非開挖水平定向鉆在海纜穿堤工程中的應(yīng)用

宋礎(chǔ)

（上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335）

中國(guó)海上風(fēng)電新增投產(chǎn)規(guī)模在2021年超過16GW，占到全球新增投產(chǎn)規(guī)模的87%。截至2021年末，中國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)投產(chǎn)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到26.4GW，為全球最大的海上風(fēng)電市場(chǎng)。一個(gè)完整的海上風(fēng)電場(chǎng)一般由一定規(guī)模數(shù)量的風(fēng)電機(jī)組和輸電系統(tǒng)構(gòu)成。輸電系統(tǒng)中的海底電纜作為海上風(fēng)電場(chǎng)工程的主動(dòng)脈，聯(lián)系著整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的心臟（海上升壓站）與指揮中樞（陸上集控中心），海纜敷設(shè)施工為海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中的關(guān)鍵一環(huán)[1]。

海纜敷設(shè)環(huán)境較為復(fù)雜，海纜登陸段通常需要穿越海堤等構(gòu)筑物。常用的穿堤方案有門架方案、破堤方案和非開挖水平定向鉆工法方案。門架方案是指海纜通過架空式門架過堤，該方案影響海岸線的外觀，地方政府批復(fù)難度較高；破堤方案是指海纜敷設(shè)于堤面護(hù)坡結(jié)構(gòu)下過堤，該方案對(duì)堤防影響較大，需要破壞堤面護(hù)坡和防浪墻，海纜敷設(shè)完畢后還需要重新修復(fù)堤面結(jié)構(gòu)，施工期會(huì)影響大堤的防洪安全及交通；非開挖水平定向鉆是指海纜通過水平定向鉆工法敷設(shè)于堤身以下一定深度范圍內(nèi)，該方案對(duì)堤防基本沒有擾動(dòng)，在做好防滲措施后基本不會(huì)對(duì)堤防產(chǎn)生影響，不影響堤防的防洪安全及正常運(yùn)行[2-4]。

非開挖水平定向鉆方案在外觀影響、施工便捷性及工程造價(jià)等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，一般為海上風(fēng)電場(chǎng)工程海纜敷設(shè)穿堤登陸的首選方案，本文對(duì)該方案的施工工藝、設(shè)計(jì)要點(diǎn)及穿堤防滲措施開展研究，為后續(xù)海纜登陸穿堤設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)參考。

1 施工工藝

穿堤使用水平定向鉆機(jī)進(jìn)行管線穿越施工，一般分為二個(gè)階段：第一階段是按照設(shè)計(jì)曲線盡可能準(zhǔn)確的鉆一個(gè)導(dǎo)向孔；第二階段是將導(dǎo)向孔進(jìn)行擴(kuò)孔，并將管線沿著擴(kuò)大的導(dǎo)向孔回拖到導(dǎo)向孔中，完成管線穿越工作[5]。主要工序?yàn)椋簻y(cè)量放線—→開挖工作坑—→導(dǎo)向孔施工—→擴(kuò)孔—→管線回拖，施工方案如下：

（1）測(cè)量放線。測(cè)量前對(duì)全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等測(cè)量?jī)x器進(jìn)行校定，儀器必須經(jīng)校驗(yàn)合格且在有效期內(nèi)方可使用。測(cè)量放線，確定穿越距離和設(shè)計(jì)穿越線路，根據(jù)施工圖紙和有關(guān)資料，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)和鉆機(jī)的實(shí)際情況，確定拉管的距離，描繪出導(dǎo)向管的路線圖，圖中反映敷設(shè)管線的進(jìn)、出土點(diǎn)位置、長(zhǎng)度、深度和管線的形狀。

（2）開挖工作坑。根據(jù)管線出入土點(diǎn)位置開挖工作坑，堤內(nèi)外工作坑附近各開挖一座泥漿處理池，使廢棄的泥漿流入處理池中，以保證處理結(jié)果達(dá)到環(huán)保要求。工作坑及泥漿池開挖土方就近堆在空地上，后期進(jìn)行回填。

（3）設(shè)備就位。在工作井的前2m 處架機(jī)，安裝在管道軸線位置上，就位后將鉆機(jī)錨固好，調(diào)整機(jī)頭以達(dá)到一定的入土角度，以便導(dǎo)向開鉆。

