機(jī)操作員根據(jù)同步顯示器的指示操控鉆桿，調(diào)整楔面面向角進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或頂進(jìn)操作，按指定方向沿設(shè)計(jì)軌道，繞過(guò)地下障礙，直至達(dá)到目的地。導(dǎo)向孔的施工完成后，再利用反拉擴(kuò)孔的施工方法將導(dǎo)向孔逐級(jí)擴(kuò)大，直到達(dá)到敷管所需的管徑。隨后將所需敷設(shè)的管道牽引拖回已完成擴(kuò)孔的設(shè)計(jì)敷設(shè)位置。
    ② 定向鉆進(jìn)技術(shù)主要施工步驟
    定向鉆施工工藝一般分為2個(gè)階段：第一階段是按照設(shè)計(jì)曲線盡可能準(zhǔn)確地鉆一個(gè)導(dǎo)向孔；第二階段是將導(dǎo)向孔進(jìn)行擴(kuò)孔，并將管道回拖到擴(kuò)孔中，完成管道穿越工作。具體施工步驟為：現(xiàn)場(chǎng)勘察；開(kāi)挖工作坑；設(shè)計(jì)軌跡線；導(dǎo)向孔施工；各級(jí)預(yù)擴(kuò)孔；清孔；回拖管道；在牽引管施工完畢后，砌筑檢查井。
    ③ 定向鉆施工的技術(shù)特點(diǎn)
    定向鉆施工具有先進(jìn)的導(dǎo)向系統(tǒng)，中靶準(zhǔn)確，機(jī)械回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔速度快、噪聲低，機(jī)械占用場(chǎng)地小，不阻斷交通，不影響環(huán)境等。
    ④ 定向鉆施工技術(shù)的應(yīng)用范圍
該技術(shù)廣泛應(yīng)用于穿越公路、鐵路、河流以及在鬧市區(qū)、古跡保護(hù)區(qū)、農(nóng)作物和植被保護(hù)區(qū)等不允許或不能開(kāi)挖的條件下敷設(shè)、修復(fù)、更換管道。適用于天然氣、熱力、電力、電信、石油、排水等領(lǐng)域。
2 定向鉆技術(shù)在沈大高速穿越工程的應(yīng)用
2.1 沈大高速穿越工程概況
本工程為沈陽(yáng)市蘇家屯區(qū)燃?xì)庥邢薰鞠虼笫绫さ貐^(qū)輸送天然氣。沈大高速公路及以西不具備開(kāi)挖條件，故采用定向鉆方法施工。穿越段水平長(zhǎng)度約為210m，其中高速公路段為47m，八一灌渠段為40m，煤廠段為40m。
本工程燃?xì)夤艿啦捎萌細(xì)庥寐竦鼐垡蚁┕躍DR11系列PE100管材，公稱(chēng)直徑為250mm，采用熱熔連接。按照省交通廳高速公路建設(shè)專(zhuān)家組論證會(huì)關(guān)于穿越高速公路及八一灌渠的管道要加外套管的要求，套管采用螺旋縫焊接鋼管焊接連接，規(guī)格為D325×7，材質(zhì)為Q235-B。套管長(zhǎng)108m，采用加強(qiáng)級(jí)防腐，套管與PE管之間用泥漿填實(shí)。
本工程施工工期為10d，費(fèi)用為(30～40)×104元。
2.2 施工及技術(shù)要求
依據(jù)遼寧省交通勘察設(shè)計(jì)院的要求，穿越地段位于沈大高速公路5km+460m處，管道沿東西向穿越進(jìn)行敷設(shè)。施工中應(yīng)保證高速公路刺線處管頂埋深不小于3m，中間隔離帶管頂埋深不小于8m，穿越八一灌渠處燃?xì)夤茼攽?yīng)距灌渠底部2m。
① 施工技術(shù)要求
a. 定向鉆穿越施工的管道，應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖樣要求制作，經(jīng)驗(yàn)收合格后方可施工。
b. 管道組裝焊接長(zhǎng)度應(yīng)在穿越面曲線設(shè)計(jì)長(zhǎng)度基礎(chǔ)上增加20m，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度應(yīng)與導(dǎo)向孔記錄長(zhǎng)度相符合。
c. 嚴(yán)禁在穿越管段上開(kāi)孔焊接接管、管嘴及其他附件，試壓時(shí)只許在管道兩端加長(zhǎng)段上開(kāi)孔焊接放空閥和安裝壓力表。回拖連接時(shí)，開(kāi)孔的加長(zhǎng)段應(yīng)割除。
d. 在穿越長(zhǎng)度和工藝條件許可的條件下，穿越管道曲率半徑應(yīng)盡量取大一些，以管道外徑的1500倍為宜，但最小曲率半徑不應(yīng)小于300m。穿越管道在入土點(diǎn)之后20m內(nèi)應(yīng)為直管段。
e. 穿越管道曲線縱截面的入土角和出土角應(yīng)根據(jù)穿越長(zhǎng)度、管段埋深和彈性敷設(shè)條件來(lái)確定，入土角宜控制在8°～18°，出土角宜控制在4°～12°。
f. 穿越燃?xì)夤艿阑赝锨皯?yīng)進(jìn)行強(qiáng)度和嚴(yán)密性試驗(yàn)，回拖完成后，應(yīng)再進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)。
② 前期準(zhǔn)備
a. 進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)及地下管道的排查[2]：收集現(xiàn)場(chǎng)交通、水源、電源、施工運(yùn)輸?shù)缆?、施工?chǎng)地等資料；與其他部門(mén)(通信、電力、給排水等)核對(duì)地下管道，并用探測(cè)儀確定定向鉆施工路線位置的其他管道的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)、位置走向及埋深；用地質(zhì)勘探鉆取樣或用局部開(kāi)挖的方法，取得定向鉆施工路線位置的地下土層分布、地下水位、土壤和水分的酸堿度等資料。
