長輸管道河流穿跨越方案選擇

閻慶華，孫玉杰，付 超，徐志剛

（勝利油田勝利勘察設計研究院有限公司，山東東營 257026）

長輸管道河流穿跨越方案選擇

閻慶華，孫玉杰，付 超，徐志剛

（勝利油田勝利勘察設計研究院有限公司，山東東營 257026）

文章闡述了長輸管道河流穿跨越方案的選擇原則，總結了長輸管道河流穿跨越的幾種主要形式，對這幾種河流穿跨越方案的適用條件、穿越長度、施工工期、工程投資、施工、運行及維護、對環境的影響等進行了對比，并結合工程實例，論述了穿跨越方法在工程中的應用。

油氣管道；管道穿越；管道跨越；方案對比

0 引言

隨著西部大開發步伐的加快，全國長輸管道的建設也出現了一個新的高潮，相繼有西氣東輸工程、忠—武輸氣管道工程、川氣東送工程等長距離管道工程的開工建設。我國地形復雜，管道工程在設計施工中不可避免地要穿越大小型河流。油氣輸送管道穿越河流的安全可靠性對保證管網安全平穩運行是至關重要的，而且大型河流的穿跨越往往成為制約工期的控制性工程。因此，河流穿跨越是長輸管道敷設技術中的難點問題之一，對長輸管道河流穿跨越方式的合理選擇是一個很有必要認真研究的課題。

1 河流穿跨越方案的選擇原則

油氣管道穿跨越各種河流，已經形成了比較完整的設計、施工方法。對不同的河流，應對其所采用的穿跨越方案進行選擇，以確定最經濟、合理、可行的技術方案。河流穿跨越方案選擇的總原則為：穿越為主，跨越為輔。具體原則如下：

（1）由于管道跨越工程投資大，施工較為復雜，建成后維護工作量較大，故管道通過河流時，宜優先采用穿越方式。

（2）在穿越方案的選擇上，要針對本工程管道穿越江河的水面寬度、流量、流速、通航等級、河岸堤防等級等情況，根據河流形態、水文參數、工程地質等綜合考慮，確定合理的穿越方式。對于大型河流宜排除水上施工工作量大、影響通航的水下開挖穿越方式，盡量采用非開挖穿越方法。

（3）定向鉆穿越是一種先進的非開挖管道穿越施工方法，施工時完全在水域兩岸陸地上進行，具有不破壞河堤或水域堤防、不擾動河床、不影響通航、施工周期短、管道運營安全、綜合造價低等優點，對于大中型河流在地質條件適宜的情況下，應優先考慮采用。

（4）在地質條件不符合定向鉆穿越的情況下，對于大中型河流可考慮采用隧道、盾構、頂管等穿越方式或跨越方式，并通過綜合技術經濟比選，確定最佳穿跨越方案。

（5）小型河流的穿越主要有開挖、橫孔鉆機（加套管）或小型定向鉆等方式，可根據河流的水文、地質等具體情況來選擇適當的穿越施工方法。

2 河流穿跨越方案

目前，長輸管道穿越河流的方式主要有大開挖穿越、定向鉆穿越、頂管穿越、鉆爆法隧道穿越和盾構法隧道穿越等；常見的跨越河流的方式有套管直跨、桁架跨越、鋼拱橋跨越、懸索跨越和斜拉索跨越等。

2.1 河流穿越方案

2.1.1 大開挖穿越

大開挖穿越河流是將管道埋置于河床穩定層內的穿越敷設方式。大開挖敷設穿越方式技術成熟，投資省，在國內外的設計施工中得到了廣泛的運用。但是大開挖敷設穿越方式由于埋深淺，容易受到河道沖刷、挖砂、通航船舶拋錨的破壞，在選擇應用時應該充分考慮。大開挖穿越方案適用于季節性河流，在枯水季節可直接開挖管溝或采用導流明渠、圍堰導流等施工措施進行管道穿越敷設。大開挖穿越方式在穿越長江、黃河等水流量大、通航量大的大型河流時由于工程量大，難度高且工程質量難以保證，一般不予以考慮。

