直接鋪管法在砂質(zhì)地層大口徑管道中的應(yīng)用

劉雪梅　譚明星　李祁宇　向玉琪

中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司,　四川　成都　610041

0　前言

2017年11月14日,陜京四線輸氣管道工程正式實(shí)現(xiàn)全線天然氣貫通[1]。采用直接鋪管法穿越無定河不僅成為陜京四線輸氣管道工程施工的一大亮點(diǎn),同時(shí)為該技術(shù)在砂質(zhì)地層大口徑管道中的推廣應(yīng)用提供了成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1　直接鋪管法原理

直接鋪管法是2006年德國海瑞克公司研發(fā)的一種直接鋪管的施工方法,結(jié)合了現(xiàn)有頂管和水平定向鉆進(jìn)設(shè)備的技術(shù)優(yōu)勢(shì),據(jù)資料介紹國外已有數(shù)十個(gè)工程實(shí)例[2-5]。直接鋪管法是將推管機(jī)安裝在水平的地錨上,頂管掘進(jìn)機(jī)安裝在最前方,鋪設(shè)的鋼管道與頂管掘進(jìn)機(jī)連接,頂管設(shè)備前面掘進(jìn),推管機(jī)后面采用夾管器頂推,控向采用陀螺儀導(dǎo)向。

直接鋪管法穿越河流采用的頂管掘進(jìn)機(jī)一般為泥水平衡式,頂管掘進(jìn)機(jī)見圖1。不同地質(zhì)地層結(jié)構(gòu)如砂、淤泥、黏土、卵石(不宜漂石)、軟巖地層，采用的刀盤配置也不一樣。頂管掘進(jìn)機(jī)的選用直徑與傳統(tǒng)敷設(shè)管道頂管機(jī)選用直徑基本相同,根據(jù)地質(zhì)條件一般大于管道外徑80～150 mm為宜。陜京四線管道工程管徑1 219 mm,所用頂管掘進(jìn)機(jī)為敷設(shè)管徑1 219 mm管道而引進(jìn)的機(jī)型,刀盤可開挖直徑1 325 mm,適合該工程的實(shí)際情況[6-7]。

圖1　頂管掘進(jìn)機(jī)

目前，直接鋪管法采用的德國海瑞克推管機(jī)常用于管道敷設(shè)的有300 PT、500 PT和750 PT三種,國內(nèi)引進(jìn)的是推力500噸級(jí),型號(hào)HK 500 PT。根據(jù)施工計(jì)算推力超過200 t,HK 500 PT型號(hào)推管機(jī)能滿足該工程施工要求[8]。

推管機(jī)由夾緊器和支座等組成,HK 500 PT型號(hào)推管機(jī)夾緊器可夾緊管徑1 219 mm管道,見圖2。

直接鋪管法工藝入、出土側(cè)示意見圖3～4。

圖2　HK 500 PT推管機(jī)

圖3　直接鋪管法入土側(cè)示意圖

圖4　直接鋪管法出土側(cè)示意圖

工作時(shí)，管道內(nèi)部與頂管掘進(jìn)機(jī)連接的泥漿渣土管將通過泥水循環(huán)攜帶刀盤切削下來的渣土送至地面,見圖5;同時(shí)推管機(jī)夾緊器將與連接好頂管掘進(jìn)機(jī)并已完成焊接防腐補(bǔ)口檢驗(yàn)合格的穿越管道夾緊,在頂管掘進(jìn)機(jī)、推管機(jī)和控向系統(tǒng)共同工作下按設(shè)計(jì)曲線向前逐段推進(jìn),直到將管道送至接收井或者地面,見圖6。管道穿越設(shè)計(jì)曲線參數(shù)基本上與水平定向鉆相同,只是出入土角度不宜過大。

圖5　泥漿渣土管示意圖

圖6　掘進(jìn)機(jī)出土

2　直接鋪管法的優(yōu)缺點(diǎn)

直接鋪管法,結(jié)合了以往傳統(tǒng)頂管和水平定向鉆進(jìn)設(shè)備的技術(shù)優(yōu)勢(shì),其優(yōu)勢(shì)可通過對(duì)水平定向鉆、頂管和直接鋪管法在不同地層、關(guān)鍵施工步驟以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較等方面看出,見表1～3[9-11]。

表1不同地層三種工法的適應(yīng)性比較

地層適應(yīng)性頂管水平定向鉆直接鋪管法黏土、粉土、淤泥、砂容易容易容易卵石(粒徑不大于20 mm)容易困難中等巖層(飽和抗壓強(qiáng)度小于80 MPa)容易中等中等巖層(飽和抗壓強(qiáng)度大于80 MPa)中等困難困難

表2三種工法關(guān)鍵施工步驟比較

關(guān)鍵施工步驟頂管水平定向鉆直接鋪管法工作井施工困難容易中等擴(kuò)孔及洗孔少非常多中等泥漿流量要求低高中等成孔尺寸大中等小更換刀具可能性有無有隧道軸線準(zhǔn)確性非常好中等好管道焊接困難容易容易

表3三種工法技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

項(xiàng)目頂管水平定向鉆直接鋪管法施工周期長中等短建設(shè)費(fèi)用高低中等

與水平定向鉆相比,直接鋪管法的優(yōu)點(diǎn)是控向精度比水平定向鉆高,風(fēng)險(xiǎn)比水平定向鉆小。其缺點(diǎn)是與頂管掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭連接的管道直徑以及推管機(jī)夾緊器的夾管直徑有個(gè)經(jīng)濟(jì)管徑,小管徑目前難以滿足,也不經(jīng)濟(jì);同時(shí)敷設(shè)管道深度根據(jù)地質(zhì)情況也有一定限制,直接鋪管法的管道不能太深;限于直接鋪管法工藝、機(jī)具和地質(zhì)結(jié)構(gòu)、風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避處理,穿越長度上與水平定向鉆和傳統(tǒng)頂管相比也有一定限制[12-15]。

