非开挖敷设技术在仪征热电项目天然气管网工程上的应用

非开挖敷设技术在仪征热电项目天然气管网工程上的应用江苏天力建设有限公司仪征项目部1工程概况本工程为江苏华电仪征燃机热电联产项目配套天然气管网工程，管线全长约5.5km，设计规模9.0亿Nm3/y，管道压力级别GA1，设计压力6.3Mpa，天然气交气压力为5.0-6.3Mpa，交气温度为10-20℃，天然气水露点-10℃，烃露点＜-40℃，管径D406.4*9.5mm，材质X60，采用3PE加强级外防腐层直缝双面埋弧焊钢管。天然气管道从青山分输站出来向西沿沿江高等级公路南侧敷设，途经经六路后穿越过沿江高等级公路，然后沿沿江高等级公路的北侧与西气东输管线平行向西敷设，沿途穿越经四、经三路敷设至经二路东侧向北敷设至纬二路,沿纬二路路北侧，仪征华电厂区南侧向东敷设南大门，沿厂区道路西侧至纬三路，沿纬三路南侧向东至调压计量站接口位置。场区地处江都隆起带中，仪征坳陷中部的长江岸边，由于第四纪以来长江主槽的多次下切和摆动，造成沿江近岸地带地层的侵蚀风化强烈，反映在现代地层上的特点是，第三系地层的局部及第四系上更新统地层的全部缺失，及冲积、冲洪积地层岩性变化剧烈，基岩面起伏较大。地表至基岩面为第四系全新统冲积层和冲洪积层。根据钻探揭露，场区勘察深度内主要的地层为第四系全新统堆积形成的杂填土、冲积和冲洪积的粉质黏土、卵石和白垩系上统的砂质泥岩等，现依据土的分类标准及其力学性质自上而下分为5层分述如下：①杂填土：灰黄色，湿，粘性土为主，含有15%左右的粉土，局部夹砾石及碎砖。场地内分布不均匀，部分钻孔表层有揭露。②粉质粘土：灰黄色，可塑，含褐色铁锰质氧化物，局部粉粒含量较高，稍有光泽，刚强度及韧性中等。场区内分布广泛，多数钻孔均有揭露。②1粉土：灰～灰黄色，很湿，稍密，局部粘粒含量较高，夹粉质粘土薄层。场区内分布不连续，部分钻孔均有揭露。③卵石：灰白色，密实，卵石块径2～7cm，呈亚圆形及棱形，含量约占55%，隙间充填物为粘性土及砾砂。场区内分布不连续，部分钻孔均有揭露。④砂质泥岩：红褐色，泥质结构，块状构造，局部风化裂隙不规则发育，强风化～弱风化。场区内分布广泛，未揭穿。2非开挖敷设根据设计文件的管线走向，沿途需穿过丘陵、公路、河道、河堤以及村庄道路。需要说明的是仪征市的地貌类型为平原区、岗地区和丘陵区，本工程虽然只有5.5km，但是三个区域都有。对于在岗地区和丘陵区敷设管道，因地形地貌较差、地质条件复杂，难度相当大。因此，按照常规的开挖敷设带来的问题有：1）开挖土方量大，施工周期长；2）沿江高等级公路原则上不允许开挖、断航施工；3）河道、河堤需筑拦水坝、分流渠道等，河塘开挖工程量浩大，且水利的报批程序繁冗，影响工期；4）村间道路开挖将严重扰民。要解决这些问题，不外两种办法：一、绕道开挖施工，其工程造价和工期都将增加一倍以上。二、非开挖施工，即定向穿越施工，可以让管道按照规划和设计的线路直接通过。所谓定向穿越施工，是指作业人员无法进入工作区进行开挖、推进时，采用机械方法来控制方向，在钻掘、排土、清渣的同时完成扩孔，并将管道直接穿越至地下的施工方法。（管道的安装施工严格按照相应规范执行。）我项目部提出的非开挖敷设（定向穿越）施工方案经业主、设计、监理反复论证并批准，全线5处采用定向钻穿越施工，分别为：1）纬二路及丘陵段K0+619—K0+969，350米；2）跃进村河堤及道路K3+250—K3+700，450米；3）新开挖河道K4+100—K4+350，250米；4）钻进村4条道路K4+850—K5+150，450米；5）龙仪路、砖瓦厂K5+230—K5+700，250米。共计1750米，占全线的30%。