油气管道大型河流定向钻与隧道穿越技术分析

周剑琴，杨国晖，王 巍

1.国家管网集团西南管道有限责任公司，四川成都 610000

2.中国石油集团工程技术研究有限公司，天津 300451

中卫-贵阳联络线工程干线（以下简称中贵线）起自宁夏中卫，止于贵州贵阳，全长约1 613 km，其中约三分之一在川渝两省市境内。川渝地区水资源较为丰富，境内河流分布密集，其中大型河流有长江、嘉陵江、岷江等，中贵线穿越该地区各类大中型河流达14次之多，全部采用定向钻与隧道穿越技术[1]。本文以中贵线川渝境内几条大型河流穿越为案例，总结穿越工程建设、施工、运行经验，分析其实际运用的优缺点，为今后类似工程在穿越技术的应用上提供参考。

1 穿越技术对比

1.1 定向钻穿越技术

定向钻技术最早出现在上世纪70年代，是传统公路打孔和油田定向钻井技术的结合。目前主要以非开挖施工的水平定向钻穿越技术为主，施工工具为水平定向钻机，由钻机系统、动力系统、导向系统、泥浆系统、钻具及辅助机具组成。水平定向钻穿越施工一般分为两个阶段：第一阶段为按照设计曲线钻导向孔；第二阶段是对导向孔进行扩孔，并将管道沿着扩大了的导向孔回拖到导向孔中，完成管道穿越工作[2-3]。定向钻穿越施工工艺流程见图1。

图1 定向钻穿越施工工艺流程

1.2 隧道穿越技术

隧道工程是一种修建在地下，两端有出入口，供车辆、行人、水流及管道等通行的工程建筑。施工方法有明挖法、盾构法、掘进法等。隧道纵断面一般采用“斜井+平巷+斜井（+竖井）”的穿越方式，由高压旋喷桩防渗墙注浆、超前勘探、掘进、初期支护和二次支护等五大重点施工环节构成。隧道施工一般根据隧道长度及现场自然交通条件，确定单边或双边掘进开挖、初期支护施工，贯通后再实施永久支护。

2 嘉陵江定向钻、隧道穿越对比

中贵线在四川省广元市、南充市境内先后采用定向钻、隧道方式连续两次穿越嘉陵江，两处穿越断面相距不足120 km，穿越长度相差仅12 m，主要穿越地层均为粉砂质泥岩，这两处穿越有着极为接近的地理、地质条件，两处穿越对比介绍如下。

2.1 广元嘉陵江定向钻穿越

广元嘉陵江定向钻穿越位于广元市境内，穿越段江面宽度约500 m，右岸有绵广高速工程通过断面，左岸为砂石场。穿越管道规格为D 1 016 mm×26.2 mm、材质为X70的三层PE防腐直缝埋弧焊钢管，定向钻穿越段水平长度为996.15 m，实长1 002.5 m。管道补口采用定向钻专用热收缩套。穿越管道设计入土角为12°，出土角为6.5°，曲率半径取1 532 m，穿越深度约45.03 m（相对于入土点）。

2.2 南充阆中嘉陵江隧道穿越

南充阆中嘉陵江隧道穿越位于南充市阆中市保宁镇，属嘉陵江中游流域。隧道轴线投影为直线形，水平投影长度954 m，实长1 014.9 m，隧道纵断面形式为“斜巷（入口，北岸）-平巷-斜巷+竖井（出口，南岸）”。北岸斜巷段长242.8 m，坡度为25°。水平段长度为599.6 m，平巷设计为人字坡，由中间向两岸降低，坡度均为3‰，以利排水。南岸斜巷长148.2 m，坡度为25°，南岸竖井净空直径8 000 mm，壁厚800 mm，深度24.3 m。整个隧道横断面为直墙圆弧拱形，净宽3.0 m，净高3.0 m（其中墙高1.7 m、拱高1.3 m）。

2.3 嘉陵江定向钻与隧道穿越方案对比

2.3.1 穿越方式

（1）广元嘉陵江定向钻：根据地形地貌、地层岩性和工程地质勘察结果，广元嘉陵江定向钻穿越段具备定向钻、隧道施工条件，考虑到隧道施工时间与兰渝铁路大桥建设同步，隧道爆破可能会对大桥施工有影响[4]，而定向钻方案在工期、投资上均较隧道方案略有节约，且基本上能规避对兰渝铁路大桥施工的影响，故此穿越设计选用定向钻方案。