2.1.2 定向鉆穿越

定向鉆穿越即按照設計的軌跡，采用定向鉆技術先鉆一個導向孔，隨后在鉆桿端部接大直徑的擴孔鉆頭和直徑小于擴孔鉆頭的已組裝好的待敷設管道進行擴孔和管道回拖。定向鉆是一種經濟實用、安全可靠的穿越方式，但應具備以下基本條件：

（1）具有較為穩定的地層，適宜黏土、亞黏土、砂質河床。

（2）定向鉆穿越的一岸具有鉆機、泥漿池、蓄水池、材料堆放的場地；另一岸具有足夠的管道預制組裝、回拖場地。

（3）具有定向鉆穿越施工的專業隊伍。

近年來，隨著定向鉆設備能力的改善以及定向鉆穿越技術的不斷發展，定向鉆已能穿越中等硬度的泥巖、砂巖等巖質地層以及超厚卵石層，且穿越長度以及穿越管徑不斷加大。

中國石油化工集團在洛陽至駐馬店成品油管道黃河穿越工程中采用了兩端加鋼套管、用兩臺鉆機在中間對接的穿越方案成功穿越了30 m厚的卵石層，實施過程中成功地解決了在卵石中傾斜頂進鋼套管以及在砂巖中對接管道的難題，標志著在超厚卵石層的定向鉆穿越技術方面取得了較大進步。

2009年11月24日，中石油管道局穿越分公司在西氣東輸二線東段淠河完成了X80鋼級、直徑1 219 mm大口徑管道的定向鉆穿越。施工過程中，根據地質情況進行多級擴孔和洗孔，克服了中粗砂層及含礫黏土層對鉆具磨損嚴重帶來的困難，通過優化泥漿配方解決了擴孔過程中扭矩偏大的難題，采用降浮回拖措施保證了回拖順暢。

2.1.3 頂管穿越

頂管穿越是繼盾構、定向鉆施工之后發展起來的一種地下管道非開挖施工方法。按工作面開挖方式的不同可將頂管法分為普通頂管 （人工開挖）、機械頂管 （機械開挖）等。該方法對松散、黏土、軟弱地層比較適用。普通頂管頂進長度比較短，長距離頂管一般采用機械頂管。當頂管頂進距離較長時，有兩個難題：一是頂推力巨大，出現機頭抱死現象；二是頂進方向控制比較困難，容易頂偏。在長距離頂管工程中，一般采用中繼間技術來克服長距離頂進施工中巨大頂推力的困難。然而在大型河流穿越中，中繼間設置難度比較大，因此頂管法穿越方式在大型河流中應用比較少。

2.1.4 鉆爆法隧道穿越

鉆爆法是采用人工鉆眼爆破的方法在水下的巖石層中開鑿出一條通過水域的隧道，然后在隧道中敷設管道的一種管道穿越方法。近年來，隨著地質勘察、地質超前預報、超前探水、預注漿防水、光面爆破等技術的不斷發展，鉆爆法在江河穿越中逐漸得到廣泛使用。

該方法適用于基巖層埋藏較淺、透水性較差、地質構造簡單、完整性較好的河流穿越。對鉆爆法隧道穿越河流，水防治是工程的難點，水防治措施的及時與否，直接影響施工安全和工程成敗。目前常采用的水防治的措施有：留設隔水巖柱 “隔水”，超前鉆孔 “探水”，水泥—水玻璃雙液注漿 “堵水”，控制爆破作業 “防水”，完善的排水系統 “排水”等。

2.1.5 盾構法隧道穿越

盾構法是以盾構機械在地面以下暗挖隧道的一種施工方法。盾構機前方設有支撐和開挖土體的裝置，中段安裝有頂進所需的千斤頂，尾部可以拼裝預制或現澆混凝土襯砌環。盾構機每推進一環距離，就在尾部支護或拼裝一環襯砌，并向襯砌環外圍的空隙中壓注水泥漿。

