燃气管道在水平定向穿越设计时常见问题及对策探讨

2022-02-23黄俊岑

大科技 2022年7期

关键词：燃气管钻机钻头

黄俊岑

（重庆燃气设计研究院有限责任公司，重庆 400000）

0 引言

随着城市化进程的不断加速，燃气事业在城市化的进程中不断发展。做好燃气管道在水平定向穿越设计工作，关系到对能源结构的有效调整，促进了城市燃气工程建设的发展。本文就燃气管道在水平定向穿越设计时常见问题进行分析，并提出相应的对策。

1 燃气管道定向穿越设计要求

（1）穿越管段的位置应选择两侧场地宽敞、交通方便的地段，出、入土端外侧各预留保持不少于10m 的直管段。

（2）定向穿越设计应选择的地质条件为沙土、粉土、黏土、亚黏土。若跨越河流两岸出现相当厚的卵石层时，也可通过加套管、固结、开挖等有效措施以实现管道定向穿越。

（3）水平定向穿越通常采取弹性敷设，穿过管段曲率0.5 径既不得低于管子外径的1500 倍，也不能低于管子外径的1200 倍。

（4）水平定向铺设穿越管段的入地角宜为8°～18°，出土角宜为4°～12°，实际设计时应按照穿越宽度、管段的埋设深度和弹性敷设要求确定。

（5）在工程设计穿越管段的计算时，除应兼顾地质要求和洪水冲刷线深度外，还应确保在施工过程中不发生水泥外冒，最少埋深应超过工程设计的防洪冲击线下面6m 处。

（6）燃气管道在定向钻跨越水域时，贯穿管段至桥梁墩台冲刷槽边缘的间距不应低于10m，且不应影响到桥梁墩台的安全。

2 水平定向穿越技术概述

2.1 水平定向穿越系统的构成

城市燃气管道水平定向穿越系统，是由钻头、电动机、钻头方向调节装置、泥浆和钻机辅助装置等构成的，其中各组成单元的详细说明如下。

（1）钻机。钻机主要是用来实现燃气管道贯通流程中的钻进或者回拖流程。因为能适应各种作业的作业特点，规定采用的钻机具备调整转盘速度和朝向的能力。

（2）电机。发电机一般是用来为钻头供给动能。

（3）钻头方位控制装置。钻头方位控制装置一般是用来准确指引钻机的钻头走向。

（4）浆液。浆液一般是为钻机的建筑施工进行而提供的。

（5）钻机辅助工具装置。钻机辅助工具装置一般用来钻机的钻孔和扩孔的建筑施工过程。图1 为燃气管道水平定向穿越设备。

图1 燃气管道水平定向穿越设备

2.2 水平定向穿越技术的原理

燃气管线水平定向穿透工艺技术，是使用与地面成相应夹角的入射角，而由钻进地面的钻井装置在形成先导孔之后再按照施工的实际要求，调节先导孔的尺寸来敷设燃气管线的一项工艺技术。和传统的燃气管道横穿术比较，水平定向横穿术不需开展管沟挖掘的施作，通过使用具备钻掘和排土等功能的有关机械设备，就能够对燃气管道的水平敷设方式与施工条件进行合理的管理[1]。图2 为水平定向穿越技术。

图2 水平定向穿越技术

燃气管道水平定向贯通工程设计的基本建造原理包括：首先，通过引导孔的形成，使用带有引导功能的相关装置把钻头和钻杆沿着正确地走向引导到地面，以便形成引导孔。其次，通过使用从地面上接收到的来自于地下钻孔中产生的电磁信息来对钻孔的运动轨迹进行合理的监控，然后结合的实际施工需要，在水射流式、切割式和挤压式3 个成孔时间方法中，选取一个最恰当的时间方法实施地土中成孔作业。最后，燃气管道的敷设，在管道敷设施工前，必须先按照施工人员的实际需要在钻杆的顶部连接上一个高加工精度的钻头磨损，并通过它来扩大导孔的口径，然后再选择使用比导孔口径较小的方式敷设管道，并将其直接导入钻孔，从而进行了燃气管道的敷设，如图3 所示。

图3 燃气管道的敷设

2.3 水平定向穿透工艺技术的优点

和传统燃气管线的穿透技术相比，水平定向穿透工艺技术的优点主要表现在以下4 个方面：①建筑占用土地面积较小，并且对周围人类的生活和城市的交通环境影响比较小。②在工程中对建筑周围的环境污染影响较小，并且可以有效保护施工现场周围的绿地。③建筑施工测量精度可靠。④在工程中，所耗费的人员和财政资源都均较小，经济效益也比较显著。图4 为水平定向钻施工工艺流程。