（2）南充阆中嘉陵江隧道穿越：根据南充阆中嘉陵江隧道穿越断面勘察结果等资料，定向钻穿越、隧道穿越均可，但右岸为大烟山山包，且民房密集，左岸地势起伏较大，两岸均无定向钻施工场地条件[4]，而隧道穿越入、出口端交通条件便利，有较为平整的场地作为供料场，隧道施工条件成熟，因此选择了隧道穿越方式。

从嘉陵江两次穿越方式选择来看，同样的地质条件下，定向钻穿越对地形要求较高，隧道穿越更为灵活方便。

2.3.2 资源投入

广元嘉陵江定向钻施工，高峰期投入施工人员42人，投入水平定向钻机、吊车等主要设备8台套。南充阆中嘉陵江隧道施工，高峰期投入施工人员120人，投入发电机、卷扬机、空压机等主要设备51台套。

单从资源投入的数量上对比，定向钻穿越无论是人力资源还是设备资源的投入较隧道穿越均占有较大优势，但对所需人力与设备等资源还需进行具体分析：

（1）在人力资源投入方面：定向钻需配备控向工程师、泥浆工程师、钻机操作人员、专业的起重工等高级技术人员，且在出现钻具脱落、钻杆断裂等事件时，还需聘请专家、熟练的高级技工研讨方案，开展施救工作。而隧道施工因工艺成熟，作业过程简单，因此虽投入的人员数量多，但大多为力工、架子工、混凝土工等普通工人。另外，由于定向钻作业所需的测量控向、泥浆配置等，有经验、熟练又能切实解决问题的技术人员较少，且聘请困难，因此在人力资源投入上，隧道施工反而占有综合优势。

（2）在设备资源投入方面：定向钻施工需投入钻机、泥浆系统、控向系统、吊车等专业性强、价格昂贵的特种设备，而隧道施工仅需小型空压机、卷扬机、注浆机、混凝土输送泵、风镐等小型常用设备，因此在设备资源投入上，隧道施工也具有优势。

2.3.3 施工工期

广元嘉陵江定向钻穿越施工自2011年2月25日开工，至2012年4月26日完成管道回拖，实际工期420 d。

南充阆中嘉陵江隧道施工自2011年2月28日开工，至2012年4月17日管道、光缆安装完工，若扣除土建、工艺交接以及春节假日影响约3个月时间，实际工期约320 d。

嘉陵江两次不同穿越方式的实际工期相差约100 d，隧道施工用时相对较短。主要原因是定向钻施工过程中出现了4次较为严重的事故，共计影响约130 d工期，导致整体工期大大延长。

而隧道工程施工实际进度稳定、可控，基本上按计划完成，计划符合性较好，整个工程工期处于受控状态。

2.3.4 投资费用

广元嘉陵江定向钻钻孔、扩孔、管道焊接、回拖等费用投资共计约1 400万元，平均每米投资约1.4万元；南充阆中嘉陵江隧道洞口及渣场征地、掘进、二衬、管道安装等投资共计约1 900万元，每米投资约1.87万元。因此，定向钻穿越施工投资单价较隧道穿越施工低。

2.3.5 风险管控

广元嘉陵江定向钻穿越与南充阆中嘉陵江隧道穿越在施工过程中均出现了大小不等的事故，对工程的安全管控、按期完工构成风险，影响了整体工期，增加了成本。总体上广元嘉陵江定向钻穿越发生了4次严重事故，阆中嘉陵江隧道施工过程中仅发生混凝土泵送出现堵管、部分地段少量渗水等较小事故，因此在工程风险管控难度上，隧道施工较定向钻有一定优势。

3 琼江河定向钻、隧道穿越对比

3.1 琼江河定向钻穿越

琼江河定向钻穿越断面位于重庆市铜梁县境内，穿越入土端和出土端均为水稻田。该穿越曲线经过地层主要为砂岩和泥岩地层，泥岩与砂岩成互层状结构。定向钻穿越段水平长度1 008.7 m，实长1016m；穿越管道直径1016mm，管道壁厚22mm；设计压力10 MPa，曲率半径1 500 D。D1 016 mm主管穿越采用12级扩孔，选用钻杆尺寸为5-1/2 in（1 in=25.4 mm）。原计划工期从2011年10月13日开始，至2012年4月30日完成主管道回拖，历时200 d；实际用时从2011年10月13日开始，经历了卡钻、施救等一系列问题及处理后，2012年9月1日才完成主管道回拖，历时323 d。

