定向钻施工在海上风电工程中的应用

韩 鑫

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

唐山乐亭菩提岛海上风电场300 MW示范工程是我国进入北方地区的第一个大型海上风电工程项目，本风电工程的场址位于我国河北省唐山市两港(京唐港、曹妃甸港)之间乐亭县的海域，该场址南北长约11.2 km，东西长约6.8 km，场址中心距离岸线约16 km。本风电工程总装机容量等级为300 MW，共安装75台4 MW风电机组，采用11回电压等级为35 kV的海底电缆汇流后接至220 kV海上升压平台，再由海上升压平台汇流至海缆登陆点，在登陆点处转换成陆缆，采用地埋陆缆的方式汇集至陆上集控中心。

陆用电缆登陆后紧挨着滨海大道北侧向西布置，220 kV电缆除需要水平穿越滨海大道(南排淡沟中桥西侧)粉煤灰路基外，还要穿越滨海大道途经的涵洞底部，其中涵洞底部下方为碎石桩。如果该段采用开挖直埋电缆的方法进行施工，不仅会大大增加施工难度和费用，而且对整个项目工期产生不利影响；因此施工应尽量减小穿堤对滨海大道防洪安全和正常运行的不利影响，综合考虑在途径涵洞的5处地点，均采用水平定向钻施工。

1 设计要点

在进行定向钻施工设计之前，首先要掌握本工程电缆布置穿越路径中的养殖池、排水管线的布置、以及途径滨海大道两侧的地勘等相关资料，并要及时探测穿越路径可能存在的障碍物，设计时要结合工程的实际工况、后期施工过程中可能存在的民生性问题、安全性问题，复审电缆敷设采用定向钻的方案，并进行方案改进并最终敲定，设计方案初步成型后应与实际施工单位沟通，讨论后期具体施工中可能会存在的问题并加以改进方案。

对于本工程中开挖直埋法与定向钻穿越法优劣见表1。

表1 两种方法优劣对比表

综合考虑之后，该工段决定采用非开挖定向钻方法施工，考虑到海上风电场的运行周期较长，一般为25年，水平定向钻施工段无法设置检修工作井，为尽量减少后期维修成本，应选择MPP管作为施工管材。MPP管材与PE管材相比，具有以下优点：①强度高，偏于施工过程中拖拉；②具有较高的热变形温度；③表面电阻系数大，不导电；④绿色环保建材。

当工程采用定向钻技术进行施工时，根据以往电力工程经验，为方便定向钻施工，选择的敷设管道外径通常不会超过100 cm。本工程进行严密地比选，以及综合考虑管材除了要考能管道本身所要承受管内的压强、管外的动荷载和静荷载之外，还需要能够承受后期过程中存在的回拖力。选择柔性管材作为本海上风电工程中使用的定向钻管材，管材的性能比较见表2。

2 实际参数

考虑到施工成本和工程实际，本文选取5段水平定向钻施工中环境最恶劣的一段进行详细的计算说明，该段定向钻入土点和出土点高程均为1.0 m，平直段高程分别为1.73 m和1.97 m，水平定向钻最深入土高程为-6.0 m，导向轨迹一般是由“平直段(入土点侧)—过渡段—直线段—曲线段—直线段—曲线段—直线段—过渡段—平直段(出土点侧)”，轨迹图如图1所示。

表2 MPP管材相关性能表

图1 水平定向钻轨迹图

1)入(出)土角度确定。为保证MPP回拖以及后期电缆的拖拽顺利进行，角度不易过大，结合管材性质取入土点角度为15°，出土点角度为20°。

2)MPP管最小曲率半径。取值应大于等于75D，D为管径，曲率半径定为20 m。

3)钻孔轨迹的运动曲线半径跟施工时所采用的钻杆直径有关，应满足R≥1 200D，工程实际采用直径为80 mm的钻杆，设计的曲线半径为100 m。

4)回拖力的估算，针对定向钻运动轨迹分为四段计算回拖力[1]。

TA=efgβfgwp(L1+L2+L3+L4)

(1)

TB=efhβ(TA+fh|wf|L2+wfH-fgwpL2efgβ)

(2)

TC=TB+fh|wf|L3-efhβ(fgwpL3efgβ)

(3)

TD=efhα[TC+fh|wf|L4-wfH-efhβ(fgwpL4efgβ)]

(4)

式中：TA、TB、TC、TD为A、B、C、D点处管道所受回拖力，kN；L1为由于管道焊接和热收缩而额外增加的管段长度，m；L2为管道入土侧曲线段所对应的水平长度，m；L3为路径最大埋深处水平延伸距离，m；L4为路径出土侧曲线段所对应的水平长度，m；H为路径最深埋深，m；α为入土角，°；β为出土角，°；fg为管道与地面之间的摩擦系数，根据经验取值0.5；wp为单位长度管道重力，MPP管取0.428 kN/m；wf为单位长度管道所受净浮力，该工程中取0.063 kN/m。