盾構法適用的地質條件較廣。盾構隧道穿越一般采用 “始發井—隧道—接收井”的布置方式，始發井及接收井井深較大，一般采用沉井維護結構。目前盾構隧道穿越的直徑有2440 mm和3080 mm兩種。

2.2 河流跨越方案

2.2.1 套管直跨

套管直跨方案即在工藝管道外側加鋼套管，在河流兩岸加支墩，利用鋼套管的支撐能力跨越河流。其特點是施工簡單快捷、技術成熟。由于管道在試壓以及安全運行期間對管道變形量有嚴格的要求，因此直跨方案只適用于跨距在20 m左右的小型河流的跨越。

2.2.2 桁架跨越

桁架可分為單跨桁架和多跨連續桁架，桁架跨越是管道工程中常用的方式之一。桁架跨越通常采用倒三角形、正三角形或矩形的空間鋼結構。桁架跨越方式具有受力明確、技術成熟的特點，在國內外的設計、施工中得到了廣泛的運用。但是桁架跨越方式需要在河床中布設支撐桁架的支墩，容易受到河水的沖擊，且影響河道的排洪。桁架跨越適用于中小型河流的跨越。

2.2.3 鋼拱橋跨越

鋼拱橋跨越是在河流上方建一座鋼管拱橋，管道在鋼管拱橋上敷設通過的方式。拱形結構具有受力合理、美觀、節省材料、便于施工等優點。當跨度在80~100 m且有多條管道需要同時敷設時，鋼拱橋跨越的經濟效果顯著。例如，川氣東送后巴河跨越中在鋼拱橋面上敷設了13條管道，且半數以上均為大管徑的管道。

2.2.4 懸索跨越

懸索跨越是空間非線性結構，其設計、施工技術成熟，適用于大跨距的管道跨越。跨越管橋分上下兩層，上層為檢修通道，下層敷設跨越管道，跨越管道的荷載是經鋼桁架管橋、主索吊索傳至主索，主索經過兩岸的主塔后錨固在專設的主塔錨固墩上，在懸索跨越的兩側設抗風索，跨越管橋通過風系索與抗風索相連，抗風索端設置風索錨固墩，提高懸索式管道跨越的抗風和抗震能力，確保跨越結構的穩定。在懸索跨越中跨越管道不承受軸向力和水平作用力，受力狀況良好；同時，由于設置了專用檢修通道，管道檢修方便；在下層可以布置多條管道，并且可以設置預留管道，方便線路設計。懸索式跨越施工需要一定的施工機械，對施工隊伍的施工能力和類似工程的施工經驗有一定的要求，投資較高，工期較長。懸索跨越適用于大型河流的跨越，目前國內跨度最大、最長的管道懸索橋是中石化川氣東送管道工程項目中的野三河懸索橋，主跨跨徑240 m，全長332 m。

2.2.5 斜拉索跨越

斜拉索跨越是利用鋼索通過橋塔支撐斜向拉著管橋的一種結構形式，一般對稱布置，利用管道自身平衡拉索的拉力，因而不需要主索錨固墩，減少基礎混凝土用量。由于每根纜索的自振周期都不一樣，不易產生共振，可減少地震和風振的危險，因此抗地震、抗風穩定性比較優越。跨越管道敷設在管橋上面，斜拉索跨越比較適宜于兩岸較為平坦、寬淺的河床以及河床中間存在合適的設置基礎的情況。

3 方案比選

大開挖、定向鉆、頂管、鉆爆法隧道、盾構隧道穿越和直跨、桁架、鋼拱橋、懸索、斜拉索跨越等河流穿跨越方案在適用條件，穿越長度，工程投資，施工工期，施工、運行及維護管理，對環境的影響等幾個方面的對比見表1。直跨、桁架跨越、鋼拱橋跨越、懸索跨越及斜拉索跨越等幾種河流跨越方式的適用條件以及優缺點見表2。

