非开挖长距离大管径穿越南水北调配套工程设计与施工

□杨子婷

近年来，非开挖技术发展迅速，其中水平定向钻成为广泛应用的施工技术。定向钻穿越适用于河流、道路、渠道、管道多种场景。具备适用范围广，工期短，不受季节限制等多方面优点。

1.工程概况

中俄东线天然气管道（以下简称天然气管道）是中俄之间第二条陆上能源运输大通道，干线全长约3340 km，总体走向自北向南，南水北调配套工程石津干渠总退水渠（武强干渠）（以下简称石津干渠）呈东西走向，天然气管道工程与石津干渠必然交叉。

天然气管道设计压力为10 MPa，管径1219 mm，穿越段材质为直缝埋弧焊钢管。根据天然气管道工程线路总体走向，在河北省深州市大冯营乡大田庄村东侧约400 m 处，距上游S282 公路桥130 m，穿越石津干渠。穿越位置见图1。天然气管道与石津干渠交点桩号0+773.97，交叉角度89°，穿越工程水平投影长度为1390 m。

图1 天然气管道穿越石津干渠位置

石津干渠工程为Ⅰ等工程，下穿段石津干渠总退水渠为4 级渠道。渠道以全断面混凝土衬砌作为主要防渗减糙措施，抗渗等级W6，抗冻等级F150，采用现浇C25 混凝土衬砌。混凝土板厚120 mm，下铺30 mm 厚保温板，沿石津干渠长度方向设置伸缩缝，每隔4 m 在内部填充聚乙烯闭孔泡沫板，填充深度30 mm，外封单组份聚氨酯密封胶。

2.穿越方案设计

2.1 线路及穿越位置选定

交叉位置与线路总体走向基本一致，“选在水流平缓的顺直渠段上，施工现场交通条件良好，可以满足场地要求”。

天然气管道工程整体线路走向为南北走向，综合考虑线路走向及沿线周围村庄及附近的建筑物分布情况，选定从S282 公路桥东侧130 m 处穿越石津干渠。天然气管道线路应避开居民区，否则管线较长会有安全隐患。

2.2 穿越方案选择

2.2.1 开挖穿越

开挖穿越，通常适用于不通航、枯水季节流量小、水深浅、导流方便、冲刷深度小的季节性河流。但石津干渠下游供水目标多任务重，不能停止供水。高速公路也需要车辆运行，不能阻断交通进行施工，故此工程不适合采用开挖穿越。

2.2.2 顶管穿越

顶管穿越，地层适应性较广，基本适应所有地层，设备少、工序简单。但开挖工作量大，施工工期较长，投资大。此工程穿越长度约1400 m，受顶管机能力限制，顶管长度不宜太长，故此工程不适合采用顶管穿越。

2.2.3 定向钻穿越

定向钻穿越对环境影响小，不会破坏其土体结构，不开挖地面，不会受到季节天气影响。在投资、环保、施工周期等方面相对于开挖和顶管穿越有很大优势，同时，管道地上焊接方便快捷，且安全可靠性高。

综合比较，定向钻穿越最为合适。

2.3 穿越工程方案设计

定向钻曲率半径取1500D，入土角为8°，穿越入土点选择在距离北岸渠边534 m 处，出土角为6°。出入土角、曲率半径满足《油气输送管道穿越工程设计规范》（GB50423-2013）的规定。穿越出土点选择在距离南岸G1811 黄石高速路基边752 m 处，距G307 路基边419 m，出入土点距离石津干渠两岸皆超过500 m。穿越处主要地层为粉质黏土、细砂、黏土和粉土，水平穿越段管顶设计高程为-6.64 m。下穿位置石津干渠渠底高程为16.06 m，定向钻穿越水平段管顶距离石津干渠渠底为22.7 m。下穿段管道埋深满足《其他工程跨越下穿邻接河北省南水北调配套工程设计及安全评价技术要求(试行)》（河北水务集团2016 年10月）的规定。

3.穿越管道设计

3.1 管道壁厚

由于南水北调工程的重要性，石津干渠等级为大型，且出入土点位于河北平原河湖滨岸带敏感生态保护红线二级保护区范围内，为了保证工程的安全性，设计系数需要提高一个等级，管道壁厚加厚。经计算一般段管道壁厚选用22 mm，此次穿越工程计算壁厚为27.45 mm，穿越段设计管道壁厚选择32 mm。管道壁厚计算见表1。

