大口徑管道回拖單貓背發送技術的應用

邱德璟

四川石油天然氣建設工程有限責任公司，四川成都 610000

1 概述

大口徑管道在定向鉆回拖施工前，需在地面上調整好管頭的入洞角度，以便確保其同設計出土角度一致，從而最大限度地降低回拖拉力損耗。由于鋼管自身抗彎剛度大，其在自重荷載下發生的撓曲變形較小，故常借助吊裝[1]或設置貓背[2]的方式，通過調整吊點或貓背的高度或距離入洞點的水平距離來實現管道前端角度的變化，從而使其滿足同孔道出土角相同的條件。

行業內通常借鑒的理論主要為曾聰、馬保松著作《水平定向鉆理論與技術》中所述的懸曲線設計[3]以及國際上常用的美國PRCI算法、美國PRCI簡化算法、德國DCA算法等，但其實施過程較為繁瑣，現場實際應用推廣度并不高。本文所介紹的單貓背設置發送方法（其特點是將待發送的管道視為兩段連續的懸臂梁，并進行連續兩次的撓度變形計算），經多個重點項目的實施驗證，認為具有良好的應用效果。該技術具有節約吊裝設備成本等優點，在場地條件受限、地基條件較差、大型設備無法進場就位等不利條件下仍能運用，因此該技術對今后大型定向鉆管道的回拖施工具有重要的借鑒意義。

2 單貓背發送受力模型

將回拖管道吊裝至貓背上，貓背作為一個支點，限制了管道在自重荷載下的向下運動。同時，在不受其他外部荷載的條件下，可將貓背對管道的支點作為（近似處理）懸臂梁的固定節點，支點至管頭部分作為自由段，如圖1所示，自由段在自重荷載下發生彎曲變形，末端向下產生最大位移量ymax，管道自由段同水平面的夾角由0°變為θp。

圖1 理想條件下管道單貓背發送工況示意

在理想情況下，在施工設計上希望管道狀態為θp=αho（式中：αho為導向孔出土點角度），這樣可使得管道自由段在進入孔道時，同孔道的中心線角度完全一致，從而避免因管道與孔壁接觸而導致的管道局部應力增加、洞口坍塌、回拖拉力升高等風險。

從工程實際發現，管道自由段在自重荷載下呈“下墜”趨勢，但進入發送引溝后，由于管道受到溝內自洞口溢出的泥漿產生的浮力作用，管道呈“上揚”的趨勢。若這兩種趨勢的轉折點（結構上的“反彎點”[4]）剛好發生在入洞口處，則易導致入洞口處的管道局部聚集過大的應力，見圖2，這導致地表土體隆起或者塌方，從而造成后續管道入洞的困難[5]。

圖2 懸臂梁模型下管道撓度變形中反彎點位置示意

又因為“反彎點”在單點支撐的條件下是無法完全消除的，因此在設計貓背時，應考慮將“反彎點”設計在引溝內遠離入洞口的位置。此時，管道的自由段可拆分成兩段相對獨立的懸臂梁。第一段為自貓背支撐點至反彎點，固定端為貓背支撐點；第二段為自反彎點至入洞口點，固定端為反彎點，見圖3。

圖3 計算參數示意

3 單貓背參數設計計算

本章所述的貓背設置高度、貓背與入洞點水平距離計算所涉及的相關參數如圖3所示。其具體計算過程如下：

（1）步驟1：根據材料力學中疊加法求梁彎曲變形的原理[6]，當假定管道自由段角度變化值等于出土角時，計算管道的最大變形角度及所對應的撓度值。

式中：θB0為管段的自由段角度變化值，（°），令其等于出土角；q為鋼管及內配重管的線荷載總和，kN/m；L0為管道自由段水平長度，m；E為鋼管的彈性模量，MPa，取2×105MPa；I為鋼管的慣性矩，m4，取I=πD4（1-（d/D）4） /64；D為鋼管外徑，m；d為鋼管內徑，m，d=D-2δ；δ為鋼管壁厚，m；yB0為管道自由段最大撓度，m；qp為鋼管的線荷載，kN/m；qb為配重管的線荷載，kN/m。

（2）步驟2：對yB0賦予一段調整深度，用于管道在引溝的泥漿中再次調整角度。令Y=yB0+k，將Y值代入計算式求解L1，再將L1代入求解 θB1，即：

式中：k為管道自由段角度撓度調整深度，取0.3～1 m，滿足 θB1＞θB0即可；θB1為第一段懸臂梁自由段角度變化值，（°）；L1為第一段懸臂梁自由段對應的水平長度，m。

（3）步驟3：通過幾何圖形求解第二段懸臂梁自由段的水平長度及角度變化值。

式中：?θ為管道在引溝浸沒在泥漿段里的角度變化值，（°）；f為管道在輔助發送溝浸沒在泥漿段里受到的浮力線荷載，kN/m；qf為管道浸泡在泥漿中受到的凈浮力線荷載，kN/m；yb2為入洞口與反彎點切線之間的距離，m；L2為第二段懸臂梁自由段的水平長度，m。