3定向穿越的技术特点和先进性3.1定向穿越的技术特点3.1.1定向钻穿越施工包括导向孔、预扩孔及回拖管道。3.1.2导向孔是在水平方向按预定角度沿预定截面钻进的孔，包括一段直斜线和一段大半径弧线。3.1.3导向孔完成后，要将该钻孔进行扩大到合适的直径以方便安装成品管道，此过程称为预扩孔，依最终成孔尺寸决定扩孔次数。3.1.4预扩孔完成以后，成品管道即可拖入钻孔。3.2定向穿越的先进性3.2.1地面开挖面积大大降低。以本工程450m管道敷设为例：开挖占地需15m×450m=6750㎡（15m为设计文件规定的作业带宽度）；定向穿越占地为：入土点900㎡、出土点400㎡，共1300㎡，仅为开挖施工的五分之一。本工程全线定向穿越合计1750m，则可减少占地面积为：15m×1750m－（900+400）×4=21050㎡3.2.2定向钻穿越施工不会阻碍交通，不会破坏绿地、植被，不会影响商店、医院、学校和居民的正常生活和工作秩序，解决了传统开挖施工对居民生活的干扰，对交通、环境及周边建筑物基础的破坏和不良影响。3.2.3现代化的穿越设备的穿越精度高，易于调整敷设方向和埋深，管线弧形敷设距离长，完全可以满足设计要求埋深，并且可以使管线绕过地下的障碍物。3.2.4城市管网埋深一般达到3m以下，穿越河流时，一般埋深在河床下9—18m，所以采用水平定向钻机穿越，对周围环境没有影响，不破坏地貌和环境，适应环保的各项要求。3.2.5采用定向钻机穿越施工时，没有水上、水下作业，不影响江河通航，不损坏江河两侧堤坝及河床结构，施工不受季节限制，具有施工周期短人员少、成功率高施工安全可靠等特点。3.2.6与其它施工方法比较，进出场地速度快，施工场地可以灵活调整，尤其在城市施工时可以充分显示出其优越性，并且施工占地少工程造价低，施工速度快；3.2.7大型河流穿越时，由于管线埋在地层以下9—18mm，地层内部的氧及其他腐蚀性物质很少，所以起到自然防腐和保温的功用，可以保证管线运行时间更长。4施工工艺和方案水平定向钻机进行管线穿越施工，一般分为二个阶段：第一阶段是按照设计曲线尽可能准确的钻一个导向孔；第二阶段是将导向孔进行扩孔，并将管线沿着扩大了的导向孔回拖到导向孔中，完成管线穿越工作。简言之：导向—扩孔—回拖。见图1。图1水平定向钻穿越施工工艺流程图4.1钻导向孔：要根据穿越的地质情况，选择合适的钻头和导向板或地下泥浆马达，开动泥浆泵对准入土点进行钻进，钻头在钻机的推力作用下由钻机驱动旋转（或使用泥浆马达带动钻头旋转）切削地层，不断前进，每钻完一根钻杆要测量一次钻头的实际位置，以便及时调整钻头的钻进方向，保证所完成的导向孔曲线符合设计要求，如此反复，直到钻头在预定位置出土，完成整个导向孔的钻孔作业。见图2；图2钻导向孔钻机被安装在入土点一侧，从入土点开始，沿着设计好的线路，钻一条从入土点到出土点的曲线，作为预扩孔和回拖管线的引导曲线。4.2预扩孔和回拖管线：一般情况下，使用小型钻机时，直径大于200mm时，就要进行予扩孔，使用大型钻机时，当产品管线直径大于Dn350mm时，就需进行预扩孔，预扩孔的直径和次数，视具体的钻机型号和地质情况而定。回拖管线时，先将扩孔工具和管线连接好，然后，开始回拖作业，并由钻机转盘带动钻杆旋转后退，进行扩孔回拖，管线在回拖过程中是不旋转的，由于扩好的孔中充满泥浆，所以管线在扩好的孔中是处于悬浮状态，管壁四周与孔洞之间由泥浆润滑，这样即减少了回拖阻力，又保护了管线防腐层，经过钻机多次预扩孔，最终成孔直径一般比管子直径大200mm，所以不会损伤防腐层。见图3和图4；图3预扩孔在钻导向孔阶段，钻出的孔往往小于回拖管线的直径，为了使钻出的孔径达到回拖管线直径的1.3～1.5倍，需要用扩孔器从出土点开始向入土点将导向孔扩大至要求的直径。