3.2 琼江河备选隧道方案

由于在琼江河定向钻穿越实施过程中，钻杆已多次被塌孔卡死，特别是在第十级扩孔中出现扩孔器卡钻事故，解卡施救耗时约1个半月，严重影响工程整体工期。考虑到余下的更大孔径两级扩孔更易发生卡钻风险，紧急启动了设计隧道穿越方式的备选方案，但后期定向钻卡钻解除，隧道方案未正式实施。

备选方案：隧道平面位置位于定向钻穿越轴线上游约80 m，水平长度390 m，实际长度421.15 m。左岸进口位于原定向钻入土口西南约140 m处，出口位于定向钻出土口西北约500 m处，距水位线约145 m。隧道纵断面采用“斜井+平巷+斜井”，左岸斜井水平长151.19 m，实际长度166.82 m；右岸斜井水平长162.98 m，实际长度179.83 m；平巷长75.83 m，位于河底约40 m处。琼江河隧道位置示意见图2。

图2 琼江河隧道位置示意/m

3.3 琼江河定向钻与备选隧道方案对比

3.3.1 穿越方式

根据初勘、详勘以及现场地形地貌情况，该处穿越定向钻、隧道穿越均可实施。本着节约投资、节约工期的原则，首选定向钻方式。

但从地勘资料上已经明确反映定向钻穿越曲线经过的地层有破碎段，根据以往项目经验，破碎段地层成孔较为困难，易发生塌孔。然而设计上只考虑到泥浆能起到固壁作用，未考虑到破碎地层的漏浆问题，仍采用了定向钻穿越方案，结果导致因泥浆漏失造成钻杆多次被卡死的事故。

从紧急启动的设计隧道穿越方式备选方案来看，由于隧道井口位置能更靠近河床设置，隧道穿越总长度还不及定向钻穿越的一半，在经济和工期上定向钻穿越并没有较多优势。

3.3.2 资源投入

琼江河定向钻施工，高峰期投入施工人员49人，投入水平定向钻机、吊车等主要设备11台套。对于隧道施工，根据南充阆中嘉陵江隧道施工资源投入情况来看，高峰期预计投入施工资源的数量大于定向钻投入，但对高素质技术人员的需求要远小于定向钻。

3.3.3 施工难度

琼江河定向钻穿越全长1 016 m。由于钻孔取芯只能推测、估计地层构造，不能清晰判断是否存在断层、裂隙等情况。虽然施工中先后多次采取了堵漏、解卡等施救措施，仍然出现了施救过程中钻杆断裂事故。定向钻施工难度较大、最终失败的风险极高。

琼江河隧道全长421 m。对于Ⅳ、Ⅴ级围岩的破碎地段采取帷幕注浆堵漏、掘进、初支、二支等方式施工，工艺成熟，工期推进稳定；采用超前钻探，能有效应对地下不明地质构造。故隧道施工的难度小于定向钻。

3.3.4 后期维护

采取定向钻穿越在回拖完成后，防腐层损坏情况不明，且不能对穿越段管道进行后期维护。特别是在2013年7月2日，当地村民报告琼江河定向钻入口处有气泡冒出，疑是管道泄漏。经建设单位及运行单位多次研讨后决定对琼江河定向钻穿越段管道进行开挖重新试压验证。前后历经3个月时间，两次试压检验合格，管道无泄漏。在这个过程中，采取天然气放空、注氮置换、设备重新进场、二次试压干燥、二次连头、重新注氮升压等一系列措施，经济损失较大。

假如采用隧道方案，在施工完成后可以通过目视或仪器检测对防腐层进行修补，对管道出现的问题可较为方便地直接处理，如怀疑管道存在泄漏等情况，可抽干洞内水后直接进行检测验证，实施费用较低。

4 长江隧道穿越

长江水下隧道是中国石油天然气集团公司已建管道工程中较长的江底隧道，穿越段位于重庆市江津区。隧道采用“斜井+平巷+斜井”的穿越方式，实际长度2089m，温度补偿段长度86m，总共长度2 175 m。斜井和平巷段为直墙半圆拱型断面，净断面为3.0m×3.0m，隧道内为一条D1016mm天然气管道，管道材质X80。

