天然氣管道超長距離連續定向鉆穿越工程設計與施工

程振華，劉曉偉，管榮昌

中石化中原石油工程設計有限公司，河南濮陽 457001

京杭大運河、淮河入江水道連續定向鉆穿越工程是青寧輸氣管道項目控制性工程。青寧管道全長531 km，管徑1 016 mm，設計壓力10.0 MPa。輸氣管道在江蘇省高郵市車邏鎮南車邏閥室位置，自東向西需要依次穿越京杭大運河和淮河入江水道然后到達郭集閥室。京杭大運河豐水期水面高度為河堤外地面標高，淮河入江水道自西向東依次由莊臺河（東大堤）、大管灘河群、王港河、夾溝河、楊莊河及西大堤組成，穿越長度約6 700 m，該區域為市級濕地生態保護區，水系發達，區域內無道路，其中楊莊河寬1 900 m，航運及漁業繁忙。總穿越長度約8 000 m，保護區環境保護、航道運輸、汛期泄洪等因素對穿越方式、穿越工程設計及施工提出了較高要求。工程建設模式采用設計單位牽頭的“EPC聯合體+監理”的管理模式。

1 穿越路線的確定

1.1 穿越設計主要影響因素

穿越設計主要影響因素包括：施工窗口期短，水網密布、灘涂地下水位高，鉆機、管材運輸困難，地質條件復雜，大口徑定向鉆連續穿越長度長，大堤穿越需特殊保護等。

1.2 穿越位置的選擇

（1）穿越位置的選擇原則。第一，穿越位置選擇與線路總走向一致，線路局部走向應服從穿越段位置要求，穿越段位置應符合該水域整體規劃要求，穿越位置、穿越方式和管道敷設方式必須報經穿越水域主管部門的同意，要有由建設單位與該部門簽署的具有法律效力的協議。第二，穿越位置應選擇河流兩岸施工場地良好、交通方便的地段[3]；穿越位置應選在淮河入江水道河面較窄、水流平緩、河水主流線擺動不大的順直河段上；穿越河段兩岸或者一岸外的交通和施工場地條件應良好，滿足鉆機布置、布管及管溝開挖施工的要求；應選擇地質良好、河床平面平坦、沖淤變化小、地質工程較為單一、兩岸漫灘開闊、岸坡宜成傾斜狀且穩定耐沖刷的位置。第三，通航河道穿越應滿足航道設計要求。第四，工程建成后，不應降低該水域的防洪標準，不影響抗洪救災實施，同時不會引起河勢的變化和影響已規劃堤防的安全。

（2）具體穿越位置的確定。根據以上選擇原則，穿越位置選在江蘇省高郵市車邏鎮南新民村車邏閥室位置，該位置河道窄，河床平坦，水流穩定，自東向西依次穿越京杭大運河和淮河入江水道至郭集閥室，見圖1。

1.3 巖土地質條件

地勘報告揭示，穿越勘察區所在構造的活動性不強，距離區域性活動斷裂較遠，穿越段區域構造穩定，未發現不良地質作用、環境地質災害及異常埋置物，穿越斷面地層分布穩定，因此穿越場地穩定，適宜定向鉆穿越。地表下35m深度內地層均為淤泥質黏性土、黏性土及粉土，均適宜進行定向鉆穿越。

穿越場地屬沖積平原地貌單元，穿越河段通過中長期補償平衡，河流仍以淤積作用為主，河床的穩定性總體較好。灘涂區域地形平坦開闊，河流較多，巖性以黏土、粉質黏土為主。擬穿越斷面揭露地層為第四系沖洪積（Q4al+pl） 黏土、粉質黏土和粉土，根據穿越斷面地基土的巖性、結構與工程性狀，結合河道情況、大堤安全深度與場地施工條件，綜合場地條件、地層條件、工期、費用及施工工藝與方案的可操作性，確定穿越方式采用定向鉆穿越+大開挖施工方式，選擇合理的深度，對于河床段選擇從黏土B（⑤層）中實施穿越。京杭大運河+深泓河地質典型情況見圖2。

1.4 具體穿越路線的最終確定

定向鉆作為非開挖的一種施工工法已在天然氣管道穿越工程中得到了廣泛應用。定向鉆穿越一般適用于航運繁忙、水域較寬、流量與流速較大、沖刷較深、河流變遷劇烈，以及地質條件允許（如黏土、粉砂、中砂層及強度不高巖石等地層）的水域穿越[4]。

在穿越方案的選擇上，要根據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，并依據河流形態、水文參數、工程地質等條件確定合理的穿越方式[5]。參照國內近幾年建設的較大口徑天然氣管道的經驗，根據京杭大運河、淮河入江水道區域內的地形、地貌及地質條件，結合區域內以往管道的設計經驗，參照防洪評價專家評審意見，對于青寧管道京杭大運河、淮河入江水道穿越，擬在高郵市境內的車邏鎮南側處，采用連續定向鉆方式穿越京杭大運河、淮河入江水道，定向鉆自東向西依次穿越京杭大運河、深弘河、新民灘上港汊河道（莊臺河、二橋河、小港子河、大管灘河、王港河、夾溝河及楊莊河）；定向鉆之間灘地采用大開挖連續配重溝埋敷設方式穿越，最終在淮河入江水道（楊莊河）西側灘地采用定向鉆方式穿越湖西大堤至揚州市高郵境內的送橋鎮盤塘村。

2 穿越方案比較

根據穿越區域內河道寬度、深度及地質等情況，同時按照防洪評價報告及淮河水利委員會（以下簡稱淮委會）要求，結合目前國內類似工程定向鉆穿越業績，為確保在非汛期施工窗口期內完成整個穿越工程，提出兩種穿越方案。

