城镇燃气管道定向钻穿越内河航道通航条件影响分析

孙建军，倪晓雯

（1.山东省交通规划设计院集团有限公司，山东 济南 250101；2.山东省建筑工程质量检验检测中心有限公司，山东 济南 250031）

随着城市建设快速发展，城市埋地燃气管道的规模越来越大，不可避免会遇到管道与航道交叉问题，燃气管道水平定向钻穿越技术是一种现代非开挖敷设管道的施工技术[1]，主要用于管道穿越河流、公路等。城镇燃气管道穿越内河航道时，其选址与布设方案不但决定着燃气管道本身的安全，而且对通航船舶的安全有着直接影响。

关于穿越航道的水下管道选址要求，《内河通航标准》[2]第5.3.1 条：穿越航道的水下电缆、管道、涵管和隧道等水下过河建筑物必须布设在远离滩险、港口和锚地的稳定河段。该规定对于安全间距仅做了定性要求，没给出定量标准。关于管道埋设要求，《内河通航标准》第5.3.2 条：在航道和可能通航的水域内布置水下过河建筑物，应埋置于河床内，其顶部设置深度，Ⅰ级～Ⅴ级航道不应小于远期规划航道底标高以下2m。如果仅遵照该条规定，可能会出现由于穿越管道覆土厚度不够而造成水平定向钻施工中冒浆或者穿越管道抗浮能力不足的风险，因此，为保证管道建设和运营安全，科学分析管道埋设影响因素、合理确定埋设方案极为重要。本文以桓台县某城镇燃气管道定向钻穿越小清河航道为例，从管道选址、河床极限冲刷深度、船舶应急抛锚贯入深度、管道埋设方案等方面，阐述了城镇燃气管道定向钻穿越内河航道的选址要求、最小埋设深度及出入土点位置要求等，以减少管道对航道通航条件的影响。

1 工程概况

桓台县某城镇燃气管道采用定向钻方式穿越小清河航道，下距岔河大桥111m，管道穿越长度1000m，管道规格为D323×6.4mm，采用直缝高频电阻焊钢管，入土角13°，出土角，定向钻曲率半径1500D。依据《山东省内河航道与港口布局规划》[3]，小清河规划等级为Ⅲ级，穿越处航道设计底宽45m，设计水深3.92m，护岸坡度1∶2.5。

2 选址符合性论证

关于水下管道穿越航道的选址要求，《内河通航标准》第5.3.1 条对于安全间距仅做了定性要求，没给出定量标准。由于城镇燃气管道属于危险品管道，一旦发生泄漏后果严重，因此，城镇燃气管道与相邻涉水设施的安全间距应从严控制，水平定向钻穿越航道时还应参照执行以下相关要求：

（1）《油气输送管道穿越工程设计规范》[4]第3.3.8条：水域穿越管段与港口、码头、水下建筑物之间的距离，当采用定向钻穿越、隧道穿越时不宜小于100m。

（2）《公路路线设计规范》[5]第12.5.8 条：输送有毒有害、易燃易爆物质的管线穿（跨）越河流时，管线距特大桥、大桥、中桥的距离，应不小于100m；距小桥的距离，应不小于50m。

该城镇燃气管道工程由于受两岸既有管线路由、村庄、道路、规划等因素影响，需从规划锚地与跨河桥梁之间穿过，最终管道选址距下游桥梁外缘111m，距上游规划锚地247m，所处河段河势稳定，最大程度避开了港口和锚地，与相邻涉水设施的安全间距满足要求，对航道条件基本没有影响。

3 最小埋深要求

《内河通航标准》第5.3.2 条：在航道和可能通航的水域内布置水下过河建筑物，应埋置于河床内，其顶部设置深度，Ⅰ级～Ⅴ级航道不应小于远期规划航道底标高以下2m。在此基础上，为确保城镇燃气管道安全，结合该管道选址位置、航道通航条件、定向钻施工特点等因素，尚应重点考虑以下核心因素影响：

（1）小清河作为地区重要的行洪河道，为保障河道行洪和管道安全，应考虑并合理计算河床的极限冲刷深度。

（2）管道上游即为规划锚地，船舶通航密度大，应在河道极限冲刷工况下，计算代表船型应急抛锚贯入深度。

（3）水平定向钻施工中，可能会出现由于穿越管道覆土厚度不够而造成冒浆或者穿越管道抗浮能力不足的风险。因此，水平定向钻穿越管道设计还应参照执行《油气输送管道穿越工程设计规范》第5.1.4 条规定，水域穿越管道管顶埋深应以河道洪水冲刷线标高和疏浚深度线标高较低者为基准，穿越管道的最小管顶埋深不宜小于6m。

