江西赣江特大型河流定向穿越施工概述

上海煤气第二管线工程有限公司 张帆

0 前言

江西南昌英雄大桥段赣江穿越工程是上海煤气第二管线工程有限公司于2009年承建的一个特大型河流穿越工程。该工程于2010年2月开工，2011年2月竣工。对于这样一个典型的城镇燃气特大型定向穿越工程，因其地质复杂，该工程使用了斜夯套管、地质改良、控向对接等关键技术，最终确保了天然气管道成功穿越赣江。

1 工程简介

南昌英雄大桥段赣江穿越工程是南昌市天然气利用工程(引进川气东输气源)的关键控制性工程，建设单位为南昌市燃气有限公司。天然气钢管设计采用D508×10 mm，X52 直缝双面埋弧焊钢管，钢管采用加强级3PE 防腐，设计压力0.4 MPa，穿越总长度1 374 m。

穿越地质由上至下分别是：杂填土、粉土夹粉质粘土、含淤泥质粘土细砂、细砂、中砂、砾砂圆砾、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩和微风化泥质粉砂岩。

赣江穿越西起凤凰洲东至扬子洲，整个穿越水平段在中风化泥质粉砂岩层、微风化泥质粉砂岩层中通过。

由于岩石层之上有圆砾、卵石层，卵石在孔道内容易造成卡钻。为了把穿越风险降到最小，设计在入土及出土两侧即赣江两岸各夯击D1 016 直缝钢管套管126.1 m 和103.4 m，隔离砾石、卵石层。

图1 定向钻对接穿越示意

2 关键技术

2.1 斜夯套管技术

2.1.1 夯管设备

本工程斜夯套管采用德国TT 公司TAURUS 600 夯管锤。该设备主要参数见表1。

表1 TAURUS 600 夯管锤主要参数

2.1.2 操作流程

2.1.2.1 测量放线

根据设计图纸和现场交桩放出穿越管段的中心线和夯管操作坑的位置，打上控制桩。穿越轨迹应注意避让其它地下管线等障碍物。

2.1.2.2 工作坑开挖和安装导轨

由于夯击的角度是固定的，故工作坑开挖越深，实际需要夯击的套管就越短，当然工作坑的深度同时也要考虑作业点的地下水位以及工作坑的围附成本。根据测量放线开挖工作坑并支护到底后，用水准仪定出管轴线位置，同时对坑底进行超平，并做好标记。

对于长距离的夯管，安装导轨是非常必要的，而导轨基础的稳固性以及导轨方向正确性是最关键的。导轨的稳固应引起足够的重视。

当夯管锤以高频率运动时，钢管和夯管锤的自重很容易造成导轨下沉。因此，对于硬基底，可填碎石，并捣实，对软地层基底可浇注混凝土垫层，确保在夯管过程中导轨的稳定性。

本工程采用工字钢作为导向轨道，工字钢自身平直无弯曲。用全站仪等测量仪器多点测量并调节导轨的方向、倾角，确保每根钢套管入土角度以及方向的正确性。

图2 施工现场

2.1.2.3 套管夯击

将第一根前端已安装好切削环的钢套管和夯管锤安放在轨道上，用张紧器将夯管锤通过锥套与钢管连为整体。送风后夯管锤即开始工作。第一根管操作时应缓慢开启注油器、控制空气量，采用“轻锤慢进”，防止钢管和夯管锤一起往复串动。钢管夯进土层30～50 cm 后，停锤校核钢管位置，校核无误后，再继续轻锤夯进2～3 m，再次校核钢管位置，继续采用“轻锤慢进”参数将第一根钢管夯入土层。

校核导轨位置无误后，吊装第二根钢管，钢管之间采焊接连接。焊接前，应检查两钢管的斜度以及两管的同轴情况。钢管焊接好后，夯击第二根管进入土层，校核导轨位置，吊装第三根管，如此循环，直至钢管前端全部进入岩层。

2.1.3 掏土

由于本工程夯管长度较长，因此在夯管中间要及时清除套管内余土，减少内摩擦力，以确保夯管最后夯击到位。

本工程采用人工掏土。为确保在管内作业工人呼吸畅通，采用空压机往管底部送风。

2.2 地质改良技术

本工程出土侧的夯管非常顺利，而入土侧的夯管碰到问题：钢套管穿过砂层、卵石层到达岩层后就无法入岩。经勘察，发现钢套管入岩处几乎没有强风化岩，且中风化岩层抗压强度大，套管端部无法满管入岩无法闭水，造成后续的掏土无法进行。

