油气管道连续穿越多种轨道交通线路研究

刘玉宝 刘海山中国石化销售有限公司华北分公司, 天津 300341



油气管道连续穿越多种轨道交通线路研究

刘玉宝 刘海山
中国石化销售有限公司华北分公司, 天津 300341

油气管道连续穿越电气化铁路、城市轻轨和城际高铁,采用单一的定向钻或顶管施工工艺都无法满足其安全要求。为确保施工顺利完成,对顶管结合定向钻穿越施工工艺进行了研究,对施工过程控制进行了梳理。该方案有效降低了施工难度,缩减了施工周期,节省了工程投资,技术可靠，具有较高的经济效益和应用推广价值。

油气管道；穿越工程；定向钻；顶管

0 前言

定向钻和顶管两种穿越施工工艺,常用于管道穿越铁路、公路、河流等障碍物。顶管穿越施工工艺是在工作坑内借助顶进设备产生的顶力,克服管道与周围土壤的摩擦力,将套管按设计的方案顶入土中至接收坑,然后在套管内敷设管道完成穿越施工。顶管穿越,地面压力载荷由套管承担,保护套管内的工作管道,不影响穿越区域的地基承载力,一般情况下超过100m,施工作业需要增加中继站,施工难度大,技术要求高,主管道安装难度较大。定向钻穿越施工工艺是利用水平定向钻机,按照设计轨迹钻一个导向孔,然后利用扩孔器进行扩孔,扩孔完成后将待敷设的管道拉入钻孔,完成敷管作业。定向钻穿越施工在长距离穿越工程中优势明显,郑州—汤阴成品油管道定向钻穿越黄河主河槽达3 000m,江都—如东天然气管道工程管道定向钻穿越长江达3 300m,定向钻穿越长度不断刷新纪录。顶管和定向钻穿越施工工艺在油气长输管道穿越工程中的研究和应用较多,技术已非常成熟,但结合两种穿越技术完成穿越施工的研究和实践较少。若在顶管穿越施工完成后,利用定向钻穿越施工对准顶管套管进行导向钻孔,然后利用定向钻回拖管道,完成管道安装,对降低管道穿越工程施工难度,缩短施工周期和降低施工成本具有积极意义。

1 工程背景

某成品油长输管道,全长155km,设计输量400×104t/a,设计压力9.5MPa,管径406.4mm,采用L415直缝电阻焊钢管。该工程在天津市滨海新区TJI127～TJI128号桩间,从南向北依次穿越津山铁路、津滨轻轨及京津城际高铁延长线(规划阶段)。按照主管部门意见及相关技术要求,采用在铁路路基下12.93m,Φ1 550mm套管顶管穿越津山铁路；穿越京津城际高铁段(该段是高架桥,下方是鱼塘)要求在两桥墩中间地面下6m通过,套管直径不大于500mm,防止扰动桥墩,影响桥墩承载力；中间穿越津滨轻轨段应用桩距1m的等腰三角形桩阵加固软土路基,只能在桩底3m以下,即地面12m以下通过。津山铁路和津滨轻轨间距约60m,中间有1条水渠、铁路自闭线及多条国防光缆,京津城际高铁延长线与津滨轻轨间距约30m,下方为大片鱼塘。

经过现场多次调查和反复论证,为了兼顾3条轨道交通线路安全技术要求,降低施工难度和安全风险,最终确定穿越方案为在津山铁路南侧路基下12.93m顶管穿越津山铁路,接收坑设在津山铁路和津滨轻轨之间；在津山铁路顶管工作坑南侧应用定向钻向北经顶管发送坑—水泥套管—顶管接收坑后,依次穿越津滨轻轨和京津城际高铁延长线,出土点设在京津城际高铁延长线下方鱼塘岸边,主管道回拖至顶管工作坑,然后利用2个90°弯头和一段直管段在发送坑内连头,完成管道安装，见图1。

图1 穿越工程方案示意图

该穿越工程主要工作分为铁路顶管施工、主管道预制、定向钻施工、井下连头4部分,主要施工作业工序见图2。

图2 主要施工作业工序示意图

2 施工过程控制

2.1 顶管穿越津山铁路

津山铁路是双线电气化无缝铁路,穿越位置位于直线段k172+139.14m处,穿越中心线与津山铁路成90°15′,水泥套管为3m×24节,管顶至轨底覆土12.93m,自然地面下深度11m,Φ1.55m,型号T16钢筋混凝土涵管,管口为承插式套环,管口接缝处为顶管橡胶垫。

2.1.1 准备工作

办理铁路顶管相关审批手续和慢行计划申请,签订施工安全协议,得到铁路主管部门批复后进场施工；和铁路有关单位现场对接供电、通信、电务等管线设施位置和标高；对顶管工作坑、接收坑、顶管的方向进行测量放线,确保管线中心线准确无误,工作坑上架空自闭线进行落地处理。

