张炜

北京中航油工程建设有限公司 北京 100012

在承接某机场新建航煤输油管道设计任务时，发现拟建航煤输油管道先后穿越海域及机场跑道，在综合考虑设计规范、施工难度、运营风险和管道完整性等因素后，水平定向钻成为工程实施的唯一可行的穿越方式。由于此区域地质条件复杂，需要躲避的自然障碍物和人为障碍物较多，定向钻曲线的设计需要考虑的问题很多，难度极大。

1 项目简介

某机场作为华南地区的重要国际机场，年旅客吞吐量约为700万人次，货邮吞吐量约为3.5万吨。该机场航站楼及停机坪在陆地区域建设，跑道和平行滑行道在填海而成的人工岛上建设。停机坪与人工岛之间依靠南、北两座滑行道桥连接。机场中转油库位于机场南侧三公里左右，机场油库位于机场停机坪区域。机场油库与中转油库之间通过现状DN200输油管线连接。由于现状输油管线与此区域内拟建的某重要设施冲突，需要另选路由新建航煤输油管线。新建航煤输油管道起点为中转油库，终点为机场油库，管道全长6000m,管径DN200，设计压力1.6MPa。管道自中转油库引出后，采用定向钻方式穿越海域及机场跑道，在跑道东侧出土后沿跑道向北直埋敷设，加盖板穿越跑道端头后采用挂北滑行道桥的方式再次穿越海域进入停机坪，并最终回到机场油库。航煤输油管道自中转油库引出至机场跑道东侧出土一段，是整个管道线路设计中难度最大的一段。由于机场跑道无法关闭，不能采用开挖直埋方式施工。由于机场跑道周边不能布置显著高出地面的设施设备，盾构法无法采用。此段穿越长度约为800m,其中约500m在航道下敷设，不具备设置顶管中继坑的条件，因此也无法采用顶管法进行施工。综合考虑上述限制因素，水平定向钻是唯一可行的穿越方式[1]。

2 设计过程

通过对地勘资料和周边人工障碍物进行分析，定向钻空间曲线设计需要考虑如下因素：

2.1 海底管道埋设深度

定向钻区域平均海床高度为-4m，由于此区域为较为繁忙的航道，为了避免管道受到抛锚等第三方因素的破坏，海底管道的埋设深度不应小于-7m。根据地质勘查报告，此海域-6m至-10m之间为粉质黏土，定向钻成孔条件较好，但零星分布有填海造陆时抛下的扭王字型抛石，查阅填海造陆图纸得知，抛石为钢筋混凝土结构，导向头无法通过。在-10m至-21m之间为中砂层，透水性较好，无法形成泥浆通道。综合考虑上述三个情况，确定海底管道的埋设深度不小于-23m。

2.2 跑道下管道埋设深度

理论上讲，跑道下管道的埋设深度越大，施工过程中和完工后对于跑道的影响就越小。但过大的穿越深度不仅会造成定向钻导向过程中的定位困难，还会显著增加定向钻长度和工程投资。定向钻对于跑道安全运营的主要不利影响是完工后孔洞塌陷引发的地表下降和施工过程中泥浆压力过高造成的地表隆起。为此，使用Plaxis软件对定向钻穿越孔洞进行分析，发现在穿越深度大于-20m时，由于拱效应，定向钻施工对于跑道不会产生任何明显的沉降。但为了避免泥浆超压带来的地表隆起，定向钻施工过程中的泥浆压力不应大于190kPa。因此确定跑道下管道的埋设深度与海底段一致，均为-23m。

2.3 入土角和出土角的选择

考虑钻机摆放空间和人员进出的便利性，确定中转油库一侧为定向钻入土端，机场岛一侧为定向钻出土端。由于中转油库护岸也是抛石结构，为了尽可能避免遇到抛石，需要以较大的角度尽快通过抛石区，为此，选择11°这一较大的入土角，弹性敷设曲率半径为330m，并且在入土端将钻机下沉2.6m。由于定向钻水平段埋设深度较大，为了尽量缩短定向钻长度，控制工程投资，出土角确定为10°，弹性敷设曲率半径为600m。

2.4 出土端弹性敷设布管

考虑到回拖管道预制场地需要与机场跑道保持足够的安全距离，回拖管道无法直线布管，只能布置在一个曲率半径为600D的圆弧上。为了验证这一弹性布管方式在回拖过程中是否会损伤管道外防腐层及焊口，定向钻施工前进行了弹性布管和回拖专项试验，证明这一布管模式不会对管道安全造成不利影响。

3 施工中采取的技术措施

3.1 磁靶控向设备的选用

定向钻导向过程中，在钻头从机场岛护岸下的密集抛石区下方通过时，受到抛石中钢筋网的影响，以及机场跑道导航系统的电子干扰，定向钻采用的P2控向设备信号衰减严重，多次丢失导向头位置坐标，造成停工。为此紧急购买磁靶控向设备，并在抛石区及跑道周边布设磁靶，并在机场跑道停航关闭后进行导向施工，最大限度的提高了信号的强度，从而保证了导向的准确性。

3.2 技术套管的使用

在入土端扩孔过程中发现，入土点周边的地质情况极为复杂，岩性变化剧烈且裂隙极多，泥浆压力保持困难。结合地勘资料认为管道进入了抛石区及杂填区域内。为了保证泥浆压力并避免漏失泥浆对环境造成污染，从入土端夯进DN400技术套管168m，顺利通过地质条件复杂段。

4 结论与建议

2018年12月29日，新建航煤输油管道顺利进油，证明在海底及跑道下进行定向钻施工是完全可行的。在进行此类定向钻设计时，首先应根据地勘资料和土力学计算确定水平段管道的最小埋设深度，再根据地下障碍物的情况确定水平段的埋设深度。出入土角度和曲率半径需要综合考虑定向钻长度、出入土点的位置和地下地面障碍物的情况。对于埋设深度较大或信号干扰较为严重的定向钻，应选择高质量的有源导向设备进行导向，或者在信号干扰较弱的时候进行导向作业。对于地质条件复杂的地段，或者是泥浆漏失严重的地段，可以通过技术套管方式来保证泥浆压力。