天然氣管道河流穿越方案的設計

楊歐修，于麗麗

（中石化天然氣分公司廣西液化天然氣工程項目部， 廣西 北海 536000）

天然氣管道河流穿越方案的設計

楊歐修，于麗麗

（中石化天然氣分公司廣西液化天然氣工程項目部， 廣西 北海 536000）

從總體上闡述了天然氣管道河流穿越方案的選擇原則，穿越工程設計原則，穿越位置選擇原則，穿越方式的選擇原則，河流穿越方案的設計步驟。總結了長輸管道河流穿越的幾種主要形式，分析了大開挖穿越，定向鉆，頂管穿越，這幾種河流穿越方案的適用條件，并結合工程實例，論述了定向鉆穿越方法在工程中的應用。

天然氣管道；河流穿越；設計方案

1 天然氣管道穿越工程設計原則

（1）天然氣管道穿越工程設計應遵循國家及行業、企業現行有關設計標準及規范；

（2）對于大中型穿越工程，根據輸氣管道線路總體走向及自然條件確定和調整管道穿越位置，穿越工程與線路工程的應做好銜接，為確保輸氣管道和地方建設的協調發展，需協調好穿越工程與河流、鐵路、公路、城市及水利規劃的相互關系；

（3）管道穿越位置的選定應符合城市、交通、河道、航道等相關部門的法規及規劃；

（4）應根據水文、地質、地形、水土保持、環境、氣象、交通、施工及管理條件進行技術經濟論證確定大中型穿越工程的位置與方案[1]；

（5）優化設計方案，確定合理的穿越位置及最優穿越結構型式；

（6）采用先進、成熟的技術，吸收國內外新的技術成果，做到技術先進，施工簡便，經濟合理，安全適用；

（7）河流大中型穿越工程的各項措施應征得河道、航道管理部門的同意，不得影響排洪疏浚和航道通行，不得損壞大堤[2]；

（8）河流大中型管道穿越設計方案必須取得河流主管部門同意；

（9）穿越管段位于地震基本烈度7度及7度以上地區時，應進行抗震設計。

2 天然氣管道穿越位置選擇原則

（1）穿越位置選擇應與線路總走向相一致，因自然條件限制，穿越困難地段，可以根據穿越位置調整線路局部走向；

（2）穿越位置應符合該水域的總體規劃要求，穿越位置、穿越方式必須報經穿越水域主管部門同意，由建設單位與該部門簽署的具有法律效能的協議；

（3）穿越位置宜選在水流平緩、河面較窄、河水主流線擺動不大的順直河段上；應避開沖溝溝頭發育地段；

（4）穿越位置應盡量避開災害性地質地段（如活動地震斷裂帶、滑坡、巖溶等），選擇在河段的變遷運動歷史清楚，河床面平坦，沖淤變化小，地質構成較為單一，兩岸漫灘開闊，岸坡宜呈傾斜狀且穩定耐沖刷處；