2.1.2 工作坑、接收坑支护

基坑内设4道双拼40b工字钢围梁和斜支撑,加强整体性。当机械开挖距离设计基底标高200mm以上时,停止机械开挖,采用人工开挖,避免扰动基底应力。

2.1.3 导轨安装

后背墙采用c25钢筋混凝土结构(6m×2m×1m),后背墙与顶镐之间加300mm厚钢后背梁；工作坑内铺设300mm厚碎石垫层,平整夯实,浇筑c20混凝土,厚度500mm；底板上预埋锚栓与导轨进行焊接,底板底部设3道地锚梁,间隔2m。

2.1.4 顶进施工

基坑内水平布置4台500t千斤顶,采用0.5m厚顶靴,确保套管管端受力均匀。套管外壁均匀涂刷润滑剂,将套管放置在导轨上,对涵管前端和后端的高程及管节的中心线测量合格后方可顶进。在首节涵管前安装导向机头,导向机头内安装4台50t液压千斤顶,随时调整顶进方向，顶管机头千斤顶布局见图3。采用机头切土顶进方式,当机头入土400～600mm后,只开挖机头内的土方确保路基稳定。首节涵管每顶进200～300mm就对中心线及高程测量一次,后续套管每顶进400～600mm测量一次。涵管承口端与插口端有环形间隙,在管靠近承口端的内壁上沿周向均匀分布3个泥浆孔Φ22mm,两节涵管中间加设承压钢套环。

图3 顶管机头千斤顶布局

2.1.5 路基加固

2.2 主管道预制

2.3 定向钻穿越施工

2.3.1 水泥套管内支架及钢套管安装

定向钻导向套管选用Φ219mm×6mm钢管焊接；等腰三角形套管支架用工字钢300mm×126mm×9mm制作,梁尺寸为套管内径1.5m,底边及两斜边与Φ219mm×6mm钢管(定向钻导向套管)相切；在支架支撑的3个末端用厚20mm弧形钢板进行过度焊接。

顶管完成后,在水泥套管内每5m安装1个支架,用膨胀螺栓固定。定向钻导向套管井下焊接,并与套管支架三边接触处焊接牢固,水泥套管两端端口支架与井内护臂支架焊接固定,确保定向钻导向套管稳定牢固,在定向钻钻孔、扩孔过程中起到支撑作用。水泥套管内支架及钢套管安装,见图4。

a)水泥厌管内支架

b)钢套管安装图4 水泥套管内支架及钢套管安装示意图

2.3.2 顶管靠背拆除

待顶管完成后,将顶管用的钢筋混凝土靠背和立柱进行人工拆除。

2.3.3 测量放线

根据设计平面图坐标并结合现场,用全站仪测出线路走向的中心位置,确定定向钻入土点和出土点位置。入土点距离顶管工作坑162m,穿越轴线和顶管轴线重合。出土点在京津城际延长线及鱼塘以北,距离顶管接收坑290m。定向钻导向全长536m,管道扩孔、回拖366m。

2.3.4 干扰源排查

施工作业现场有高压电线、铁轨等信号干扰源,降低信号干扰强度,保证导向的准确度,定向钻钻孔导向采取有线制导。

2.3.5 泥浆控制

泥浆贯穿导向钻孔、扩孔、洗孔、管道回拖施工全过程,具有传递切削动力，携带和悬浮钻屑,稳定孔壁,冷却和冲洗钻头,防止塌孔、卡钻和冒浆及润滑作用。该定向钻为单边定向钻,泥浆粘度低易导致钻孔内泥浆流大量涌入铁路顶管基坑和套管内,无法发挥作用。为了保证钻孔内泥浆充足,防止泥浆流失过快,结合现场地质条件和以往施工经验,将泥浆的漏斗粘度初步定为80s[6]。

为了控制泥浆失水、增加泥浆的悬浮和携带碎屑能力,在提高泥浆粘度的同时增大泥浆中降滤失剂比例。在导向、扩孔、洗孔、回拖各阶段中控制好泥浆的压力和流量,保证入土侧一直有泥浆回流。

2.3.6 钻孔导向控制

该工程顺利实施的关键是精确控制导向,确保钻头在导向水平段进入工作坑,并且钻头轨迹与导向套管轴线重合,确保导向钻头能够顺利进入导向套管。本次穿越施工使用150t钻机,采用岩石动力钻具,以入土角为6°,曲率半径为1 200d钻导向孔[4]，逐渐缩小钻进角度,导向钻进106.7m后为水平段，随时监控和调整钻杆位置,确保导向水平段和导向套管轴线重合。钻杆进入顶管工作坑,距离坑底约1m,经套管内的钢套穿过顶管接收坑后,继续向前钻进至出土点。

2.3.6.1 坐标定位

用全站仪定入土点、出土点及水泥套管外侧坐标,并测出工作坑后壁中心位置2根钢筋混凝土灌注桩中间的坐标,连同其余位置设计曲线坐标一同输入钻机控向系统。

2.3.6.2 钻机安装

根据管道穿越中心线,调整钻机左右位置,使钻机中心线与管道穿越中心线重合。根据设计图纸提供的入土角调整钻机高度,使钻机行走轨道和水平面的夹角符合设计要求。

2.3.6.3 磁方位角测量

在导向孔开钻前,测量穿越中心线的磁方位角,这一数值是导向孔控向的原始依据数值,必须准确。采用全站仪在穿越中心线上的地表进行多点测量(通常出、入土侧各取2个点),然后将各组数据进行分析对比,排除由于磁干扰导致的错误数据,确定正确的磁方位角数值。如果各组数据相差较大(0.2°以上),则增加测量点2～4个,直到确定正确的数值。磁方位角作为定向钻穿越工程最重要的控向数据,是确保钻孔导向精度的基础。