本工程中，勘測(cè)結(jié)果表明現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)較好，為原土層亞粘土，未見(jiàn)砂層。
b. 施工的主要機(jī)械設(shè)備有：DL-280定向鉆機(jī)1臺(tái)、美國(guó)月食導(dǎo)向系統(tǒng)1套、90kW電機(jī)組(單相、三相)1臺(tái)、經(jīng)緯儀1臺(tái)、成套鉆具、泥漿系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備等，工程及保障車(chē)3輛。
c. 對(duì)所敷設(shè)管道位置地形進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)設(shè)計(jì)的敷設(shè)管道深度初步確定施工段的傾斜段長(zhǎng)度、入射點(diǎn)位置、敷管長(zhǎng)度、下管位置，復(fù)核建設(shè)單位提供的各點(diǎn)標(biāo)高，為鉆機(jī)施工創(chuàng)造條件。導(dǎo)向孔軌跡線設(shè)計(jì)是在管道剖面圖基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出鉆孔的最佳曲線。鉆機(jī)按設(shè)計(jì)軌跡線校正和固定安放。
d. 開(kāi)挖工作坑2個(gè)，入口工作坑尺寸為6m×4m×5.6m，出口工作坑尺寸為70m×2m×5m。
e. 進(jìn)行管道連接及打壓試驗(yàn)。鋼套管采用焊接連接，并做加強(qiáng)級(jí)防腐；PE管材采用熱熔連接，并按有關(guān)規(guī)范要求吹掃合格后進(jìn)行管道強(qiáng)度試驗(yàn)。
③ 定向鉆施工及管道敷設(shè)
a. 設(shè)備安裝。調(diào)整水平鉆機(jī)與導(dǎo)向孔位于同一條直線，并將鉆機(jī)傾角和入射深度調(diào)整至符合設(shè)計(jì)導(dǎo)向軌跡要求。
b. 導(dǎo)向孔施工。將鉆桿、探頭及造斜鉆頭安裝好，采用精度為0.1°的月食導(dǎo)向系統(tǒng)跟蹤定向鉆進(jìn)，定向鉆在鉆進(jìn)過(guò)程中不斷改變傾角，使導(dǎo)向軌跡與設(shè)計(jì)軌跡相符。沿導(dǎo)向軌跡方向每3m定一個(gè)點(diǎn)，測(cè)出垂直深度、傾角、轉(zhuǎn)角，并做好記錄。在導(dǎo)向過(guò)程中以傾角變化為主，深度和轉(zhuǎn)角作為參考，深度相對(duì)誤差在5%左右。
c. 分級(jí)回?cái)U(kuò)。在復(fù)核導(dǎo)向孔符合質(zhì)量要求后，方可進(jìn)行回拉擴(kuò)孔。本工程采用逐級(jí)擴(kuò)孔的方法進(jìn)行回?cái)U(kuò)，分別采用Ø300、Ø400、Ø500的鉆頭進(jìn)行回?cái)U(kuò)，同時(shí)采用膨潤(rùn)土泥漿護(hù)壁。
d. 清孔。擴(kuò)孔結(jié)束后，用清孔器清孔。清孔時(shí)注意泥漿密度，保證泥漿質(zhì)量。根據(jù)儀表記錄的數(shù)據(jù)，分析清孔的效果如何，決定能否敷設(shè)管道。
    e. 回拖管材。回拖前應(yīng)復(fù)查管材質(zhì)量是否符合規(guī)定要求，如符合要求方能敷設(shè)。操作人員控制鉆機(jī)的拉力和速度，確保所敷設(shè)管材不受損害。
    f. 套管與燃?xì)夤艿兰皩?dǎo)向孔間隙的充填。滿足拖管的鉆孔形成后，套管和燃?xì)夤艿劳瑫r(shí)拖拽，利用套管(及燃?xì)夤艿?入土的擠壓力，使套管與燃?xì)夤艿兰皩?dǎo)向孔之間的間隙充滿泥漿，隨后達(dá)到一定的強(qiáng)度。
    g. 做好管頭保護(hù)，清理并撤出施工場(chǎng)地。
    ④ 工程質(zhì)量保證措施
    a. 根據(jù)施工要求，現(xiàn)場(chǎng)施工車(chē)輛應(yīng)合理停放?，F(xiàn)場(chǎng)施工車(chē)輛包括吊車(chē)、運(yùn)土車(chē)、發(fā)電機(jī)車(chē)。
    b. 分級(jí)擴(kuò)孔時(shí)采用膨潤(rùn)土泥漿做護(hù)壁，保證鉆孔不塌落，順利拖管。
    c. 各工種、各崗位人員嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的操作規(guī)程。
    d. 確立三級(jí)檢查驗(yàn)收制度，每道工序完工后，經(jīng)技術(shù)人員檢查合格后，方可進(jìn)入下道工序施工。對(duì)檢查不合格的工序要采取有效的措施進(jìn)行整改。
參考文獻(xiàn)：
[1] 趙嵐.水平定向鉆在鋼質(zhì)燃?xì)夤艿朗┕さ膽?yīng)用[J].煤氣與熱力，2005，25(5)：49-51.
[2] CJJ 33—2005，城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉涔こ淌┕ぜ膀?yàn)收規(guī)范[S].
 
(本文作者：尹東莉 劉麗妍 吉林市大地技術(shù)咨詢有限公司吉林省吉林市 132011)