经过权衡比较、反复论证，我们采取了一种注浆的地质改良方法，即对围绕套管端部长11.1 m×宽3.5 m×高5 m的区域内的砂石、卵石层进行注浆(见图3)，从而达到两个目的：一方面能够使套管闭水，使得后续掏土工作能继续进行；另一方面固化套管前端的砂石、卵石，使得在回扩、回拖中孔道能够稳定。从最终结果看，地质改良成功了。

图3 地质改良示意

2.3 控向对接技术

由于本工程穿越轨迹需经过卵砾石层，因此根据设计要求在出、入土点同时夯设钢套管，这就要求钻头在进入出土点套管时必须精确位于套管中心，否则在回扩、回拖时回扩器或钢管很有可能卡在套管上，造成工程失败。

定向穿越两侧下套管的控向难题可以通过对接技术来解决。水平定向对接穿越由美国的Prime Horizontal Ltd.公司与Vector Magnetics公司于1999年联合开发成功，并于2001年首次将该技术应用到穿越工程中。

水平定向对接穿越是使用两台钻机在入土点和出土点两侧分别进行单向穿越，然后在两侧钻头按照预定轨迹到达对接区域时，通过导向系统完成两侧钻头的定位和导向孔对接，进而出土点侧钻杆从导向孔中退出，同时入土点侧钻杆进入出土点导向孔至出土点，从而完成整个穿越作业。

2.3.1 控向对接操作流程

(1)入土点侧主钻机和出土点侧辅助钻机分别启动控向钻进至设定的对接区域时，辅助钻机停止钻进，主钻机继续钻进进入对接区域，同时采集辅助钻机的目标磁铁发出的磁信号，在其引导下朝着辅助钻机钻头逼近(见图4)。

图4 在磁信号引导下主钻机继续钻进

(2)由辅助钻机回抽钻杆，主钻机根据辅助钻机上目标磁铁的磁信号，做方向调整并继续跟进，直至主钻机的钻头进入到辅助钻机的导向孔中，两个钻机的穿越曲线完全合二为一，完成对接(见图5)。

图5 主钻机的钻头进入到辅助钻机的导向孔对接完成

3 工程实施

3.1 管道地面安装

钢管焊接采用手工下向焊，根焊采用高纤维素钠型E6010焊条，热焊采用高纤维素钠型E8010焊条，填充焊和盖面焊采用铁粉低氢型E8018焊条。

受施工场地限制，地面布管采用二接一方式。现场无条件做发送沟，故钢管布设采用滚轮架加土堆组合，确保在回拖过程中不损伤钢管外防腐。

3.2 控向对接

根据现场条件，为了方便人工磁场的布设，对接区域放置在距离入土点400 m以外的凤凰洲沙滩上。为了提高效率，计划把主钻机放在出土点，辅助钻机放在入土点分别打导向，待对接控向完成后，再把主钻机转移到入土点进行后续的回扩、回拖。

3.3 开钻

2010年10月1日开钻，12日DDW6000主钻机从扬子洲出土点导向900多米到达凤凰洲沙滩，偏差量在左右2 m内，达到对接的要求。11月9日15:30英雄大桥段赣江穿越控向对接一次成功！

3.4 回扩及回拖

2010年11月11日～12月31日开始使用高强度牙轮岩石扩孔器分别进行了350 mm、450 mm、600 mm 和750 mm 五级扩孔，并及时清孔。

2011年1月1日～4日进行最后的清孔及试拖；在扩孔过程中，精心配置泥浆黏度，以便泥浆能够把切削下来的岩屑带出。

2011年1月6日回拖成功。

4 总结

(1)斜夯套管的工艺把定向穿越卵砾石层的风险降低到最小。一旦斜夯套管成功，那么长距离定向穿越最后回拖钢管的风险就非常小。

(2)长距离、大口径的斜夯套管存在一定风险，正确的地质改良方法可以成为有效的补救措施。

(3)控向对接技术在本工程中主要应用于解决定向钻两侧下套管而产生的控向问题，而该工艺的成功运用说明我们同样有能力解决超长距离定向钻的控向难题。

(4)赣江穿越工程的成功实施是我们在大口径、长距离定向穿越领域的进一步拓展，我们有信心迎接更新的挑战。