（4）導(dǎo)向孔施工。開鉆前將探測(cè)儀的探頭置于導(dǎo)向鉆頭上，并測(cè)試探頭反射信號(hào)是否正常。將導(dǎo)向桿以設(shè)計(jì)入土角度入土開鉆，鉆孔過程中采用泥漿護(hù)壁工藝進(jìn)行保護(hù)。入土深度達(dá)到設(shè)計(jì)管位中心高程時(shí)，導(dǎo)向桿沿管道軸線直走，直到接收井。在導(dǎo)向鉆孔過程中技術(shù)人員根據(jù)所測(cè)獲得鉆頭的角度、深度等數(shù)據(jù)，判斷鉆孔位置與鉆進(jìn)路線圖的偏差，再向鉆機(jī)操作人員進(jìn)行調(diào)整，及時(shí)記錄好導(dǎo)向數(shù)據(jù)。

（5）擴(kuò)孔。導(dǎo)向鉆孔由工作井鉆入接收井后，卸下導(dǎo)向鉆頭，換上回?cái)U(kuò)頭進(jìn)行回拉擴(kuò)孔。擴(kuò)孔宜采用分級(jí)、多次擴(kuò)孔方式進(jìn)行。

（6）回拖。保護(hù)管接上回?cái)U(kuò)頭，將保護(hù)管拖入孔中，保護(hù)管回拖就位后，由預(yù)先穿在管內(nèi)的鋼絲牽引海纜穿管，海纜敷設(shè)完成。海纜保護(hù)管回拖與最后一級(jí)擴(kuò)孔同步進(jìn)行，以減少因鉆孔暴露時(shí)間過長(zhǎng)而引起孔壁坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

穿越路線的設(shè)計(jì)需要綜合考慮地質(zhì)條件、水文條件以及區(qū)域環(huán)境等因素。非開挖水平定向鉆適用于中硬－硬質(zhì)黏土和淤泥、硬黏土和強(qiáng)風(fēng)化泥頁(yè)巖、中－致密砂層及風(fēng)化巖層或強(qiáng)膠結(jié)地層。

穿越曲線由斜直線段、曲線段、水平直線段構(gòu)成，首末端斜直線段要求不小于10m。穿越曲線設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)入、出土點(diǎn)的位置以及入、出土角畫斜直線，以最小曲率半徑作相切圓，與斜直線、水平直線相切連接。

圖1 敷設(shè)管線時(shí)導(dǎo)向孔軌跡示意圖

圖中，A——鉆進(jìn)入土點(diǎn)；D——鉆進(jìn)出土點(diǎn)；B——管線水平段起點(diǎn)；C——管線水平段終點(diǎn)；α1/α2——管線入/出土角（°）；H——管線埋深（m）；R1/R2管線入/出土?xí)r的彎曲半徑（m）；L1/L2——管線入/出土斜段投影的長(zhǎng)度（m）;L——管線水平直線段長(zhǎng)度（m）。

表1 出入土角、曲率半徑規(guī)范取值

具體設(shè)計(jì)時(shí)需與施工單位溝通并綜合上述規(guī)范建議出、入土角按照8～12°設(shè)計(jì)。

管道直徑大于250mm，或地質(zhì)為中砂、粗砂、砂礫土?xí)r，宜多級(jí)擴(kuò)孔。擴(kuò)孔施工應(yīng)根據(jù)敷設(shè)管線的管徑、地層條件、設(shè)備能力，分一次或幾次逐級(jí)擴(kuò)孔。當(dāng)敷設(shè)管線的直徑為200mm～800mm 時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件﹑管線種類及入土角度，擴(kuò)孔的直徑應(yīng)控制在設(shè)計(jì)管線直徑的1.2～1.5 倍。其它管徑應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)因素，將擴(kuò)孔直徑控制在合理范圍內(nèi)。對(duì)管道運(yùn)行沉降控制要求較高時(shí)，擴(kuò)孔倍數(shù)宜取低值。

管道回拖力計(jì)算應(yīng)按照《管線定向鉆進(jìn)技術(shù)規(guī)范》DG/T J08-2075-2010 和《油氣輸送管道工程水平定向鉆穿越設(shè)計(jì)規(guī)范》SY/T 6968-2021 相關(guān)規(guī)定，并應(yīng)滿足設(shè)備安全回拉力小于70%設(shè)備額定回拉力。

