水平定向钻技术在天然气管道穿越工程的应用

摘 要

摘要：介绍了水平定向钻技术及在天然气管道穿越沈大高速公路工程中的应用，探讨了施工技术要求、施工前期准备、施工方法及工程质量保证措施。关键词：水平定向钻；穿越工程；沈大高速
摘要：介绍了水平定向钻技术及在天然气管道穿越沈大高速公路工程中的应用，探讨了施工技术要求、施工前期准备、施工方法及工程质量保证措施。
关键词：水平定向钻；穿越工程；沈大高速
Application of Horizontal Directional Drilling Technology to Crossing Project of Natural Gas Pipeline
YIN Dong-li，LIU Li-yan
Abstract：The horizontal directional drilling technology and its application to the project of natural gas pipeline crossing Shenyang-Dalian highway are introduced，and the technical requirement for construction，preliminary preparation before construction，construction methods and project quality assurance measures are discussed.
Key words：horizontal directional drilling；crossing project；Shenyang-Dalian highway
   随着城市建设飞速发展，各种市政管道在地下纵横交错，开挖施工使道路质量变差，破坏环境，给人们的生活、工作带来诸多不便，且施工成本越来越高。非开挖技术的应用使上述难题迎刃而解，水平定向钻技术在非开挖技术领域中占主导地位并且发展最快[1]。
1 水平定向钻技术简介
   ① 定向钻进施工原理
   定向钻进施工是根据预先设计的敷管道路，由钻机驱动带着楔形钻头的钻杆，地表接收机根据放在钻头的探头发出的信号跟踪测出探头位置、深度、倾角、楔面面向角等参数。由导向员将导向指令传递给钻机操作员，钻机操作员根据同步显示器的指示操控钻杆，调整楔面面向角进行旋转或顶进操作，按指定方向沿设计轨道，绕过地下障碍，直至达到目的地。导向孔的施工完成后，再利用反拉扩孔的施工方法将导向孔逐级扩大，直到达到敷管所需的管径。随后将所需敷设的管道牵引拖回已完成扩孔的设计敷设位置。
    ② 定向钻进技术主要施工步骤
    定向钻施工工艺一般分为2个阶段：第一阶段是按照设计曲线尽可能准确地钻一个导向孔；第二阶段是将导向孔进行扩孔，并将管道回拖到扩孔中，完成管道穿越工作。具体施工步骤为：现场勘察；开挖工作坑；设计轨迹线；导向孔施工；各级预扩孔；清孔；回拖管道；在牵引管施工完毕后，砌筑检查井。
    ③ 定向钻施工的技术特点
    定向钻施工具有先进的导向系统，中靶准确，机械回转扩孔速度快、噪声低，机械占用场地小，不阻断交通，不影响环境等。
    ④ 定向钻施工技术的应用范围
该技术广泛应用于穿越公路、铁路、河流以及在闹市区、古迹保护区、农作物和植被保护区等不允许或不能开挖的条件下敷设、修复、更换管道。适用于天然气、热力、电力、电信、石油、排水等领域。
2 定向钻技术在沈大高速穿越工程的应用
2.1 沈大高速穿越工程概况
本工程为沈阳市苏家屯区燃气有限公司向大淑堡地区输送天然气。沈大高速公路及以西不具备开挖条件，故采用定向钻方法施工。穿越段水平长度约为210m，其中高速公路段为47m，八一灌渠段为40m，煤厂段为40m。
本工程燃气管道采用燃气用埋地聚乙烯管SDR11系列PE100管材，公称直径为250mm，采用热熔连接。按照省交通厅高速公路建设专家组论证会关于穿越高速公路及八一灌渠的管道要加外套管的要求，套管采用螺旋缝焊接钢管焊接连接，规格为D325×7，材质为Q235-B。套管长108m，采用加强级防腐，套管与PE管之间用泥浆填实。
本工程施工工期为10d，费用为(30～40)×104元。
2.2 施工及技术要求