（4） 步驟4：將yb2換算成豎直方向高度yb2V，L2換算成水平方向長度L2h。

（5）步驟5：確定貓背至入洞口的垂直高度及貓背距離實際入洞口的水平距離。

式中：H為貓背最高點至管道實際入洞點的垂直落差，m；?hf為鋼管在輔助發送引溝中泥漿液面至入洞口的垂直高度，m；L為貓背與入洞點的距離，m。

（6） 計算結果：單貓背設置高度為h0，貓背與入洞點距離為L，引溝的開挖最深處深度為H-h0。

4 單貓背發送方案的實施過程

（1）發送工藝流程。該發送工藝流程的實施簡單，可操作性強，見圖4。

圖4 管道回拖單貓背發送工藝流程

（2）貓背修筑。貓背的修筑采用單斗挖掘機，根據第3章“單貓背參數設計計算”的結果修筑主貓背，然后在主貓背向管頭一側，距離約30 m位置，再修筑輔助貓背一個，輔助貓背的高度應高于主錨背0.5～1.0 m，見圖5。

圖5 貓背修筑及管道就位示意

為提高主貓背的承載能力，減少貓背的變形，修筑時應做好如下幾點：第一，主貓背底部宜鋪墊鋼板，增加地基剛度，防止貓背底部的不均勻沉降[7]；第二，主貓背兩側的邊坡，使用土袋做抗滑護坡，形成側限應力，以提高其受到上部荷載的抗剪強度[7]；第三，貓背頂部宜采用橡膠制品做鋪墊，防止管道在行進過程中防腐層被劃傷。

（3）管道吊裝就位。將預制完成的管道，采用吊車或者吊管機，將管道前端逐步吊裝至兩個貓背之上，見圖5。

（4）配重管注水。根據設計文件要求，對管道內置入的PE管進行注水配重，目的是降低大口徑管道在泥漿環境中受到的較大浮力[8]。

（5）拆除輔助貓背。使用單斗挖掘機自下而上挖除前端輔助貓背的土體，讓其在自重荷載下逐漸下墜至地面，見圖6，以便于下步連接鉆具后回拖。

圖6 拆除輔助貓背過程示意

（6）開挖引溝、連接鉆具。對輔助貓背向著入洞口一側開挖引溝，以確保管道發送時垂直方向的落差高度，見圖7；同時，將回拖鉆具與管頭連接，至此，回拖前管道發送準備工作完成。

圖7 開挖發送引溝示意

5 應用實例

該方法已成功應用于蒙西管道前進渠+南運河定向鉆工程，該工程使用D1016mm×26.2 mm的L485鋼管，配重采用D630mm×24.1mm的PE管全段注水配重，泥漿密度1.3g/cm3，實際出土角7°。

根據第3章“單貓背參數設計計算”中所述的計算方法，計算過程及實際應用效果簡述如下：

（1）基礎數據。貓背搭設高度h0=1.5 m，鋼管自重線荷載為qp=6.40kN/m，配重PE管道荷載為qb=3.08 kN/m，鋼管浮力線荷載為f=10.53 kN/m，鋼管凈浮力線荷載為qf=0.87 kN/m。

（2） 中間計算參數值。當θB0=7°時，L0=52.69 m，yB0=4.57 m，Y=4.57 m+0.5 m=5.07 m，L1=54.07 m，θB1=7.17°＞7°，滿足要求。此時，?θ=7.17°-7°=0.17°，yb2=0.076 1 m，L2=34.59 m，yb2V=0.075 6 m，L2h=0.61 m。

（3）計算結果。貓背最高點至管道實際入洞點的垂直落差H=7.5 m，貓背距離入洞點距離為L=78.5 m。

（4）實際應用效果。現場實際H=7.2 m，貓背設置距實際入洞口72 m，基本同理論計算一致，見圖8。管道回拖入洞時，啟動拉力約1 600 kN，無明顯波動，扭矩平穩（約50 kN·m），施工正常，應用效果良好。

圖8 前進渠+南運河定向鉆施工現場回拖管道單貓背發送現場

另外，該技術在中俄東（安平-泰安段）石津干渠、京石邯等管道口徑為1 219 mm的大型定向鉆穿越工程中也取得了良好的應用效果。

6 結論及建議

（1）本文將管道受力模型簡化成兩段懸臂梁來進行計算，嚴格來講并不完全符合懸臂梁的定義，尤其是“假想”的第二段懸臂梁，隨著管道回拖速度的增加，假想的固定段（反彎點）在縱向上必然會發生位移，因此并不符合懸臂梁的定義。同時，在步驟2，Y=yB0+k中，關于k值的取值為經驗常數，其根據施工經驗數據總結得出。

（2）泥漿密度對計算結果值的影響較大，由于泥漿密度直接影響到第二段懸臂梁受到的浮力，因此在回拖前，應多次測量出土點側的泥漿密度，求取平均值。

（3） 第4章（4） 的“配重管注水”中，設計了輔助貓背和主錨背的高差，目的是便于管頭注水后水可自動流入配重管尾端，從而達到設計的配重要求。但在現場實際施工中，由于受到地形高低起伏、地面構筑物以及目前注水工藝自身的限制，難以在PE配重管內完全注滿水，通常注水填充率難以突破70%[9]，因此在管道回拖發送時，管頭自由端的線荷載應比理論計算值偏小，但線荷載偏差對計算結果的影響要小于泥漿密度的影響。另外，關于“如何使PE管內完全充滿水”，目前依然是業內待解決的技術難題。

本文所介紹的管道回拖單貓背發送技術，由于回拖全過程無需多臺吊車、吊管機等吊裝設備的全程值守，節約吊裝成本至少萬元以上，因此該技術得到了廣泛的應用。