2.1 方案一：連續7處定向鉆+大開挖方式

本方案在滿足淮委會5月至10月汛期禁止施工的要求和管徑1 016 mm定向鉆穿越曲線的前提下，盡量減少灘區開挖施工長度，避免長距離灘區作業的風險，適當增加單鉆穿越長度，并根據穿越處地質多為粉質黏土的情況，結合目前施工技術水平，確定合理的穿越長度。方案一示意見圖3。

圖3 穿越方案一示意

2.2 方案二：連續4處定向鉆+大開挖方式

在滿足淮委會5月至10月汛期禁止施工的要求和管徑1 016 mm定向鉆穿越曲線前提下，結合內審會專家意見，根據地質情況和定向鉆穿越能力，對部分河道進行合并穿越，以減少灘區大面積開挖施工，減少定向鉆穿越數量，控制施工人員和設備數量。穿越方案二示意見圖4。

圖4 穿越方案二示意

2.3 方案對比與選擇

2.3.1 方案對比分析的原則

其一，工期分析：定向鉆施工是關鍵工序，施工窗口期內定向鉆單鉆施工周期較短則風險較小；其二，成本分析：由于定向鉆長度的增長，造成定向鉆工程造價的提高；其三，風險分析：隨著定向鉆穿越長度的增加，施工風險也隨之增加，就該地區的地質條件而言，主要風險為泥包抱死鉆桿和擴孔器、斷鉆桿、回拖不成功等。

2.3.2 方案對比

（1）在施工窗口期受限的前提下風險對比分析。方案二中定向鉆穿越長度均在1 200 m以上，施工周期均在50 d以上，若自2019年3月開始施工，則在第一窗口期內完成穿越施工的難度較大，若全放在第二窗口期施工，則對本項目2020年10月投產的總工期目標綜合影響大。

（2）施工技術對比分析。方案二最長定向鉆穿越長度2 443 m，在穿越技術上可行，無論是采取單向穿越還是對穿穿越，都可完成導向穿越，但擴孔和回拖工序對鉆機和鉆具的要求高，灘區布管場地受限，施工過程中不可控因素增多。

（3）工程量、投資對比分析。方案工程量、投資對比見表1，從表1可見，方案一、二投資差距不大。在定向鉆總穿越長度不變、投資對比差距不大的前提條件下，通過采取增加連續穿越定向鉆次數，合理確定向鉆單鉆長度，縮短基坑連頭長度等措施，則可達到實現單鉆施工作業周期較短、安全性高、施工窗口期內完工風險低的目的。綜上所述，選擇了方案一。

表1 方案一與方案二工程量、投資對比

3 施工總體安排

3.1 窗口期實施計劃

第一窗口期為2019年3月15日至4月30日，計劃完成莊臺河、二橋河+小港子河+大管灘河、王港河及夾溝河穿越工程，楊莊河光纜套管定向鉆穿越。其中工期關鍵線路為二橋河+小港子河+大管灘河管道穿越，工期為40 d。

第二窗口期2019年11月至2020年4月30日，計劃完成楊莊河主管穿越、高郵湖西大堤及京杭大運河+深泓河穿越工程及灘區開挖連頭工程。其中工期關鍵線路為楊莊河主管穿越，周期為90d。

3.2 施工組織

主管材臨時堆管廠及防腐場地設在淮河入江水道西大堤內楊莊河西岸碼頭附近，各定向鉆鉆機、鉆具及所需管材采取碼頭集散+船舶運輸的方式；在楊莊河西岸設置集散碼頭，用于實施人員、施工設備及材料的進退場，碼頭常設置50 t吊車，另設置4個臨時碼頭登陸裝卸點（夾溝河西、夾溝河東、王港河東及二橋河東），各臨時碼頭登陸裝卸點各設置1臺50 t吊車；湖灘內預制段及直埋段作業帶根據需要設置鉆桿排，以保證設備正常通行。

湖灘內需倒入的5 km管材及設備采用3艘400 t自航駁船，通過楊莊河西岸集散碼頭及湖內4個臨時碼頭進行裝卸作業，鉆機采用平板駁船倒入到預定位置。施工組織示意見圖5。

圖5 施工組織示意

4 項目實施效果

根據施工許可及淮河水利委員會相關批復，結合氣象、河道航運及水文等實際情況實施過程總優化，調整了窗口期施工計劃。工程嚴格按照防洪評價及淮河水利委員會行政許可實施，根據防洪影響處理工程專項設計要求，對大堤穿越處采取特殊防滲加固保護措施。連續定向鉆穿越工程在第一窗口期（2019年3月至4月）完成了莊臺河、西大堤兩條主管的穿越及楊莊河光纜穿越。在第二窗口期（2019年11月至2020年4月） 完成了夾溝河、王港河、大管灘河、京杭大運河和楊莊河5條定向鉆的穿越、經過灘區基坑管道的連頭作業，2020年4月完成了全部附屬工程退場。

5 結束語

京杭大運河、淮河入江水道連續定向鉆穿越是青寧輸氣管道工程的控制性工程，在充分考慮施工窗口期、防洪評價、施工安全、施工能力、地質條件等因素后，通過優化、完善制定出了切實可行的方案，為施工組織設計和后期實施奠定了基礎。施工過程克服了施工時間受限、管材運輸條件受限、布管場地受限的困難，實現了8 000 m連續定向鉆7穿的一次性回拖成功，確保了穿越的順利完成，同時也為類似工程條件的連續定向鉆穿越設計、施工及EPC總承包積累了經驗。