（5）穿越位置宜選擇在交通和施工場地條件良好，干擾小，能滿足施工方法中所需要的施工場地的要求；

（6）穿越河段應選擇在閘壩上游或其他水工構筑物影響區之外；

（7）穿越管段和穿越水域中或附近已建建（構）筑物之間的距離應符合有關規范和安全規定要求；

（8）穿越工程建成后，應不會降低該水域的防洪標準，不會影響抗洪救災措施，同時也不會引起河勢的變化，不會影響已規劃堤防的安全；

（9）管道穿越位置與港口、碼頭、水下建筑物或引水建筑物之間的距離不得小于200 m；

（10）管道穿越位置不宜選在河道經常疏浚加深、岸蝕嚴重或侵灘沖淤變化強烈地段；

（11）穿越管段應垂直于水流軸向；如要斜交時，交角不宜小于60°；

（12）管道穿越鐵路、公路應避開石方區、高填方區、路塹、道路兩側為同坡向的陡坡地段；

（13）管道嚴禁在鐵路站場、有值守道口、變電所、隧道和設備下面穿越。

3 常見河流穿越方案

目前，天然氣長輸管道河流穿越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[2-4]。

3.1 大開挖穿越河流

大開挖穿越河流的方式是將天然氣管道埋置于河床穩定層內的穿越敷設方式，目前，它在國內外的管道穿越的設計施工中因技術成熟，投資省得到了廣泛運用。一般根據河流地形、水文和地質條件、和施工設備等因素選擇開挖方式。大開挖敷設穿越方式埋深淺容易受到通航船舶拋錨、河道沖刷、挖砂的破壞，所以大開挖穿越方案適用于季節性河流，中小型河流的穿越、人工干渠、水塘等，對于大型河流及管道通過的較深的水塘，一般采取配重塊穩管或混凝土連續覆蓋的措施保證洪水期管線抗沖刷、不漂浮，對已干涸的河流采用直接大開挖的方法施工，對已斷流但仍存大量積水的河流、水塘和溝渠，一般采取圍堰截流排水方法施工，對冬季不斷流的河流，一般采用圍堰導流渠導流的方法進行施工，對有的穿越點處有巖石無法開挖導流溝，一般采用圍堰導水的方法進行施工。對于穿越長江、黃河等水流量大、通航量大的大型河流時，因其工程量大，難度高,難以保證工程質量，一般不予以考慮大開挖穿越方式[4]。

3.2 定向鉆穿越河流

定向鉆穿越河流即通過計算機控制進行導向和探測，按照設計曲線的軌跡，采用定向鉆技術先鉆一個導向孔，在鉆桿端部接大直徑的擴孔鉆頭和已組裝好的管道用于擴孔和回拖，完成管線穿越的施工過程。對于具有較為穩定的地層，適宜黏土、亞黏土、砂質河床，有足夠的材料堆放和回拖的場地，同時有專業的定向鉆穿越施工隊伍的情況，采用定向鉆穿越河流的方式既經濟實用又安全可靠，隨著定向鉆穿越技術和設備的不斷發展與完善，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[2]。

3.3 頂管穿越河流

頂管穿越河流是繼盾構、定向鉆施工之后發展起來的一種地下管道暗挖式施工方法，在施工時，通過傳力頂鐵和導向軌道，用支承于基坑后座上的液壓千斤頂將管壓入土層中，同時挖除并運走管正面的泥土，當第一節管全部頂入土層后，接著將第二節管接在后面繼續頂進，這樣將一節節管子頂入，作好接口建成涵管，對松散、黏土、軟弱地層比較適用。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，在大型河流中頂管法穿越方式應用比較少[2]。

4 河流穿越方式的選擇原則

河流穿越方式主要為大開挖、定向鉆、頂管等穿越方式。穿越方式的選擇應該根據地形地貌、水文、地質、環境、交通運輸等多方面因素綜合分析，以確保天然氣管道安全為第一前提，在施工工期滿足整個工程要求的前提下，應盡量選擇投資低、施工簡單的穿越方式。一般情況下，管道穿越方式要優于跨越方式，主要是由于管道埋入地下，受環境影響小，安全性好，節省投資，施工期短，施工技術難度小，有利于維護和管理等優點，在工程實踐中，大多采用穿越方式通過天然或人工障礙物。