2.3.6.4 精确控向

为了使导向孔严格按设计曲线钻进,开钻前对每1根钻杆的钻进要求都提前在图纸上作好标注,重点控制单根钻杆的钻进质量和整体曲线的质量,每5m校正1次钻头位置,使施工曲线与设计曲线重合。控向人员应严格按照设计曲线计算每次倾角的调整度数,通过轨迹变化确定控向方向的变化；施钻人员严格执行控向人员的指令,按照指令进行操作,防止人为操作导致钻孔偏移设计曲线。

2.3.7 扩孔

采用推拉式扩孔方式进行逐级扩孔,将孔扩大到Φ700mm。在扩孔器被拉进350m时,沿着导向孔洞推出,逐级扩孔。单边钻孔内泥浆流失较快,在导向、扩孔、回拖过程中,用泥浆泵将流进基坑内的泥浆及时稀释、回收和处理。

2.3.8 管道回拖

将基坑及水泥套管内泥浆清理干净,拆除支架和钢套管；水泥套管内每5m放置砂袋,高度约20cm(便于绝缘支架的安装)。向井内注水至水泥套管的1/2高度(确保主管进入套管时处于漂浮状态)。在入土点后侧开挖1条长约150m,深 1m的发送沟,并注满水[7]。光缆套管和主管道分别独立地连接在U形环上,防止2根管道在回拖过程中相互刮擦、挤压和缠绕。在回拖主管的过程中,用扩孔器向管孔内补入泥浆,确保管内有足够的泥浆润滑,减少孔内阻力。管道回拖150m时,对两段主管道进行焊接、无损检测和防腐补口,继续回拖至露出工作井内套管端口50cm。

2.3.9 绝缘支架安装

用泥浆泵将井内的水全部排出,主管由土袋支撑,卸下扩孔器,对主管道每2m安装绝缘支架,距离套管两端1m处安装2个绝缘支架。

2.4 工作井管道连头

用土袋覆盖工作坑内水泥套管端口和主管道,在顶管工作坑后背墙深2m处对井壁开凿出2m×1m的孔洞,碎石用卷扬机运出井内,将管道回拖耳鼻切割,对管端进行打磨和制作焊接坡口。

严格控制碰死口管道组对错边量，最大错边量不大于1.6mm,且沿周长均匀分布,对口间隙控制在0.8～2.4mm,钢管对接偏差不大于3°,管口100mm内杂物清除干净。采用低氢碱性焊条手工电弧焊,焊前应做到焊条烘干、管口预热、防风防潮等关键措施,以保证焊接质量。

根据实际尺寸将2个90°热煨弯头和直管段焊接,进行X射线检测、超声波检测和防腐补口,用吊车吊入工作坑,用土袋支撑,用外对口器进行组对,井下焊接,焊缝外观检测合格后采用X射线和超声波无损检测,然后进行防腐补口和电火花检测。

为了便于管道试压,避免在弯头上焊接和切割试压封头,在工作坑后背墙侧开挖15m×1.5m×2m的管沟,用直管段和井口弯头焊接,并安装试压封头,进行严密性试压[8]。

2.5 基坑回填

将定向钻光缆套管沿连头管段敷设至工作坑井口,并用防水木塞封堵,用红砖、沥青麻刀对顶管两端水泥套管进行封堵。对工作坑、接收坑进行分层回填、夯实,并根据回填进度,逐步拆除工字钢围梁、斜支撑、爬梯和水泥桩后，进行地貌恢复[9]。

3 HSE措施

本工程在基坑内进行安装作业,风险高、难度大,必须制定详细的HSE保障措施和应急预案,落实安全防护措施，重点确保作业环境、施工人员用电安全。

4 结论

工程顺利实施的关键是定向钻入土导向控制准确,保证定向钻导向水平段和水泥套管轴线重合；工程难点是水泥套管内支架安装和钢套管焊接组装；井下作业条件差,人员容易疲劳,必须做好安全防护措施；利用定向钻精准导向,工作管道穿过水泥套管,回拖至顶管工作坑,降低了施工难度和施工成本,缩短了施工周期,充分证明了顶管技术和定向钻穿越技术相结合的可行性及技术优势。

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[8]GB50423-2013,油气输送管道穿越工程设计规范[S].GB50423-2013,CodeforDesignofOilandGasTransportationPipelineCrossingEngineering[S].

[9]GB50369-2014,油气长输管道工程施工及验收规范[S].GB50369-2014,CodeforConstructionandAcceptanceofOil&GasTransmissionPipelineEngineering[S].

2015-01-04

刘玉宝(1979-),男,河北安平人,工程师,硕士,从事成品油管道工程建设管理工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.004