城鎮燃氣管道定向鉆穿越內河航道通航條件影響分析

孫建軍，倪曉雯

（1.山東省交通規劃設計院集團有限公司，山東 濟南 250101；2.山東省建筑工程質量檢驗檢測中心有限公司，山東 濟南 250031）

隨著城市建設快速發展，城市埋地燃氣管道的規模越來越大，不可避免會遇到管道與航道交叉問題，燃氣管道水平定向鉆穿越技術是一種現代非開挖敷設管道的施工技術[1]，主要用于管道穿越河流、公路等。城鎮燃氣管道穿越內河航道時，其選址與布設方案不但決定著燃氣管道本身的安全，而且對通航船舶的安全有著直接影響。

關于穿越航道的水下管道選址要求，《內河通航標準》[2]第5.3.1 條：穿越航道的水下電纜、管道、涵管和隧道等水下過河建筑物必須布設在遠離灘險、港口和錨地的穩定河段。該規定對于安全間距僅做了定性要求，沒給出定量標準。關于管道埋設要求，《內河通航標準》第5.3.2 條：在航道和可能通航的水域內布置水下過河建筑物，應埋置于河床內，其頂部設置深度，Ⅰ級～Ⅴ級航道不應小于遠期規劃航道底標高以下2m。如果僅遵照該條規定，可能會出現由于穿越管道覆土厚度不夠而造成水平定向鉆施工中冒漿或者穿越管道抗浮能力不足的風險，因此，為保證管道建設和運營安全，科學分析管道埋設影響因素、合理確定埋設方案極為重要。本文以桓臺縣某城鎮燃氣管道定向鉆穿越小清河航道為例，從管道選址、河床極限沖刷深度、船舶應急拋錨貫入深度、管道埋設方案等方面，闡述了城鎮燃氣管道定向鉆穿越內河航道的選址要求、最小埋設深度及出入土點位置要求等，以減少管道對航道通航條件的影響。

1 工程概況

桓臺縣某城鎮燃氣管道采用定向鉆方式穿越小清河航道，下距岔河大橋111m，管道穿越長度1000m，管道規格為D323×6.4mm，采用直縫高頻電阻焊鋼管，入土角13°，出土角，定向鉆曲率半徑1500D。依據《山東省內河航道與港口布局規劃》[3]，小清河規劃等級為Ⅲ級，穿越處航道設計底寬45m，設計水深3.92m，護岸坡度1∶2.5。

2 選址符合性論證

關于水下管道穿越航道的選址要求，《內河通航標準》第5.3.1 條對于安全間距僅做了定性要求，沒給出定量標準。由于城鎮燃氣管道屬于危險品管道，一旦發生泄漏后果嚴重，因此，城鎮燃氣管道與相鄰涉水設施的安全間距應從嚴控制，水平定向鉆穿越航道時還應參照執行以下相關要求：

（1）《油氣輸送管道穿越工程設計規范》[4]第3.3.8條：水域穿越管段與港口、碼頭、水下建筑物之間的距離，當采用定向鉆穿越、隧道穿越時不宜小于100m。

（2）《公路路線設計規范》[5]第12.5.8 條：輸送有毒有害、易燃易爆物質的管線穿（跨）越河流時，管線距特大橋、大橋、中橋的距離，應不小于100m；距小橋的距離，應不小于50m。

該城鎮燃氣管道工程由于受兩岸既有管線路由、村莊、道路、規劃等因素影響，需從規劃錨地與跨河橋梁之間穿過，最終管道選址距下游橋梁外緣111m，距上游規劃錨地247m，所處河段河勢穩定，最大程度避開了港口和錨地，與相鄰涉水設施的安全間距滿足要求，對航道條件基本沒有影響。

3 最小埋深要求

《內河通航標準》第5.3.2 條：在航道和可能通航的水域內布置水下過河建筑物，應埋置于河床內，其頂部設置深度，Ⅰ級～Ⅴ級航道不應小于遠期規劃航道底標高以下2m。在此基礎上，為確保城鎮燃氣管道安全，結合該管道選址位置、航道通航條件、定向鉆施工特點等因素，尚應重點考慮以下核心因素影響：

（1）小清河作為地區重要的行洪河道，為保障河道行洪和管道安全，應考慮并合理計算河床的極限沖刷深度。

（2）管道上游即為規劃錨地，船舶通航密度大，應在河道極限沖刷工況下，計算代表船型應急拋錨貫入深度。

（3）水平定向鉆施工中，可能會出現由于穿越管道覆土厚度不夠而造成冒漿或者穿越管道抗浮能力不足的風險。因此，水平定向鉆穿越管道設計還應參照執行《油氣輸送管道穿越工程設計規范》第5.1.4 條規定，水域穿越管道管頂埋深應以河道洪水沖刷線標高和疏浚深度線標高較低者為基準，穿越管道的最小管頂埋深不宜小于6m。