图4回拖管线地下孔经过预扩孔，达到了回拖要求之后，将钻杆、扩孔器、回拖活节和被安装管线依次连接好，从出土点开始，一边扩孔一边将管线回拖至入土点为止。4.3质量保证措施4.3.1导向孔施工前应对导向仪进行标定或复检，以保证探头精度；4.3.2精确调整钻机的位置和角度，以保证入孔位置；4.3.3导向孔每钻进3m测量一次，如发现偏差应及时调整。必要时增加测量次数以确保导向孔偏差在设计范围以内；4.3.4司钻应严格按照探测员的指令进行操作，遇有异常情况及疑难问题应及时停钻，研究解决，不得自作主张；4.3.5扩孔应逐级完成，不同地层要按不同的工艺进行扩孔，严格遵守操作规程；4.3.6每孔钻孔开始前，都要对操作人员进行技术交底，强调质量标准和质量要求；4.3.7强化质量保证体系，由项目经理全面负责质量管理工作，全部施工人员负责的岗位责任，认真做好工程记录，保证每一道施工工序按规范进行。5工程实施情况说明定向钻机是由钻机系统、动力系统、控向系统、泥浆系统、钻具及附助机具组成，见图5，它们的结构及功能介绍如下：5.1钻机系统：是穿越设备钻进作业及回拖作业的主体，它由钻机主机、转盘等组成，钻机主机放置在钻机架上，用以完成钻进作业和回拖作业。转盘装在钻机主机前端，连接钻杆，并通过改变转盘转向和输出转速及扭矩大小，达到不同作业状态的要求。5.2动力系统：由液压动力源和发电机组成动力源是为钻机系统提供高压液压油作为钻机的动力，发电机为配套的电气设备及施工现场照明提供电力。5.3控向系统：控向系统是通过计算机监测和控制钻头在地下的具体位置和其它参数，引导钻头正确钻进的方向性工具，由于有该系统的控制，钻头才能按设计曲线钻进，现经常采用的有手提无线式和有线式两种形式的控向系统。5.4泥浆系统：泥浆系统由泥浆混合搅拌罐和泥浆泵及泥浆管路组成，为钻机系统提供适合钻进工况的泥浆。按照事先确定好的泥浆配比用一级钠基膨润土加上泥浆添加剂，配出合乎要求的泥浆。5.5钻具及辅助机具：是钻机钻进中钻孔和扩孔时所使用的各种机具。钻具主要有适合各种地质的钻杆，钻头、泥浆马达、扩孔器，切割刀等机具。辅助机具包括卡环、旋转活接头和各种管径的拖拉头。5.6入土点是定向钻施工的主要场所，钻机就布置在该侧，所以施工占地比较大，DD330钻机的最小占地为30×30M，当然也可以根据现场的实际情况作相应调整，DD60、DD-5的占地相应要小得多。图5入土侧现场布置图5.7出土点一侧主要作为管道焊接场地，在出土点应有一块20×20M的场地作为预扩孔、回拖时接钻杆和安装其他设备时使用；在出土点之后有一条长度与穿越长度相等的管线焊接作业带。见图6。图6出土点现场布置图6工程穿越实例6.12011年12月10日到12月16日完成钻进村4条道路K4+850—K5+150定向钻穿越，穿越长度为323m。6.22011年12月9日到12月23日完成纬二路及丘陵段K0+619—K0+969定向钻穿越，穿越长度350m。6.32012年2月2日到2月7日完成新开挖河道K4+100—K4+350定向钻穿越，穿越长度252m。6.42011年11月25日到2012年2月11日完成龙仪路、砖瓦厂K5+230—K5+700定向钻穿越，穿越长度475m。6.52012年2月17日到2012年2月26日完成跃进村河堤及道路K3+250—K3+710定向钻，穿越长度460m。7工程实例经济效益和社会效益分析非开挖施工（定向穿越施工）在本工程的实际应用，证明是目前效率最高，成本最低、外部负面影响最低的施工方法。表现为：①对环境影响最小；②为管道提供保护层，延长管道使用期限并相应减少了维护费用；③不会影响河流运输；④不会阻碍公路交通；⑤不会破坏绿地、植被；⑦不会影响商店、医院、学校和居民的正常生活和工作秩序。