直接鋪管法在砂質地層大口徑管道中的應用

劉雪梅　譚明星　李祁宇　向玉琪

中國石油工程建設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現全線天然氣貫通[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,同時為該技術在砂質地層大口徑管道中的推廣應用提供了成功的實踐經驗。

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的一種直接鋪管的施工方法,結合了現有頂管和水平定向鉆進設備的技術優勢,據資料介紹國外已有數十個工程實例[2-5]。直接鋪管法是將推管機安裝在水平的地錨上,頂管掘進機安裝在最前方,鋪設的鋼管道與頂管掘進機連接,頂管設備前面掘進,推管機后面采用夾管器頂推,控向采用陀螺儀導向。

直接鋪管法穿越河流采用的頂管掘進機一般為泥水平衡式,頂管掘進機見圖1。不同地質地層結構如砂、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。頂管掘進機的選用直徑與傳統敷設管道頂管機選用直徑基本相同,根據地質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,所用頂管掘進機為敷設管徑1 219 mm管道而引進的機型,刀盤可開挖直徑1 325 mm,適合該工程的實際情況[6-7]。

圖1　頂管掘進機

目前，直接鋪管法采用的德國海瑞克推管機常用于管道敷設的有300 PT、500 PT和750 PT三種,國內引進的是推力500噸級,型號HK 500 PT。根據施工計算推力超過200 t,HK 500 PT型號推管機能滿足該工程施工要求[8]。

推管機由夾緊器和支座等組成,HK 500 PT型號推管機夾緊器可夾緊管徑1 219 mm管道,見圖2。

直接鋪管法工藝入、出土側示意見圖3～4。

圖2　HK 500 PT推管機

圖3　直接鋪管法入土側示意圖

圖4　直接鋪管法出土側示意圖

工作時，管道內部與頂管掘進機連接的泥漿渣土管將通過泥水循環攜帶刀盤切削下來的渣土送至地面,見圖5;同時推管機夾緊器將與連接好頂管掘進機并已完成焊接防腐補口檢驗合格的穿越管道夾緊,在頂管掘進機、推管機和控向系統共同工作下按設計曲線向前逐段推進,直到將管道送至接收井或者地面,見圖6。管道穿越設計曲線參數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　掘進機出土

2　直接鋪管法的優缺點

直接鋪管法,結合了以往傳統頂管和水平定向鉆進設備的技術優勢,其優勢可通過對水平定向鉆、頂管和直接鋪管法在不同地層、關鍵施工步驟以及技術經濟比較等方面看出,見表1～3[9-11]。

表1不同地層三種工法的適應性比較

地層適應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(飽和抗壓強度小于80 MPa)容易中等中等巖層(飽和抗壓強度大于80 MPa)中等困難困難

表2三種工法關鍵施工步驟比較

關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3三種工法技術經濟比較

項目頂管水平定向鉆直接鋪管法施工周期長中等短建設費用高低中等

與水平定向鉆相比,直接鋪管法的優點是控向精度比水平定向鉆高,風險比水平定向鉆小。其缺點是與頂管掘進機機頭連接的管道直徑以及推管機夾緊器的夾管直徑有個經濟管徑,小管徑目前難以滿足,也不經濟;同時敷設管道深度根據地質情況也有一定限制,直接鋪管法的管道不能太深;限于直接鋪管法工藝、機具和地質結構、風險規避處理,穿越長度上與水平定向鉆和傳統頂管相比也有一定限制[12-15]。

3　無定河穿越概況

3.1　初步設計方案

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

無定河為黃河的一級支流,穿越處下游為無定河濕地省級自然保護區,根據環評審查意見,無定河應采用非開挖方式穿越,初步設計方案無定河穿越為頂管(隧道)法[16-19]。

始發井布置于主河槽北岸二級階地上,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。穿越主要層位為細砂層,北岸始發井井深約22 m,內直徑12.5 m,南岸接收井井深約14.3 m,內直徑10 m,均采用沉井法施工。頂管隧道內需布設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]。

預計工期6個月,同時按照環保部門要求,需對最大洪水沖刷線以上豎井進行拆除。

3.2　施工方案

施工階段通過對工期、費用、可實施性以及環保部門要求等綜合比較,同時結合2016年直接鋪管法在另一項目實踐的成功驗證,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結合方式施工,輔以井點降水措施。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高溫型加強級防腐層,補口采用帶配套環氧底漆的輻射交聯乙烯熱收縮帶和環氧玻璃鋼外防護層結合的方式。光纜套管單獨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　工程實施效果

1)管道利用線路作業帶提前預制完成,焊接于頂管掘進機頭,推管機輔助送至接收井,避免了管道在豎井里焊接安裝,降低了施工風險。

2)始發井和接收井采用明挖加鋼板樁支護結合方式施工,輔以井點降水措施,可有效降低施工風險和豎井拆除風險,同時避免沉井拆除對管道安全的影響。

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

5　結論

1)直接鋪管法融合了傳統頂管和水平定向鉆進設備,采用頂管掘進機和推管機,成功地在陜京四線輸氣管道工程中的無定河實現了D 1 219 mm大口徑、高壓 12 MPa 管道非開挖穿越,可供管道建設相關人員參考。

2)無定河穿越施工過程中由于出、入土點地形相對高差較大,泥水壓力相對較高,造成中間設備故障停機,已進入地層的頂管掘進機和管段又整體回拔至地面。今后采用直接鋪管法時,應注意選點盡量選擇出、入土點高差相對較小，施工方案中應有防止設備故障停機的施工措施及預案,包括泥水壓力、回拔時注漿穩孔和洞門密封、回拔管道質量檢測等。

3)直接鋪管法有一定優勢,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砂層,以及在人口密集居民區施工作業面受限地方的較大口徑管道鋪設。雖然該方法國內工程實例和經驗較少,但對管道建設者來說卻是一種值得了解、學習、掌握和運用的施工工法,特殊地層和場地條件多了一種敷設方式,值得在今后的管道工程中適時推出和應用。