图4 水平定向钻施工工艺流程

3 水平定向穿越设计施工说明

（1）水平定向横穿设计施工前的预备技术水平定向横穿设计施工前的工作，一般包括地下水已有燃气管道的检查和燃气管道材质的合理选择这两个方面：①地下水已有燃气管道的检查。燃气管道建设前期必须做的一个工作便是地下水已有燃气管道的检查，包括燃气管道线路方位的确认，并根据检查的最后结论来正确合理设计管道铺设现场施工的钻孔轨道。②燃气管道材质的选择。燃气管道材质的合理选择是水平定向横穿设计施工前的一个十分关键的工作，因为燃气管道材质的基本物理特性的优劣可以在较大程度上决定燃气管道的最后建设品质。其中，物理与化学性质都比较好的燃气管线材质多使用三重构造，依次为外覆盖层、内伞线镀层和焊口采热缩套层，三重构造的使用能够有效提高管材的物理性能[2]。

（2）水平定向穿越设计施工中的施工装备。水平定向穿越系统设计施工中的建设技术装备，一般涉及水平定向钻头的选用、施工设计技术参数的制定和地质勘察技术3 个方面的具体内容：①水平定向钻头的选用。在水平定向钻头的选用中，必须考虑的主要技术指标有钻头的最高力矩、最高给进力、最高回拖力。此外，该机的主体型式也有大、中和小型机之分，形式的选用也必须按照工程建设的实际需要来合理选用。②建筑施工设计参数的确认。待确认的建筑施工设计参数一般有曲率半径、钻近角、覆盖层的厚薄等。③地质勘察。对城市燃气管道敷设建筑的地质勘察，一般用于确认探孔的数量和探孔钻探的深浅。

（3）水平定向穿越设计施工中的关键技术。①水平定向横穿轨道的工程设计。水平定向横穿轨道的工程设计是水平定向横穿建筑设计施工过程中的重要核心环节，它对水平定向横穿建筑设计的建筑施工有重大的作用。②引导孔的工程设计。在工程设计导孔时，必须充分考虑钢管线路、管子材质、管线直径及其管子周围的地质情况等各种因素对导孔结构的影响程度。③回拖管道的浇筑。回拖管道施工完毕后的标记必须为成晶管直线，从钻头和扩孔装置之间的位置侧露出管线内即可。此外，回拖管道施工中还必须充分考虑钻头的扭力改变以及回拉力的改变等因素。

4 水平定向穿越设计常见问题及解决方法

水平定向贯通设计常见的问题及其处理方式主要反映在以下两个方面。

（1）为有效满足工作人员的使用需求，当前水平定向钻头的设计越来越大功率化，使得钻头的容积也越来越大，给工作人员带来了麻烦。为能有效处理这一问题，在设计时要充分考虑结合工地的需求及其工作人员的特点来选用科学合理的钻头规格[3]。

（2）在水平定向贯穿建设的流程中，因为施工现场的地理条件比较复杂，以至于在敷设管线时，极易发生对管线表层划伤的现象。为能很好地解决这一问题，要合理地加大水平导向孔的口径，这样才能很好地减少洞室对管线表层的损伤。