表1 管道壁厚计算

3.2 定向钻回拖力

根据《油气输送管道工程水平定向钻穿越设计规范》（SY/T6968-2013）技术规定及工程经验，“不充气回拖时，回拖力按计算值的3 倍选取，取最大值验证”。

式中：

FL―穿越管段回拖力（拉力）（kN）；

L―穿越管段长度（m）；

f―摩擦系数，取0.3；

D―钢管的外径（m）；

γm―泥浆重度kN/m3，可取10.5～12.0，取11；

γs―钢管重度kN/m3，可取78.5；

δ―钢管壁厚（m）；

Wf―回拖过程中管道单位长度配重（kN/m），按主管道规格计算；

K―黏滞系数（kN/m2），一般取0.18。

经计算FL=1358 KN。按最不利影响计算，取3 倍的回拖力，为4074 kN，选取回拖力大于4074 kN 的钻机即可进行穿越施工。

3.3 注浆压力分析

正常情况下，定向钻孔洞会受到孔壁内压力Pa 和上覆土体自重应力土的共同作用。定向钻孔壁受力公析示意如图2所示。其中，Pa 为泥浆浮力（σ液=γ液×h液）和泥浆压力Pc 之和；土层自重应力σ土=γ土×h土，h土是定向钻孔洞的上覆土层厚度。

图2 定向钻孔壁受力分析示意

当孔壁内压力Pa 较小时，孔洞四周土体全部处于弹性形变。当孔壁内压力增大到一定数值时，孔壁土体进入塑性区，四周处于屈服状态。“随着孔壁内压力的持续增大，孔壁四周弹性区会不断减小，形成环状塑性区Rp，塑性区持续扩大，孔壁四周土体依旧是弹性状态”。当环状塑性区达到定向钻孔洞上覆土层厚度时，土层会发生劈裂冒浆。

因此，计算分析定向钻扩孔、回拖过程中上覆土体所能承受的最大孔壁内压力至关重要，是影响定向钻施工的关键指标之一。

式中：

Pf—第一次出现塑性形变时的泥浆压力（kPa）；

φ—土体的内摩擦角；

σ0—钻孔顶部σ 土与σ 水之和；

c—土体的内聚力（kPa）；

r0—钻孔孔径（m）；

Rp—塑性区半径（m）；

G—土体的切变模量（MPa）；

E—土层的弹性模量（MPa）；

μ—泊松比（取值为0.3）。

环空压力应小于孔壁能承受的最大内压力Pa,max，才能确保定向钻扩孔、回拖期间不会发生劈裂冒浆现象。环空压力控制在孔壁能承受的最大内压力Pa,max以下，不会发生因泥浆压力过大，而引起渠道隆起变形。

考虑实际情况，穿越处地层岩性的不均匀性，应对计算结果取合适的安全系数。根据类似工程经验，一般在钻孔、扩孔和回拖过程中，将孔内泥浆压力控制在0.8Pa,max以内较为合理。

4.施工难点

在定向钻施工期间，如果控制不好各项指标，容易发生冒浆，沙土地层穿越容易塌孔，黏性土地层穿越容易抱钻杆，且该工程由于管径较大穿越长度较长，不易控制，可能导致穿越困难。

4.1 地面沉降

定向钻扩孔及管道回拖过程中，孔道内应一直布满泥浆，定向钻泥浆作用之一就是孔道护壁稳定孔道的作用，且管道回拖后，孔道内泥浆用微膨胀水泥砂浆进行置换，固结后，定向钻孔道内不存在空隙，控制好泥浆压力，不会造成石津干渠的沉降，但为保证施工的安全性，施工期间应对地面沉降进行实时监控。

预防措施：选择合适的扩孔设备，扩孔时尽量减少管道之间的空隙，管道回拖后立即对孔道内泥浆用注浆机采用水泥净浆进行置换。

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4.2 塌孔

建立高质量的泥浆体系，缩短泥浆浸泡时间，加入高分子添加剂支撑护壁，使其性能稳定，起到悬浮稳固的作用，同时还会大大降低岩屑床的形成。在钻进过程中，要特别注意，开泵下钻速度不要太快，否则钻具的机械会对孔壁造成巨大的压力撞击，因此要保证泥浆和钻进工艺的质量。

4.3 冒浆预防

定向钻施工期间很容易发生冒浆情况，特别是定向钻曲线钻进过程中，受地层岩性复杂程度、施工设备参数以及泥浆配比等多方面因素，导致施工进度受阻，还会对南水北调水质造成严重污染。因此，施工时应严格控制，从曲线设计、地层选择、施工参数控制、泵压控制及泥浆配比几方面避开管道的冒浆。

定向钻施工过程中，泥浆泵压是引起地面冒浆的最直接原因，但是泥浆泵压与钻进推进压力、钻进速度及泵量均成正比，即相同情况下推进压力越大、钻机速度越快、泥浆泵量越大则环空压力越大，越有可能造成对地层承载体造成破坏从而发生冒浆。

