直接铺管法在砂质地层大口径管道中的应用

刘雪梅　谭明星　李祁宇　向玉琪

中国石油工程建设有限公司西南分公司,　四川　成都　610041

0　前言

2017年11月14日,陕京四线输气管道工程正式实现全线天然气贯通[1]。采用直接铺管法穿越无定河不仅成为陕京四线输气管道工程施工的一大亮点,同时为该技术在砂质地层大口径管道中的推广应用提供了成功的实践经验。

1　直接铺管法原理

直接铺管法是2006年德国海瑞克公司研发的一种直接铺管的施工方法,结合了现有顶管和水平定向钻进设备的技术优势,据资料介绍国外已有数十个工程实例[2-5]。直接铺管法是将推管机安装在水平的地锚上,顶管掘进机安装在最前方,铺设的钢管道与顶管掘进机连接,顶管设备前面掘进,推管机后面采用夹管器顶推,控向采用陀螺仪导向。

直接铺管法穿越河流采用的顶管掘进机一般为泥水平衡式,顶管掘进机见图1。不同地质地层结构如砂、淤泥、黏土、卵石(不宜漂石)、软岩地层，采用的刀盘配置也不一样。顶管掘进机的选用直径与传统敷设管道顶管机选用直径基本相同,根据地质条件一般大于管道外径80～150 mm为宜。陕京四线管道工程管径1 219 mm,所用顶管掘进机为敷设管径1 219 mm管道而引进的机型,刀盘可开挖直径1 325 mm,适合该工程的实际情况[6-7]。

图1　顶管掘进机

目前，直接铺管法采用的德国海瑞克推管机常用于管道敷设的有300 PT、500 PT和750 PT三种,国内引进的是推力500吨级,型号HK 500 PT。根据施工计算推力超过200 t,HK 500 PT型号推管机能满足该工程施工要求[8]。

推管机由夹紧器和支座等组成,HK 500 PT型号推管机夹紧器可夹紧管径1 219 mm管道,见图2。

直接铺管法工艺入、出土侧示意见图3～4。

图2　HK 500 PT推管机

图3　直接铺管法入土侧示意图

图4　直接铺管法出土侧示意图

工作时，管道内部与顶管掘进机连接的泥浆渣土管将通过泥水循环携带刀盘切削下来的渣土送至地面,见图5;同时推管机夹紧器将与连接好顶管掘进机并已完成焊接防腐补口检验合格的穿越管道夹紧,在顶管掘进机、推管机和控向系统共同工作下按设计曲线向前逐段推进,直到将管道送至接收井或者地面,见图6。管道穿越设计曲线参数基本上与水平定向钻相同,只是出入土角度不宜过大。

图5　泥浆渣土管示意图

图6　掘进机出土

2　直接铺管法的优缺点

直接铺管法,结合了以往传统顶管和水平定向钻进设备的技术优势,其优势可通过对水平定向钻、顶管和直接铺管法在不同地层、关键施工步骤以及技术经济比较等方面看出,见表1～3[9-11]。

表1不同地层三种工法的适应性比较

地层适应性顶管水平定向钻直接铺管法黏土、粉土、淤泥、砂容易容易容易卵石(粒径不大于20 mm)容易困难中等岩层(饱和抗压强度小于80 MPa)容易中等中等岩层(饱和抗压强度大于80 MPa)中等困难困难

表2三种工法关键施工步骤比较

关键施工步骤顶管水平定向钻直接铺管法工作井施工困难容易中等扩孔及洗孔少非常多中等泥浆流量要求低高中等成孔尺寸大中等小更换刀具可能性有无有隧道轴线准确性非常好中等好管道焊接困难容易容易

表3三种工法技术经济比较

项目顶管水平定向钻直接铺管法施工周期长中等短建设费用高低中等

与水平定向钻相比,直接铺管法的优点是控向精度比水平定向钻高,风险比水平定向钻小。其缺点是与顶管掘进机机头连接的管道直径以及推管机夹紧器的夹管直径有个经济管径,小管径目前难以满足,也不经济;同时敷设管道深度根据地质情况也有一定限制,直接铺管法的管道不能太深;限于直接铺管法工艺、机具和地质结构、风险规避处理,穿越长度上与水平定向钻和传统顶管相比也有一定限制[12-15]。