5 城市燃气管道水平定向施工穿越技术的应用要点

5.1 重视定向穿越轨迹设计

对城市管网水平定向穿越设计而言，穿越轨迹工程中的重要一个环节，也可以说对水平定向穿越技术的设计施工具有很大的指导作用，所以应该给予高度重视。

首先就是确认跨越岩层，尽管水平定向穿透技术所适合的岩层条件较多，但有的相对易于跨越有的则必须进行调整和完善后方能跨越，当然也有的岩层条件并不适于跨越，如存在大量孤岩、障碍物等的岩石地层，以及松散一致密沙砾层等，因此需要依据地质勘查报告确认合理的跨越断面，以避免因投资过高的技术成本，而取得非常低的跨越成功率。其次是确定入土角，通常过小的入土角会导致覆土深度较浅，但如果此时的地质比较疏松，很容易因钻头翘起而偏离预期的钻入土角；但过大的入土角度也会导致管线埋深增大，进而增加了施工困难，所以建议将入PE 管土角度限制在6°～30°左右，将管道的入土角度限制在20°以内，如为顺利拖管进洞，可采用4°～12°的出土角度。再者，为了确定曲率0.5 径，通常情况下，随着管子曲率0.5 径的增加，其受的弯曲应力越小，管子回拉摩擦力也就相应减小。如果采用的是PE 管子，最小曲率0.5 径应该等于125D（D 为管道外径），如果采用管子，则应该满足1200D＜最大曲率半径＜1500D，并且为了避免钻杆产生的疲劳破裂，其最大曲率0.5 径应该在等于1200 倍的钻杆外径的同时，不低于500 的PE 管子外径。最后就是考虑与地下既有管道的间距，因为水平定向穿越管线属于埋地管道，所以当其位于既有的地下管道上方时，应当与其保留0.6m 以上的垂直净距，当其位于下方时，则依据土层条件设定安全间距，当其与既有管线平行敷设时，在管径等于200mm 和低于200mm 的情形下，分别保留2 倍以上扩孔管径的净差和0.6m 以上的净差。

5.2 做好施工前的准备工作

做好充分的准备，可以为城市燃气管路水平定向贯通建设的成功作业起到助推作用，所以在开始建设前期就应该做到：首先测量城市地下的所有管路特别是燃气管道，以明确管路的具体位置，为管路钻孔轨迹的判断与优化奠定基本数据。其次注意管道材质的选用，由于城市燃气的功能特点，所以需要的管道材质必须具备优质、安全的物理性能，其中以三层结构应用效果比较好，如外覆盖层、伞线涂层和焊口才热缩套层，都能够很好地符合管路功能特点。再次施工装备的确定也非常关键，如钻头型号、技术指标的对比与分析（包括最高给劲力、最高扭力、最大回拖力），型号可以按照实际需求选用小、中和大钻机。最后注重于城市燃气管道建设的地质勘察，从而更精确地决定探孔的数量和钻孔深浅，同时根据相关勘察测量数据和综合数据分析，制定最佳的钻孔角、曲率0.5 径、覆盖厚度等施工参数。

5.3 加强施工操作细节管理

此处提出的施工操作管理重点主要是指水平定向横穿技术的具体施工过程和要求，通常该流程包括了两个阶段：①按照穿越设计轨迹最大程度地确定钻取第一个导孔。②加工精度和管材回拉，具体包括了实地勘测、基础建设工法井开凿、轨道线设计导孔施工、预加工精度和清孔以及管道返拉，最后是检测井的砌筑，并在此阶段就其中的重要环节的施工细节加以分析。

对成孔的关键一导孔施工，首先调节钻头使之和导孔保持直同道线，再根据设计轨迹合理的调节钻头的倾角和入射深浅，然后按照规范安装钻杆、探头和造斜钻头磨损进行跟踪定向钻孔，其间要依据定向装置接收到的实际信号合理调节倾斜角度以达到正确导向轨迹需求，每隔4m 做定点调节并检测倾角、旋转和垂直深度，最大深度偏差可控制在50%之内。必须重视的是，首先应该做好在钻孔过程中的数据记录，以确定是否出现了回填土情况，并且做好对钻孔曲线与钻杆倾角的调节工作，使之达到所规定的设计范围，以高效地完成导向型钻孔施工，为后期的预扩钻孔工程打下了基础。针对预加工精度处理，需要工作人员仔细审核导向孔的施工质量，以确定其是否与原设计轨迹一致，在确保导向孔精准的基础上按照土质地层类型选定并配置适当的反扩钻头磨损，以用于回拉加工精度，并相应提高扩洞级数，如为黏质地层，加工精度时可选用刮刃剑钻头的磨损并利用清液形成自然造浆，以提高洞室的稳定性，若土质地层中有较大的含沙量，则宜选择优质水泥，并且在膨润土的影响下采用泥浆护壁，其间宜根据质地从小到大的先后顺序开始逐渐调整加工精度，在其满足敷管条件后方可停止。此外，在确定施工精度后应及时清孔，水泥配比一定要符合施工要求，并通过仪表变化确定孔内是否清理完毕，在确保满足管道敷设要求后将扩孔钻机的磨损处重新连接分动器，并在安装套管的状况下焊接外套筒，以保证孔隙泥浆充分，然后牵引回拉后重新敷设管线，在返拉过程中应小心调节钻机牵引力和转速，以避免管壁破损[4]。