綜合比較以上幾種河流穿跨越方式可以看出：

（1）對地質條件允許、穿越長度在鉆機的能力范圍內 （目前國內定向鉆最長穿越記錄為2 454 m，對應管徑為813 mm；最大穿越管徑為1 219 mm，對應穿越長度為711 m）的油氣管道河流穿越的首選方案為水平定向鉆。尤其在長江、黃河這些特大型江河穿越中，水平定向鉆是最經濟和工期最短的穿越方式。但定向鉆穿越方式一般不宜穿越卵石層和硬質巖層，對于大管徑管道，其穿越長度受限，而且在出土端需要較長的組管焊接場地，穿越管段焊接后一次拖管風險較小，接管次數越多風險越大。

表1 河流穿跨越方案對比

表2 河流跨越方式、適用條件及優缺點對比

（2）隧道法穿越可多管敷設，這對于類似長江、黃河等特大型河流穿越來說，有明顯的優勢。因為這種大型、特大型河流往往可供選擇的穿越位置不多，由于受地形地質、河流規劃和水利、航運、交通、當地政府等規劃限制，某些位置可能只有一兩個穿越位置可供選擇，進行管道穿越后，油氣管道過江通道就會減少一個。隧道穿越可預設一條備用管道，將來若還有管道在此通過，工程投資效益將大大增加。而且隧道法有利于管道安全運行，便于管道維修、維護，但相應增加了消防、通風、安全檢測等配套設施及管道維修和維護費用。

（3）對江河底部巖石埋深較淺的地方，采用鉆爆法隧道穿越是比較好的穿越方式；而對江河底部地質條件復雜、穿越距離較長、不適合水平定向鉆穿越和鉆爆法隧道穿越的地方，可考慮采用盾構法隧道穿越。鉆爆法隧道穿越施工工期較長，費用較低，對地質資料全面性和準確性要求較高，施工安全風險相對較高，水防治難度大；但無需專門機械，可選擇的施工隊伍較多。盾構隧道法工程造價明顯高于水平定向鉆和鉆爆隧道穿越法，正是由于這個原因，國內可供油氣管道穿越的盾構機并不多，若需訂購，工期將受到較大影響。但盾構法穿越機械化程度較高，適用地層較廣，安全度較高，是長距離、復雜地質情況下江河穿越的最佳選擇。

（4）對于河流兩岸陡峭、地形復雜、地勢險要且河流寬度不大、河床不穩定的河流，采用跨越方案。

4 工程實例

4.1 九江長江穿越

九江長江穿越工程是川氣東送管道工程江西支線黃梅—九江管道工程中的控制性工程。九江長江穿越處地貌類型為長江河床～沖積漫灘平原，路域地形向長江微傾，標高4.5 m左右，水域為長江U字形河谷。穿越處出露地層以第四系松散堆積層為主，局部地段見下第三系新余群基巖出露。第四系全新統沖積沖湖積層上段為粉質黏土、粉質壤土、淤泥質黏土等，厚度2～6 m；中段為粉質壤土、粉質黏土、黏土、夾粉砂、砂壤土或淤泥質黏土，厚度6～15 m；下段為粉細砂、中粗砂層、黏土層和砂礫石層，厚度20～25 m，再下段為細粉砂巖。

根據穿越處工程地質和水文條件，結合管道穿越對長江堤防、航運的影響和投資費用等方面綜合考慮，推薦九江長江穿越采用水平定向鉆方式。入土點位于江西省九江市金雞坡油庫東側約100 m長江南岸大堤以內 （北），九江石化長江碼頭2號和3號躉船之間；出土點位于湖北省黃石市黃梅縣長江北岸大堤以內 （南）長江漫灘上。定向鉆入土角16°，出土角7°，穿越長度2 199 m，管徑508 mm。

4.2 巴河穿越

南江河和恩陽河在巴州區三江匯合后稱為巴河，巴河在平昌縣黃梅溪出境，在渠縣三匯與達州市州河交匯后稱為渠江。巴河穿越為川東北—川西輸氣聯絡線工程平昌—元壩段工程的一個控制性工程，也是一個難點工程。巴河穿越段為中低山河谷侵蝕地貌，穿越位置處河道蜿蜒，河谷切割深，多成V字型，山體一般由低到高呈多級平臺—陡坎—平臺—陡坎狀，平臺寬度不一，陡坎高10~100 m不等。

