水平定向鉆技術在高壓燃氣管道施工中的應用

黃福想 （中國電建市政建設集團有限公司，天津 300000）

1 引言

在市政工程的建設工作當中，水平定向鉆技術在其中起到了至關重要的作用，能夠規避原先傳統開挖技術的弊端，很大程度上提高燃氣管道鋪設的安全性和施工效率，并且還不會對周圍的自然環境造成損傷，對于降低燃氣管鋪設難度、節約施工成本能夠產生很大的積極影響[1]。

2 水平定向鉆技術的優缺點

水平定向鉆技術是一項新的非開挖技術，它的工作原理是在已有的鋪設軌道上鉆入一個小直徑的導孔，然后在導孔的出口處，鉆桿頭上安裝一個擴孔裝置，使其回拉。在膨脹孔徑滿足要求時，將旋轉接頭、拉管頭和管子連接在擴孔機的后端，然后回拖鋪設地下管線[2]。

2.1 水平定向鉆技術優點

水平定向鉆技術是一項很好的技術。在不同的水文地質情況下，采用定向鉆技術穿越河道，無需考慮流速、深度，且不受汛期的影響[3-5]，能夠高精度地鋪設管道。當河道有較大的沖刷、下切趨勢或水流湍急時，難以截流或圍堰，該技術能保證管線埋于穩定層之下，對環境的影響很小[6]。定向鉆大多數工作都在地下進行，對地表的影響不大。

2.2 水平定向鉆技術缺點

在砂質巖性和堅硬的巖石層中，水平定向鉆井技術很難進行，穿越的裝備成本較高，地形、地理環境等因素都有限制，泥漿的處置必須慎重，危險性更高，而且至今國內尚無統一的設計與施工技術標準。

3 工程案例

本文以某城市天然氣高壓輸配系統為例，結合技術特點、地質資料和設計要求，要求加快施工進度，保證項目如期完工。根據施工規程和以前的施工經驗，參考設計圖中所示的土層，確定了管道工程穿越水平長度483m。本項目建成后，將利用變頻選頻法和管內電流法對防腐鋼管的絕緣電阻Rg進行檢測，為今后的防腐蝕管理與決策提供技術參考。

3.1 施工方法的選擇

①實地勘察

對入土點、出土點標高、水平距離進行測量，對施工場地周圍的建筑物、地形、道路狀況進行調查，并對土壤狀況、水源狀況等進行調查，對通過鉆機等裝置所設的場地面積進行測量，以確定其是否合格。經實地考察，入土點土坡有很大的傾角，需要對施工場地進行120m 的平整。經過現場勘察，附近工程建設用水不足，需要挖掘水庫，利用槽車進行運輸，確保工程使用。

②找出地下設備和管道

根據業主或監理、甲方提供的地下管道數據，了解各相關單位在通過中線時有無電訊、電力、供水、輸油、天然氣等地下管線設備，均采用探頭在整個線路上進行檢測。編制施工方案，依據施工場地的具體條件及施工特征，編制周密可靠的穿越施工方案、進場方案、施工場地布局方案。

③設備選擇

盡管采用卸荷拱土壓力計的計算結果是三種方法中最大的，但是由于場地地質條件復雜、巖層變化大、施工時間緊迫，因此選擇了最大回拖力的1.5 倍。鑒于上述條件，本次工程擬選用美國Vermeer 公司生產的D300X500 型定向鉆井設備。根據施工方案，將鉆機和輔助設備安裝到指定的位置。同時負責系統的連接和試運轉，確保系統正常運行。在挖水庫和地錨的同時，開挖排漿坑和錨坑，應預留一定角度的邊坡。根據技術規定，在入土點上挖一個地錨，在穿過主管中線處，挖出排水槽和地錨坑時，應預留斜率為1:0.67 的斜坡。地錨挖好后，首先將地錨插入穿過的地錨坑，并安裝擋板，并將地錨、擋板、管樁和鉆機下的鋼板用槽鋼連接起來，以確保在回拖管道中地錨的穩固。地錨形式如圖1 所示。

圖1 地錨形式

3.2 測量放線

依據穿越施工特點、現場實際情況、設備平面布置圖，用石灰標出鉆機作業區、入土點及出土點作業區，對設備進行方位定位，利用經緯儀對設備進行精確定位。根據鉆桿、鉆桿的曲率半徑、工作場地、地質條件和設計需要，編制鉆探路線，并計算出出入土點、出入土傾角、坡向。通過對曲線等技術參數的分析，得到了定向鉆井的軌道。控制方向裝置的是英國DCI 公司的DIGITARK 定位裝置，通過坡度、埋深和三點一線技術，保證了井眼的垂直誤差小于10m，水平誤差小于2m。上述方法可以保證導流孔不是“S”型的。

3.3 導向孔施工

該項目在穿越工程中使用了165 形齒輪鉆，鉆手嚴格遵守D300X500 司鉆作業程序，并時刻關注每一儀器的讀數，對井底狀況有全面了解，并及時進行參數的調節。導引人員嚴格按方向進行作業，嚴密監視定位器的讀數，并將所需資料與司鉆手進行即時匯報，與司鉆人員緊密合作，做好鉆井作業。為了正確地判別鉆井作業中的地層條件，鉆井工會密切關注鉆井液回流狀況，從而確定鉆井液的進漿比例和輸注，保證鉆孔一次鉆出，如圖2所示。