3　無定河穿越概況

3.1　初步設(shè)計(jì)方案

無定河穿越位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏審旗無定河鎮(zhèn)大草灣村,與陜西省交界的毛烏素沙漠邊緣。穿越的主要地層為細(xì)砂層，黃褐色,稍濕,密實(shí)為主；局部夾中密細(xì)砂,砂質(zhì)不均勻,以石英、長石為主,不含黏粒成分,土石工程分級(jí)為Ⅱ級(jí)。

無定河為黃河的一級(jí)支流,穿越處下游為無定河濕地省級(jí)自然保護(hù)區(qū),根據(jù)環(huán)評(píng)審查意見,無定河應(yīng)采用非開挖方式穿越,初步設(shè)計(jì)方案無定河穿越為頂管(隧道)法[16-19]。

始發(fā)井布置于主河槽北岸二級(jí)階地上,接收井布置于主河槽南岸靠近岸坡腳,均采用圓形斷面,頂管套管長370 m。穿越主要層位為細(xì)砂層,北岸始發(fā)井井深約22 m,內(nèi)直徑12.5 m,南岸接收井井深約14.3 m,內(nèi)直徑10 m,均采用沉井法施工。頂管隧道內(nèi)需布設(shè)1條 D 1 219 mm 輸氣管道及1條光纜套管,隧道采用 D 2 200 mm (外直徑2 640 mm)的鋼筋混凝土套管[20]。

預(yù)計(jì)工期6個(gè)月,同時(shí)按照環(huán)保部門要求,需對(duì)最大洪水沖刷線以上豎井進(jìn)行拆除。

3.2　施工方案

施工階段通過對(duì)工期、費(fèi)用、可實(shí)施性以及環(huán)保部門要求等綜合比較,同時(shí)結(jié)合2016年直接鋪管法在另一項(xiàng)目實(shí)踐的成功驗(yàn)證,采用直接鋪管法穿越施工[21-23]。管道直徑1 219 mm,穿越段長度423 m,始發(fā)井位于無定河北岸,井的尺寸23.7 m×6.5 m,井深3 m,接收井位于南岸,井的尺寸9.5 m×4.5 m,井深13 m,均采用明挖加鋼板樁支護(hù)結(jié)合方式施工,輔以井點(diǎn)降水措施。入土角為6°,出土角為0°,穿越管段曲率半徑1 825 m,管道外防腐采用三層PE高溫型加強(qiáng)級(jí)防腐層,補(bǔ)口采用帶配套環(huán)氧底漆的輻射交聯(lián)乙烯熱收縮帶和環(huán)氧玻璃鋼外防護(hù)層結(jié)合的方式。光纜套管單獨(dú)采用定向鉆方式穿越,和主管相距8 m。無定河直接鋪管法穿越縱斷面見圖7。

圖7　無定河直接鋪管法穿越縱斷面圖

4　工程實(shí)施效果

1)管道利用線路作業(yè)帶提前預(yù)制完成,焊接于頂管掘進(jìn)機(jī)頭,推管機(jī)輔助送至接收井,避免了管道在豎井里焊接安裝,降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

2)始發(fā)井和接收井采用明挖加鋼板樁支護(hù)結(jié)合方式施工,輔以井點(diǎn)降水措施,可有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)和豎井拆除風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)避免沉井拆除對(duì)管道安全的影響。

3)有效縮短施工工期3個(gè)月,管道于2016年11月19日開始預(yù)制焊接,2017年3月22日完成管道穿越。

5　結(jié)論

1)直接鋪管法融合了傳統(tǒng)頂管和水平定向鉆進(jìn)設(shè)備,采用頂管掘進(jìn)機(jī)和推管機(jī),成功地在陜京四線輸氣管道工程中的無定河實(shí)現(xiàn)了D 1 219 mm大口徑、高壓 12 MPa 管道非開挖穿越,可供管道建設(shè)相關(guān)人員參考。

2)無定河穿越施工過程中由于出、入土點(diǎn)地形相對(duì)高差較大,泥水壓力相對(duì)較高,造成中間設(shè)備故障停機(jī),已進(jìn)入地層的頂管掘進(jìn)機(jī)和管段又整體回拔至地面。今后采用直接鋪管法時(shí),應(yīng)注意選點(diǎn)盡量選擇出、入土點(diǎn)高差相對(duì)較小，施工方案中應(yīng)有防止設(shè)備故障停機(jī)的施工措施及預(yù)案,包括泥水壓力、回拔時(shí)注漿穩(wěn)孔和洞門密封、回拔管道質(zhì)量檢測(cè)等。

3)直接鋪管法有一定優(yōu)勢(shì),特別適用于長度適中、卵石粒徑較小且較厚的砂卵石層和細(xì)砂層,以及在人口密集居民區(qū)施工作業(yè)面受限地方的較大口徑管道鋪設(shè)。雖然該方法國內(nèi)工程實(shí)例和經(jīng)驗(yàn)較少,但對(duì)管道建設(shè)者來說卻是一種值得了解、學(xué)習(xí)、掌握和運(yùn)用的施工工法,特殊地層和場地條件多了一種敷設(shè)方式,值得在今后的管道工程中適時(shí)推出和應(yīng)用。