5 穿越方案的設計步驟

（1）確定穿越位置及概況；

（2）確定場地自然地理概況，包括地形地貌和河流概況及水文條件；

（3）穿越處地質條件，包括地層情況和各層情況物理力學指標和巖土參數；

（4）場地穩定性，包括河床和岸坡穩定性評價和河床沖刷深度；

（5）場地地震效應；

（6）穿越方案比選；

（7）穿越方案設計；

（8）穿越設計圖紙。

6 工程實例

某運河勘察區屬平原河谷地貌，平壩地形，地形平緩開闊，起伏不大，穿越段運河寬約32 m，水面寬也大約32 m，水深2 m，河道內無采石挖砂現象，河床未受擾動，河床穩定性較好。擬穿越段位于運河緩彎處，運河寬約45 m，呈對稱的“U”型，水面寬約32 m，水深約2.5 m，河內質為粉質粘土夾細～礫砂。穿越段總體地勢東部略高，西部稍低，東側最高50.96 m，西側最高49.60 m，兩側大堤坡角約30°，大堤下部為砼結構護壁，上部為土質岸坡。東側大堤為林地，高出水面約3.4 m；西側岸坡為水泥公路，高出水面約 4.6 m。擬穿越段上游約70 m處為蘭海高速跨河大橋，下游約300 m處有小型橋梁連接兩岸，最高水位高程為43.43 m，勘察期間實測河水流速0.032 m/s，定向鉆方式穿越也必須從運河底部較深位置實施，無需計算沖刷深度，場地土類型為中軟土，場地類別為Ⅱ類，為對建筑抗震一般地段。地震動反應譜特征周期為 0.35 s，地震動峰值加速度為0.05 g，區內建筑抗震設防烈度為6°。

6.1 穿越方案比選

根據現場實際情況，考慮在頂管穿越和定向鉆穿越2種穿越方式比選。

6.1.1 大開挖穿越河流

大開挖穿越河流是通過施工機具在河道開挖一定深度的管溝，將管道埋置于河床穩定層內，并輔以一定穩管措施的的穿越敷設方式，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敷設。由于運河為北海市重要的生活和工業用水水源工程，采用開挖方式勢必對水源產生較大影響，因此，不推薦大開挖方式。

6.1.2 定向鉆穿越河流

定向鉆穿越目前在國內也得到了廣泛的運用，它具有施工人員少、占地省、工期短、效率高，不受季節、天氣影響，自然環境影響小等諸多優點。而運河兩岸場地較為開闊，且交通方便，且不會對河道產生影響，較適合定向鉆穿越，因此，推薦采用定向鉆方式運河。

6.2 定向鉆穿越設計

6.2.1 定向鉆穿越出入土點

入土點運河東側耕地中，臨近水泥路，交通條件較好。利于設備進場；出土點位于運河西岸穿越點位于耕地中，附近為大片農田，利于管線運輸及回拖。

6.2.2 定向鉆穿越曲線

穿越管段的出、入土角根據穿越地形、地質條件和穿越管徑的大小確定，管線定向鉆入土角為8°，出土角為5°，穿越管段的曲率半徑為1 500D（D=φ813 mm）。

6.2.3 定向鉆徑向屈曲失穩計算

穿越管徑為φ813×17.5，根據《油氣輸送管道穿越工程設計規范》GB50423-2007的相關規定，穿越管段回拖在擴孔回拖時，應核算空管在泥漿壓力作用下的徑向屈曲失穩[5]。按下列公式進行核算

式中：Ps—泥漿壓力，可按1.5倍泥漿靜壓力或回拖施工時的實際動壓力選取,MPa；

δs—鋼管屈服強度,MPa；

Fd—穿越管段設計系數，地區等級為二類，按0.6選取；

Pyp—穿越管段所能承受的極限外壓力,MPa；

Pcr—鋼管彈性變形臨界壓力,MPa；

Es—鋼管彈性模量；

δ—鋼管壁厚，mm；

D—鋼管外徑，mm；

μ—泊桑比，0.3；

f0—鋼管橢圓度，%。

6.2.4 定向鉆穿越出入土點

穿越管徑為φ813×17.5，穿越管段回拖時，最大回拖力采用下式[6,7]計算：

式中：F拉—管道回拖力，kN；

L—穿越長度，m；

f—摩擦系數，取0.1～0.3；

γ泥—泥漿重度，1.15～1.2 t/m3；

K－粘滯系數，0.01～0.03。

經計算，F拉=421.38 kN。

根據《油氣輸送管道穿越工程設計規范》GB5042 3-2007，最大回拖力按照取計算值的1.53倍考慮，本次計算最大回拖力按照取計算值的2倍考慮，經計算，本穿越管段最大回拖力為842.76 kN。