巴河穿越段土層以第四系卵石土為主，砂巖為較硬巖石，泥巖為中～弱風化，基巖的完整性較好，穿越場地區水文地質條件復雜。

由于河床底部以卵石土以及砂巖為主，且卵石土厚度較大，砂巖硬度較大，兩岸基巖出露明顯，因此不適于采用定向鉆以及頂管穿越方式，而考慮采用盾構隧道以及鉆爆法隧道穿越方式。若采用盾構法施工方案，施工工期較長，施工技術及管理水平要求較高，投資較大，不予以采用。同時由于巴中素有 “十年九旱”之說，巴河水為過境水，因此也可以考慮采用大開挖方式穿越巴河。但由于巴河為一級水源地，而且河床卵石土厚度較大和現場采砂狀況比較嚴重，因此大開挖穿越方案難以實施且風險較大。故巴河穿越推薦采用鉆爆法基巖隧道穿越方式。

4.3 野三河懸索跨越

野三河峽谷管道跨越場地位于湖北省恩施市建始縣境內野三河處，野三河跨越處為典型的V字型峽谷，野三河峽谷東北西南走向，溝谷深，地形較復雜，跨越處山谷寬約200 m，谷深達120 m，兩岸岸坡均為巖質邊坡，坡度較陡。

對于這樣的地形地貌采用定向鉆穿越以及隧道法穿越困難非常大，適宜采用跨越方式過河。由于跨越處寬200m，跨度太大，因此推薦采用懸索跨越。

5 結束語

綜上所述，長輸管道河流穿跨越的各種方案各有優缺點。近年來，隨著定向鉆設備能力的改善以及定向鉆穿越技術的不斷發展，定向鉆已能穿越中等硬度的泥巖、砂巖等巖質地層以及超厚卵石層，而且穿越長度以及穿越管徑不斷加大。隨著定向鉆施工隊伍的逐漸增多，定向鉆價格呈下降趨勢。定向鉆穿越不僅僅在大型江河的穿越中采用，在一些水網密集區域的管道穿越中也有應用。因此具有高效、可靠、環保等優勢的水平定向鉆穿越技術將有著更加廣泛的發展前景。同樣，隨著近年來地質勘察、地質超前預報、超前探水、預注漿防水及光面爆破等技術的不斷發展，具有工程造價低、工期短、工程質量易于控制、各類巖層均能適用、不斷航、多功能、管理維修方便等突出優勢的鉆爆法隧道穿越方案在江河穿越中也得到了廣泛的應用。

當前我國正處于大力興建各類大型管道工程的時期，在長輸管道河流穿跨越方案的選擇方面，在全盤考慮工程地質和水文地質條件的基礎上采用安全可靠、技術先進、方便施工和維護管理且費用低的設計方案將會獲得更佳的經濟效益和社會效益。

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Study on Scheme Selection of Long-distance Pipeline Crossing Rivers

YAN Qing-hua（Shengli Engineering and Consulting Co.,Ltd.of Shengli Oilfield,Dongying 257026,China），SUN Yu-jie,FU Chao,et al.

This paper expatiates on the scheme selection principle of long-distance pipeline crossing rivers and summarizes detailedly sereral main types of long-distance pipeline crossing rivers.It contrasts these pipeline crossing types in applicable conditions,crossing length,construction period,project investment,construction,operation and maintenance as well as impacts on environment.The scheme contrast results are shown in the applications to some practical projects.

oil and gas pipelines;pipeline crossing;aerial pipeline crossing;scheme contrast

TE973.4

A

1001－2206（2011）03－0001－05

閻慶華 （1959-），男，山東東營人，主任設計師，2010年畢業于中國石油大學工民建專業，主要從事長輸管道穿跨越設計工作。

2010-08-01