3　无定河穿越概况

3.1　初步设计方案

无定河穿越位于内蒙古自治区乌审旗无定河镇大草湾村,与陕西省交界的毛乌素沙漠边缘。穿越的主要地层为细砂层，黄褐色,稍湿,密实为主；局部夹中密细砂,砂质不均匀,以石英、长石为主,不含黏粒成分,土石工程分级为Ⅱ级。

无定河为黄河的一级支流,穿越处下游为无定河湿地省级自然保护区,根据环评审查意见,无定河应采用非开挖方式穿越,初步设计方案无定河穿越为顶管(隧道)法[16-19]。

始发井布置于主河槽北岸二级阶地上,接收井布置于主河槽南岸靠近岸坡脚,均采用圆形断面,顶管套管长370 m。穿越主要层位为细砂层,北岸始发井井深约22 m,内直径12.5 m,南岸接收井井深约14.3 m,内直径10 m,均采用沉井法施工。顶管隧道内需布设1条 D 1 219 mm 输气管道及1条光缆套管,隧道采用 D 2 200 mm (外直径2 640 mm)的钢筋混凝土套管[20]。

预计工期6个月,同时按照环保部门要求,需对最大洪水冲刷线以上竖井进行拆除。

3.2　施工方案

施工阶段通过对工期、费用、可实施性以及环保部门要求等综合比较,同时结合2016年直接铺管法在另一项目实践的成功验证,采用直接铺管法穿越施工[21-23]。管道直径1 219 mm,穿越段长度423 m,始发井位于无定河北岸,井的尺寸23.7 m×6.5 m,井深3 m,接收井位于南岸,井的尺寸9.5 m×4.5 m,井深13 m,均采用明挖加钢板桩支护结合方式施工,辅以井点降水措施。入土角为6°,出土角为0°,穿越管段曲率半径1 825 m,管道外防腐采用三层PE高温型加强级防腐层,补口采用带配套环氧底漆的辐射交联乙烯热收缩带和环氧玻璃钢外防护层结合的方式。光缆套管单独采用定向钻方式穿越,和主管相距8 m。无定河直接铺管法穿越纵断面见图7。

图7　无定河直接铺管法穿越纵断面图

4　工程实施效果

1)管道利用线路作业带提前预制完成,焊接于顶管掘进机头,推管机辅助送至接收井,避免了管道在竖井里焊接安装,降低了施工风险。

2)始发井和接收井采用明挖加钢板桩支护结合方式施工,辅以井点降水措施,可有效降低施工风险和竖井拆除风险,同时避免沉井拆除对管道安全的影响。

3)有效缩短施工工期3个月,管道于2016年11月19日开始预制焊接,2017年3月22日完成管道穿越。

5　结论

1)直接铺管法融合了传统顶管和水平定向钻进设备,采用顶管掘进机和推管机,成功地在陕京四线输气管道工程中的无定河实现了D 1 219 mm大口径、高压 12 MPa 管道非开挖穿越,可供管道建设相关人员参考。

2)无定河穿越施工过程中由于出、入土点地形相对高差较大,泥水压力相对较高,造成中间设备故障停机,已进入地层的顶管掘进机和管段又整体回拔至地面。今后采用直接铺管法时,应注意选点尽量选择出、入土点高差相对较小，施工方案中应有防止设备故障停机的施工措施及预案,包括泥水压力、回拔时注浆稳孔和洞门密封、回拔管道质量检测等。

3)直接铺管法有一定优势,特别适用于长度适中、卵石粒径较小且较厚的砂卵石层和细砂层,以及在人口密集居民区施工作业面受限地方的较大口径管道铺设。虽然该方法国内工程实例和经验较少,但对管道建设者来说却是一种值得了解、学习、掌握和运用的施工工法,特殊地层和场地条件多了一种敷设方式,值得在今后的管道工程中适时推出和应用。