3.1 河床极限冲刷深度

3.1.1 极限冲刷深度采用《堤防工程设计规范》[6]中平顺护岸冲刷深度计算公式进行计算

式中：hs为冲刷深度（m）；H0为冲刷处水深（m）；Ucp为近岸垂线平均流速（m/s）；为水流流速分配不均匀系数；U 为河道水流行进流速（m/s）；Uc为泥沙起动流速（m/s）；n 为与防护岸坡在平面上的形状有关，取1/4～1/6。

3.1.2 设计洪水

根据《油气输送管道穿越工程设计规范》中水域穿越工程等级与设计洪水划分规定，小清河穿越工程等级为中型穿越工程，设计洪水频率为50 年一遇，管道穿越处小清河干流50 年一遇洪水流量为620m³/s。

3.1.3 计算结果分析

表1 极限冲刷深度计算结果

3.2 船舶应急抛锚贯入深度

关于船舶应急抛锚贯入深度的研究，目前尚没有统一的计算方法。本研究利用经验算法、理论公式法和规范参考方法对比分析抛锚贯入深度。

3.2.1 经验算法

根据规划，本段航道通航船舶为1000 吨级货船，选取1000 吨级船舶所对应霍尔锚作为代表锚型。根据相关工程经验，锚的贯穿深度可以按锚爪长度的一定倍数进行预测[7]，贯穿深度与锚爪长度的比例在沙土及硬粘土中均为1，在泥、软淤泥及粘土中最小为3，最大为5。根据穿越处河道地质资料，河床以下主要为沙土及硬粘土，1000 吨级船舶锚爪长度为0.82m，则抛锚贯穿深度为0.82m。

3.2.2 理论公式法

理论公式采用Young 公式法计算锚的贯入深度[8]：

式中：D 为贯穿深度（m）；N 为物体的形状系数；S 为土壤系数；W 为物体的质量（kg）；V 为物体接触土壤时的速度（m/s）；A 为物体的横截面积（m2）。

根据式（3）计算得到锚贯入深度为0.42m。

3.2.3 参考算法

参考GB50217-2007《电力工程电缆设计规范》中对于通航水域海底电缆的埋设深度要求，锚入水底深度随锚质量变化的关系为：

式中：Y 为入水底深度（m）；X 为锚重（t）。

经计算，1000 吨级船舶抛锚贯穿深度为0.87m。

3.2.4 综合分析

综合经验算法、理论公式法、规范参考方法计算的结果，霍尔锚撞击河床后的贯入量，对比结果见表2：

表2 贯入量汇总

综上所述，从偏安全角度考虑，本管道穿越小清河航道最大冲刷位置处，船舶应急抛锚贯入深度最大值取0.87m。

4 埋设方案合理性分析

4.1 出入土点

根据《油气输送管道穿越工程设计规范》第3.3.9条：水平定向钻入土点、出土点及隧道竖井边缘距大堤坡脚的距离不宜小于50m。该管道入土点距小清河现状左（北）堤外堤脚距离为752m，出土点距小清河现状右（南）堤外堤脚距离为132m，均大于50m，满足规范要求。

4.2 埋设深度

考虑极限工况，河床极限冲刷深度和船舶应急抛锚贯入深度是管道埋设深度的核心控制因素，因此，设计管顶高程按照“规划航道底高程-河床极限冲刷深度-船舶应急抛锚贯入深度”进行控制。在极限工况条件下，管顶以上覆盖层厚度不应小于《内河通航标准》中的2m 要求。同时，为确保水平定向钻施工安全，防止施工中出现冒浆或者穿越管道抗浮能力不足的风险，河道洪水冲刷线以下管顶以上覆盖层厚度不宜小于6m。

考虑河床极限冲刷、船舶应急抛锚、施工安全等因素后，在航道和可能通航的水域范围内，管顶以上覆盖层厚度能够满足通航要求，见表3。

表3 管道埋设深度

5 结论和建议

（1）水平定向钻施工中，可能会出现由于穿越管道覆土厚度不够而造成冒浆或者穿越管道抗浮能力不足的风险，因此，除满足《内河通航标准》要求外，还应参照执行《油气输送管道穿越工程设计规范》相关规定。

（2）为确保管道及船舶航行安全，管道建设单位应设置导助航设施及安全警示标志等，并配套建设必要的维护及安全保障设施。