6.2.5 定向鉆穿越地層

管道中心軸線從入土到出土穿越地層依次為：在運河東側入土斜穿粉質粘土、粉質粘土夾砂到達河床底部水平段，在砂夾粉質粘土中水平穿越。開始在砂夾粉質粘土中上揚，經粉質粘土夾砂、粉質粘土在運河西側出土。管線穿越軸線最深處管底標高29.0 m，距離運河河底最小埋深11.3 m。

7 結 論

從總體上總結了天然氣管道河流穿越方案設計步驟，穿越方案選擇原則，穿越工程設計原則，穿越位置選擇原則，穿越方式的選擇原則，分析了大開挖穿越，定向鉆，頂管穿越方案的適用條件，并結合工程實例，對穿越方案進行了比選，案例確定穿越方式為定向鉆穿越，計算了穿越管段最大回拖力。

［1］王毓民.大口徑管道穿越河流方法研討[J].天然氣與石油,2000,18（3）:5-6.

［2］陳仲科.管道穿越大中型江河方案比較[J].天然氣工業,2000,20（2）:83-84.

［3］伍平,向勇,天然氣長輸管道漢江穿跨越方案研究[J].西華大學學報(自然科學版),2013,32(4):94-96.

［4］閻慶華，孫玉杰，付超,等，長輸管道河流穿跨越方案選擇[J].石油工程建設，2011,37(3):1-3.

［5］閆相禎,丁鵬,楊秀娟.水平定向鉆技術在管道穿越工程中的應用研究[J].石油學報,2008,29(2):293-294.

［6］楊先亢，遆仲森，馬保松,等，水平定向鉆管道穿越回拖力計算公式的比較分析[J].石油工程建設,2011,37(1):2-3.

［7］GB 50423-2007 油氣輸送管道穿越工程設計規范[S]:25-27.

阿克蘇諾貝爾中東新建粉末涂料廠

阿克蘇諾貝爾中東新建粉末涂料工廠開車，該工廠將顯著擴增公司旗下Interpon和Resicoat產品產能。這座擁有先進水平的工廠是阿克蘇諾貝爾在中東建立的第六座制造廠，并且是全球范圍內第30座粉末涂料生產廠。

“該投資將進一步增強阿克蘇諾貝爾在中東的戰略地位并提升我們服務迅速發展的粉末涂料市場的能力。”阿克蘇諾貝爾執行委員會委員Conrad Keijzer(性能涂料部)如是說。新建工廠旨在滿足不斷增長的裝飾性粉末涂料需求，尤其是建筑領域。

包括石油和天然氣以及建筑使用的功能性產品。據專家介紹，就工廠開車，阿克蘇諾貝爾中東地區的常務董事 Peter Tomlinson表示：“迪拜新建工廠突出顯示了公司對中東地區的承諾，并不斷超越競爭者。”

Design of the Natural Gas Pipeline Crossing River Program

YANG Ou-xiu，YU Li-li
（Sinopec Gas Branch Guangxi LNG Engineering Project, Guangxi Beihai 536000，China）

The principle to select gas pipeline river crossing program was illustrated, design principle of crossing river engineering was listed, principles of selecting the crossing position and way were introduced, design steps of river crossing program was illustrated, the main types of crossing river of long distance pipeline including large excavation crossing, directional drilling and pipe jacking crossing were summarized, The applicable conditions of several kinds of river crossing projects were analyzed and summarized, combined with engineering examples. Engineering application of the directional drilling method was discussed.

Natural gas pipeline; Crossing river; Design program

TE 832

A

1671-0460（2014）12-2606-03

2014-06-02

楊歐修（1977-），男，湖北荊門人，工程師，2008年畢業于長江大學油品儲運專業，研究方向：從事天然氣行業管理。E-mail：yangox@126.com。