3.1 河床極限沖刷深度

3.1.1 極限沖刷深度采用《堤防工程設計規范》[6]中平順護岸沖刷深度計算公式進行計算

式中：hs為沖刷深度（m）；H0為沖刷處水深（m）；Ucp為近岸垂線平均流速（m/s）；為水流流速分配不均勻系數；U 為河道水流行進流速（m/s）；Uc為泥沙起動流速（m/s）；n 為與防護岸坡在平面上的形狀有關，取1/4～1/6。

3.1.2 設計洪水

根據《油氣輸送管道穿越工程設計規范》中水域穿越工程等級與設計洪水劃分規定，小清河穿越工程等級為中型穿越工程，設計洪水頻率為50 年一遇，管道穿越處小清河干流50 年一遇洪水流量為620m3/s。

3.1.3 計算結果分析

表1 極限沖刷深度計算結果

3.2 船舶應急拋錨貫入深度

關于船舶應急拋錨貫入深度的研究，目前尚沒有統一的計算方法。本研究利用經驗算法、理論公式法和規范參考方法對比分析拋錨貫入深度。

3.2.1 經驗算法

根據規劃，本段航道通航船舶為1000 噸級貨船，選取1000 噸級船舶所對應霍爾錨作為代表錨型。根據相關工程經驗，錨的貫穿深度可以按錨爪長度的一定倍數進行預測[7]，貫穿深度與錨爪長度的比例在沙土及硬粘土中均為1，在泥、軟淤泥及粘土中最小為3，最大為5。根據穿越處河道地質資料，河床以下主要為沙土及硬粘土，1000 噸級船舶錨爪長度為0.82m，則拋錨貫穿深度為0.82m。

3.2.2 理論公式法

理論公式采用Young 公式法計算錨的貫入深度[8]：

式中：D 為貫穿深度（m）；N 為物體的形狀系數；S 為土壤系數；W 為物體的質量（kg）；V 為物體接觸土壤時的速度（m/s）；A 為物體的橫截面積（m2）。

根據式（3）計算得到錨貫入深度為0.42m。

3.2.3 參考算法

參考GB50217-2007《電力工程電纜設計規范》中對于通航水域海底電纜的埋設深度要求，錨入水底深度隨錨質量變化的關系為：

式中：Y 為入水底深度（m）；X 為錨重（t）。

經計算，1000 噸級船舶拋錨貫穿深度為0.87m。

3.2.4 綜合分析

綜合經驗算法、理論公式法、規范參考方法計算的結果，霍爾錨撞擊河床后的貫入量，對比結果見表2：

表2 貫入量匯總

綜上所述，從偏安全角度考慮，本管道穿越小清河航道最大沖刷位置處，船舶應急拋錨貫入深度最大值取0.87m。

4 埋設方案合理性分析

4.1 出入土點

根據《油氣輸送管道穿越工程設計規范》第3.3.9條：水平定向鉆入土點、出土點及隧道豎井邊緣距大堤坡腳的距離不宜小于50m。該管道入土點距小清河現狀左（北）堤外堤腳距離為752m，出土點距小清河現狀右（南）堤外堤腳距離為132m，均大于50m，滿足規范要求。

4.2 埋設深度

考慮極限工況，河床極限沖刷深度和船舶應急拋錨貫入深度是管道埋設深度的核心控制因素，因此，設計管頂高程按照“規劃航道底高程-河床極限沖刷深度-船舶應急拋錨貫入深度”進行控制。在極限工況條件下，管頂以上覆蓋層厚度不應小于《內河通航標準》中的2m 要求。同時，為確保水平定向鉆施工安全，防止施工中出現冒漿或者穿越管道抗浮能力不足的風險，河道洪水沖刷線以下管頂以上覆蓋層厚度不宜小于6m。

考慮河床極限沖刷、船舶應急拋錨、施工安全等因素后，在航道和可能通航的水域范圍內，管頂以上覆蓋層厚度能夠滿足通航要求，見表3。

表3 管道埋設深度

5 結論和建議

（1）水平定向鉆施工中，可能會出現由于穿越管道覆土厚度不夠而造成冒漿或者穿越管道抗浮能力不足的風險，因此，除滿足《內河通航標準》要求外，還應參照執行《油氣輸送管道穿越工程設計規范》相關規定。

（2）為確保管道及船舶航行安全，管道建設單位應設置導助航設施及安全警示標志等，并配套建設必要的維護及安全保障設施。