经计算TA=3.09 kN；TB=9.83 kN；TC=14.11 kN；TD=18.15 kN。

5)工作坑的设置。为保证水平定向钻的施工顺利进行，应在定向钻的入土点和出土点设置工作坑，应该确保能够放置施工机械并能进行正常的施工操作。

6)扩孔。主要目的是为了在已有的轨迹路线放大至管道直径大小以便于后期MPP管后期回拖，扩孔时一般采用逐级扩孔，最终形成孔径约为管径的120%～150%。本工程采用150 mm，300 mm扩孔器进行扩孔。扩孔结束后，应及时进行清孔，避免后期拖管过程中孔内尖锐物体对MPP管造成划伤。

7)管道回拖。扩孔结束后为避免孔道崩塌应立即进行管道回拖，首先对孔内注水，为MPP管提供浮力，减少摩擦阻力。

管道回拖过程中，回拖时的角度应尽量与之前定向钻的出土角度一致，应保持回拖轨迹与定向钻轨迹吻合，在没有特殊情况的前提下，避免塌孔的现象出现，MPP管要一次性完成回拖。在等待电缆穿管之前，为了避免管内落入异物，扩孔结束后应及时封堵管道的两端，并对管内采用注浆加固；同时要测得实际的路径并作好记录，便于运营单位日后的维护及管理。在MPP管道回拉完成后，考虑到管道在回拖时受力作用下会有一定程度的拉长，同时工程所在地的温差会对HDPE材质的管道长度会有一定的不利影响，管材与附近土壤需要间隔一段时间后才能趋于一个热平衡状态[2]，这样才能防止管道的回缩，不会影响管道连接的稳定性。因此，MPP管敷设完成后，应等待24 h后再进行切割、连接操作。

3 定向钻施工工艺

电缆敷设管道穿越施工时导向钻机器安装在路边，从图1入土点位置开始钻进，钻头在出土点位置出土，然后在由出土点由外向内沿钻孔路径回拉扩孔，并将管道敷设到位，具体施工流程如下：

1)钻孔路径设计。根据相关地勘资料设计管线路径，包括关键部位的埋深、转弯半径，以及各段的长度。

2)施工前的准备。将钻机工作范围内的地面进行整平，尽量不要存在较大的倾角。根据本工程实际情况，应在钻入和钻出口附近均需要开挖工作坑，用来放置钻机设备。

3)设备进场就位安装。在工程预算允许的前提下，尽量应选用大功率钻机，机器本身具有强大的抗扭矩力，可以有效地避免在遇到回填土或局部障碍时造成的卡钻现象的发生，并且大大地提高了该工段定向钻施工穿越的成功率。在遇到穿越障碍时可以改变曲线的曲率来绕过障碍物，顺利完成MPP管地敷设。

高压冲洗必须伴随整个定向钻施工过程。如果是施工的地层为黏性土壤，可以直接高压灌入清水进行冲洗，其他的土层则需注入定量的化学泥浆[3]进行冲洗，另外，在现场必须提供相应的水源。

制作泥浆需要根据本项目的《岩土工程勘察报告》，来确定穿越曲线设计参数及现场实际土质情况，确定泥浆性能参数。

4)钻机的导向钻头上装设有信号发射装置，可以根据预定的轨迹进行导向孔施工，整个过程，钻机操作人员应同步对实际轨道与预定轨道监测，发现钻头的位置、深度和水平倾斜角出现偏差时应及时纠正。

5)导向钻完成轨道施工后，应在轨道的基础上进行扩孔施工，此时应该将之前的钻头换成流线型的挤扩钻头来进行下一步的扩孔施工，当逐级扩孔回拉工作进行到最后一级时，钻头应与管道链接。在回拉扩孔的同时应该要把管道牵引进入成型的孔道内。

6)清理施工现场，施工设备撤场。

7)使用穿管器引入穿缆线，穿入电缆及光缆。

8)施工过程中产生的大量泥浆，拉管拉完后，用泥浆专用车，吸收泥浆，清理现场。

4 工程实际

采用水平定向钻施工，施工工期短，一周左右便可完成，工程量小。目前，该海上风电工程采用定向钻方式跨越涵洞、养殖池的工程段已经顺利完成，并且首台风机已经运行发电。据该工程的运维部门及相关市政部门的反映，这5段采用定向钻技术施工工期不到1个月的时间，工期与开挖电缆沟敷设电缆的工期相比明显缩短；而且在整个过程中未对养殖池及滨海大道两侧产生原状破坏，在施工期间滨海大道保持正常通行，未对当地交通产生阻碍；工程范围内所敷设的其他管道也未受到影响，属绿色环保型施工工艺。该海上风电工程自首台风机发电运行以来，整条线路运行状态良好，没有出现不利影响。