4.1 穿越方式选择

根据现场地形地貌及地质勘查结论以及重庆市农委对长江上游珍稀鱼类自然保护区评估报告的评审意见，本穿越只能采用非开挖方式，以尽量减小穿越施工及管道运行对珍稀鱼类的影响。对于定向钻方案，由于两岸高差达100 m以上，泥浆返流难度大，同时由于左岸地形与江底高差极大，穿越长度很长，因此选用了隧道穿越方案[5]。

4.2 实施过程

长江隧道进口端于2012年3月2日开始掘进施工，出口端3月15日开始掘进施工，2012年12月22日隧道贯通，隧道掘进日均进度达到7.1 m。2013年5月1日完成二衬施工交付管道安装，8月5日管道焊接完成，8月12日完成洞内管道清管试压，8月20日洞内所有支墩浇筑完成，9月10日隧道全部整改完成，具备投产条件，总工期558 d。项目实施全过程未出现影响工期和安全的事件，实施过程顺利。

5 结论及建议

通过对比分析中贵联络线在嘉陵江、琼江河及长江的定向钻、隧道施工过程及结果，得到以下结论：

（1）定向钻穿越对地下地层地质构造的判断，只能从各个钻孔取芯的地质构造来推测估计；隧道是采取明挖方式施工，可根据不同的地质条件采取超前钻探等方式来获取准确的地质资料，从而针对性采用不同的施工方法。从嘉陵江、琼江河、长江的几条穿越工程实施过程得出：实际地质情况与设计钻孔的初、详勘资料均存在不同程度的差异，定向钻施工面对地质差异时，其主动控制能力较弱，采取削减风险的措施可靠性较差；隧道施工则可直观发现问题，能够有效制订可行的解决措施。

（2）定向钻在扩孔作业中，破碎段地层容易出现塌孔、卡钻现象，严重时可造成钻杆断裂；而隧道在破碎段掘进时，采取的是超前探水地质预报，帷幕注浆+小管棚支护，人工或凿岩机进行钻眼爆破开挖，采用格栅+拱架+锚网支护，出现片帮、冒顶、垮塌等意外情况相对较少，工期更有保障。

（3）定向钻施工主要受地质情况和地形环境限制，决定了是否能进行定向钻施工；隧道施工主要受地质情况的限制，只要地质情况允许，理论上都可以开展隧道施工。故从限制条件分析，隧道施工的限制性较定向钻较小。

（4）定向钻采用一次回拖管道就位，如果出现断杆现象，一切将前功尽弃；隧道施工采取洞内组焊，可进行返修等措施，无风险。

（5）在工程总投资方面，设计概算每米工程造价：隧道约为定向钻的2倍，但在实际实施过程中，由于定向钻出现卡钻、钻杆断裂等风险较大，一旦出现问题，需大量的施救设备投入、大量的人力资源研讨解决问题，实际费用相对隧道施工也没有较多优势。

（6）定向钻穿越施工不会破坏植被，不会影响居民正常生活和工作秩序；隧道施工因需长期爆破作业，易引起施工纠纷。

（7）定向钻和隧道施工完毕后进行专项恢复、治理，均可满足环保要求。

（8）定向钻为一次性工程，深埋于河床几十米下，运行人员无法对管道进行巡检、维修；隧道工程一般有较大富裕空间，可对管道进行例行检修，还可利用隧道重新换管或新增管道。因此从运行使用角度考虑，隧道穿越有一定优势。

定向钻与隧道两种穿越技术各有优缺点，而建设业主必须考虑的两个重要指标是工程可实现的功能及工程造价。在工程可实现的功能方面，隧道穿越技术大大优于定向钻穿越；在工程造价方面，隧道穿越每米工程造价是定向钻穿越的2倍[6]。从同一穿越位置进行定向钻穿越与隧道穿越对比，可以看出定向钻穿越长度受穿越曲率半径制约，其穿越长度要比隧道穿越长度长约2倍，综合比较工程总体造价，定向钻穿越不具有明显优势。

因此，在目前国内现有技术条件下，对于大型河流穿越，推荐选择隧道穿越技术，其工程建设风险较小，工期可控，能够满足后期运行及维护要求，同时可以通过缩短隧道穿越长度降低工程造价。