3 穿堤防滲措施

非開挖水平定向鉆工法在海上風(fēng)電場(chǎng)海纜穿越應(yīng)用中存在諸多滲漏風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)[9]。海纜本身與海纜保護(hù)管內(nèi)壁存在空隙，若封堵不及時(shí)，海水進(jìn)入保護(hù)管內(nèi)在堤內(nèi)外形成一個(gè)連通器，直接將海水沿著保護(hù)管內(nèi)壁倒灌入堤內(nèi)。此外，回拖完畢泥漿固結(jié)后與保護(hù)管若存在接觸間隙，海水沿著保護(hù)管外壁的接觸間隙有可能發(fā)生滲漏。因此，防滲措施是非開挖水平定向鉆穿堤施工設(shè)計(jì)需考慮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。結(jié)合前期施工設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，常用的穿堤施工防滲措施有：

（1）施工時(shí)鉆進(jìn)泥漿通過泥漿泵泵入擴(kuò)孔內(nèi)，其泵送壓力大于堤身水頭差，滲透風(fēng)險(xiǎn)小。

（2）在電纜保護(hù)管敷設(shè)時(shí)同時(shí)附帶二根高壓注漿管，敷設(shè)前在注漿管中間段每隔一定距離開小孔，并在防滲墻交越段增開小孔，控制注漿壓力在0.2～0.5MPa，進(jìn)行高壓注漿。高壓注漿漿液可增加管道之間由于管道施工擾動(dòng)土體的防滲性能，是沿管外壁防滲措施的加強(qiáng)。

（3）作為沿電纜保護(hù)管外壁防滲的雙重保護(hù)措施，為加大滲徑，垂直穿堤保護(hù)管在堤防內(nèi)側(cè)坡腳設(shè)置高壓旋噴樁防滲墻，防滲墻在保護(hù)管兩側(cè)各向外延伸一段距離。

（4）在電纜保護(hù)管兩端出、入口處填充相應(yīng)的止水材料進(jìn)行防水。

（5）電纜穿堤后進(jìn)入電纜轉(zhuǎn)換井，電纜轉(zhuǎn)換井內(nèi)設(shè)置一道隔墻，作為沿保護(hù)管內(nèi)壁防滲的雙重保護(hù)措施。

（6）拖管結(jié)束后，鉆孔及管線外壁間隙必須采取注漿加固措施。

（7）非定向鉆海纜穿堤施工完畢后，海纜穿管前，需對(duì)海纜保護(hù)管的出入口進(jìn)行完全焊接封堵，確保使用前完全密封，待敷纜時(shí)在切割至設(shè)計(jì)泥面進(jìn)行穿管。

4 總結(jié)

非開挖水平定向鉆工法在海纜穿堤工程中具有顯著優(yōu)勢(shì)，本文從非開挖水平定向鉆工法施工工藝流程、設(shè)計(jì)要點(diǎn)及穿堤防滲措施入手，全面研究總結(jié)該工法的關(guān)鍵技術(shù)，凝練如下結(jié)論，供從業(yè)人員參考：

（1）海纜穿堤使用水平定向鉆機(jī)進(jìn)行管線穿越時(shí)可分導(dǎo)向孔施工和擴(kuò)孔及回拖兩階段實(shí)施。

（2）穿越路線的設(shè)計(jì)需要綜合考慮地質(zhì)條件、水文條件以及區(qū)域環(huán)境等因素。出入土角、曲率半徑及管道回拖力計(jì)算可參照《管線定向鉆進(jìn)技術(shù)規(guī)范》DG/T J08-2075-2010 和《油氣輸送管道工程水平定向鉆穿越設(shè)計(jì)規(guī)范》SY/T 6968-2021 相關(guān)規(guī)定。

（3）非開挖水平定向鉆工法在海上風(fēng)電場(chǎng)海纜穿越應(yīng)用中存在諸多滲漏風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。可通過控制泵送壓力、設(shè)置高壓旋噴樁防滲墻電纜端口填充止水材料及焊接封堵等措施降低海纜穿堤滲漏風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。