因此，把泥浆泵的出口压力Pc 控制在合理数值时，发生冒浆的可能性会减小。

定向钻各阶段防止冒浆的控制措施有3 种。

4.3.1 导向孔阶段

4.3.2 扩孔阶段

扩孔期间前半段的准备，要利用泥浆的流动特性把管道内的碎渣排出，因此要加入较大的泥浆含量。施工期间，如果发现扩孔中断，要立即减少泥浆含量，使泥浆从原位置排出，等到距离入土点较近时再提高泥浆含量。

4.3.3 回拖阶段

管道回拖过程中，速度不能太快，穿越管道孔内要布满泥浆，管道慢慢进入定向钻孔洞，孔内的泥浆被管道挤出。防止孔壁阻塞，引起冒浆憋压，要根据扩孔的实际情况适当增加洗孔次数，让泥渣顺利排出。

4.4 泥浆工艺

定向钻穿越工程至关重要的因素是维持孔壁的稳定，不发生塌孔现象。因此钻进过程中泥浆需要顺利将孔壁内渣屑携带排出钻孔外，形成完好的孔壁。如果钻进过程中，钻屑没有及时排出发生塌孔现象，会使机械卡断，形成巨大的回拖力，导致管线拖不过去，严重时还会导致穿越钻进工程的失败。

因此，在泥浆配比过程中，要加大用量，使泥浆黏着在孔壁四周，保证不塌孔。注意中、粗砂地层成孔能力弱，在扩孔时要多注入泥浆用量，泥浆循环使用不超过24h，超过24h 泥浆成分会被分散、失效，达不到最佳效果，超过时泥浆应进行置换处理。按照规定泥浆配比增加泥浆含量，以达到规定配比。泥浆性能指标按表2 进行选择。

表2 泥浆性能指标

该工程地层岩性为细砂和粉土，泥浆性能按照表3 进行配置。

表3 泥浆性能配置

4.5 封孔

定向钻回拖时，管壁和孔壁间的泥浆收缩，很容易导致地面产生沉降。因此，应采用多管拖头将天然气管道和加管塞注浆管一同拖入定向钻孔中。注浆管为20#无缝钢管，管径DN25，长度为天然气管道的一半，回拖完成之后注浆管的另一端刚好位于天然气管道的中间位置，确保二次注浆时注入的水泥浆液从定向钻底部向钻孔两端返浆，逐步替换环形空间内的泥浆。

此工程封堵除正常的填充缝隙之外还要起到防渗的作用，需采用0.55 水灰比的水泥砂浆+膨润土的配方进行封堵。

注浆时为了避免水泥浆对石津干渠范围的影响，控制注浆压力比钻孔时的泥浆压力略低，注浆流速一般控制在5L/ min～10L/ min。注浆时间的长短以达到设计注浆量，且出、入土点两侧返浆均为水泥浆时为止，然后稳压5 min～10 min，确保孔壁空隙回填密实。

5.应急预案

5.1 影响因素

施工过程中，可能导致定向钻中断的影响因素有：导向孔卡钻、孔内孔底沉积物导致回拖受阻、塌孔、冒浆。

5.2 应急措施

5.2.1 导向孔卡钻的应急措施

施工过程中，发现泥浆压力小于管道设计压力时，立即停工，降低泥浆压力，钻杆往钻机方向用力回拉，再慢慢推进钻杆；施工过程中，发现泥浆的压力大于管道设计压力时，以防密闭空间内泥浆压力过大设备损坏，要立即关停泥浆泵，钻杆往钻机方向用力回拉。

5.2.2 管线回拖受阻时的应急措施

当管道回拖受阻位置距离较短时，用力往出土点方向拉；当管道回拖受阻位置较长接近出土点时，用力往钻机方向推动；管道回拖受阻位置在中间时，往入土或者出土方向均可考虑。但管道在土层中回拖受阻，应用推动方法，成功的可能性会更高。

5.2.3 塌孔应急措施

根据返浆时携带出的残渣，推断出塌孔位置的地质条件。根据钻杆的长度推出扩孔器的位置，增加洗孔次数，适当增加泥浆压力和黏性，及时调整比例。

5.2.4 冒浆应急措施

施工过程中遇到该现象时，应确保孔壁的完整性，减小洞内的压力，起钻的同时注浆，小排量灌浆使孔洞内更加顺畅，达到预防效果。对于泥浆压力的监测采用定向钻穿越钻机所配置的泥浆表进行直接观测，可以直接读取整个钻进过程中的时时泥浆压力变化。

6.结语

此文重点分析了在长距离大管径穿越中，影响定向钻的关键因素及指标，详细描述了施工注意事项、泥浆配置、设备选择等，提出了定向钻卡钻、回拖受阻、塌孔、冒浆的预防措施及应急预案，为其他类似工程提供参考性意见，对管道穿越工程有重大意义，提供了更多可行性。