圖2 導向孔施工示意圖

3.4 逐級預擴孔

逐級預擴孔是確保管線安全回填的有效措施，該項目將導孔直徑擴展到管徑1.3～1.5 倍，其中100m 內的風化花崗巖和擬拖管均需采用回擴器。安裝直徑為927mm（主管φ813mm+φ114mm）的鋼管，要求進行九次預擴、一次清孔。在鉆探作業中，司鉆員要時刻關注司鉆臺各個儀器的讀數，充分了解地下鉆井條件，并及時調整鉆井參數。泥漿工程師通過對井筒內的泥漿返流進行監測，從而對鉆井作業的地質狀況做出正確的判斷，進一步決定鉆進比例和注水。同時，鉆探人員要相互保持聯絡，保證鉆孔的順利進行，如圖3所示。

圖3 擴孔示意圖

4 管道防腐檢測報告

在定向鉆井施工中，由于巖石段回拖等惡劣的環境條件，往往會給管線防腐帶來劃痕，從而使其成為管線防護的一個薄弱環節。在管線投入運行之前，應按國家及行業規范的規定，對管線進行防腐處理。

4.1 檢測內容及評價指標

此次測試的主要內容是燃氣管道防腐的絕緣電阻Rg，在非開挖情況下，對燃氣防腐涂層的性能進行評估，為防腐管理與決策提供技術支持。埋地管線防腐層的絕緣電阻是指每單位面積內的絕緣層（表面）電阻，其數值取決于絕緣層漏點的數量和尺寸[7]，所以用Ω·m2來表示防腐層的質量。表1 是對絕緣電阻進行評估的方法。

表1 管道外防腐層絕緣電阻值的評價指標

4.2 現場檢測

該試驗采用了變頻選頻法對管線腐蝕表面的電阻進行了測量。在野外進行的測試設備是AY508 IV 型鋼管防腐阻值計。本測試儀包括1 個頻率源和2 個頻率選擇指標。如圖4 所示，啟動后，電源和指示燈即可正常工作。將兩個終端的接收和接收的頻率保持一致，在低于（或超過）23dB 的情況下，將該輸入信號的頻率提高（減小），直到兩個終端的指示器水平差略超過23dB，然后將該頻率和測量水平的數值記錄下來。

圖4 變頻選頻法接線示意圖

4.3 檢測數據處理及評價

采用“頻率法測定防腐涂層的絕緣電阻”專用計算機程序，對介質常數及野外試驗的各項指標進行了計算，測試結果如表2及圖5所示。

表2 定向鉆變頻選頻法檢測結果

圖5 管道絕緣電阻軟件計算

用變頻選頻法對該區段防腐層面的電阻進行了檢測，其耐蝕性最大值為77744Ω·m2，根據鋼管外部防腐層的絕緣電阻值來評定，該區段的防腐層等級為良，符合設計的需要。

4.4 關于水平定向鉆施工的幾點改良

4.4.1 預制管道防腐層的改進

水平定向鉆井是長輸管線工程中的重要一環，在投資中占有相當大的比例，同時又具有不可恢復的特性，定向鉆具通過的管線深度較大，并在地下長期浸漬，具有耐水汽隔離、陰極保護、耐腐蝕等特點，對其耐老化性能有較高的要求。此外，在管道回拉時，由于存在著許多不可預見的因素，對鋼管、主防腐層和補口條的磨擦和沖擊都有一定的影響，對抗剪力等指標有較高的要求，特別是補口膠條，由于它要與主防腐層搭接，所以要高于主防腐層，并且要在工地上進行修補，所以對其性能指標的要求就更高了。基于上述特性，美國瑞侃公司在傳統補口熱收縮帶的基礎上，開發出了一種特殊的用于定向鉆孔的補口熱收縮膠帶，并已在全球范圍內推廣使用。

4.4.2 增加輔助機具保證回拖順利

盡管此次定向鉆鉆機選擇較為保守，回拖之前的最后擴孔直徑De=1067mm，但為了確保一次成功，此次回拖增加了5 臺25T 規格的吊車，每臺吊車相隔約80～100m，管道回拖時，吊車將管道吊起，隨著回拖轉桿勻速將管道送進孔內，最小化管內的摩擦，提高回拉速度。

4.4.3 回拖管增加膨潤土墊層

由于定向鉆孔預埋管放置在原有的天然地表上，其土層存在很大的波動，如果按原有的地表進行回拉，必然會對防腐效果造成一定的損害。所以，在回拖之前，在回拖區內每10m 放置一袋膨脹土塊作為襯墊，這樣不僅可以起到防護作用，而且可以降低回拉過程中的摩擦力。

5 結論

當前，某城市的燃氣高壓輸配系統工程和西氣東輸二期工程已經全面展開，各個施工單位都會出現高壓管線貫通的情況，由于該地區施工比較早期，所以本論文的工作對其它管線施工項目的鉆機選擇和現場施工指導具有重要的參考意義。

經防腐處理后，發現定向鉆進經過的部分，防腐鋼管的總體性能是很好的。采用變頻選頻法、多頻管中電流法測定的絕緣電阻Rg 值均高于10000Ω·m2的設計標準，并對防腐層進行了評定。同時，在回采過程中，添加膨潤土墊層、增設附屬吊具，使管線回采后的防腐涂層性能保持良好，防腐層的相關性能符合設計要求，該定向鉆穿越管段的防腐層完整性符合設計要求。