依据辽宁省交通勘察设计院的要求，穿越地段位于沈大高速公路5km+460m处，管道沿东西向穿越进行敷设。施工中应保证高速公路刺线处管顶埋深不小于3m，中间隔离带管顶埋深不小于8m，穿越八一灌渠处燃气管顶应距灌渠底部2m。
① 施工技术要求
a. 定向钻穿越施工的管道，应严格按设计图样要求制作，经验收合格后方可施工。
b. 管道组装焊接长度应在穿越面曲线设计长度基础上增加20m，设计长度应与导向孔记录长度相符合。
c. 严禁在穿越管段上开孔焊接接管、管嘴及其他附件，试压时只许在管道两端加长段上开孔焊接放空阀和安装压力表。回拖连接时，开孔的加长段应割除。
d. 在穿越长度和工艺条件许可的条件下，穿越管道曲率半径应尽量取大一些，以管道外径的1500倍为宜，但最小曲率半径不应小于300m。穿越管道在入土点之后20m内应为直管段。
e. 穿越管道曲线纵截面的入土角和出土角应根据穿越长度、管段埋深和弹性敷设条件来确定，入土角宜控制在8°～18°，出土角宜控制在4°～12°。
f. 穿越燃气管道回拖前应进行强度和严密性试验，回拖完成后，应再进行严密性试验。
② 前期准备
a. 进行地质勘测及地下管道的排查[2]：收集现场交通、水源、电源、施工运输道路、施工场地等资料；与其他部门(通信、电力、给排水等)核对地下管道，并用探测仪确定定向钻施工路线位置的其他管道的种类、结构、位置走向及埋深；用地质勘探钻取样或用局部开挖的方法，取得定向钻施工路线位置的地下土层分布、地下水位、土壤和水分的酸碱度等资料。
本工程中，勘测结果表明现场土质较好，为原土层亚粘土，未见砂层。
b. 施工的主要机械设备有：DL-280定向钻机1台、美国月食导向系统1套、90kW电机组(单相、三相)1台、经纬仪1台、成套钻具、泥浆系统及其他辅助设备等，工程及保障车3辆。
c. 对所敷设管道位置地形进行测量，根据设计的敷设管道深度初步确定施工段的倾斜段长度、入射点位置、敷管长度、下管位置，复核建设单位提供的各点标高，为钻机施工创造条件。导向孔轨迹线设计是在管道剖面图基础上，设计出钻孔的最佳曲线。钻机按设计轨迹线校正和固定安放。
d. 开挖工作坑2个，入口工作坑尺寸为6m×4m×5.6m，出口工作坑尺寸为70m×2m×5m。
e. 进行管道连接及打压试验。钢套管采用焊接连接，并做加强级防腐；PE管材采用热熔连接，并按有关规范要求吹扫合格后进行管道强度试验。
③ 定向钻施工及管道敷设
a. 设备安装。调整水平钻机与导向孔位于同一条直线，并将钻机倾角和入射深度调整至符合设计导向轨迹要求。
b. 导向孔施工。将钻杆、探头及造斜钻头安装好，采用精度为0.1°的月食导向系统跟踪定向钻进，定向钻在钻进过程中不断改变倾角，使导向轨迹与设计轨迹相符。沿导向轨迹方向每3m定一个点，测出垂直深度、倾角、转角，并做好记录。在导向过程中以倾角变化为主，深度和转角作为参考，深度相对误差在5%左右。
c. 分级回扩。在复核导向孔符合质量要求后，方可进行回拉扩孔。本工程采用逐级扩孔的方法进行回扩，分别采用Ø300、Ø400、Ø500的钻头进行回扩，同时采用膨润土泥浆护壁。
d. 清孔。扩孔结束后，用清孔器清孔。清孔时注意泥浆密度，保证泥浆质量。根据仪表记录的数据，分析清孔的效果如何，决定能否敷设管道。
    e. 回拖管材。回拖前应复查管材质量是否符合规定要求，如符合要求方能敷设。操作人员控制钻机的拉力和速度，确保所敷设管材不受损害。
    f. 套管与燃气管道及导向孔间隙的充填。满足拖管的钻孔形成后，套管和燃气管道同时拖拽，利用套管(及燃气管道)入土的挤压力，使套管与燃气管道及导向孔之间的间隙充满泥浆，随后达到一定的强度。
    g. 做好管头保护，清理并撤出施工场地。
    ④ 工程质量保证措施
    a. 根据施工要求，现场施工车辆应合理停放。现场施工车辆包括吊车、运土车、发电机车。
    b. 分级扩孔时采用膨润土泥浆做护壁，保证钻孔不塌落，顺利拖管。
    c. 各工种、各岗位人员严格执行相应的操作规程。
    d. 确立三级检查验收制度，每道工序完工后，经技术人员检查合格后，方可进入下道工序施工。对检查不合格的工序要采取有效的措施进行整改。
参考文献：
[1] 赵岚.水平定向钻在钢质燃气管道施工的应用[J].煤气与热力，2005，25(5)：49-51.
[2] CJJ 33—2005，城镇燃气输配工程施工及验收规范[S].
 
(本文作者：尹东莉 刘丽妍 吉林市大地技术咨询有限公司吉林省吉林市 132011)